CN114322818B - 航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置及方法，标定装置包括悬臂梁、砝码自动加载设备、环境模拟设备、控制系统和保温装置。悬臂梁用于光纤和应变片的标定，砝码自动加载设备实现悬臂梁的砝码的自动加载，温度环境模拟设备实现标定所需要的温度环境，控制系统实现温度控制和悬臂梁的加载，保温装置用于给砝码自动加载设备控温。本装置通过在‑196～60℃的模拟温度环境下对光纤光栅的标定，确定不同温度下光纤光栅应变测量范围、应变灵敏度系数、非线性误差、迟滞误差、一致性和可重复性误差等，获取应变标定曲线，探索光纤光栅在KM6环境模拟设备中布设的安装工艺，为搭建KM6光纤光栅在线监测系统提供基础数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置及方法，属于环境模拟器的热沉实验技术领域。
背景技术
大型通讯卫星平台，其结构复杂，热试验实施难度较高。对环境模拟器的热沉强度考验较大，热沉为环境模拟器的关键设备，一旦因强度过高发生泄漏，将引起热试验整体失败，并影响型号产品的进度和质量。KM6环境模拟采用铝制热沉，与液氮管道接口为铝与不锈钢的摩擦焊，使用温度范围为-196℃～+60℃。热沉使用过程中，首先对热沉进行降温，降温手段为向热沉内灌入大量液氮，随着液氮剧烈气化，对热沉结构进行降温，该降温过程中，气化的液氮直排大气，期间热沉会发生剧烈的振动。因此，急需建立有效的在线结构健康监控系统，对其状态进行实时监测和管理。从而可以实时在线监测热沉的应力应变水平，并能够及时进行预警。
KM6环境模拟器是进行航天器环境模拟最为重要的设备。在长期的实验服役过程中，由于实验工况复杂，设备长期处于宽温区范围内工作，并且实验时设备处于内外压差接近1个大气压，从而给设备造成了潜在的危害，并对其安全性和可靠性造成了巨大的威胁。最后，长服役周期与复杂工作环境的耦合作用将严重加剧结构损伤扩展的不可预知性，传统基于地面检测数据的固定周期维修策略与KM6的高可靠性要求相悖。因此，基于在线数据提取，建立结构损伤识别方法以实现损伤位置、损伤程度的快速探测，通过实时评估结构安全态势为维修决策提供高置信判断依据，是保证KM6安全可靠性和降低运行维护成本的强有力手段。
光纤光栅是光纤传感技术发展的最新阶段，它是一种性能优良的敏感元件，可通过布拉格反射波长的移动来感应外界微小应力变化而实现对结构应变在线测量。光纤光栅传感器（FBG）是最新发展起来的一种传感器，它在稳定性、抗电磁干扰性和耐久性上远远优于传统的电学传感器不仅具有不怕恶劣环境、不受环境噪声干扰、抗电磁干扰、集传感与传输于一体、构造简单、使用方便等优点，而且还具有可对结构的应变进行高精度绝对测量、准分布式数字测量的优点。FBG传感器基于反射波长对温度、应变等物理参数的敏感特性，相比于传统传感器，可复用、抗干扰、接线少等是其最大优点。随着结构健康监测的提出，利用集成在结构内部或表面的光纤光栅传感器，将有可能把目前广泛采用的离线、静态、被动的材料及结构的损伤检测，转变为在线、动态、实时健康监测，促使工程结构及材料安全监测与性能改善的思路产生质的飞跃，是结构及材料设计思想的一场革命。
光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Gratings， FBG）传感器的反射波长对应变、温度、压力等物理参数敏感，波长的变化受应变、温度等因素的综合作用。应变引起光栅周期的伸缩和弹光效应，温度可引起热膨胀效应和热光效应，而弹光效应和热光效应可使光栅的有效折射率发生变化，热膨胀效应可引起光栅周期的变化。
FBG传感器的应变灵敏度系数是一个极其重要的参数，它直接影响测量结果。由于FBG传感器在使用过程中封装形式、封装材料、安装工艺（粘接剂的选择、粘接长度、宽度及厚度等）、环境条件（温度、湿度）等影响了结构真实应变的传递，由此引起的应变测量数据必然存在较大误差。因此，为了保证监测数据真实性和测量结果准确性，在使用前根据不同使用要求和环境条件必须对FBG传感器的应变灵敏度系数进行标定。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置及方法。
本发明的技术方案如下：
一种航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置，具体包括：根据热沉使用温度和设计应力范围，确定整个标定装置由如下五个部分构成：悬臂梁、砝码自动加载设备、温度环境模拟设备、控制系统和保温装置；其中，所述悬臂梁、砝码自动加载设备、保温装置位于所述温度环境模拟设备中；所述悬臂梁用于光纤和应变片的标定，光纤和应变片紧密贴合在悬臂梁待测表面上；所述砝码自动加载设备与悬臂梁柔性连接，自动给悬臂梁施加不同的载荷，实现悬臂梁的自动加载，从而达到变载荷的目的；所述温度环境模拟设备实现标定所需要的温度环境；所述控制系统置于温度环境模拟设备的外部，实现温度控制和悬臂梁的加载；所述保温装置给砝码自动加载设备控温，使其能够一直运行在实验要求的工作温度范围内，从而保证砝码自动加载设备正常工作。
优选地，所述砝码自动加载设备包括底部托盘和多个砝码，通过对下放底部托盘行程的控制，实现不同数量砝码的加载；所述多个砝码之间通过连接件连接，连接件设计有固定的连接空程；当两砝码间距离小于连接空程距离时，连接件不受力，下方砝码未加载，当两砝码间距离达到空程距离时，连接件受力，下方砝码加载；初始状态，所述底部托盘完全升起，承载所有砝码重量，当底部托盘下放到一定行程时，第一个砝码与第二砝码之间的距离小于连接空程距离时，第一砝码实现加载，当继续下放底部托盘到一定行程，第二个砝码与第三砝码之间的距离小于连接空程距离时，第二个砝码实现加载，如此继续下放底部托盘直至实现目标载荷。
优选地，所述控制系统包括解调仪、应变仪、温控箱控制检测上位机、温度压力检测上位机。
优选地，所述悬臂梁材料为7075型号铝合金，最大应变量应不低于4000me，悬臂梁有效长度400mm，宽度30mm，厚度4mm，弹性模量70GPa。
优选地，所述保温装置设置为独立的温控箱，所述砝码自动加载设备置于温控箱内；所述温控箱采用红外笼加热方式进行控温，温控箱内悬空设置一个热电偶，用于监测温控箱内的温度。
优选地，当所述温控箱内的热电偶监测到温度达到温度下限-40℃时，启动温控箱内的红外笼开始加热，使箱内温度始终保持在-40℃以上。
一种航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置的标定方法，用于20℃～60℃光纤光栅应变标定测试，具体包括如下步骤：
步骤1：在安装调试部分，把已经粘贴好光纤和应变片的所述悬臂梁和砝码自动加载设备置于温度环境模拟设备内固定，关闭舱门，并从室温开始逐步提高温度，每间隔10℃作为一个温度梯度，进行标定；
步骤2：在测量部分，升温至规定温度后，保温10分钟，开始标定；通过砝码自动加载装置，在每个温度梯度施加0~4200me的应变量，分别有效长度为400mm、300mm、200mm设置一个检测点；从低到高提升弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；由高到低减小弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；对FBG进行正、反行程往复循环3次测试，将得到的应变与相应的波长漂移量测试数据用表格列出并绘成曲线；
步骤3：在数据处理部分，采用最小二乘法建立数学模型，对FBG的灵敏度、线性度、迟滞和重复性等特性指标进行处理。
一种航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置的标定方法，用于20℃～-196℃光纤光栅应变标定测试，具体包括如下步骤：
步骤1：在安装调试部分，把已经粘贴好光纤和应变片的所述悬臂梁和砝码自动加载设备置于温度环境模拟设备内固定，关闭舱门，从室温开始逐步降低温度，每间隔10℃作为一个温度梯度，从20℃降低到-70℃进行标定，再将装置置于液氮进行-196℃标定实验；
步骤2：在测量部分，升温至规定温度后，保温10分钟，开始标定；通过砝码自动加载装置，在每个温度梯度施加0~4200me的应变量，分别有效长度为400mm、300mm、200mm设置一个检测点；从低到高提升弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；由高到低减小弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；对FBG进行正、反行程往复循环3次测试，将得到的应变与相应的波长漂移量测试数据用表格列出并绘成曲线；
步骤3：在数据处理部分，采用最小二乘法建立数学模型，对FBG的灵敏度、线性度、迟滞和重复性等特性指标进行处理。
与现有技术相比，本发明的航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置及方法的优势在于以下几点：
1、本发明的一种航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置及方法，先搭建光纤光栅标定系统，确定光纤光栅测量的关键尺寸和特性，后续在进行试验的KM6航天环境模拟器试验系统中进行测试，可以提取结构损伤位置、损伤程度的数据，保证热沉健康状态，满足多种型号试验要求。
2、本发明的一种航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置及方法，测试系统以对KM6热沉结构可靠性需求为牵引，以采用光纤光栅测量应变为研究对象，通过在-196～60℃的模拟温度环境下对光纤光栅的标定，确定不同温度下光纤光栅应变测量范围、应变灵敏度系数、非线性误差、迟滞误差、一致性和可重复性误差等，并可获取该温度下的应变标定曲线，探索光纤光栅在KM6环境模拟设备中布设的安装工艺，从而为后续搭建KM6光纤光栅在线监测系统提供基础数据支撑。
3、本发明的一种航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置及方法，设计研发了一种新型自动加载装置，实现了在有限空间内，大工作温度范围，对待测部件实现自动加载，保证了大温度范围内光纤光栅的标定。
附图说明
图1为本发明航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置原理图；
图2为本发明航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置的砝码自动加载设备的三维模型图；
图3为本发明航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置的砝码自动加载设备的模型正视图；
附表标记说明：
1-线孔 2-罐体3-悬臂梁
4-光纤与应变片 5-砝码 6-自动加载装置温控箱
7-自动加载装置 8-解调仪 9-应变仪
10-自动加载装置温控箱控制监测上位机 11-温度压力监测上位机 12-钢丝绳
13-底座托盘 14-砝码一 15-砝码二
16-砝码三 17-砝码四 18-砝码五
19-砝码六。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置，其具体结构如图1所示，根据热沉使用温度和设计应力范围，确定整个标定装置主要由如下五个部分构成：悬臂梁3、砝码自动加载设备、温度环境模拟设备、控制系统和保温装置。其中，悬臂梁3、砝码自动加载设备、保温装置位于温度环境模拟设备中（即罐体2内）。悬臂梁3用于光纤和应变片4的标定，光纤和应变片4紧密贴合与悬臂梁3待测量处表面，砝码自动加载设备与悬臂梁3通过高强度钢丝绳12与悬臂梁3柔性连接，并实现悬臂梁3的自动加载，从而达到变载荷的目的。温度环境模拟设备为罐体结构，实现标定所需要的温度环境。控制系统包括解调仪8、应变仪9、自动加载装置温控箱控制监测上位机10、温度压力监测上位机11，置于温度环境模拟设备的外部，可以实现温度控制和悬臂梁3的加载。保温装置采用温控箱6模式，用于给砝码自动加载设备控温，使其能够一直运行在其所要求的工作温度范围内，从而保证砝码自动加载设备正常工作。
悬臂梁3的尺寸设计，考虑到最大应变量应不低于4000me，则选取的悬臂梁尺寸，所用原材料为7075型号铝合金，有效长度400mm，宽度30mm，厚度4mm，弹性模量70GPa。
砝码自动加载设备的设计，为了能够实现实验舱内能够自动给悬臂梁3施加不同的载荷，设计了一套砝码自动加载设备，通过对下放底部托盘13行程的控制，实现不同数量砝码的加载，即不同重量的加载。砝码自动加载设备的具体结构如图2-3所示，砝码与砝码之间通过连接件连接，连接件设计有固定的连接空程。当两砝码间距离小于连接空程距离时，连接件不受力，下方砝码未加载，当两砝码间距离达到空程距离时，连接件受力，下方砝码加载。初始状态，砝码底部托盘13完全升起，承载所有砝码重量，砝码与悬臂梁3连接采用高强度钢丝绳12柔性连接，此时悬臂梁3不受力，为空载状态。具体参见图3：砝码1由连接件和连接杆组成，当底部托盘13下放到一定行程时，砝码一14与砝码二15之间的距离小于连接空程距离时，砝码一14实现加载，当继续下放底部托盘到一定行程，砝码二15与砝码三16之间的距离小于连接空程距离时，砝码二15实现加载。由此，通过下放底部托盘13行程的控制，实现不同数量砝码的加载，即不同重量的加载。
砝码自动加载设备的保温装置的设计，为了能够保证砝码自动加载设备正常工作，消除罐体2温度对其的影响，必须采取保温措施，使其能够工作在-40～85℃（工业级）温度范围内。鉴于标定试验的最高温度上限60℃低于设备容许的最高工作温度，因此，在进行保温方法的设计时只需要考虑低温工况即可。为此，设计了一个独立的温控箱6，砝码自动加载设备置于温控箱6内。温控箱6采用红外笼加热方式进行控温，温控箱6内悬空设置一个热电偶，用于监测温控箱6内的温度。当进行低温标定试验时，当温控箱6内的热电偶监测到温度达到温度下限-40℃时，启动温控箱6内的红外笼开始加热，使箱内温度始终保持在-40℃以上。
本发明进一步提出一种采用航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置的标定方法，适用于本发明的光纤光栅标定系统的标定方法包括20℃～60℃光纤光栅应变标定测试方法和20℃～-196℃光纤光栅应变标定测试方法两种方法。
20℃～60℃光纤光栅应变标定测试方法包括安装调试、测量和数据处理三个步骤，具体如下：
步骤1，在安装调试部分，把已经粘贴好光纤和应变片的悬臂梁和砝码自动加载设备等置于实验罐体内固定，关闭舱门，并从室温开始逐步提高温度，每间隔10℃作为一个温度梯度，进行标定。
步骤2，在测量部分，升温至规定温度后，保温10分钟，开始标定；通过砝码自动加载装置，在每个温度梯度施加0~4200me的应变量，分别有效长度为400mm、300mm、200mm设置一个检测点；从低到高提升弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；由高到低减小弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；对FBG进行正、反行程往复循环3次测试，将得到的应变与相应的波长漂移量测试数据用表格列出并绘成曲线。
步骤3，在数据处理部分，采用最小二乘法建立数学模型，对FBG的灵敏度、线性度、迟滞和重复性等特性指标进行处理。
所述20℃～-196℃光纤光栅应变标定测试方法包括安装调试、测量和数据处理三个步骤。具体如下：
步骤1，在安装调试部分，把已经粘贴好光纤和应变片的悬臂梁和砝码自动加载设备等置于实验罐体内固定，关闭舱门，从室温开始逐步降低温度，每间隔10℃作为一个温度梯度，从20℃降低到-70℃进行标定。再将装置置于液氮进行-196℃进行标定实验。
步骤2，在测量部分，升温至规定温度后，保温10分钟，开始标定；通过砝码自动加载装置，在每个温度梯度施加0~4200me的应变量，分别有效长度为400mm、300mm、200mm设置一个检测点；从低到高提升弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；由高到低减小弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；对FBG进行正、反行程往复循环3次测试，将得到的应变与相应的波长漂移量测试数据用表格列出并绘成曲线。
步骤3，在数据处理部分，采用最小二乘法建立数学模型，对FBG的灵敏度、线性度、迟滞和重复性等特性指标进行处理；
本发明根据热沉使用温度和设计应力范围，设计并搭建适用于高低温环境、能够实现砝码自动加载以及实验舱外可控的光纤光栅标定装置。利用搭建的航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅FBG标定装置，开展-196~60℃温度范围内FBG在不同应变量下标定实验。由于FBG传感器在使用过程中安装工艺会造成应变测量数据的误差，因此需要确定该标定所需合适的粘结剂、粘接长度、宽度及厚度等。通过同一温度下的光纤光栅传感器应变对比试验，可确定和固化该安装工艺。确定室温光纤光栅应变测量范围和应变灵敏度系数等，评估测量的非线性误差、迟滞误差、一致性和可重复性误差等，并获得该温度下的应变标定曲线。
以上所述之实施例仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出更多可能的变动和润饰，或修改均为本发明的等效实施例。故凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明之思路所作的等同等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种采用航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置的标定方法，其特征在于：
所述航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置根据热沉使用温度和设计应力范围，确定整个标定装置由如下五个部分构成：悬臂梁、砝码自动加载设备、温度环境模拟设备、控制系统和保温装置；其中，所述悬臂梁、砝码自动加载设备、保温装置位于所述温度环境模拟设备中；所述悬臂梁用于光纤和应变片的标定，光纤和应变片紧密贴合在悬臂梁待测表面上；所述砝码自动加载设备与悬臂梁柔性连接，自动给悬臂梁施加不同的载荷，实现悬臂梁的自动加载，从而达到变载荷的目的；所述温度环境模拟设备实现标定所需要的温度环境；所述控制系统置于温度环境模拟设备的外部，实现温度控制和悬臂梁的加载；所述保温装置给砝码自动加载设备控温，使其能够一直运行在实验要求的工作温度范围内，从而保证砝码自动加载设备正常工作；
所述保温装置设置为独立的温控箱，所述砝码自动加载设备置于温控箱内；所述温控箱采用红外笼加热方式进行控温，温控箱内悬空设置一个热电偶，用于监测温控箱内的温度；当所述温控箱内的热电偶监测到温度达到温度下限-40℃时，启动温控箱内的红外笼开始加热，使箱内温度始终保持在-40℃以上；
所述航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置通过在-196～60℃的模拟温度环境下对光纤光栅进行标定，标定方法具体为：包括20℃～60℃光纤光栅应变标定测试和20℃～-196℃光纤光栅应变标定测试；
所述20℃～60℃光纤光栅应变标定测试具体包括如下步骤：
步骤1：在安装调试部分，把已经粘贴好光纤和应变片的所述悬臂梁和砝码自动加载设备置于温度环境模拟设备内固定，关闭舱门，并从室温开始逐步提高温度，每间隔10℃作为一个温度梯度，进行标定；
步骤2：在测量部分，升温至规定温度后，保温10分钟，开始标定；通过砝码自动加载装置，在每个温度梯度施加0～4200me的应变量，分别有效长度为400mm、300mm、200mm设置一个检测点；从低到高提升弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；由高到低减小弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；对FBG进行正、反行程往复循环3次测试，将得到的应变与相应的波长漂移量测试数据用表格列出并绘成曲线；
步骤3：在数据处理部分，采用最小二乘法建立数学模型，对FBG的灵敏度、线性度、迟滞和重复性特性指标进行处理；
所述20℃～-196℃光纤光栅应变标定测试包括如下步骤：
步骤4：在安装调试部分，把已经粘贴好光纤和应变片的所述悬臂梁和砝码自动加载设备置于温度环境模拟设备内固定，关闭舱门，从室温开始逐步降低温度，每间隔10℃作为一个温度梯度，从20℃降低到-70℃进行标定，再将装置置于液氮进行-196℃标定实验；
步骤5：在测量部分，升温至规定温度后，保温10分钟，开始标定；通过砝码自动加载装置，在每个温度梯度施加0～4200me的应变量，分别有效长度为400mm、300mm、200mm设置一个检测点；从低到高提升弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；由高到低减小弯曲载荷，记录应变与相应的波长漂移量；对FBG进行正、反行程往复循环3次测试，将得到的应变与相应的波长漂移量测试数据用表格列出并绘成曲线；
步骤6：在数据处理部分，采用最小二乘法建立数学模型，对FBG的灵敏度、线性度、迟滞和重复性特性指标进行处理。
2.根据权利要求1所述的采用航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置的标定方法，其特征在于，所述砝码自动加载设备包括底部托盘和多个砝码，通过对下放底部托盘行程的控制，实现不同数量砝码的加载；所述多个砝码之间通过连接件连接，连接件设计有固定的连接空程；当两砝码间距离小于连接空程距离时，连接件不受力，下方砝码未加载，当两砝码间距离达到空程距离时，连接件受力，下方砝码加载；初始状态，所述底部托盘完全升起，承载所有砝码重量，当底部托盘下放到一定行程时，第一个砝码与第二砝码之间的距离小于连接空程距离时，第一砝码实现加载，当继续下放底部托盘到一定行程，第二个砝码与第三砝码之间的距离小于连接空程距离时，第二个砝码实现加载，如此继续下放底部托盘直至实现目标载荷。
3.根据权利要求2所述的采用航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置的标定方法，其特征在于，所述控制系统包括解调仪、应变仪、自动加载装置温控箱控制监测上位机、温度压力监测上位机。
4.根据权利要求2所述的采用航天环境模拟器热实验用热沉光纤光栅标定装置的标定方法，其特征在于，所述悬臂梁材料为7075型号铝合金，最大应变量应不低于4000me，悬臂梁有效长度400mm，宽度30mm，厚度4mm，弹性模量70GPa。
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