CN114755097B - 叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统及测量方法 - Google Patents

叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统及测量方法，测量系统包括光栅阵列传感器、多参量信号解调仪、上位机PC和环形复合材料冲击实验装置，所述光栅阵列传感器包括沿环形复合材料冲击实验装置周向设置的位置上下对应的振动传感器、温度传感器、应变传感器；所述光栅阵列传感器将啁啾光栅阵列和超窄弱光栅阵列共用在一根单模光纤上；相邻啁啾光栅阵列构成一个振动传感器，所述振动传感器采用解调方式为相位解调；所述温度传感器与应力传感器由单个超窄弱光栅阵列组成，解调方式为波长解调。本发明可获取复合材料受冲击时的力学特性，测量精度高、覆盖范围广、响应速率快，极大地提高测量的效率。

Description

叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统及测量 方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，更具体地说，涉及一种叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量方法。
背景技术
碳纤维复合材料层合板具有质量轻、强度高、韧性好等优点，被广泛应用于汽车、医疗器械、机械制造乃至航空航天等领域，但是由于其各向异性的特点使得其力学分析变得极为复杂。发动机叶片飞脱的潜在风险，也对其外部的包容性复合材料强度提出了更高要求，外部的包容性材料一旦受到冲击破坏，飞溅的碎片很可能对整个结构体造成严重损坏，并引发巨大的经济损失和社会安全问题，因此生产过程中需要进行叶片飞脱冲击实验。为了准确获取实验过程中的冲击信息，对复合材料表面破坏情况进行针对性分析，需要对振动、温度、应变等多个参量进行监测。为了获取这些参量，以往多采用电学传感器，但是这类传感器通常体积大，结构复杂，而且难以实现分布式测量。而叶片飞脱的方向具有不确定性，为了能够监测到准确的数据，需要将传感器遍布复合材料四周，给实验带来很大困难。
目前，冲击复合材料的测量方法有以下几种：1、中国专利(专利号CN201510438873.5)“复合材料结构的损伤监测方法、装置和系统”中所介绍的复合材料冲击检测方法，采用在复合材料表面布置大量的压电传感器进行冲击检测，判断冲击位置，并且在检测过程中需要实时向传感网络反馈检测信号。该方法传感网络布置复杂，响应速率较慢，且压电传感器本身易受电磁干扰，也不具备防爆功能。2、中国专利(专利号CN201510634216.8)“一种复合材料在线健康监测系统和监测方法”中所介绍的复合材料健康检测方法，通过将光纤光栅预埋在复合材料内部的方式监测复合材料的损伤情况，具有测量精度高，响应速度快，抗电磁干扰等优点。但是该方法只能监测温度、应变这样的静态参量，而无法测量振动这种动态参量，测量能力有限，难以复合材料冲击实验需求。
当前叶片飞脱冲击复合材料实验的信号测量多采用电类传感器，但是由于电类传感器本身体积大，抗电磁干扰能力差，复用率低组网困难，使得其测量能力有限，区域定位精度低，普通的光纤光栅传感器也只能测得单一的物理量，难以满足碳纤维复合材料层合板的力学分析的实际需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，提供一种叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量方法，本方法具有测量精度高、覆盖范围广、响应速率快等优点，可以极大地提高测量的效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统，包括光栅阵列传感器、多参量信号解调仪、上位机PC和环形复合材料冲击实验装置，所述光栅阵列传感器包括沿环形复合材料冲击实验装置周向设置的位置上下对应的振动传感器、温度传感器、应变传感器；.
所述的光栅阵列传感器将啁啾光栅阵列和超窄弱光栅阵列共用在一根单模光纤上；
相邻两个啁啾光栅阵列构成一个振动传感器，所述振动传感器采用的解调方式为相位解调；
所述温度传感器与应力传感器由单个超窄弱光栅阵列组成，采用的解调方式为波长解调；
所述多参量信号解调仪内的宽带光源与窄带激光通过波分复用装置连接，为系统提供光源，所述光源经由掺铒光纤放大器放大后输出至光环形器的第一端口；
所述光环形器的第二端口连接光栅阵列传感器，所述光栅阵列传感器用于接收光环形器的第二端口传输的光脉冲，并产生反射光脉冲；
所述光环形器的第三端口通过耦合器连接匹配干涉仪，所述匹配干涉仪用于对所述啁啾光栅阵列的相邻啁啾光栅的反射光脉冲进行干涉解调并获取反射光脉冲的干涉信号；
所述匹配干涉仪连接信号处理单元，所述信号处理单元用于处理匹配干涉仪解调后的反射光脉冲信号，并转化为上位机PC可识别的电信号；
所述信号处理单元连接上位机PC。
按上述方案，所述信号处理单元包括FPGA模块、信号采集装置和信号处理模块，所述FPGA模块分别连接信号采集装置和信号处理模块，所述FPGA模块用于产生触发信号，触发信号采集装置进行数据采集；所述信号处理模块用于对FPGA模块里面采集到的数据进行处理。
按上述方案，所述耦合器为3×3耦合器。
按上述方案，所述温度传感器采用将超短弱光栅阵列封装在金属套管的方式来消除外力影响。
本发明还提供一种利用叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统的测量方法，测量振动信息的方法包括以下步骤：
A1、通过窄带激光发射光脉冲，获取啁啾光栅阵列的反射光脉冲；
A2、对反射光脉冲进行干涉解调，获取反射光的干涉信号；
A3、通过反射光脉冲的干涉信号变化，获取相邻啁啾光栅阵列间的相位变化信息；
A4、通过相位信息的变化获取复合材料表面的振动信息。
本发明还提供一种利用叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统的测量方法，测量温度、应变信息的方法包括以下步骤：
B1、通过宽带光源进行波长扫描，获取啁啾光栅阵列的每个光纤光栅的光谱；
B2、根据每个光纤光栅的光谱，得到每个光纤光栅的中心波长；
B3、检测每个光纤光栅的中心波长的变化信息，获取复合材料表面的温度、应变信息。实施本发明的叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量方法及方法，具有以下有益效果：
本发明通过在同一根单模光纤上在线刻写啁啾光栅阵列和超短弱光栅阵列组成振动、温度、应变分布式传感网络，实现了叶片飞脱冲击复合材料整个过程中多参量的测量，能够准确判断冲击的时间、位置、强度等信息，具有体积小、易安装、抗电磁干扰、测量连续等优点，解决了传统电学传感器体积大，结构复杂，而且难以实现分布式测量的问题，提高了实验效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统示意图；
图2是本发明温度传感器的结构图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明的叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量方法，包括光栅阵列传感器、多参量信号解调仪5、上位机PC6和环形复合材料冲击实验装置4，光栅阵列传感器包括沿环形复合材料冲击实验装置4周向设置且位置上下对应的振动传感器1、温度传感器2、应变传感器3。多参量信号解调仪5内的宽带光源与窄带激光通过波分复用装置连接，为系统提供光源，光源经由掺铒光纤放大器放大后输出至光环形器的第一端口；光环形器的第二端口连接光栅阵列传感器，光栅阵列传感器用于接收光环形器的第二端口传输的光脉冲，并产生反射光脉冲；光环形器的第三端口通过耦合器连接匹配干涉仪，耦合器为3×3耦合器。匹配干涉仪用于对振动传感器1的啁啾光栅阵列的相邻啁啾光栅的反射光脉冲进行干涉解调，并获取反射光脉冲的干涉信号；匹配干涉仪连接信号处理单元，信号处理单元用于处理匹配干涉仪解调后的反射光脉冲信号，并转化为上位机PC6可识别的电信号；信号处理单元连接上位机PC6，上位机PC6用于接收获取的电信号，并通过上位机PC6的软件对振动、温度、应变信息进行综合分析，获得叶片飞脱冲击复合材料表面时的动态信息。
信号处理单元包括FPGA模块、信号采集装置和信号处理模块，FPGA模块分别连接信号采集装置和信号处理模块，FPGA模块用于产生触发信号，触发信号采集装置进行数据采集；信号处理模块用于对FPGA模块里面采集到的数据进行处理。
光栅阵列将啁啾光栅阵列和超窄弱光栅阵列共用在一根单模光纤上振动传感器1由相邻的两个啁啾光栅阵列构成，采用的解调方式为相位解调。温度传感器2与应变传感器3由单个超窄弱光栅阵列组成，采用的解调方式为波长解调。温度传感器2采用将超短弱光栅阵列封装在金属套管的方式来消除外力影响。系统获取环形复合材料冲击实验装置中4的复合材料表面从冲击到整个破坏过程中振动、温度、应变的静态与动态物理参量。
测量振动信息的方法包括：
A1、通过窄带激光发射光脉冲，获取啁啾光栅阵列的反射光脉冲；
A2、对反射光脉冲进行干涉解调，获取反射光的干涉信号；
A3、通过反射光脉冲的干涉信号变化，获取相邻啁啾光栅阵列间的相位变化信息；
A4、通过相位信息的变化获取复合材料表面的振动信息。
测量温度、应变信息的方法包括：
B1、通过宽带光源进行波长扫描，获取啁啾光栅阵列的每个光纤光栅的光谱；
B2、根据每个光纤光栅的光谱，得到每个光纤光栅的中心波长；
B3、检测每个光纤光栅的中心波长的变化信息，获取复合材料表面的温度、应变信息。
本发明的优选实施例中，包括光栅阵列传感器、复合材料冲击实验装置4、多参量信号解调仪5和上位机PC6。该系统通过在同一根单模光纤上刻写啁啾光栅阵列和超短弱光栅阵列组成振动、温度、应变分布式传感网络，实现了叶片飞脱冲击复合材料整个过程中多参量的测量。其中，如图2所示，温度传感器2结构包括封胶包裹的光纤和超窄弱光栅、封胶外套设的金属套管。光栅阵列传感器沿环形复合材料周向布置，光栅阵列传感器包括光栅振动传感器1、温度传感器2、应变传感器3安装位置上下对应，光栅振动传感器1和温度传感器2之间、温度传感器2和应变传感器3之间的间距0.5米。多参量信号解调仪5内的宽带光源与窄带激光通过波分复用装置连接，为系统提供光源；光源经由掺铒光纤放大器放大后输出至光环形器第一端口；光栅阵列传感器连接光环形器第二端口，用于接收第二端口传输的光脉冲并产生反射光脉冲；匹配干涉仪通过耦合器连接光环形器第三端口，用于对啁啾光栅阵列的相邻啁啾光栅的反射光脉冲进行干涉解调并获取反射光脉冲的干涉信号；信号处理单元连接匹配干涉仪，用于处理匹配干涉仪解调后的反射光脉冲信号，并转化为上位机PC6可识别的电信号，上位机PC6连接信号处理单元，用于接收获取的电信号，并通过上位机PC6的软件对振动、温度、应变信息进行综合分析，获得叶片从飞脱到冲击复合材料表面整个过程的的动态信息，准确判断冲击的时间、位置与强度。
实验时：将炸药预埋至叶片根部，待叶片加速到一定的速率后遥控引爆，通过光栅阵列多参量测量系统监测从叶片飞脱到与环形复合材料相撞发生破坏整个过程中不同时间、不同位置处的振动、温度、应变信息，获取复合材料受冲击时的力学特性，具有测量精度高、覆盖范围广、响应速率快等优点，可以极大地提高测量的效率。
由于光纤传感具有分布式测量的独特优势，光纤本身不但是传感单元，更是传输媒介，且本身具有体积微小，抗电磁干扰能力强，以及精确度高等优点，采用本测量方法可以实现在叶片飞脱冲击复合材料试验中同时监测动态的振动信息和静态的温度、应变信息，准确获取试验所需物理参量，提高试验效率。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统，其特征在于，包括光栅阵列传感器、多参量信号解调仪、上位机PC和环形复合材料冲击实验装置，所述光栅阵列传感器包括沿环形复合材料冲击实验装置周向设置的位置上下对应的振动传感器、温度传感器、应变传感器；
所述的光栅阵列传感器将啁啾光栅阵列和超窄弱光栅阵列共用在一根单模光纤上；
相邻两个啁啾光栅阵列构成一个振动传感器，所述振动传感器采用的解调方式为相位解调；
所述温度传感器与应力传感器由单个超窄弱光栅阵列组成，采用的解调方式为波长解调；
所述多参量信号解调仪内的宽带光源与窄带激光通过波分复用装置连接，为系统提供光源，所述光源经由掺铒光纤放大器放大后输出至光环形器的第一端口；
所述光环形器的第二端口连接光栅阵列传感器，所述光栅阵列传感器用于接收光环形器的第二端口传输的光脉冲，并产生反射光脉冲；
所述光环形器的第三端口通过耦合器连接匹配干涉仪，所述匹配干涉仪用于对所述啁啾光栅阵列的相邻啁啾光栅的反射光脉冲进行干涉解调并获取反射光脉冲的干涉信号；
所述匹配干涉仪连接信号处理单元，所述信号处理单元用于处理匹配干涉仪解调后的反射光脉冲信号，并转化为上位机PC可识别的电信号；
所述信号处理单元连接上位机PC。
2.根据权利要求1所述的叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统，其特征在于，所述信号处理单元包括FPGA模块、信号采集装置和信号处理模块，所述FPGA模块分别连接信号采集装置和信号处理模块，所述FPGA模块用于产生触发信号，触发信号采集装置进行数据采集；所述信号处理模块用于对FPGA模块里面采集到的数据进行处理。
3.根据权利要求1所述的叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统，其特征在于，所述耦合器为3×3耦合器。
4.根据权利要求1所述的叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量方法，其特征在于，所述温度传感器采用将超短弱光栅阵列封装在金属套管的方式来消除外力影响。
5.一种利用权利要求1所述的叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统的测量方法，其特征在于，测量振动信息的方法包括以下步骤：
A1、通过窄带激光发射光脉冲，获取啁啾光栅阵列的反射光脉冲；
A2、对反射光脉冲进行干涉解调，获取反射光的干涉信号；
A3、通过反射光脉冲的干涉信号变化，获取相邻啁啾光栅阵列间的相位变化信息；
A4、通过相位信息的变化获取复合材料表面的振动信息。
6.一种利用权利要求1所述的叶片飞脱冲击复合材料的光栅阵列多参量测量系统的测量方法，其特征在于，测量温度、应变信息的方法包括以下步骤：
B1、通过宽带光源进行波长扫描，获取啁啾光栅阵列的每个光纤光栅的光谱；
B2、根据每个光纤光栅的光谱，得到每个光纤光栅的中心波长；
B3、检测每个光纤光栅的中心波长的变化信息，获取复合材料表面的温度、应变信息。
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