CN113932725A - 悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法 - Google Patents

悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法，属于测试技术领域。该方法主要包括光纤应变传感器的安装和标定两个过程。在悬臂式定位器上不同位置沿着轴线方向安装三个光纤应变传感器，三个传感器分别用来对悬臂式定位器三个方向的负载进行标定。对悬臂式定位器分别沿着X、Y、Z三个方向进行加载，分别标定出每个方向加载时对三个光纤应变传感器的影响系数。标定后，通过三个光纤应变传感器的应变对定位器三个方向进行监控。本发明安装过程和标定过程简单，也无需针对复杂定位器结构进行专门的安装结构设计，具有成本低、使用高效的优点。

Description

悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法
技术领域
本发明涉及测试技术领域，具体涉及悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法。
背景技术
飞机装配型架作为飞机部件装配过程中对零部件起固定夹持作用的工艺装备，其定位器稳定性影响着各产品的装配精度。若在装配过程中定位器受载过大导致其变形偏离理论位置，会直接影响飞机的装配精度，甚至导致整个飞机产品报废，造成不可估量的损失。
目前，在飞机装配型架上使用最多的一类定位装置为悬臂式定位器，其横截面为圆柱面，结构类似于悬臂梁。悬臂式定位器在装配过程中可以沿着导轨（轴线）方向进行定位，其刚性较型架本体较弱。为了实现对其装配过程中受载的监控，一般采用成熟的三维力传感器安装于定位器上，此方法需要针对采用三维力传感器的结构尺寸在定位器上设计专门的安装机构，其安装过程较为复杂，并且针对复杂定位器结构，安装机构难以设计。
因此，本发明提出一种面向悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法，首先在悬臂式定位器沿着轴线（X方向）的不同位置安装三个光纤应变传感器，通过对定位器X、Y、Z三个方向分别加载载荷，对三个光纤应变传感器进行标定，标定后，通过三个光纤应变传感器对飞机装配型架悬臂式定位器在装配过程中的三维受载情况进行实时监控。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中针对现有技术中存在的问题，提出悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法，通过标定后的三个光纤应变传感器即可对飞机装配型架悬臂式定位器在装配过程中的三维受载情况进行实时监控。
为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、针对悬臂式定位器，定义其轴线方向为X方向，垂直水平面向上为Z方向，平行于水平面向外为Y方向；
S2、在悬臂式定位器上沿X方向的不同位置安装三个光纤应变传感器，使I号传感器的安装部位满足其总应变由X方向和Z方向的负载共同产生；II号传感器的安装部位满足其总应变由X方向和Y方向的负载共同产生；III号传感器的安装部位满足其总应变由X方向的负载产生；
S3、通过对悬臂式定位器X、Y、Z三个方向分别加载载荷，对三个光纤应变传感器进行标定，标定后，通过三个光纤应变传感器的应变对定位器三个方向进行监控。
进一步的，步骤S3具体包括：
S31、对悬臂式定位器单独施加X方向的线性载荷，获取X方向加载时I号传感器、II号传感器、III号传感器的应变系数
Figure 603185DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 486828DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 835900DEST_PATH_IMAGE003
；根据传感器的线性变化特性，三个传感器在X方向载荷F与产生的应变E之间的线性方程如下：
Figure 539414DEST_PATH_IMAGE004
；（1）
Figure 366556DEST_PATH_IMAGE005
；（2）
Figure 104705DEST_PATH_IMAGE006
；（3）
其中，
Figure 749313DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 81068DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 570955DEST_PATH_IMAGE009
为常数项；在装配过程中，通过监测III号传感器的应变，可得出悬臂式定位器X方向的负载；
S32、对悬臂式定位器单独施加Y方向的线性载荷，获取Y方向加载时II号传感器的应变系数
Figure 38977DEST_PATH_IMAGE010
，根据传感器的线性变化特性， II号传感器在Y方向载荷F与产生的应变E之间的线性方程如下：
Figure 588907DEST_PATH_IMAGE011
； （4）
其中，
Figure 532592DEST_PATH_IMAGE012
为常数项；
S33、在装配过程中，已知应变系数
Figure 701536DEST_PATH_IMAGE002
可根据式（2）计算X方向对II号传感器产生的应变，进而得出Y方向负载对II号传感器产生的应变，结合应变系数
Figure 414277DEST_PATH_IMAGE010
，可得出定位器Y方向的负载；
S34、对悬臂式定位器单独施加Z方向的线性载荷，获取Z方向加载时I号传感器的应变系数
Figure 10475DEST_PATH_IMAGE013
，根据传感器的线性变化特性， I号传感器在Z方向载荷F与产生的应变E之间的线性方程如下：
Figure 175877DEST_PATH_IMAGE014
；（5）
其中，
Figure 273146DEST_PATH_IMAGE015
为常数项。
在装配过程中，已知应变系数
Figure 715760DEST_PATH_IMAGE001
，可根据式（1）得出X方向对I号传感器产生的应变，进而得出Z方向负载对I号传感器的应变，结合应变系数
Figure 607493DEST_PATH_IMAGE013
，得出定位器Z方向的负载。
进一步的，I号传感器安装于悬臂式定位器的上表面；II号传感器安装于悬臂式定位器侧面与I号传感器同心的位置；III号传感器与I号相似，安装于定位器上表面靠近定位器的位置。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明通过三个光纤应变传感器，分别对悬臂式定位器三个方向的负载进行标定，所述光纤应变传感器的标定，主要是指对悬臂式定位器分别沿着X、Y、Z三个方向进行加载，分别标定出每个方向加载时对三个光纤应变传感器的影响系数，标定后，通过三个光纤应变传感器的检测应变即可对悬臂式定位器的三个方向进行监控。本发明安装过程和标定过程简单，也无需针对复杂定位器结构进行专门的安装结构设计，具有成本低、使用高效的优点。
附图说明
图1为本发明光纤应变传感器标定流程示意图；
图2是本发明三个光纤应变传感器的安装位置示意图；
图3为本发明定位器XOY平面内受载时，光纤应变传感器变形示意图；
图4为本发明定位器XOZ平面内受载时，光纤应变传感器变形示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本发明提供了悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法，包括如下步骤：
S1、针对悬臂式定位器，定义其轴线方向为X方向，垂直水平面向上为Z方向，平行于水平面向外为Y方向；
S2、在悬臂式定位器上沿X方向的不同位置安装三个光纤应变传感器，使I号传感器的安装部位满足其总应变由X方向和Z方向的负载共同产生；II号传感器的安装部位满足其总应变由X方向和Y方向的负载共同产生；III号传感器的安装部位满足其总应变由X方向的负载产生；
S3、通过对悬臂式定位器X、Y、Z三个方向分别加载载荷，对三个光纤应变传感器进行标定，标定后，通过三个光纤应变传感器的应变对定位器三个方向进行监控。
本发明通过三个光纤应变传感器，分别对悬臂式定位器三个方向的负载进行标定，标定后，通过三个光纤应变传感器的检测应变即可对悬臂式定位器的三个方向进行监控。具有成本低、安装使用高效的优点。
实施例2
本发明提供了悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法，包括以下步骤：
步骤1、针对某一悬臂式定位器，在其表面沿着轴线方向安装三个光纤应变传感器，如图2-4所示，将I号传感器安装于悬臂式定位器的上表面；II号传感器安装于悬臂式定位器侧面与I号传感器同心的位置；III号传感器与I号传感器相似，安装于定位器上表面靠近定位器的位置。图中①、②、③分别代表I号传感器、II号传感器和III号传感器。图中的ΔX、ΔY、ΔZ分别表示定位器末端在X向、Y向和Z向的形变量。
步骤2、首先对定位器施加沿着轴线（X方向）的载荷，载荷为50N、100N、200N、300N、500N，分别获取X方向不同载荷下，三个光纤应变传感器的应变值，由于传感器线性变化，可得出三个传感器在X方向载荷F与产生的应变E之间的线性方程：
Figure 260191DEST_PATH_IMAGE016
；（1）
Figure 33587DEST_PATH_IMAGE017
；（2）
Figure 189762DEST_PATH_IMAGE018
； （3）
其中
Figure 393341DEST_PATH_IMAGE019
、
Figure 267757DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 972407DEST_PATH_IMAGE003
为X方向加载时，三个传感器的应变系数。
Figure 124034DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 623149DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 984860DEST_PATH_IMAGE009
为常数项。
分析III号传感器的安装位置，在装配过程中，其应变主要受X方向载荷影响（Y和Z方向载荷影响较小，可以忽略），根据上述公式，通过监控III号光纤应变传感器的应变，得出悬臂式定位器X方向的负载。
步骤3、对定位器施加水平面（Y方向）的载荷，载荷为50N、100N、200N、300N、500N，分别获取Y方向不同载荷下，II号光纤应变传感器的应变值，由于传感器线性变化，进而得出II号传感器在Y方向载荷F与产生的应变E之间的线性方程：
Figure 102988DEST_PATH_IMAGE020
；（4）
其中
Figure 233756DEST_PATH_IMAGE021
为Y方向加载时，II号应变传感器的应变系数；
Figure 779137DEST_PATH_IMAGE022
为常数项。
由于II号光纤传感器的应变主要由X方向和Y方向的负载叠加产生，在步骤2中可以根据公式（2）计算出X方向对II号传感器产生的应变，进而得出Y方向负载对II号传感器的应变，结合应变系数
Figure 628145DEST_PATH_IMAGE021
，得出定位器Y方向的负载。如附图3所示。
步骤4、对定位器施加垂直水平面（Z方向）的载荷，载荷为50N、100N、200N、300N、500N，分别获取Z方向不同载荷下，I号光纤应变传感器的应变值，由于传感器线性变化，进而得出II号传感器在Y方向载荷F与产生的应变E之间的线性方程：
Figure 409019DEST_PATH_IMAGE023
；（5）
其中，
Figure 535238DEST_PATH_IMAGE024
为Z方向加载时，I号应变传感器的应变系数，
Figure 376155DEST_PATH_IMAGE025
为常数项。
由于I号光纤传感器的应变主要由X方向和Z方向的负载叠加产生，在步骤2中可根据公式（1）计算出X方向对I号传感器产生的应变，进而得出Z方向负载对I号传感器的应变，结合应变系数
Figure 712458DEST_PATH_IMAGE024
，得出定位器Z方向的负载。如附图4所示。
虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是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，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、针对悬臂式定位器，定义其轴线方向为X方向，垂直水平面向上为Z方向，平行于水平面向外为Y方向；
S2、在悬臂式定位器上沿X方向的不同位置安装三个光纤应变传感器，使I号传感器的安装部位满足其总应变由X方向和Z方向的负载共同产生；II号传感器的安装部位满足其总应变由X方向和Y方向的负载共同产生；III号传感器的安装部位满足其总应变由X方向的负载产生；
S3、通过对悬臂式定位器X、Y、Z三个方向分别加载载荷，对三个光纤应变传感器进行标定，标定后，通过三个光纤应变传感器的应变对定位器三个方向进行监控。
2.根据权利要求1所述的悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
S31、对悬臂式定位器单独施加X方向的线性载荷，获取X方向加载时I号传感器、II号传感器、III号传感器的应变系数
Figure 372082DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、
Figure 974708DEST_PATH_IMAGE003
；根据传感器的线性变化特性，三个传感器在X方向载荷F与产生的应变E之间的线性方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
； （1）
Figure 692128DEST_PATH_IMAGE005
； （2）
Figure 352917DEST_PATH_IMAGE007
； （3）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为常数项；在装配过程中，通过监测III号传感器的应变，可得出悬臂式定位器X方向的负载；
S32、对悬臂式定位器单独施加Y方向的线性载荷，获取Y方向加载时II号传感器的应变系数
Figure 88661DEST_PATH_IMAGE009
，根据传感器的线性变化特性， II号传感器在Y方向载荷F与产生的应变E之间的线性方程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
； （4）
其中，
Figure 114385DEST_PATH_IMAGE011
为常数项；
S33、在装配过程中，已知应变系数
Figure 584681DEST_PATH_IMAGE002
可根据式（2）计算X方向对II号传感器产生的应变，进而得出Y方向负载对II号传感器产生的应变，结合应变系数
Figure 3155DEST_PATH_IMAGE009
，可得出定位器Y方向的负载；
S34、对悬臂式定位器单独施加Z方向的线性载荷，获取Z方向加载时I号传感器的应变系数
Figure DEST_PATH_IMAGE012
，根据传感器的线性变化特性， I号传感器在Z方向载荷F与产生的应变E之间的线性方程如下：
Figure 609717DEST_PATH_IMAGE013
； （5）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE014
为常数项；
在装配过程中，已知应变系数
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，可根据式（1）得出X方向对I号传感器产生的应变，进而得出Z方向负载对I号传感器的应变，结合应变系数
Figure 790032DEST_PATH_IMAGE012
，得出定位器Z方向的负载。
3.根据权利要求1所述的悬臂式定位器负载监控的光纤应变传感器标定方法，其特征在于，I号传感器安装于悬臂式定位器的上表面；II号传感器安装于悬臂式定位器侧面与I号传感器同心的位置；III号传感器与I号相似，安装于定位器上表面靠近定位器的位置。
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