CN112432604B - 一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统及方法，包括光纤、刻在光纤上的多个光纤传感器、光纤滑环、滑环固定工装、数据采集调制解调器和数据处理终端；光纤滑环包括定子端和转子端；滑环固定工装包括固定管、法兰盘、固定环以及主轴；定子端通过固定环安装在固定管内端部，转子端伸出固定管端并与主轴同轴连接；主轴能随转子端旋转并带动套在主轴上的药柱旋转，光纤能沿轴向设在药柱表面并从主轴侧壁的贯通槽伸入主轴中心通道并依次沿转子端中心通道、定子端中心通道和固定管中心通道伸出后接入数据采集调制解调器后将数据传输给数据处理终端。本发明能获取推进剂药柱缠绕包覆过程和固化过程中推进剂药柱真实应变数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统及方法，适用于星孔推进剂药柱及装药进行纤维或者布带缠绕工艺过程中推进剂旋转动态应变测试。
背景技术
星孔推进剂药柱在进行缠绕包覆过程中，必须对缠绕纤维施加一定的张力，以保证纤维缠绕层的成型质量，同时，缠绕纤维上的张力同样会施加给推进剂药柱，从而对推进剂药柱产生预应力，当预应力作用超过推进剂药柱本体的屈服强度时，推进剂药柱内部结构造成破坏，从而导致缠绕包覆产品结构失效，预应力的大小和张力相关，但由于纤维缠绕过程是一个旋转动态过程，而张力的测定并不位于纤维末端，纤维张力传导给药柱表面经历了多次摩擦，其真实值未知，再加上药柱旋转过程与纤维缠绕角等因素的综合作用，对准确掌握推进剂药柱受到的预应力造成了很大困难。
目前，对于星孔推进剂药柱在缠绕机上的动态缠绕包覆过程中的应变测试尚没有形成有效测试方法。面临的问题主要有以下两个方面：一个方面，常规应变传感器尺寸太大，对于圆柱形推进剂药面很难贴合，同时也会对纤维缠绕型面造成影响，偏离了产品的真实情况；另一方面，推进剂药柱缠绕包覆过程中转速超过100r/min，对于较高速旋转动态过程推进剂药柱应变采集信号的传递与储存没有相关测试方法。
此外，为防止缠绕层固化过程中出现固化胶受重力作用出现流挂等影响产品固化质量的问题，缠绕层固化过程通常保持低转速长时间旋转固化，缠绕层固化过程对推进剂药柱的固化收缩作用，目前未建立相关测试方法。
基于以上两个方面的应用需求，建立相关的应变测试方法，对于以纤维缠绕为主要制造方法的复合材料的工艺和材料制品性能研究具有重要意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统及方法，以获取推进剂药柱缠绕包覆过程和固化过程中推进剂药柱真实应变数据。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统，包括光纤、刻在光纤上的多个光纤传感器、光纤滑环和滑环固定工装；
所述光纤滑环包括同轴设置的定子端和转子端；
所述滑环固定工装包括固定管、套在固定管外的法兰盘、设在固定管端部内壁的固定环以及主轴；所述光纤滑环的定子端通过固定环安装在固定管内端部并与固定管同轴，光纤滑环的转子端伸出固定管端并与主轴同轴连接；
所述主轴能随转子端旋转并带动套在主轴上的药柱旋转，光纤能沿轴向设在药柱表面并从主轴侧壁的贯通槽伸入主轴中心通道并依次沿转子端中心通道、定子端中心通道和固定管中心通道伸出。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述光纤滑环的定子端包括一体式且同轴并中心通孔的端盖和管子，端盖的一侧为所述管子，端盖另一侧为安装面；在端盖的安装面设有多个定位槽，多个定位槽沿端盖边缘周向均布；端盖的安装面中心连接所述转子端。
具体的，所述固定环外壁紧贴固定管内壁，固定环和固定管上设有相对应的径向的螺钉孔，用以通过螺钉将固定环固定并锁紧在固定管上；
所述固定环套在所述端盖外且在固定环边缘设有多个能与所述定位槽相配合的定位凸起，以将光纤滑环与固定环周向固定。
具体的，所述转子端和主轴连接处设有相对应的径向的螺纹孔，以利用螺钉将转子端和主轴固定。
具体的，所述光纤传感器通过室温固化环氧树脂粘接在药柱设定位置。
具体的，在推进剂药柱缠绕包覆时的封头连接部位采用光纤铠装针管对光纤进行保护(光纤铠装针管预先穿入)。
具体的，所述法兰盘通过螺栓固定在机床端预留检修孔；在法兰盘上设有定位销孔，通过定位销实现法兰盘与设备对中。
具体的，所述光纤从固定管中心通道伸出后接入数据采集调制解调器，然后将数据传输给数据处理终端。
本发明还提供一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试方法，包括以下步骤：
步骤1，将光纤滑环的定子端固定在滑环固定工装上，将光纤滑环的转子端与主轴连接；
步骤2，将法兰盘与机床端预留检修孔通过螺栓连接，通过定位销实现法兰盘与设备对中；
步骤3，将固定管装入法兰盘内孔，通过U型止口配合；固定管伸出足够长度(以伸出机床卡盘为长度最小设计要求)，然后将光纤滑环定子端封装好的光纤穿过固定管，方向沿机床端箭头方向；通过固定环将光纤滑环定位在固定管内部，同时通过螺钉将固定环锁紧；
步骤4，将刻有光纤传感器的光纤布设在药柱表面，然后将安装好药柱的主轴向机床端推入直至机床卡盘正常卡住主轴(机床卡盘带动主轴旋转)位置，锁紧卡盘，将光纤滑环两端连接器(光纤滑环上的光纤分别位于转子和定子两端，均已经封装过，它通过连接器实现光纤传感器和测试系统的光纤相连)分别与光纤传感器和连接采集调制解调器连接器相连；连接完毕，系统具备测试启动条件。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(1)本发明为固体推进剂药柱缠绕包覆的旋转过程的动态应变测试提供了可行的测试方法；(2)本发明提供的滑环固定工装设计具有通用性，在常规缠绕设备上均可以使用；(3)本发明采用光纤铠装针管形式对非封装光纤在较大曲率试件上使用形成了有效保护，从而实现裸光纤光栅传感器在缠绕试件上的测试应用，最大限度减小了整体铠装光纤光栅传感器尺寸对试件缠绕工艺及结构的影响。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为(a)本发明光纤滑环结构示意图，(b)光纤滑环的端盖结构示意图；
图3为本发明的滑环固定工装及光纤滑环安装示意图；
图4为(a)本发明法兰盘结构示意图，(b)法兰盘右视图；
图5为本发明固定管结构示意图；
图6为(a)本发明固定环结构示意图，(b)为固定环A-A剖面图，(c)为固定环B-B剖面图；
图7为本发明主轴结构示意图。
图8为本发明实测数据图。
图9为光纤布拉格光栅结构示意图。
图10为光纤光栅周期变化示意图。
图11为FBG传感网络复用的原理图。
图12为FBG传感测试系统原理图。
附图标号含义：
1.光纤，2.光纤传感器，3.光纤滑环，4.滑环固定工装，5.数据采集调制解调器，6.数据处理终端；
31.定子端，311.端盖，32.转子端，41.固定管，42.法兰盘，43.固定环，44.主轴，441.贯通槽。
具体实施方式
遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例提供一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统，包括光纤1、刻在光纤1上的多个光纤传感器2、光纤滑环3、滑环固定工装4、数据采集调制解调器5和数据处理终端6。
光纤滑环3包括同轴设置的定子端31和转子端32；滑环固定工装4包括固定管41、套在固定管41外的法兰盘42、设在固定管41端部内壁的固定环43以及主轴44；所述光纤滑环3的定子端31通过固定环43安装在固定管41内端部并与固定管41同轴，光纤滑环3的转子端32伸出固定管41端并与主轴44同轴连接。主轴44能随转子端32旋转并带动套在主轴44上的药柱旋转，在本实施例中，药柱内壁为星形结构，主轴外壁为与药柱内壁相对应匹配的行星结构，从而能将药柱套在主轴外且药柱和主轴之间轴向定位，从而主轴带动药柱旋转；在其他实施例中，如果药柱内壁为其他形状，则对应的将主轴外壁设置成能与药柱内壁相对应匹配的结构均能达到使主轴和药柱同步旋转的目的。光纤1能沿轴向设在药柱表面并从主轴侧壁的贯通槽441伸入主轴44中心通道并依次沿转子端32中心通道、定子端31中心通道和固定管41中心通道伸出后接入数据采集调制解调器5后将数据传输给数据处理终端6。在传感过程中，光纤数据采集调制解调器5发出宽带光源通过传输通道进入光纤传感器2，光纤传感器2在外力或者温变作用下，对光波进行调制；带有外界调制信息的光波通过光纤传感器2反射，进入数据采集调制解调器5内部的接收装置，进行解调并输出给数据处理终端6(PC机)进行数据分析和处理。
光纤滑环3的定子端31包括一体式且同轴并中心通孔的端盖311和管子，端盖311的一侧为管子，端盖311另一侧为安装面；在端盖311的安装面设有多个定位槽，多个定位槽沿端盖311边缘周向均布；端盖311的安装面中心连接转子端32。
固定环43外壁紧贴固定管41内壁，固定环43和固定管41上设有相对应的径向的螺钉孔，用以通过螺钉将固定环43固定并锁紧在固定管41上；固定环43套在端盖311外且在固定环43边缘设有多个能与定位槽相配合的定位凸起，以将光纤滑环3与固定环43周向固定。
转子端32和主轴44连接处设有相对应的径向的螺纹孔，以利用螺钉将转子端32和主轴44固定。
光纤传感器2通过室温固化环氧树脂粘接在药柱设定位置。
在推进剂药柱缠绕包覆时的封头连接部位采用光纤铠装针管对光纤1进行保护(光纤铠装针管预先穿入)。
法兰盘42通过螺栓固定在机床端预留检修孔；在法兰盘42上设有定位销孔，通过定位销实现法兰盘42与设备对中。
光纤1从固定管41中心通道伸出后接入数据采集调制解调器5，然后将数据传输给数据处理终端6。
本实施例推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统的各项技术指标如下：
采集/调制解调器选用sm130型光纤光栅解调仪，技术指标如下：1)光通道数：4个；2)波长范围：1510-1590nm；3)波长稳定性：2pm；4)波长重复性：1pm；5)传感器最大容量：20个；6)工作温度：0-50℃。
光纤光栅传感器技术指标：1)工作温度：-40-120℃；2)检测范围：0-10000με；3)波长范围：1510-1590nm；4)接口：fc/apc。
FO100A系列单通道光纤滑环技术指标：
光纤传感器通过室温固化环氧树脂与推进剂药面粘接在设定位置，光纤延推进剂药柱表面向药柱端面布放，在封头连接部位采用光纤铠装针管对光纤进行保护(光纤铠装针管预先穿入)，最终在缠绕药柱中心轴端与光纤滑环相连。
实施例2：
本实施例提供一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试方法，具体包括以下步骤：
步骤1，将光纤滑环的定子端固定在滑环固定工装上，将光纤滑环的转子端与主轴连接；
步骤2，将法兰盘与机床端预留检修孔通过螺栓连接，通过定位销实现法兰盘与设备对中；
步骤3，将固定管装入法兰盘内孔，通过U型止口配合；固定管伸出足够长度(以伸出机床卡盘为长度最小设计要求)，然后将光纤滑环定子端封装好的光纤穿过固定管，方向沿机床端箭头方向；通过固定环将光纤滑环定位在固定管内部，同时通过螺钉将固定环锁紧；
步骤4，将刻有光纤传感器的光纤布设在药柱表面，然后将安装好药柱的主轴向机床端推入直至机床卡盘正常卡住主轴(机床卡盘带动主轴旋转)位置，锁紧卡盘，将光纤滑环两端连接器(光纤滑环上的光纤分别位于转子和定子两端，均已经封装过，它通过连接器实现光纤传感器和测试系统的光纤相连)分别与光纤传感器和连接采集调制解调器连接器相连；连接完毕，系统具备测试启动条件。
测试原理：
(1)光纤光栅测试原理
光纤光栅是利用掺杂光纤的紫外光敏特性，通过空间周期性强紫外激光照射使外界入射光子和纤芯里面的掺杂粒子相互作用，使纤芯形成折射率沿轴向非周期性或周期性分布的结构，从而形成空间相位光栅。FBG结构如图9所示，其中，内层为纤芯结构，外层为包层结构，纤芯的折射率比包层的折射率稍大。图中Λ为光栅的周期，当光波通过FBG传感器时，满足特定波长的光被光纤光栅反射回去，其他波长的光透过。
根据光纤耦合模理论，光纤Bragg光栅的谐振方程为：
λB＝2neffΛ (1)
式中λB为光纤Bragg中心波长；neff为纤芯有效折射率；Λ为光栅周期。由此可知FBG传感器中心波长由其纤芯有效值折射律和光栅周期共同决定。对(1)式微分得：
ΔλB＝2ΔneffΛ+2neffΔΛ (2)
由(2)式可知，neff或Λ改变时，光纤Bragg中心波长会发生漂移。
光纤光栅在温度变化和应力(应变)变化条件下，相应会发生伸长或缩短(如图10所示)，均会影响光栅周期，从而导致Bragg中心波长会发生漂移。
1)应变(力)影响规律
由于无论是对光栅进行拉伸还是压缩，均会导致光栅周期Λ发生变化；此外，光纤本身具有的弹光效应决定了其有效折射率neff必随外界应力状态的变化而变化。应力、应变引起光栅Bragg(FBG)波长漂移可用下式表述：
式中Pe为FBG的弹光系数；K为测量应变的灵敏度，KΔε为应变量。
2)温度影响规律
温度变化引起FBG波长漂移可用下式表述：
式中，α为FBG的热膨胀系数，ξ为FBG的热光系数。在同种温度环境下，采用光纤光栅温度补偿传感器可以克服温度对应变测量的影响。因此，这使得应力应变成为所有反映引起光栅布拉格波长漂移的最直接外界因素。
由于该传感器在结构检测中只需要检测光纤光栅波长分布图中波峰的准确位置，而与光强无关，故对光强的波动不敏感，比一般的光纤传感器具有更高的抗干扰能力，且具有优异的变形匹配特性。当外界被测量引起光纤光栅温度、应力或磁场改变时，都会导致反射中心波长的变化。因此，通过测量光纤光栅中心波长的变化就可以反映出外界被测信号的变化。
(2)FBG传感网络复用及解调原理
FBG传感网络系统包括传感部分和解调部分，解调部分是传感网络话的基础，其中传感光栅的复用是关键技术。复用技术可以是用多个传感器共用同一光源和解调系统，从而降低成本，简化设备。通常情况下可以通过对光载波的频谱、幅度、相位或偏振情况进行调制编码。图11是简单的FBG传感网络复用的原理图。
光纤光栅传感系统包括传感部分和解调部分，而目前解调部分是影响光纤光栅传感实用化的关键。传感过程是通过外界参量对光纤光栅中心波长的调制来实现，而解调过程恰好相反，是将反射波长的变化量转化为我们未知的外界参量信息的过程。图中多个FBG传感器反射光波长为λ1，λ2，…，λn，不同中心波长的FBG传感器组成传感网络阵列，分别感应待测结构沿线分布各点的应力应变，并使它们的反射光波长发生改变；不同的改变的反射光经传输光纤从测量现场传出，通过光纤光栅解调器探测其波长改变量的大小，并将它们转换成电信号；由二次仪表计算出待测结构的各个测点的应力应变大小，从而获得整个待测结构的应力应变分布状况。
图12中不同反射光波长的FBG传感器由光纤作为光波传输通道相连接，并埋入被测物体表面，光接口与光纤光栅解调仪相连接，计算机用于对光纤光栅解调仪采集的数据进行保存和后续的数据处理分析。在传感过程中，光纤光栅解调仪发出宽带光源通过传输通道进入FBG传感器，埋在胶层的FBG传感器在外力、温变作用下，对光波进行调制；带有外界调制信息的光波通过FBG传感器反射，进入光纤光栅解调仪内部的接收装置，进行解调并输出给PC机进行数据处理和分析。
实验验证：
采用推进剂药柱外径65mm，缠绕纤维张力40N进行测试，测试数据如图8所示，横坐标为时间轴(s)，纵坐标为应变(με)，曲线表示在不同缠绕方式和层数时通过旋转动态应变测试方法测试得到的推进剂药柱在缠绕纤维张力40N作用下的材料应变。可见药柱在纤维缠绕作用下有压缩变形，且环向和纵向压缩率有区别，验证了该测试系统的有效性。
Claims (9)
1.一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统，其特征在于，包括光纤(1)、刻在光纤(1)上的多个光纤传感器(2)、光纤滑环(3)和滑环固定工装(4)；
所述光纤滑环(3)包括同轴设置的定子端(31)和转子端(32)；
所述滑环固定工装(4)包括固定管(41)、套在固定管(41)外的法兰盘(42)、设在固定管(41)端部内壁的固定环(43)以及主轴(44)；所述光纤滑环(3)的定子端(31)通过固定环(43)安装在固定管(41)内端部并与固定管(41)同轴，光纤滑环(3)的转子端(32)伸出固定管(41)端并与主轴(44)同轴连接；
所述主轴(44)能随转子端(32)旋转并带动套在主轴(44)上的药柱旋转，光纤(1)能沿轴向设在药柱表面并从主轴侧壁的贯通槽(441)伸入主轴(44)中心通道并依次沿转子端(32)中心通道、定子端(31)中心通道和固定管(41)中心通道伸出。
2.如权利要求1所述的推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统，其特征在于，所述光纤滑环(3)的定子端(31)包括一体式且同轴的端盖(311)和管子，端盖(311)的中心通孔和管子连通，端盖(311)的一侧为所述管子，端盖(311)另一侧为安装面；在端盖(311)的安装面设有多个定位槽，多个定位槽沿端盖(311)边缘周向均布；端盖(311)的安装面中心连接所述转子端(32)。
3.如权利要求2所述的推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统，其特征在于，所述固定环(43)外壁紧贴固定管(41)内壁，固定环(43)和固定管(41)上设有相对应的径向的螺钉孔，用以通过螺钉将固定环(43)固定并锁紧在固定管(41)上；
所述固定环(43)套在所述端盖(311)外且在固定环(43)边缘设有多个能与所述定位槽相配合的定位凸起，以将光纤滑环(3)与固定环(43)周向固定。
4.如权利要求1所述的推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统，其特征在于，所述转子端(32)和主轴(44)连接处设有相对应的径向的螺纹孔，以利用螺钉将转子端(32)和主轴(44)固定。
5.如权利要求1所述的推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统，其特征在于，所述光纤传感器(2)通过室温固化环氧树脂粘接在药柱设定位置。
6.如权利要求1所述的推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统，其特征在于，在推进剂药柱缠绕包覆时的封头连接部位采用光纤铠装针管对光纤(1)进行保护。
7.如权利要求1所述的推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统，其特征在于，所述法兰盘(42)通过螺栓固定在机床端预留检修孔；在法兰盘(42)上设有定位销孔，通过定位销实现法兰盘(42)与设备对中。
8.如权利要求1所述的推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统，其特征在于，所述光纤(1)从固定管(41)中心通道伸出后接入数据采集调制解调器(5)，然后将数据传输给数据处理终端(6)。
9.一种推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试方法，其特征在于，该测试方法通过权利要求1至8任一权利要求所述的推进剂药柱缠绕包覆用旋转动态应变测试系统实现，包括以下步骤：
步骤1，将光纤滑环的定子端固定在滑环固定工装上，将光纤滑环的转子端与主轴连接；
步骤2，将法兰盘与机床端预留检修孔通过螺栓连接，通过定位销实现法兰盘与设备对中；
步骤3，将固定管装入法兰盘内孔，通过U型止口配合；固定管伸出足够长度，然后将光纤滑环定子端封装好的光纤穿过固定管，方向沿机床端箭头方向；通过固定环将光纤滑环定位在固定管内部，同时通过螺钉将固定环锁紧；
步骤4，将刻有光纤传感器的光纤布设在药柱表面，然后将安装好药柱的主轴向机床端推入直至机床卡盘正常卡住主轴位置，锁紧卡盘，将光纤滑环两端连接器分别与光纤传感器和连接采集调制解调器连接器相连；连接完毕，系统具备测试启动条件。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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