[发明专利]光纤光栅五分量测力天平及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航空航天测力实验中的测量设备及测量方法，尤其涉及一种光纤光栅五分量测力天平及测量方法。属于航空航天测力实验等应用技术领域。

背景技术

风洞天平按工作原理可分为机械天平、应变天平、压电天平及磁悬挂天平等。目前广泛应用的是应变天平，应变天平是基于非电量电测的原理，把应变测量技术具体应用在风洞实验中，来测量作用在模型上的空气动力和力矩。用专门设计的天平元件来感受作用在模型上的空气动力，并将其按一定的坐标系统分解成空气动力和力矩分量。在此空气动力和力矩分量的作用下，天平元件产生相应的应变。粘贴在天平元件上的应变片将天平元件产生的应变量变换成与此成比例的电阻增量。由应变片组成的测量电桥，将电阻增量变换成电压输出，然后由检测仪表测量和记录下来。

光纤光栅传感器技术是20世纪70年代随着光纤技术和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，它代表了新一带传感器技术的发展趋势，具有“传”、“感”合一的特点。它是利用光纤对某些特定物理量敏感的特性，将外界物理量转换成可以直接测量的光信号的技术。常规天平的敏感元件选用应变片，但在一些测力现场噪声影响比较严重，普通的敏感元件会在噪声电场中受到严重的干扰，无法得到正确的应变信号。

发明内容

本发明为了解决常规天平的敏感元件的应变片，在一些测力现场噪声影响比较严重，会在噪声电场中受到严重的干扰，无法得到正确的应变信号的技术问题，提供一种光纤光栅五分量测力天平及测量方法，所述光纤光栅五分量测力天平，它主要由固定端、模型安装锥面及天平应变梁组成，在所述固定端侧面设有键槽，在所述天平应变梁上组桥采用五分量复合敏感元件，在所述五分量复合敏感元件的各应变梁的前端和后端分别粘贴有光纤光栅传感器。

光纤光栅五分量测力天平的测量方法，该方法的实现步骤为：

将固定端作为天平与测量转角机构的连接段，键槽用于与实验转角机构定位；五分量复合敏感元件的各应变梁用来粘贴光纤光栅传感器作为测量气动力的耦合梁；所述模型安装锥面为天平与模型的配合面；模型的气动力载荷由此配合面传到天平测量元件上；将0号光纤光栅传感器粘贴到天平固定端头部；在对应设计位置粘贴其他光纤光栅传感器，保证光栅变形与天平应变梁同步变形；

校准天平的五分量复合敏感元件，求出天平的校准系数；

在飞行器模型表面覆盖等离子体，通过激励电压、频率、相位以及电极分布的控制，控制表面等离子体内的电子密度以及等离子体的运动方向和流向；从而影响边界层里中性粒子的速度和附着能力，使飞行器机体表面流场发生改变；用光纤光栅传感器代替普通应变片，通过对光栅变形来测量天平应变梁的同步变形，实现测量作用在模型上的空气动力载荷，即力与力矩的大小、方向与作用点。

本发明效果和益处是：本发明采用光纤光栅传感器作为变形梁的敏感元件代替常规的应变片，具有传输距离长，信号精度高，可以精确到一个pm，不易被干扰等特点。而且可以一个光纤数个光栅传感器，通过不同的光信号波长来寻址，这样可以减少测量线的铺设，减少了由于线路过多而对天平结构的要求过多。对于航空航天测力实验的高精度要求是相适应的，减少了由于信号失真而造成的对实验数据的反复测量和分析，节省了研究时间，提高了实验数据的可靠性。

本发明有效的提高天平的测量精度，在强磁场环境下可以不受现场的电磁干扰，信号不失真。

在特种研究实验中，如等离子减阻技术研究需要高压放电，产生强磁场，因此一般的研究方式都是以测压为主，本发明可以拓宽在此类实验中的测量方法，提高测量的分析手段。光纤光栅天平经校准后，测量精度满足常规的天平实验要求，而考虑到了温度效应和综合抗干扰性，放宽了光纤光栅天平的使用环境。

附图说明

图1是本发明中光纤光栅五分量测力天平结构示意图

图2是图1中A-A剖面图

具体实施方式

光纤光栅五分量测力天平，它主要由固定端1、模型安装锥面3及天平应变梁组成，在所述固定端1侧面设有键槽2，在所述天平应变梁上组桥采用五分量复合敏感元件4，在所述五分量复合敏感元件4的各应变梁的前端和后端分别粘贴有光纤光栅传感器5。

所述光纤光栅传感器5的粘贴位置，靠近固定端的叫做后端，另一端为前端。

所述光纤光栅传感器5的粘贴位置，为刚性强度忽略变形的部位。

所述光纤光栅传感器5粘贴部位以及光纤光栅应用在航空天平上的方法和粘贴部件在12-14mm的要求范围。

光纤光栅五分量测力天平的测量方法，该方法的实现步骤为：