CN108225720A - 光纤气动力测量天平及光纤应变计安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于高超声速低密度风洞的光纤气动力测量天平及光纤应变计的安装方法，本发明通过在光纤气动力测量天平测量梁上设计光纤F‑P应变计安装定位用的圆弧沟槽，可有效解决因光纤F‑P应变计尺寸小导致的应变计安装强度不高，安装位置易偏移的问题，确保了光纤F‑P应变计的安装质量；通过在光纤气动力测量天平结构本体上设计可供各光纤应变计引出光纤敷设的孔、槽，可有效解决光纤应变计引出线敷设困难的难题；建立的光纤F‑P应变计胶粘安装工艺，可确保光纤应变计的安装质量，提高光纤天平的静态性能，满足先进航天飞行器模型高超声速低密度风洞气动力测量精度的要求。

Description

光纤气动力测量天平及光纤应变计安装方法

技术领域

本发明属于航空航天测力试验技术领域，具体涉及一种风洞试验模型气动力测量天平，特别涉及一种应用于高超声速低密度风洞的光纤气动力测量天平及光纤应变计安装工艺。

背景技术

高超声速低密度风洞是研究稀薄气体动力学的一种工具，也是模拟航天器高空、高速飞行状态的一种地面试验设备。在该风洞中，可进行诸如导弹、诱饵、卫星和飞船返回舱等航天器模型的气动特性试验。

随着我国航天技术的发展，对各种航天飞行器模型的气动力精细测量提出了越来越高的要求。在高超声速低密度风洞中开展模型气动力试验时，通常采取电阻应变天平实现试验模型的气动力、力矩测量，但由于高超声速低密度风洞试验气流总温高，必将对电阻应变式天平的输出造成很严重的温度干扰，且这种温度干扰是随气流总温的升高和模型滞留热气流中的时间增长而非线性的增加，直接影响到试验数据的可靠性，且难以准确修正。光纤气动力测量天平是近几年新发展起来的一种气动力测量天平，它是将光纤应变计安装在气动力测量天平各测量梁上作为天平感受气动力载荷的敏感元件，通过解调仪获取其光谱信号并送入计算机进行处理和运算，获得各光纤应变计对应的相位/波长输出值，并对其相位/波长输出值进行组合来确定光纤气动力测量天平各分量的输出值。光纤应变计具有灵敏度高、响应快、可靠性好、抗电磁干扰、耐腐蚀、能在高温环境中正常工作等优点，是一种理想的传感测试敏感元件。

目前电阻应变天平所采用的电阻应变计绝大部分为箔式电阻应变计，其基底为有一定尺寸的有机树脂材料，有一套成熟的安装工艺，且由于箔式电阻应变计安装面较大，其引出线为金属导线(漆包线)，可以随意弯曲而不影响其输出信号，其安装、引出线敷设和信号引出对天平结构没有特殊要求，故测量天平在结构设计上只简单地开设走线槽。光纤应变计为一种新型的传感测试元件，其外形为的光纤，没有成熟可靠的安装工艺，而光纤应变计安装质量的好坏，是决定光纤天平应变测试成功与否的关键因素之一。由于光纤应变计外形尺寸非常小，且安装面为圆弧形，加上其引出线为裸光纤，其柔韧性和抗弯折能力较差，无损耗弯曲半径不小于5mm，使得其安装和引出线敷设难度较大，安装过程中容易安装不牢或安装位置不正，从而严重影响了光纤天平的性能。为了使光纤应变计能正确地反映天平元件在所测载荷作用下产生的应变，提高光纤天平在高超声速低密度风洞中的测试精度，一方面需对光纤天平结构进行改进，使其能更有利于光纤应变计的安装和信号线的敷设，另一方面需建立一套规范的光纤应变计安装方法。

发明内容

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种应用于高超声速低密度风洞的光纤气动力测量天平，包括：

天平主体，其上依次设置有模型连接端、第一组合测量元件、轴向力测量元件、第二组合测量元件、支杆和支架连接端；

所述轴向力测量元件的测量梁上设置有用于安装光纤应变计的第一圆弧形沟槽；

所述第一组合测量元件和第二组合测量元件的测量梁上设置有用于安装光纤应变计的第二圆弧形沟槽；

所述轴向力测量元件的上下框体上各设置有一个纵向走线槽；所述轴向力测量元件靠近模型连接端的端面上设置有两个第一斜孔Ⅰ，所述两个第一斜孔Ⅰ的一端分别与纵向走线槽相通，另一端与第一组合测量元件的测量梁上的第二圆弧形沟槽相通；所述轴向力测量元件靠近支杆的端面上设置有两个第一斜孔Ⅱ，所述两个第一斜孔Ⅱ的一端分别与纵向走线槽相通，另一端与第二组合测量元件的测量梁上的第二圆弧形沟槽相通；

所述轴向力测量元件的框体上设置有四个通孔，其分别位于轴向力测量元件两个测量梁的两侧；所述轴向力测量元件的上下框体上设置有四个斜槽；所述四个斜槽的一端与分别与四个通孔相通；另一端与纵向走线槽相通；所述支杆上均匀设置两个第二斜孔和支杆中心孔；所述两个第二斜孔的一端与第二组合测量元件的测量梁上的第二圆弧形沟槽相通，另一端与支杆中心孔相通；

优选的是，所述第一圆弧形沟槽和第二圆弧形沟槽的槽深均为0.1mm。

优选的是，所述第一组合测量元件和第二组合测量元件为为法向力、俯仰力矩组合测量元件。

优选的是，所述光纤应变计为光纤F-P应变计。

一种上述的光纤气动力测量天平中光纤应变计的安装方法，包括以下步骤：

步骤一、筛选频谱特性优良的光纤F-P应变计；对筛选好的光纤F-P应变计的线性度和灵敏度进行初步测试，选出一批线性度较好且灵敏度一致的光纤F-P应变计备用；

步骤二：用脱脂棉球蘸少量乙醇擦洗天平主体表面、测量梁表面、沟槽与孔，清除油污与残屑，直至脱脂棉不改变原有的洁白颜色为止；

步骤三：将光纤F-P应变计传感头置于天平测量梁第一圆弧形沟槽和第二圆弧形沟槽内，顺着引线方向用高温透明胶带将光纤引线初步固定在测量梁第一圆弧形沟槽和第二圆弧形沟槽内，用光纤蘸取少量高温应变胶涂在离光纤传感头顶部1mm处，并用光纤将其碾平，常温下静置半小时，待胶层干透后，放入高温炉中按固化程序进行固化；去掉引线上的高温透明胶带，顺着测量梁第一圆弧形沟槽和第二圆弧形沟槽方向拉引线以施加预应力，同时用高温透明胶带将光纤引线初步固定，然后用光纤蘸取少量高温应变胶涂在离光纤传感头后端1mm处，并用光纤将其碾平，常温下静置半小时，待胶层干透后，放入高温炉中按固化程序进行固化；

步骤四：检测安装后的每只光纤F-P应变计的频谱特性，对频谱特性差的光纤F-P应变计应进行更换，重复步骤一至步骤四；检测安装后的每只光纤F-P应变计的零点漂移、回零性和机械滞后等性能，对未达到要求的光纤F-P应变计进行更换，重复重复步骤一至步骤四。

优选的是，同一杆天平本体用的光纤F-P应变计的线性度应达0.9999、灵敏度系数的分散度应小于±1％。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)通过在光纤气动力测量天平测量梁上设计光纤F-P应变计安装定位用的圆弧沟槽，可有效解决因光纤F-P应变计尺寸小导致的应变计安装强度不高，安装位置易偏移的问题，确保了光纤F-P应变计的安装质量；

(2)通过在光纤气动力测量天平结构本体上设计可供各光纤应变计引出光纤敷设的孔、槽，可有效解决光纤应变计引出线敷设困难的难题；

(3)建立的光纤F-P应变计胶粘安装工艺，可确保光纤应变计的安装质量，提高光纤天平的静态性能，满足先进航天飞行器模型高超声速低密度风洞气动力测量精度的要求。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明所述光纤气动力测量天平的整体结构示意图；

图2为光纤F-P应变计结构示意图；

图3为本发明所述光纤气动力测量天平的结构示意图；

图4为图3中A向结构视图；

图5为图3中B-B剖面的示意图；

图6为图3中C-C剖面的示意图；

图7为本发明所述光纤气动力测量天平的一面结构示意图；

图8为本发明所述光纤气动力测量天平另一面的结构示意图；

图9为图7中B-B剖面的示意图；

图10为图7中C-C剖面的示意图；

图11为图8中A-A剖面的示意图.

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1～11一种应用于高超声速低密度风洞的光纤气动力测量天平，包括：天平主体，其上依次设置有模型连接端1、第一组合测量元件2、轴向力测量元件3、第二组合测量元件4、支杆5和支架连接端6；

高超声速低密度风洞光纤气动力测量天平的应变计采用的是基于激光加工的光纤F-P应变计，主要由单模光纤7、F-P空气腔8及单模光纤9组成，见图2，图中S为F-P腔的腔长，两粘结点之间的距离L为应变计的标距。它是采用157nm准分子激光微加工系统制作而成：157nm激光在一有高温涂覆层的单模光纤7的端面处刻蚀一约60微米的圆孔，刻蚀深度约40微米，并将刻蚀后的光纤7端面进行抛光处理，保证端面与轴线的垂直度要求；将端面加工有微孔的单模光纤7与端面切割并抛光处理好的另一单模光纤9用光纤熔接机熔接在一起形成F-P空气腔8，即制作成光纤F-P应变计。光纤F-P应变计有效尺寸

由于光纤F-P应变计尺寸小安装面为圆弧形，安装过程中容易安装强度不够或位置安装不正，从而严重影响了光纤天平的性能(安装强度低会使其蠕变和机械滞后等静态性能变差，位置安装偏会带来干扰)。为解决光纤F-P应变计在测量梁上安装困难的问题，在天平各测量梁安装光纤F-P应变计的表面上沿着中心线开设的圆弧形沟槽，槽开设方向为应变计安装方向，槽深0.1mm；具体为：所述轴向力测量元件3的测量梁301上设置有用于安装光纤应变计的第一圆弧形沟槽12,13；所述轴向力测量元件3的测量梁302上设置有用于安装光纤应变计的第一圆弧形沟槽14,15；所述第一圆弧形沟槽12,13,14,15顺着光纤应变计的安装方向开设；所述第一组合测量元件2的测量梁上设置有用于安装光纤应变计的第二圆弧形沟槽10,11；所述第二组合测量元件4的测量梁上设置有用于安装光纤应变计的第二圆弧形沟槽16,17；

光纤天平各分量的光纤应变计就顺着第一圆弧形沟槽和第二圆弧形沟槽方向进行安装，一方面光纤应变计的圆弧形表面刚好贴合圆弧沟槽，增大了安装面积，使得安装更加牢靠；另一方面安装时将光纤应变计置于圆弧沟槽中，圆弧沟槽很好的发挥定位导向作用，使得光纤应变计安装时位置不会发生偏移；

为解决引出线的敷设和引出难的问题，在不影响气动力测量天平刚度的情况下，顺着光纤应变计安装方向在气动力测量天平基体上设计出各种孔、槽，使光纤引出线在弯曲半径不大于5mm情况下能沿着孔、槽进行敷设并引出，

具体设置为：所述轴向力测量元件3的上下两框体上各设置有一个纵向走线槽18,19；所述轴向力测量元件3靠近模型连接端1的端面上设置有两个第一斜孔Ⅰ20,21，所述两个第一斜孔Ⅰ20，21的一端分别与纵向走线槽18,19的一端相通，另一端与第一组合测量元件2的测量梁上的第二圆弧形沟槽10,11相通；即第一斜孔Ⅰ20的一端与纵向走线槽18相通，另一端与第二圆弧形沟槽10相通，第一斜孔Ⅰ21的一端与纵向走线槽19相通，另一端与第二圆弧形沟槽11相通；所述轴向力测量元件3靠近支杆5的端面上设置有两个第一斜孔Ⅱ22,23，所述两个第一斜孔Ⅱ22，23的一端分别与纵向走线槽18,19的相通，另一端与第二组合测量元件4的测量梁上的第二圆弧形沟槽16,17相通；即第一斜孔Ⅱ22的一端与纵向走线槽18相通，另一端与第二圆弧形沟槽16相通，第一斜孔Ⅱ23的一端与纵向走线槽19相通，另一端与第二圆弧形沟槽17相通；

所述轴向力测量元件3的框体上设置有四个通孔24,25,26,27，其分别位于轴向力测量元件3两个测量梁301,302的两侧；所述轴向力测量元件3的上下框体上设置有四个斜槽34,35,36,37；所述四个斜槽34,35,36,37的一端与分别与四个通孔24,25,26,27相通；另一端与纵向走线槽18,19相通，即，通孔24,26位于测量梁301的两侧，通孔25,27位于测量梁302的两侧，斜槽34与通孔24相通，斜槽35与通孔25相通，斜槽36与通孔26相通，斜槽37与通孔27相通；

所述支杆5上均匀设置两个第二斜孔28,29和支杆中心孔30；所述两个第二斜孔28,29的一端与第二组合测量元件4的测量梁上的第二圆弧形沟槽16,17相通，另一端与支杆中心孔30相通；即，第二斜孔28的一端与第二组合测量元件4的测量梁上的第二圆弧形沟槽16相通，另一端与支杆中心孔30相通；第二斜孔29的一端与第二组合测量元件4的测量梁上的第二圆弧形沟槽17相通，另一端与支杆中心孔30相通；

经由上述设计后，第一组合测量元件2上的光纤F-P应变计通过定位安装在其表面上的第二圆弧形沟槽10、11内，其引出光纤则可以分别穿过第一斜孔Ⅰ20、21进入纵向走线槽18、19，然后经由第一斜孔Ⅱ22、23进行敷设，最后通过第二斜孔28、29进入支杆中心孔30而引出；轴向力测量梁301、302上的光纤F-P应变计通过定位安装在其表面上的第一圆弧形沟槽12、13、14、15内，其引出光纤可以分别沿通孔24、25、26、27和斜槽34,35,36,37进入纵向走线槽18、19，然后经由第一斜孔Ⅱ22、23进行敷设，最后通过第二斜孔28、29进入支杆中心孔30而引出；第二组合测量元件4上的光纤F-P应变计通过定位安装在其表面上的第二圆弧形沟槽16、17内，其引出光纤可以沿第二斜孔28、29敷设，经由支杆中心孔30而引出。

在上述技术方案中，所述第一圆弧形沟槽和第二圆弧形沟槽的槽深均为0.1mm。

实施例1：

一种上述的光纤气动力测量天平中光纤应变计的安装方法，包括以下步骤：

步骤一、光纤F-P应变计的准备：光纤F-P应变计的准备主要包括两道工序，一是对要安装的一批光纤F-P应变计进行筛选，选择频谱特性优良的光纤F-P应变计；二是对筛选好的光纤F-P应变计的线性度和灵敏度进行初步测试，选出一批线性度较好且灵敏度一致的光纤F-P应变计备用；同一杆天平主体用的光纤F-P应变计的线性度应达0.9999、灵敏度系数的分散度应小于±1％；

步骤二：用脱脂棉球蘸少量乙醇擦洗光纤天平主体表面、沟槽与孔，清除油污与残屑，重点擦洗天平测量梁表面和光纤F-P应变计安装定位槽(第一圆弧形沟槽、第二圆弧形沟槽)，直至脱脂棉不改变原有的洁白颜色为止；

步骤三：光纤F-P应变计安装：光纤F-P应变计的安装是整个过程中最关键的步骤，对最终的测试精度影响很大，具体方法是：将光纤F-P应变计传感头置于天平测量梁安装定位槽(第一圆弧形沟槽、第二圆弧形沟槽)内的安装位置，顺着引线方向用高温透明胶带将光纤引线初步固定在测量梁安装槽内，用光纤蘸取少量高温应变胶涂在离光纤传感头顶部1mm处，并用光纤将其碾平(注意：不要让胶水渗入到光纤应变计传感头上)，常温下静置半小时，待胶层干透后，放入高温炉中按固化程序进行固化；去掉引线上的高温透明胶带，顺着测量梁安装槽方向拉引线以施加预应力(采用特殊夹具)，同时用高温透明胶带将光纤引线初步固定，然后用光纤蘸取少量高温应变胶涂在离光纤传感头后端1mm处，并用光纤将其碾平(注意：不要让胶水渗入到光纤应变计传感头上)，常温下静置半小时，待胶层干透后，放入高温炉中按固化程序进行固化；

步骤四：光纤F-P应变计安装质量检查：①检测安装后的每只光纤F-P应变计的频谱特性，对频谱特性差的光纤F-P应变计应进行更换，重复步骤一至步骤四。②检测安装后的每只光纤F-P应变计的零点漂移、回零性和机械滞后等性能，对未达到要求的光纤F-P应变计进行更换，重复重复步骤一至步骤四。

采用上述设计方案及安装工艺对新结构的低密度风洞光纤天平进行了光纤应变计的安装和引出线的敷设，并对其零点漂移、迟滞等静态性能进行了测试，测试结果见表1、表2。表1为本发明的光纤天平各分量零载荷情况下30min内零点漂移情况，表2为本发明光纤天平加卸载阶梯载荷时，相同载荷点各分量输出差值的最大值(即迟滞)情况。从以上测试结果来看，光纤天平各分量的零点漂移、迟滞等静态性能较好，均小于满量程输出的0.3％，而现有技术中，采用在测量梁上不开槽的方式，直接将光纤应变计进行高温胶粘结的方式，其光纤天平各分量的零点漂移、迟滞等静态性能较差，均大于满量程输出的0.3％。

表3给出了本发明低密度风洞光纤天平静态校准的结果，表4给出了GJB2244-2011A“风洞应变天平规范”规定的天平静态校准性能指标，由表中可以看出低密度风洞光纤天平各分量静态校准的综合加载重复性和综合加载误差均达到了要求的合格指标，个别分量达到或接近先进指标。

由本发明低密度风洞光纤天平的零点漂移、迟滞、综合加载重复性、综合加载误差等静态性能指标(见表1～表4)可以看出，本发明有效地解决了因光纤应变计安装质量差和信号线敷设困难而影响气动力测量精度的问题。

表1低密度风洞光纤天平各分量的零点漂移(30min)

表2低密度风洞光纤天平各分量迟滞

表3低密度风洞光纤天平静态校准结果

表4风洞天平静态校准性能指标(摘自GJB2244-2011A“风洞应变天平规范”)

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种应用于高超声速低密度风洞的光纤气动力测量天平，其特征在于，包括：

天平主体，其上依次设置有模型连接端、第一组合测量元件、轴向力测量元件、第二组合测量元件、支杆和支架连接端；

所述轴向力测量元件的测量梁上设置有用于安装光纤应变计的第一圆弧形沟槽；

所述第一组合测量元件和第二组合测量元件的测量梁上设置有用于安装光纤应变计的第二圆弧形沟槽；

所述轴向力测量元件的上下框体上各设置有一个纵向走线槽；所述轴向力测量元件靠近模型连接端的端面上设置有两个第一斜孔Ⅰ，所述两个第一斜孔Ⅰ的一端分别与纵向走线槽相通，另一端与第一组合测量元件的测量梁上的第二圆弧形沟槽相通；所述轴向力测量元件靠近支杆的端面上设置有两个第一斜孔Ⅱ，所述两个第一斜孔Ⅱ的一端分别与纵向走线槽相通，另一端与第二组合测量元件的测量梁上的第二圆弧形沟槽相通；

所述轴向力测量元件的框体上设置有四个通孔，其分别位于轴向力测量元件两个测量梁的两侧；所述轴向力测量元件的上下框体上设置有四个斜槽；所述四个斜槽的一端与分别与四个通孔相通；另一端与纵向走线槽相通；

所述支杆上均匀设置两个第二斜孔和支杆中心孔；所述两个第二斜孔的一端与第二组合测量元件的测量梁上的第二圆弧形沟槽相通，另一端与支杆中心孔相通。

2.如权利要求1所述的应用于高超声速低密度风洞的光纤气动力测量天平，其特征在于，所述第一圆弧形沟槽和第二圆弧形沟槽的槽深均为0.1mm。

3.如权利要求1所述的应用于高超声速低密度风洞的光纤气动力测量天平，其特征在于，所述第一组合测量元件和第二组合测量元件为为法向力、俯仰力矩组合测量元件。

4.如权利要求1所述的应用于高超声速低密度风洞的光纤气动力测量天平，其特征在于，所述光纤应变计为光纤F-P应变计。

5.一种如权利要4所述的光纤气动力测量天平中光纤应变计的安装方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、筛选频谱特性优良的光纤F-P应变计；对筛选好的光纤F-P应变计的线性度和灵敏度进行初步测试，选出一批线性度较好且灵敏度一致的光纤F-P应变计备用；

步骤二：用脱脂棉球蘸少量乙醇擦洗天平主体表面、测量梁表面、沟槽与孔，清除油污与残屑，直至脱脂棉不改变原有的洁白颜色为止；

步骤三：将光纤F-P应变计传感头置于天平测量梁第一圆弧形沟槽和第二圆弧形沟槽内，顺着引线方向用高温透明胶带将光纤引线初步固定在测量梁第一圆弧形沟槽和第二圆弧形沟槽内，用光纤蘸取少量高温应变胶涂在离光纤传感头顶部1mm处，并用光纤将其碾平，常温下静置半小时，待胶层干透后，放入高温炉中按固化程序进行固化；去掉引线上的高温透明胶带，顺着测量梁第一圆弧形沟槽和第二圆弧形沟槽方向拉引线以施加预应力，同时用高温透明胶带将光纤引线初步固定，然后用光纤蘸取少量高温应变胶涂在离光纤传感头后端1mm处，并用光纤将其碾平，常温下静置半小时，待胶层干透后，放入高温炉中按固化程序进行固化；

步骤四：检测安装后的每只光纤F-P应变计的频谱特性，对频谱特性差的光纤F-P应变计应进行更换，重复步骤一至步骤四；检测安装后的每只光纤F-P应变计的零点漂移、回零性和机械滞后等性能，对未达到要求的光纤F-P应变计进行更换，重复重复步骤一至步骤四。

6.如权利要求5所述的光纤气动力测量天平中光纤应变计的安装方法，其特征在于，同一杆天平本体用的光纤F-P应变计的线性度应达0.9999、灵敏度系数的分散度应小于±1％。