一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法技术

本发明专利技术提供一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其具体步骤如下：一：在机翼上布贴光纤光栅传感器；二：获得光纤光栅传感器实测的应变；三：分析机翼剪力状态；四：计算机翼剪力；通过以上步骤，本发明专利技术利用布贴在机翼上的光纤光栅实测的应变数据，计算得到机翼的剪力，达到了只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构等其他信息的情况下，就能够获得机翼剪力的效果，解决了仅仅依靠光纤光栅实测的应变数据而对机翼的剪力进行实时监测的实际问题。

A method for real-time monitoring of wing shear strain based on fiber grating

The present invention provides a method for real-time monitoring of wing shear strain based on fiber grating, the specific steps are as follows: A: on the wing cloth fiber grating sensor; two: get the strain of fiber grating sensor measurement; three: analysis of wing shear state; four: Calculation of wing shear; through the above steps, the fiber grating strain data the invention uses the measured cloth paste on the wing, the calculated wing shear, can only use the fiber grating strain data measured, in the absence of wing load and wing structure and other information, we can obtain the wing shear effect, the actual problem is solved only depend on the fiber grating strain data measured and shear force on the wing for real-time monitoring.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法
：本专利技术提供一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，具体涉及利用光纤光栅所测量得到的实测应变获得机翼的剪力，实现机翼剪力的实时监测，适用于在服役飞机与在飞机全机疲劳试验中的飞机上利用光纤光栅所测量得到的实测应变对飞机机翼所受的剪力进行实时监测，属于测试测量

技术介绍
：飞机机翼是飞机的重要结构部件之一，是保障飞机安全飞行的关键因素。在飞机的全寿命周期内，飞机机翼会经历特定的载荷历程，此载荷历程是决定飞机机翼使用寿命的关键因素，而飞机机翼的剪力则是机翼载荷历程的重要组成部分。因此，对飞机机翼所受的剪力进行实时监测，获得单架飞机机翼的剪力载荷历程，是建立飞机的实际受载日志的关键，有利于实现飞机的健康管理，同时可进一步的指导飞机机翼的优化设计。目前，我国还没有实现对服役飞机的机翼所受剪力的长期、实时在线监测，现有的进行机翼载荷研究的方法，是基于应变片的监测方法，这种方法只能实现个别飞机的短期监测，并且测量设备复杂，标定过程繁琐，可靠性低，不能对每一架服役飞机都进行标定，不能实现对飞机长期、实时在线的监测。而光纤光栅传感器具有灵敏度高、体积小、多点测量、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强等特点，利用光纤光栅可实现对飞机机翼所受弯矩长期、实时在线的监测。
技术实现思路
：一、目的利用光纤光栅传感器灵敏度高、体积小、多点测量、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强等特点，获得机翼的实测应变数据。并且，只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构等其他信息的情况下，得到机翼的剪力。这种方法简单易行，可以实现对服役飞机以及在飞机全机疲劳试验中的飞机的机翼所受的剪力长期、实时在线的监测，建立每一架飞机的独立的受载日志，为其寿命预测提供准确的输入，实现对飞机的健康管理，一方面为飞机维修周期的确定提供参考依据，保障飞机安全，另一方面可进一步指导飞机的优化设计。二、技术方案本专利技术一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，具体步骤如下：步骤一：在机翼上布贴光纤光栅传感器；在机翼表面，沿机翼刚轴方向或沿机翼上垂直于机身的方向，布贴n个点的光纤光栅传感器测点；步骤二：获得光纤光栅传感器实测的应变；当飞机在实际飞行中或在飞机的全机疲劳试验中，利用光纤光栅传感器解调设备采集和记录光纤光栅信号，会获得光纤光栅传感器的峰值波长信号λ，将此峰值波长信号λ转换为测点的应变值ε，也就是光纤光栅传感器实测的应变；步骤三：分析机翼剪力状态；机翼可以简化为固定在机身上的悬臂结构，飞机在飞行中受到的实际载荷和飞机在全机疲劳试验中受到的多点加载的载荷，都可以等效为在机翼压心上的载荷P；再将机翼简化为沿光纤光栅传感器布贴方向的悬臂梁，结合机翼的压心与等效压心载荷P，可以得到沿此方向的机翼弯矩是一条带有斜率的直线，而机翼的剪力是机翼弯矩这条斜直线的斜率；步骤四：计算机翼剪力；在沿光纤光栅传感器布贴方向，机翼的弯矩是一条带有斜率的直线的情况下，不同截面的弯矩具有一定的比例关系，同时，测量得到的实测应变数据分别乘以各自的系数后具有相同的比例关系，并且，此比例关系与测点位置有关。利用以上所说的比例关系，可以计算出机翼弯矩这条斜直线的斜率，此斜率就是机翼的剪力。通过以上步骤，利用布贴在机翼上的光纤光栅实测的应变数据，计算得到机翼的剪力，达到了只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构等其他信息的情况下，就能够获得机翼剪力的效果，解决了仅仅依靠光纤光栅实测的应变数据而对机翼的剪力进行实时监测的实际问题。其中，在步骤一中所述的“光纤光栅传感器”，是指一种通过外界应变变化对光纤布拉格波长的调制来获取传感器信息的波长调制型光纤传感器。其中，在步骤二中所述的“光纤光栅传感器解调设备”，是指一种对光纤光栅传感器中心反射波长信号进行解算的设备。其中，在步骤二中所述的“将此峰值波长信号λ转换为测点的应变值ε”，其具体作法如下：设光纤光栅传感器的初始中心波长为λ0，测量得到的中心波长为λ，则有应变其中β为光纤的应变敏感系数。其中，在步骤三中所述的“分析机翼剪力状态”，其具体作法如下：将机翼简化为固定在机身上的悬臂结构，将机翼上所受载荷等效为在机翼压心上的载荷P，则可以将机翼看成是受末端一点集中力的悬臂梁结构；所以，机翼的剪力状态，就可以等效的看为是末端受一点集中力的悬臂梁的剪力状态，也就是，弯矩是一条带有斜率的直线，剪力是等于压心拉力的恒定不变的量，同时，剪力也等于弯矩斜直线的斜率。其中，在步骤四中所述的“计算机翼剪力”，其具体作法如下：根据机翼的弯矩是一条带有斜率的直线，和弯矩与测量的应变有如下的关系：Mi＝Kiεi建立不同截面间的弯矩的比例关系如下：M1:M2:M3:……:Mn＝K1ε1：K2ε2：K3ε3：……：Knεn＝(x+a1):(x+a2):(x+a3):……:x其中，x是压心到第n个光纤光栅测点的距离，a1、a2、a3等分别是第1个光纤光栅测点到第n个光纤光栅测点的距离、第2个光纤光栅测点到第n个光纤光栅测点的距离、第3个光纤光栅测点到第n个光纤光栅测点的距离，并依次类推；利用测量得到的应变值，解上面的比例方程，就可以得到n个K系数的值，从而利用测量得到的应变就可以计算出不同界面的弯矩，而弯矩斜直线的斜率，就是要得到的剪力值。三、优点与功效(1)本专利技术基于光纤光栅传感器实测应变来实时监测机翼的剪力，可以实现对服役飞机以及在飞机全机疲劳试验中的飞机的机翼所受的剪力进行长期、实时在线的监测，解决了传统应变片测量方法不能长期、实时在线测量的问题。有利于实现建立每一架飞机的独立受载日志，以及进一步的飞机优化研究。(2)本专利技术只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构等其他信息的情况下，就能够获得机翼的剪力。本方法简单易行，可以在每一架实际使用的飞机上通用，从而实现对每一架服役飞机的机翼所受剪力进行长期、实时在线的监测。附图说明图1本专利技术所述方法总流程图。图2本专利技术沿机翼刚轴布贴光纤光栅传感器示意图。图3本专利技术沿垂直机身方向布贴光纤光栅传感器示意图。图4本专利技术压心位置示意图1。图5本专利技术压心位置示意图2。图6本专利技术压心与等效压心载荷p示意图。图7本专利技术剪力与弯矩状态示意图。图中序号、符号、代号说明如下：机翼的刚轴X指机翼刚心连线所形成的沿机翼的轴线。航向指飞机飞行方向也是飞机机身的方向。压心是在机翼上的所有载荷等效的作用点。压心拉力P是指在机翼上的所有载荷在压心位置处的等效载荷。具体实施方式本专利技术提供的一种基于光纤光栅实测应变的飞机机翼剪力实时监测方法，见图1所示，具体通过如下步骤实现：步骤一：在机翼上布贴光纤光栅传感器；在机翼表面，沿机翼刚轴方向布贴n个点的光纤光栅传感器测点，一直布贴到接近于机翼的末端，如图2所示；或者，在机翼表面沿垂直于机身方向布贴n个点的光纤光栅传感器测点，一直布贴到接近于机翼的末端，如图3所示；其中，无论是沿机翼刚轴方向还是沿垂直于机身方向布贴光纤光栅传感器，最后一个或几个光纤光栅传感器测点的位置，都会接近于机翼的压心位置，如图4和图5所示；步骤二：获得光纤光栅传感器实测的应变；首先，连接光纤光栅传感器到光纤光栅传感器解调设备上，在没有应变时的光栅光纤的中心波长本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一：在机翼上布贴光纤光栅传感器；在机翼表面，沿机翼刚轴方向或沿机翼上垂直于机身的方向，布贴n个点的光纤光栅传感器测点；步骤二：获得光纤光栅传感器实测的应变；当飞机在实际飞行中及在飞机的全机疲劳试验中，利用光纤光栅传感器解调设备采集和记录光纤光栅信号，会获得光纤光栅传感器的峰值波长信号λ，将此峰值波长信号λ转换为测点的应变值ε，也就是光纤光栅传感器实测的应变；步骤三：分析机翼剪力状态；机翼简化为固定在机身上的悬臂结构，飞机在飞行中受到的实际载荷和飞机在全机疲劳试验中受到的多点加载的载荷，都等效为在机翼压心上的载荷P；再将机翼简化为沿光纤光栅传感器布贴方向的悬臂梁，结合机翼的压心与等效压心载荷P，能得到沿此方向的机翼弯矩是一条带有斜率的直线，而机翼的剪力是机翼弯矩这条斜直线的斜率；步骤四：计算机翼剪力；在沿光纤光栅传感器布贴方向，机翼的弯矩是一条带有斜率的直线的情况下，不同截面的弯矩具有一预定的比例关系，同时，测量得到的实测应变数据分别乘以各自的系数后具有相同的比例关系，并且，此比例关系与测点位置有关；利用以上所说的比例关系，能计算出机翼弯矩这条斜直线的斜率，此斜率就是机翼的剪力；通过以上步骤，利用布贴在机翼上的光纤光栅实测的应变数据，计算得到机翼的剪力，达到了只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构及其他信息的情况下，就能够获得机翼剪力的效果，解决了仅仅依靠光纤光栅实测的应变数据而对机翼的剪力进行实时监测的实际问题。...

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其特征在于：具体步骤如下：步骤一：在机翼上布贴光纤光栅传感器；在机翼表面，沿机翼刚轴方向或沿机翼上垂直于机身的方向，布贴n个点的光纤光栅传感器测点；步骤二：获得光纤光栅传感器实测的应变；当飞机在实际飞行中及在飞机的全机疲劳试验中，利用光纤光栅传感器解调设备采集和记录光纤光栅信号，会获得光纤光栅传感器的峰值波长信号λ，将此峰值波长信号λ转换为测点的应变值ε，也就是光纤光栅传感器实测的应变；步骤三：分析机翼剪力状态；机翼简化为固定在机身上的悬臂结构，飞机在飞行中受到的实际载荷和飞机在全机疲劳试验中受到的多点加载的载荷，都等效为在机翼压心上的载荷P；再将机翼简化为沿光纤光栅传感器布贴方向的悬臂梁，结合机翼的压心与等效压心载荷P，能得到沿此方向的机翼弯矩是一条带有斜率的直线，而机翼的剪力是机翼弯矩这条斜直线的斜率；步骤四：计算机翼剪力；在沿光纤光栅传感器布贴方向，机翼的弯矩是一条带有斜率的直线的情况下，不同截面的弯矩具有一预定的比例关系，同时，测量得到的实测应变数据分别乘以各自的系数后具有相同的比例关系，并且，此比例关系与测点位置有关；利用以上所说的比例关系，能计算出机翼弯矩这条斜直线的斜率，此斜率就是机翼的剪力；通过以上步骤，利用布贴在机翼上的光纤光栅实测的应变数据，计算得到机翼的剪力，达到了只利用光纤光栅实测的应变数据，在没有机翼载荷和机翼结构及其他信息的情况下，就能够获得机翼剪力的效果，解决了仅仅依靠光纤光栅实测的应变数据而对机翼的剪力进行实时监测的实际问题。2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅实测应变的机翼剪力实时监测方法，其特征在于：在步骤一中所述的“光纤光栅传感器”，是指一种通过外界应变变化对光纤布拉格波长的调制来获取传感器信息的波长调制型光纤传感器。3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅实...

【专利技术属性】
技术研发人员：张卫方，魏巍，梁小贝，刘晓鹏，任飞飞，李英武，张萌，金博，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11