[发明专利]一种用于航天器应变测量的光纤传感系统有效

专利信息
申请号: 202011358469.4 申请日: 2020-11-27
公开(公告)号: CN112629427B 公开(公告)日: 2022-06-17
发明(设计)人: 张建德;杨宁;罗玉祥;郑鹏;赵波;王晓宇;刘强;孙华亮;于立佳;张庆志;展浩 申请(专利权)人: 山东航天电子技术研究所
主分类号: G01B11/16 分类号: G01B11/16
代理公司: 北京金硕果知识产权代理事务所(普通合伙) 11259 代理人: 郝晓霞
地址: 264003 山*** 国省代码: 山东;37
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摘要:
搜索关键词: 一种 用于 航天器 应变 测量 光纤 传感 系统
【说明书】:

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。

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

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