CN112629427B - 一种用于航天器应变测量的光纤传感系统 - Google Patents

一种用于航天器应变测量的光纤传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于航天器应变测量的光纤传感系统，包括应变测量设备和光纤应变传感器，光纤应变传感器与应变测量设备相连，所述应变测量设备包括光源模块、并行探测模块以及数据采集和处理模块，所述光纤应变传感器采用双光栅金属基底结构。本方案采用双光栅金属基底结构的光纤应变传感器，通过单只光纤光栅应变传感器封装两个光纤光栅敏感单元，应变测量设备通过特定的分析处理消除光栅与航天器结构表面距离的影响，并且能够分析出结构产生了拉伸还是弯曲变形，以及准确获得弯曲变形的曲率半径，实现航天器关键结构表面应变的准确测量和结构形变反演，具有更好的实际推广及应用价值。

Description

一种用于航天器应变测量的光纤传感系统
技术领域
本发明属于光纤光栅传感领域，具体涉及一种用于航天器应变测量的光纤传感系统，该测量系统可用于航天器结构表面应变的测量，还可应用于航空、石化、土木等场合。
背景技术
光纤光栅测量具有抗电磁干扰能力强、耐腐蚀能力强和体积小等优点，光纤光栅可直接埋入或者封装后用于航天器、飞机等关键结构应变测量。由于裸光纤纤细质脆，尤其是剪切能力差，直接将光纤光栅作为传感器在工程实际中遇到了布设工艺上的难题，因此需要对裸光纤光栅进行封装。
金属封装光纤光栅传感器具有可标定、灵敏度可设计、稳定性和重复性好等优点，但是封装将造成光纤光栅与航天器结构表面产生一定距离，其对于拉伸和压缩应变测试不会产生影响，而对弯曲应变将产生较大影响，并且该影响无法通过软件算法去除，因此无法准确分析结构产生的变形。
传统金属封装光纤应变传感器在结构表面只有拉伸形变时，传感器敏感单元测得的应变结果是准确的，而结构表面存在弯曲应变时，受光纤纤芯高度的影响，测量结果将产生偏移，并且偏移量不确定，而传统光纤应变测量系统无法通过单只应变传感器的测量结果直接分析出结构产生了拉伸还是弯曲变形，以及无法准确获得弯曲变形的曲率半径。
发明内容
本发明为了能够准确测量航天器结构表面应变值，提出一种用于航天器应变测量的光纤传感系统，在一只金属基底结构上封装两个光纤光栅敏感单元，并设计不同纤芯高度，通过对采集数据的分析处理，准确获得结构表面应变，有效提高应变测量精度。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种用于航天器应变测量的光纤传感系统，包括应变测量设备和光纤应变传感器，光纤应变传感器与应变测量设备相连；所述应变测量设备包括光源模块、并行探测模块以及数据采集和处理模块，所述光纤应变传感器采用双光栅金属基底结构；
所述光源模块用以为光纤应变传感器提供扫描窄带光；所述并行探测模块用以实现宽带扫描光束的分束、收集和波长参考功能；所述数据采集和处理模块用以对来自并行探测模块的光信号进行光电转换与处理，并分析获得待测结构表面应变值以及弯曲形变时的曲率半径；
所述光纤应变传感器包括一只金属基底结构，所述金属基底结构上设置有两个光纤光栅敏感单元，且两个光纤光栅敏感单元纤芯到金属基底的高度不等。
进一步的，所述两个光纤光栅敏感单元包括第一光纤、第一光栅和第二光纤、第二光栅，金属基底结构上设置有两个平行的凹槽，第一光纤和第二光纤均位于金属基底结构上的凹槽内，并且第一光纤和第二光纤保持平行。
进一步的，所述第一光纤和第二光纤均采用玻璃焊料或者胶粘剂在对应的固定点处固定，并且第一光栅和第二光栅分别位于金属基底结构两端的两个固定点之间。
进一步的，所述第一光纤和第二光纤的纤芯距离待测结构表面的距离分别为h1和h2，h1≠h2，且h1≤0.5mm，h2≥2h1。
进一步的，所述数据采集和处理模块支持多个通道多只光纤应变传感器波长解调，通过分析结构表面发生拉伸变形还是弯曲变形，并能够准确计算结构表面应变值，其具体原理如下：
(1)应变测量设备采集获得第一光栅和第二光栅对应的波长λ1和λ2；
(2)根据光纤应变传感器的计算公式得到第一光栅和第二光栅对应的应变值ε1和ε2；
(3)如果ε1＝ε2，则待测结构表面只有拉伸应变，获得结构表面应变值ε＝ε1＝ε2；
(4)如果ε1≠ε2，结构表面存在弯曲变形，曲率半径ρ通过以下方式获得：
Figure BDA0002803328400000021
h1和h2分别对应的表示第一光纤和第二光纤的纤芯距离待测结构表面的距离；进而可以得到此时的结构表面应变
Figure BDA0002803328400000022
进一步的，两个光纤光栅敏感单元采用串联或者并联方式连接，并且光纤应变传感器之间串行连接，同一通道上的光纤应变传感器波长均不相同。
进一步的，所述金属基底结构采用304不锈钢。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
(1)采用双光栅金属基底结构的光纤应变传感器，通过单只光纤光栅应变传感器封装两个光纤光栅敏感单元，消除光栅与航天器结构表面距离的影响，基于单只光纤应变传感器的测量结果直接分析出结构产生了拉伸还是弯曲变形，并准确获得弯曲变形的曲率半径；
(2)通过数据采集和处理模块的分析处理，能够消除因光纤纤芯高度引入的测量结果偏差，准确测得结构表面应变值，提高了测量系统的准确性，实现航天器关键结构表面应变的准确测量和结构形变反演。
附图说明
图1为本发明实施例所述的光纤传感系统整体结构示意图；
图2为本发明实施例双光栅金属基底结构的光纤应变传感器结构示意图；
图3为本发明实施例双光栅金属基底结构的光纤应变传感器截面示意图；
图4为本发明实施例所述数据采集与处理模块的数据分析原理示意图；
1、金属基底结构；2、凹槽；3、固定点；4、待测结构。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例。
光纤应变测量系统主要针对在结构表面存在弯曲形变或者不确定时，提高光纤应变测量的准确性而开展的设计，本实施例提出一种用于航天器应变测量的光纤传感系统，如图1所示，所述光纤传感系统包括应变测量设备和光纤应变传感器，光纤应变传感器与应变测量设备相连，所述应变测量设备包括光源模块、并行探测模块以及数据采集和处理模块，所述光纤应变传感器采用双光栅金属基底结构；
所述光源模块用以为光纤应变传感器提供扫描窄带光；所述并行探测模块用以实现宽带扫描光束的分束、收集和波长参考功能；所述数据采集和处理模块用以对来自并行探测模块的光信号进行光电转换，然后对电信号进行信号放大、AD转换、信号分析计算、提取，实现光强与波长的对应数据解析，先解调出光纤传感器波长，并通过建立数学模型计算获得结构表面应变值以及弯曲形变时的曲率半径；
如图2-3所示，所述光纤应变传感器包括一只金属基底结构1和两个光纤光栅敏感单元，两个光纤光栅敏感单元包括第一光纤、第一光栅和第二光纤、第二光栅，并且两个光纤光栅敏感单元纤芯到金属基底1的高度(纤芯高度)不同，第一光纤的纤芯到金属基底1的高度为h1，第二光纤的纤芯到金属基底的高度为h2，且h1不等于h2，两个光纤光栅敏感单元能够同时响应结构产生的变形，在一只金属基底结构上封装两个光纤光栅敏感单元，两个光纤光栅敏感单元可采用串联或者并联方式连接，并且光纤应变传感器之间支持串行连接，同一通道上的光纤应变传感器波长均不相同，即波长λ1、λ2…λm-1、λm均不相同。
其中，所述金属基底结构1选用304不锈钢；第一光纤和第二光纤均位于金属基底结构1上的凹槽2内，并且第一光纤和第二光纤保持平行；第一光纤和第二光纤均采用玻璃焊料或者胶粘剂在对应的固定点3处固定，并且第一光栅和第二光栅分别位于金属基底结构两端的两个固定点之间；第一光纤和第二光纤的纤芯距离航天器结构表面的距离分别为h1和h2，且h1≠h2；本实施例优选，h1≤0.5mm，h2≥2h1；
本实施例中，所述数据采集和处理模块支持多个通道(通道1～n)多只光纤应变传感器波长解调，通过分析结构表面发生拉伸变形还是弯曲变形，并行能够准确计算结构表面应变值，其具体原理如图4所示：
(1)应变测量设备采集获得第一光栅和第二光栅对应的波长λ1和λ2；
(2)根据光纤应变传感器的计算公式
Figure BDA0002803328400000041
(λ传感器波长；λ0传感器零点波长；τ传感器灵敏度系数)，得到第一光栅和第二光栅对应的应变值分别为ε1和ε2；
(3)如果ε1＝ε2，则结构表面只有拉伸应变，获得结构表面应变值ε＝ε1＝ε2；
(4)如果ε1≠ε2，结构表面存在弯曲变形，曲率半径ρ通过
Figure BDA0002803328400000042
(ε结构表面应变)计算获得
Figure BDA0002803328400000043
进而根据
Figure BDA0002803328400000044
和
Figure BDA0002803328400000045
计算得到弯曲变形下结构表面应变
Figure BDA0002803328400000046
本方案所提出的光纤传感系统，应用在航天器、飞机关键结构表面应变测量，实现了目标结构健康信息的实时监测，提高了关键结构的安全性，具有广泛的应用前景。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于航天器应变测量的光纤传感系统，其特征在于，包括应变测量设备和光纤应变传感器，光纤应变传感器与应变测量设备相连；所述应变测量设备包括光源模块、并行探测模块以及数据采集和处理模块，所述光纤应变传感器采用双光栅金属基底结构；
所述光源模块用以为光纤应变传感器提供扫描窄带光；所述并行探测模块用以实现宽带扫描光束的分束、收集和波长参考功能；所述数据采集和处理模块用以对来自并行探测模块的光信号进行光电转换与处理，并分析获得待测结构表面应变值以及弯曲形变时的曲率半径；
所述光纤应变传感器包括一只金属基底结构，所述金属基底结构上设置有两个光纤光栅敏感单元，且两个光纤光栅敏感单元纤芯距离金属基底下底面的高度不等；
所述两个光纤光栅敏感单元包括第一光纤、第一光栅和第二光纤、第二光栅，金属基底结构上设置有两个平行的凹槽，第一光纤和第二光纤均位于金属基底结构上的凹槽内，并且第一光纤和第二光纤保持平行；
所述数据采集和处理模块支持多个通道多只光纤应变传感器波长解调，通过分析结构表面发生拉伸变形还是弯曲变形，并分析得到结构表面应变值，其具体原理如下：
(1)应变测量设备采集获得第一光栅和第二光栅对应的波长λ1和λ2；
(2)根据光纤应变传感器的计算公式得到第一光栅和第二光栅对应的应变值ε1和ε2；
(3)如果ε1＝ε2，则待测结构表面只有拉伸应变，获得结构表面应变值ε＝ε1＝ε2；
(4)如果ε1≠ε2，结构表面存在弯曲变形，曲率半径ρ通过以下方式获得：
Figure FDA0003617243760000011
h1和h2分别对应的表示第一光纤和第二光纤的纤芯距离待测结构表面的距离；进而可以得到此时的结构表面应变
Figure FDA0003617243760000012
2.根据权利要求1所述的用于航天器应变测量的光纤传感系统，其特征在于：所述第一光纤和第二光纤均采用玻璃焊料或者胶粘剂在对应的固定点处固定，并且第一光栅和第二光栅分别位于金属基底结构两端的两个固定点之间。
3.根据权利要求1所述的用于航天器应变测量的光纤传感系统，其特征在于：所述第一光纤和第二光纤的纤芯距离待测结构表面的距离分别为h1和h2，h1≠h2，且h1≤0.5mm，h2≥2h1。
4.根据权利要求1所述的用于航天器应变测量的光纤传感系统，其特征在于：两个光纤光栅敏感单元采用串联或者并联方式连接，并且光纤应变传感器之间串行连接，同一通道上的光纤应变传感器波长均不相同。
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