CN110208273A - 一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法及装置 - Google Patents

一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法及装置，属测试测量技术领域。本发明采用光纤光栅传感器FBG进行裂纹监测，当裂纹扩展至光纤光栅处时，光纤光栅传感器FBG被试件拉断，通过光纤光栅传感器FBG布局结合检测到的光纤光栅传感器FBG数量和应变数值的变化判断裂纹是否扩展到光纤光栅传感器FBG安装位置；在扩展到光纤光栅传感器FBG布设位置之前，通过传感器所测应变变化估算裂纹扩展的位置。本发明的装置包含光光纤光栅传感器FBG、油箱内传输光纤、光纤密封接头、油箱外传输光纤、光纤光栅解调仪和计算机。本发明无需放油，能够在线或准在线监测，具有效率高、成本低、安全的优点。本发明尤其适用于现役老龄化扩展方向已知的飞机裂纹监测。

Description

一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种飞机油箱内结构裂纹监测方法及装置，尤其涉及采用光纤光栅传感器对油箱内结构裂纹扩展进行监测的方法及装置，特别适用于扩展方向已知的裂纹监测方法及装置，属测试测量技术领域。
背景技术
目前，我国有部分飞机已经达到或接近使用寿命，需要开展延寿工作。部分飞机在延寿过程中发现油箱内关键结构发生裂纹且裂纹扩展方向一致，且经试验验证裂纹长度在一定范围内不影响飞行安全，经适当修理措施后可以继续使用，为飞机使用方降低成本。由于裂纹结构处于油箱内部，因此迫切需要安全的裂纹扩展监测手段，以保证飞行安全。光纤光栅是一种光学传感器，可对结构的应变、温度等开展监测，具有体积小、重量轻、多点测量、耐腐蚀、寿命长、安全性高等特点，可实现对飞机结构裂纹扩展的位置进行监测。
光纤光栅(英文缩写为FBG)传感技术作为一种新兴的应变测量技术，具有寿命长、布线简洁、抗电磁干扰、结构灵巧等诸多优点，在结构寿命评估与监控技术中有广阔的应用前景。
光纤光栅测量原理为：光纤光栅(英文缩写为FBG)传感技术作为一种新兴的应变测量技术，具有寿命长、布线简洁、抗电磁干扰、结构灵巧等诸多优点，在结构寿命评估与监控技术中有广阔的应用前景。
发明内容
本发明公开的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法及装置要解决的技术问题是：采用光纤光栅传感器对油箱内结构裂纹扩展进行监测，无需放油，能够在线或准在线监测，具有效率高、成本低、安全的优点。本发明尤其适用于现役老龄化扩展方向已知的飞机裂纹监测。
本发明公开的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法，包括如下步骤：
步骤一：在裂纹扩展方向粘贴光纤光栅传感器(以下简称FBG)，并进行密封防护；
步骤二：将光纤光栅传感器通过光纤连接至光纤密封接头；
步骤三：通过油箱外光缆将光纤密封接头连接至光纤传感解调仪；
步骤四：开展机上联调试验、密封性检查和电磁兼容性试验；
步骤五：记录检测到光纤光栅传感器数量，记录解调仪波长，换算被测应变量；
步骤五实现方法为：
将被测应变量的变化转化为光纤光栅反射波中心波长的变化，测量出反射波中心波长的偏移量，并通过如公式(1)所示线性关系换算出光纤光栅所受应变的变化量，光纤光栅中心波长与被测应变量具有线性关系。
Δλ＝kΔε (1)
式(1)中：Δλ是反射光波的中心波长变化，Δε是被测对象应变的变化，k是光纤光栅传感器FBG的应变灵敏系数。
步骤六：结合检测到的光纤光栅传感器数量或波长变化，判断裂纹扩展位置。
步骤六实现方法为：
光纤光栅传感器(FBG)安装在裂纹扩展路径上，当裂纹逐渐扩展时，按以下三种基本情况处理：
情况1：当裂纹穿过油箱内传输光纤时，油箱内传输光纤被裂纹拉断，串联的光纤光栅传感器数量发生跳变，即原检测到的两支光纤光栅传感器FBG1和FBG2，当裂纹造成光纤断裂时，只能检测到光纤光栅传感器FBG2。
情况2：随着结构裂纹的扩展，光纤光栅感受到的结构应变会发生变化，因此通过对光纤光栅应变变化规律预估裂纹的扩展情况。
情况3：当裂纹扩展至光纤光栅处时，光纤光栅传感器被试件拉断，应变数值会发生突变，光纤光栅传感器按照裂纹的指定方向进行布局安装，通过FBG布局结合检测到的FBG数量和应变数值的变化判断裂纹是否扩展到FBG安装位置。
通过步骤一至步骤六，利用布贴在结构表面的FBG，监测到裂纹是否扩展到光纤光栅传感器所布位置，进而判断裂纹扩展的长度；同时，在扩展到光纤光栅传感器布设位置之前，通过FBG所测应变变化估算裂纹扩展的位置。
本发明还公开用于实现所述一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法的一种飞机油箱内结构裂纹检测装置，包含光光纤光栅传感器FBG、油箱内传输光纤、光纤密封接头、油箱外传输光纤、光纤光栅解调仪和计算机。在裂纹扩展的路径上，所述的光纤光栅传感器通过胶接与结构结合，当结构裂纹接近FBG所在位置时，通过FBG所测应变数据的变化预判裂纹扩展的位置；当结构裂纹扩展到FBG或FBG所在光纤位置时，通过FBG数量及应变或波长信号的变化，判断裂纹扩展位置；所述的光纤光栅传感器FBG通过传输光缆与FBG解调仪相连；所述的FBG解调仪用于读取FBG的中心波长信息，所述的计算机通过实时数据分析或离线数据处理获取FBG裂纹位置的关系，进而预估裂纹扩展的位置。
作为优选，所述的光纤光栅传感器实现的功能为应变测量，能够用分布式光纤BOTDR、OFDR等传感器甚至电阻应变片代替，同时所述的解调仪也替换成相应传感器配套的解调仪或电阻应变仪。
作为优选，所述的安装用胶能够为环氧树脂类或丙烯酸酯类。
作为优选，所述的光纤光栅传感器FBG和安装用胶通过密封胶进行防油；所述的传输光缆具有耐油性。
作为优选，所述的油箱内传输光纤和油箱外传输光纤均能够用光缆代替。
有益效果：
1、由于油箱内裂纹情况不可视，且需要绝对安全，现有技术裂纹监测手段需要将油箱内油放空后进行清理，效率及其低下，且成本较高；本发明公开的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法及装置，采用光纤光栅传感器进行裂纹监测，能够实现在线或准在线监测，安全高效，且无需放油，解决监测飞机油箱内结构裂纹扩展及使用方实际问题。
2、本发明公开的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法及装置，光纤光栅传感器安装在裂纹扩展路径上，当裂纹逐渐扩展时，提供三种处理情况：情况1：当裂纹穿过光纤时，光纤被裂纹拉断，串联的光纤光栅传感器数量发生跳变，即原检测到的两支光纤光栅传感器FBG1和FBG2，当裂纹造成光纤断裂时，只能检测到光纤光栅传感器FBG2。情况2：随着结构裂纹的扩展，光纤光栅感受到的结构应变会发生变化，因此通过对光纤光栅应变变化规律预估裂纹的扩展情况。情况3：当裂纹扩展至光纤光栅处时，FBG被试件拉断，应变数值会发生突变，FBG按照裂纹的指定方向进行布局安装，通过FBG布局结合检测到的FBG数量和应变数值的变化判断裂纹是否扩展到FBG安装位置。
3、本发明公开的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法及装置，利用布贴在结构表面的光纤光栅传感器，监测到裂纹是否扩展到FBG所布位置，进而判断裂纹扩展的长度；同时，在扩展到FBG布设位置之前，通过FBG所测应变估算裂纹扩展的位置。
附图说明
图1是本发明公开的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测装置结构示意图；
其中：1—计算机、2—光纤光栅解调仪、3—油箱外传输光纤、4—油箱、5—光纤密封接头、6—油箱内传输光纤、7—被测结构、8—光纤光栅传感器(FBG)、9—裂纹。
图2是多路光纤光栅串构成示意图；
图3是单路光纤光栅串构成示意图；
图4背景技术中情况1：裂纹穿过光纤；
图5背景技术中情况3：裂纹穿过FBG传感器。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法，具体通过如下步骤实现：
步骤一：在裂纹9扩展方向粘贴光纤光栅传感器FBG8，并进行密封防护；
在裂纹9扩展路径上，布粘光纤光栅传感器FBG8；本实施例中通过胶粘剂粘贴3根光纤光栅串(每串5支光纤光栅传感器，如图2所示)；传感器固化后，涂装油箱密封胶进行保护；光纤光栅传感器FBG串的中心波长按离裂纹由近至远由大到小排列，以便于裂纹经过光纤时使中心波长较大的光纤光栅传感器FBG先失效；
所述的胶粘剂选用DG-3；
所述的油箱密封胶选用HM109；
步骤二：将光纤光栅传感器FBG8通过光纤连接至光纤密封接头；
将布好的光纤光栅传感器FBG阵列通过油箱内光纤6连接到光纤密封接头5上，将油箱内光纤6进行固定和防油处理；
步骤三：通过油箱外光缆将光纤密封接头连接至光纤传感解调仪；
光纤密封接头5经油箱内光纤6连接至光纤光栅解调仪2，光纤光栅解调仪2通过机上电源提供直流24V电；
步骤四：开展机上联调试验、密封性检查和电磁兼容性试验；
系统联接好后，进行机上联调试验，即通过后验证测试工作的正常性和油箱的密封性。
步骤五：记录光纤光栅传感器FBG数量，记录光纤光栅解调仪2波长，换算应变；
飞行结束后，通过网线将存储在光纤光栅解调仪中的实验数据取回到计算机1中进行分析，得到传感器的数量和布点应变变化；
步骤六：结合数量或波长变化，判断裂纹扩展位置。
下面结合附图对本发明做以下详细描述。
请参阅图1，其是本发明飞机油箱内结构裂纹扩展监测装置的结构框图。本发明飞机油箱内结构裂纹扩展监测装置包括光纤光栅传感器FBG8、油箱内传输光纤6、光纤密封接头5、油箱外传输光纤3、光纤光栅解调仪2和计算机1。其中所述的光纤光栅传感器FBG8通过胶粘剂安装在飞机油箱4内部的待测结构7上，且安装位置位于裂纹9的扩展路径上；所述的光纤光栅传感器8经胶粘剂安装后，由油箱密封胶进行密封防护；所述的光纤光栅传感器FBG8通过传输光纤6经光纤密封接头5出油箱4，经油箱外传输光纤3与光纤光栅解调仪2相连；所述的光纤光栅解调仪2通过网线与计算机1相连；通过所述的光纤光栅解调仪2所测的传感器数量和应变变化综合判断裂纹扩展的位置。
所述的光纤光栅传感器FBG8组成阵列，由3根光纤构成，每根光纤刻制5只光纤光栅传感器FBG；
所述的胶粘剂选用DG-3；
所述的油箱密封胶选用HM109；
所述的光纤光栅传感器为：FSSR5025；
所述的光纤光栅解调仪为：FI220M；
所述的光纤光栅应变传感器的中心波长由光纤光栅解调仪测量，由上位机软件进行数据分析。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：在油箱(4)内被测结构(7)裂纹(9)扩展方向粘贴光纤光栅传感器FBG(8)，并进行密封防护；
步骤二：将光纤光栅传感器FBG(8)通过油箱内传输光纤(6)连接至光纤密封接头(5)；
步骤三：通过油箱外传输光纤/光缆(3)将光纤密封接头(5)连接至光纤传感解调仪(2)；
步骤四：开展机上联调试验、密封性检查和电磁兼容性试验；
步骤五：通过计算机(1)记录检测到光纤光栅传感器FBG数量，记录解调仪波长，换算被测应变量；
步骤六：结合检测到的光纤光栅传感器FBG数量或波长变化，判断裂纹(9)扩展位置。
2.如权利要求1所述的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法，其特征在于：步骤五实现方法为，
将被测应变量的变化转化为光纤光栅反射波中心波长的变化，测量出反射波中心波长的偏移量，并通过如公式(1)所示线性关系换算出光纤光栅所受应变的变化量，光纤光栅中心波长与被测应变量具有线性关系；
Δλ＝kΔε (1)
式(1)中：Δλ是反射光波的中心波长变化，Δε是被测对象应变的变化，k是光纤光栅传感器FBG的应变灵敏系数。
3.如权利要求1所述的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法，其特征在于：步骤六实现方法为，
光纤光栅传感器FBG(8)安装在裂纹(9)扩展路径上，当裂纹(9)逐渐扩展时，按以下三种基本情况处理：
情况1：当裂纹(9)穿过油箱内传输光纤(6)时，油箱内传输光纤(6)被裂纹拉断，串联的光纤光栅传感器数量发生跳变，即原检测到的两支光纤光栅传感器FBG1和FBG2，当裂纹造成光纤断裂时，只能检测到光纤光栅传感器FBG2；
情况2：随着结构裂纹的扩展，光纤光栅感受到的结构应变会发生变化，因此通过对光纤光栅应变变化规律预估裂纹的扩展情况；
情况3：当裂纹扩展至光纤光栅处时，光纤光栅传感器FBG被试件拉断，应变数值会发生突变，光纤光栅传感器FBG按照裂纹的指定方向进行布局安装，通过光纤光栅传感器FBG布局结合检测到的光纤光栅传感器FBG数量和应变数值的变化判断裂纹是否扩展到光纤光栅传感器FBG安装位置。
4.如权利要求1所述的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法，其特征在于：通过步骤一至步骤六，利用布贴在结构表面的光纤光栅传感器FBG，监测到裂纹是否扩展到光纤光栅传感器FBG所布位置，进而判断裂纹扩展的长度；同时，在扩展到光纤光栅传感器FBG布设位置之前，通过光纤光栅所测的应变变化估算裂纹扩展的位置。
5.一种飞机油箱内结构裂纹检测装置，用于实现如权利要求1、2、3或4所述的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测方法，其特征在于：包含光纤光栅传感器FBG(8)、油箱内传输光纤(6)、光纤密封接头(5)、油箱外传输光纤(3)、光纤光栅解调仪(2)和计算机(1)；在裂纹(9)扩展的路径上，所述的光纤光栅传感器FBG(8)通过胶接与被测结构(7)结合，当结构裂纹(9)接近光纤光栅传感器FBG(8)所在位置时，通过光纤光栅传感器FBG(8)所测应变数据的变化预判裂纹(9)扩展的位置；当结构裂纹扩展到光纤光栅传感器FBG(8)或光纤光栅传感器FBG所在油箱内传输光纤(6)位置时，通过光纤光栅传感器FBG数量及应变或波长信号的变化，判断裂纹扩展位置；所述的光纤光栅传感器FBG(8)通过传输光缆(3)与FBG解调仪(2)相连；所述的FBG解调仪(2)用于读取光纤光栅传感器FBG(8)的中心波长信息，所述的计算机(1)通过实时数据分析或离线数据处理获取光纤光栅传感器FBG(8)与裂纹位置(9)的关系，进而预估裂纹扩展的位置。
6.如权利要求5所述的一种飞机油箱内结构裂纹扩展监测装置，其特征在于：所述的光纤光栅传感器实现的功能为应变测量，能够用分布式光纤BOTDR、OFDR等传感器甚至电阻应变片代替，同时所述的解调仪也替换成相应传感器配套的解调仪或电阻应变仪。
7.如权利要求5所述的一种飞机油箱内结构裂纹检测装置，其特征在于：所述的安装用胶为环氧树脂类或丙烯酸酯类。
8.如权利要求5所述的一种飞机油箱内结构裂纹检测装置，其特征在于：所述的光纤光栅传感器FBG(8)和安装用胶通过密封胶进行防油；所述的传输光缆具有耐油性。
9.如权利要求5所述的一种飞机油箱内结构裂纹检测装置，其特征在于：所述的油箱内传输光纤(6)和油箱外传输光纤(3)均能够用光缆代替。
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