CN110162860A - 一种星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明及一种星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法，包括测量系统为研究对象，以最终待测物理量作为评估对象，研究整体传感测量系统在三种不同温度下的性能退化曲线，并进行数值拟合，进一步通过外推得到光纤光栅应变传感系统在某温度下的寿命。本发明的有益效果是在保证寿命可靠预测的前提下，避开了过程因素的影响，可操作性强、准确性高，这对星上光纤光栅应变传感器及其具有类似超长寿命需求的器件的寿命推测具有一定的借鉴意义。

Description

一种星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法。

背景技术

对于长寿命卫星、空间站等航天器来说，往往在轨工作时间长，对其舱体的设计以及舱体监测用传感器都有长寿命的要求。例如空间站，设计寿命达到15年以上，所以对其舱体进行应变等物理量监测的光纤光栅传感器同样需要15年以上的使用寿命。

光纤光栅应变传感器一般通过胶粘剂粘贴在航天器舱体上，可以避免焊接、螺装等其它安装方式对舱体结构的损伤问题，舱体的形变依次通过胶粘剂、传感器基底、玻璃焊料、光纤涂覆层传递到光纤光栅传感器的纤芯上，引起纤芯内光信号的变化，然后通过信号解调系统解调出光信号的变化，进而得到舱体的应变信息。

通过对“胶粘式光纤光栅应变传感器超长寿命预测方法”进行调研，发现国标、国军标、美国海军标准、美国材料与实验协会标准、美国国家公路与运输协会标准及国内外文献资料等，只给出了单只光纤光栅传感器作为独立器件的寿命分析方法以及借助Pow-Law模型、Aging curve模型、对数模型、Raint-Poumellec模型等来揭示温度作用下的光纤光栅的寿命特征，均未给出光纤光栅应变传感器在实际测量中，尤其是以胶粘方式与待测对象组成系统后的寿命预测方法。

之所以不以单只光纤光栅传感器作为研究对象，是因为组成系统后会引入胶粘剂的应变传递效应，带来新的影响，仅仅通过光纤光栅传感器本身的光学特性改变并不能准确评估测量系统的使用寿命。

因此，需要发明一种可行的、针对测量系统的光纤传感寿命预测方法，这将对评估胶粘式光纤光栅应变传感器的长时间可靠、有效测量，进而保证准确获取舱体的安全状态信息具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法，目的是将光纤光栅应变测量系统作为研究对象，以最终待测物理量“应变”作为评估对象，从系统的角度分析寿命问题，避免了将传感器作为单独器件进行寿命分析的不全面性。同时，粘贴用胶粘剂的应变传递效应会对测量系统带来新的影响，它在寿命预测中占据的份额无法定量评估。

本发明的技术方案为：

一种星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法，主要包括以下步骤，

步骤1、搭建应变测量系统；

将单只光纤光栅应变传感器通过胶粘剂粘贴在标准梁上，在标准梁上依次增加砝码，使标准梁拉伸，带动光纤光栅应变传感器产生应变，直到光纤光栅应变传感器达到实际工作环境下的最大发生应变值，此时记为初始时刻t₀；

步骤2、实验、数据采集处理；

假设光纤光栅应变传感器实际工作环境温度为T₀，至少准备同一批次的光纤光栅应变传感器3只，每只传感器分别按照步骤1中的方法搭建应变测量系统，每套应变测量系统放置在不同恒温箱中，光纤光栅应变传感器通过传导光纤与温箱外的解调系统相连，实时读取光纤光栅应变传感器的波长值，通过波长变化量，换算应变值，进而得到应变变化百分比随时间的变化；

步骤3、数据拟合外推；

通过应变变化百分比与时间关系的拟合得到不同温度下的性能变化常数β；对性能变化常数β与温度T进行数据拟合，进而得到实际工作温度T₀下的性能变化常数β_T0，根据寿命极限下的应变变化百分比，反推光纤光栅应变传感器在实际工作温度T₀下的寿命预测时间tT0。

基于上述方案，本发明还做出了如下改进：

进一步地，步骤2中，所述光纤光栅应变传感器为3只，温箱温度分别为T₀+10℃、T₀+20℃、T₀+30℃，记录周期为每6天记一次，测量总时间为5个月，共可记录25组数据。

进一步地，步骤3中的具体计算过程为，

步骤3.1，通过波长变化量Δλ_im，求出应变值a_im；

令t₀时，第i个保温箱中光纤光栅应变传感器初始波长值为λ_i0，第i个保温箱中光纤光栅应变传感器第m组记录波长值为λ_im，则光纤光栅应变传感器测得波长值的变化量可以表示为：

Δλ_im＝λ_im-λ_i0 (1)

应变值a_im与波长变化量Δλ_im的换算关系为：

a_im＝Δλ_im/k (2)

式中，k为应变灵敏度系数，每个光纤光栅应变传感器的k为恒定已知常数，实验前都已测量；

步骤3.2，数据拟合得到光纤光栅应变传感器在实际工作温度T₀下的性能变化常数β_T0；

定义：应变变化百分比γ与实验时间t的关系表示为

γ＝αe^-βt (3)

式中，γ为相对于初始时刻t₀时的应变变化百分比，β为与温度有关的性能变化常数；α为常数；通过实验得到25组γ与t的数据，经过数据拟合，可获得表达式中的α值和β值，进而得到γ与t的表达式；

实验在三个温度下进行，于是得到了三个温度T₀+10_℃、T₀+20℃和T₀+30℃下的三个β_T0+10℃、β_T0+20℃和β_T0+30℃值；对β与T进行拟合，得到β与T的关系式，进而得到光纤光栅应变传感器在实际工作温度T₀下的性能变化常数β_T0；

步骤3.3，计算光纤光栅应变传感器在实际工作温度T₀下的寿命预测时间t_T0；

在公式(3)的表达式中，带入光纤光栅应变传感器寿命极限时的寿命极限值γ_寿命极限，可得到在温度T₀+30℃下的寿命时间t_T0+30℃；

由公式(3)可知，

带入上述已求的β_T0、β_T0+30℃和t_T0+30℃，便可得到光纤光栅应变传感器在实际工作温度T₀下的寿命预测时间t_T0。

进一步地，所述光纤光栅应变传感器包括金属基底、玻璃焊料、涂覆层、包层和纤芯。

本发明的有益效果：

(1)将光纤光栅应变测量系统作为研究对象，以最终待测物理量“应变”作为评估对象，从系统的角度分析寿命问题，避免了将传感器作为单独器件进行寿命分析的不全面性。同时，粘贴用胶粘剂的应变传递效应会对测量系统带来新的影响，它在寿命预测中占据的份额无法定量评估。本发明在保证寿命可靠预测的前提下，避开了过程因素的影响，可操作性强、准确性高，这对星上光纤光栅应变传感器及其具有类似超长寿命需求的器件的寿命推测具有一定的借鉴意义。

(2)该发明不需要超长时间实验即可推测出测量系统的寿命。在寿命预测模型建立中，只需要在高于实际工作温度10℃、20℃、30℃的三个温度点分别进行实验，而且每个温度点的寿命退化曲线不需要做到传感器的完全失效点，只需要通过实验完成退化趋势的测量即可，在要求的置信度范围内，可以预测到后续失效点的趋势，进而通过拟合计算，得到所需温度下光纤光栅应变传感器的使用寿命，实验时间短，预测准确性高，可实施性强。

附图说明

图1为超长寿命预测的实验和数据拟合外推的全流程图；

图2为星用光纤光栅应变传感器在航天器上的安装结构图；

图3为光纤光栅应变传感器结构设计图；

图4为应变从舱体到纤芯的多层结构传递图；

图5为光纤光栅应变传感器寿命评估测量系统；

图6为光纤应变测量系统性能退化Lnγ与时间的拟合曲线；

图7为性能变化常数与温度的拟合曲线。

图中；1、航天器舱壁；2、光纤光栅应变传感器；3、粘胶区；21、纤芯；22、涂覆层；23、玻璃焊料；24、基底；4、粘胶剂。

具体实施方式

如图1所示，一种星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法，主要包括搭建光纤光栅应变传感器应变测试系统，至少采用3套应变测试系统，每套应变测试系统对应一个保温箱，每个保温箱温度不同、且保温箱的温度高于光纤应变传感器实际工作环境温度，同步进行实验；监测应变传感器波长测量值λ_im随时间的变化，换算到应变变化量Δλ_im随时间的变化，进一步得到应变变化百分比随时间的变化；通过百分比拟合得到三个温度下的性能变化常数β；拟合得到性能变化常数与温度的关系式，β与1/T满足负指数关系，通过β与T的关系式得到实际工作温度T₀下的性能变化常数β_T0，根据寿命极限下的性能指标γ_寿命极限，反推寿命时间。本实施例中，采用了三个温度点进行实验，温箱温度分别为T₀+10℃、T₀+20℃、T₀+30℃，记录周期为每6天记一次，测量总时间为5个月，共可记录25组数据。但本技术方案不局限于三个温度点，记录周期与测量时间可根据具体需求进行设定，数据越多数据拟合精度越高。

如图2所示，空间站等航天器舱壁1多为圆柱状结构，圆柱面上布局加强筋结构，用来提高舱壁强度。航天器在交会对接、充泄压、碎片撞击等过程中，舱体会产生不同程度的应变，光纤光栅应变传感器2以胶粘的方式固定在筋格内，并以周向和轴向两种方向粘贴，来实时测量舱体周向和轴向两个方向的应变。

如图3所示，光纤光栅应变传感器背面深色区域为胶粘区域，在胶粘区域涂胶，然后通过粘贴工装将传感器张贴在航天器舱体上。

图4中，光纤光栅应变传感器通过胶粘的方式将带金属基底的传感器粘贴在航天器舱体上，舱体应变依次通过胶粘剂4、金属基底24、玻璃焊料23、涂覆层22到达纤芯21；应变传递各个介质层的厚度依次是胶粘剂0.05mm、金属基底0.63mm、玻璃焊料0.05mm和涂覆层0.013mm。

图5中，光纤光栅应变传感器以胶粘的方式粘贴在等强度梁上，等强度梁上挂有产生最大应变的砝码，整个光纤传感测量系统分别放置在三个不同温度的恒温箱中，每个温箱独立，且同时进行测量。光纤传感测量系统通过传导光纤连接到恒温箱外的光纤光栅解调仪上，用以解调光纤光栅应变传感器的光信号，计算机的上位机软件控制解调仪执行不同的采集指令，实现信号的实时采集，最终获取三只传感器在三个温度下随时间变化的应变值。

图6为光纤应变测量系统性能退化Lnγ与时间的拟合曲线。数据获取过程详见上文。

以空间站工作环境温度25℃，实验温度35℃、45℃和55℃为例。在55℃下，光纤光栅应变传感器波长变化量与时间关系的原始数据如表1所示。

表1不同时间下光纤光栅应变传感器波长变化量记录表

时间(天)	波长变化量(nm)
		0	0.0078
6	0.0079
		12	0.0079
18	0.0082
		24	0.0082
30	0.0082
		36	0.0087
42	0.0089
		48	0.0090
54	0.0091
		60	0.0092
66	0.0096
		72	0.0098
78	0.0097
		84	0.0101
90	0.0107
		96	0.0108
102	0.0111
		108	0.0117
114	0.0120
		120	0.0121
126	0.0123
		132	0.0126
138	0.0130
		144	0.0134

光纤光栅应变传感器应变和波长变化量的关系为：应变＝波长变化量/应变灵敏度系数，如公式(2)所示。

此处使用的光纤光栅应变传感器的灵敏度系数为0.768pm/με，于是，可得光纤光栅应变传感器应变改变量随时间的变化情况，如表2所示。

表2不同时间下光纤光栅应变传感器应变变化量数据表

于是，可得不同时刻下，应变相对初始时刻的变化百分比，如表3所示。

表3不同时刻下光纤应变传感器应变变化百分比

时间(天)	应变变化百分比γ
		0	0.543％
6	0.548％
		12	0.549％
18	0.572％
		24	0.573％
30	0.567％
		36	0.603％
42	0.621％
		48	0.628％
54	0.632％
		60	0.643％
66	0.666％
		72	0.685％
78	0.675％
		84	0.704％
90	0.747％
		96	0.753％
102	0.771％
		108	0.816％
114	0.836％
		120	0.841％
126	0.853％
		132	0.874％
138	0.905％
		144	0.935％

对表3数据进行拟合，如图5所示。拟合后可得曲线方程为：

γ＝0.0052e^0.004t (5)

即β_55℃＝4×10^-3，同理，得到β_45℃＝2×10^-3，β_35℃＝6×10^-4。

图7为性能变化常数与温度的拟合曲线。β与1/T满足负指数关系，通过拟合得到β与T的关系式：

β＝2.65×10¹⁰×e^-9607/T (6)

带入T＝298K(即25℃)，可得β_25℃＝3×10^-4。

在空间站光纤测量系统中，光纤光栅应变传感器的寿命极限的设定值是γ＝5％。带入公式(5)，可得t_55℃＝554(天)，即在55℃下，传感器寿命预测为554天。

将t_55℃、β_55℃、β_25℃带入公式(4)可得，t_25℃＝7389(天)＝20.2年，即光纤光栅应变传感器在25℃工作温度下的寿命预测为20.2年。

Claims (4)

1.一种星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法，其特征在于：主要包括以下步骤，

步骤1、搭建应变测量系统；

将单只光纤光栅应变传感器通过胶粘剂粘贴在标准梁上，在标准梁上依次增加砝码，使标准梁拉伸，带动光纤光栅应变传感器产生应变，直到光纤光栅应变传感器达到实际工作环境下的最大发生应变值，此时记为初始时刻t₀；

步骤2、实验、数据采集处理；

假设光纤光栅应变传感器实际工作环境温度为T₀，至少准备同一批次的光纤光栅应变传感器3只，每只传感器分别按照步骤1中的方法搭建应变测量系统，每套应变测量系统放置在不同恒温箱中，光纤光栅应变传感器通过传导光纤与温箱外的解调系统相连，实时读取光纤光栅应变传感器的波长值，通过波长变化量，换算应变值，进而得到应变变化百分比随时间的变化；

步骤3、数据拟合外推；

通过应变变化百分比与时间关系的拟合得到不同温度下的性能变化常数β；对性能变化常数β与温度T进行数据拟合，进而得到实际工作温度T₀下的性能变化常数β_T0，根据寿命极限下的应变变化百分比，反推光纤光栅应变传感器在实际工作温度T₀下的寿命预测时间t_T0。

2.根据权利要求1所述的星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法，其特征在于：步骤2中，所述光纤光栅应变传感器为3只，温箱温度分别为T₀+10℃、T₀+20℃、T₀+30℃，记录周期为每6天记一次，测量总时间为5个月，共可记录25组数据。

3.根据权利要求1或2所述的星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法，其特征在于：步骤3中的具体计算过程为，

步骤3.1，通过波长变化量Δλ_im，求出应变值a_im；得到应变变化百分比随时间的变化；

令t₀时，第i个保温箱中光纤光栅应变传感器初始波长值为λ_i0，第i个保温箱中光纤光栅应变传感器第m组记录波长值为λ_im，则光纤光栅应变传感器测得波长值的变化量可以表示为：

Δλ_im＝λ_im-λ_i0 (1)

应变值a_im与波长变化量Δλ_im的换算关系为：

a_im＝Δλ_im/k (2)

式中，k为应变灵敏度系数，每个光纤光栅应变传感器的k为恒定已知常数，实验前都已测量；

步骤3.2，数据拟合得到光纤光栅应变传感器在实际工作温度T₀下的性能变化常数β_T0；

定义：应变变化百分比γ与实验时间t的关系表示为

γ＝αe^-βt (3)

式中，γ为相对于初始时刻t₀时的应变变化百分比，β为与温度有关的性能变化常数；α为常数；通过实验得到25组γ与t的数据，经过数据拟合，可获得表达式中的α值和β值，进而得到γ与t的表达式；

实验在三个温度下进行，于是得到了三个温度T₀+10℃、T₀+20℃和T₀+30℃下的三个β_T0+10℃、β_T0+20℃和β_T0+30℃值；对β与T进行拟合，得到β与T的关系式，进而得到光纤光栅应变传感器在实际工作温度T₀下的性能变化常数β_T0；

步骤3.3，计算光纤光栅应变传感器在实际工作温度T₀下的寿命预测时间t_T0；

在公式(3)的表达式中，带入光纤光栅应变传感器寿命极限时的寿命极限值γ_寿命极限，可得到在温度T₀+30℃下的寿命时间t_T0+30℃；

由公式(3)可知，

带入上述已求的β_T0、β_T0+30℃和t_T0+30℃，便可得到光纤光栅应变传感器在实际工作温度T₀下的寿命预测时间t_T0。

4.根据权利要求1所述的星用光纤光栅应变传感器在轨超长寿命预测方法，其特征在于：所述光纤光栅应变传感器包括金属基底、玻璃焊料、涂覆层、包层和纤芯。