一种应用光纤光栅传感器精确测量航天器应变的方法技术

本发明专利技术公开了一种应用光纤光栅传感器精确测量航天器应变的方法，针对“带有金属基底”光纤光栅传感器，建立光纤光栅传感器模型，通过考虑应变传递中待测体厚度、待测体弹性模量、胶粘剂厚度、光纤纤芯高度和胶粘剂弹性模量影响后，获得传递系数，利用传递系数对应变测量值进行修正，由此实现光纤光栅传感器在航天器上应变测量的准确性，为航天器上光纤光栅传感器实现应变的准确测量提供了保障。

【技术实现步骤摘要】
一种应用光纤光栅传感器精确测量航天器应变的方法
本专利技术属于光纤传感
，具体涉及一种应用光纤光栅传感器精确测量航天器应变的方法。
技术介绍
光纤光栅传感器测量应变，主要分为“带金属基底”传感器和“不带金属基底”传感器(裸光纤)两种形式。航天器在轨飞行过程中，环境条件恶劣复杂，为了提高光纤传感器的安全性和稳定性测量，一般采用带金属基底的光纤光栅传感器，金属基底起到良好的保护作用。在应变测量中，带金属基底光纤光栅传感器获得的物体表面应变值往往与应变片测量得到的应变不一致，前者测得的应变小于后者，而应变片测得的应变通常被认为更接近于物体实际发生的应变。通过分析带金属基底光纤光栅传感器的测量原理发现，其测量的物体应变要通过胶粘剂、金属基底、玻璃焊料、光纤涂覆层四个中间介质才能最终传递到光纤纤芯而引起反射波长变化，由于介质材料不匹配及传感器结构参数等原因导致应变在上述介质中传递时均可能发生损耗，最终光纤纤芯测得的应变不能反应出物体的真实应变，必须对应变传递的过程进行定量分析。在光纤传感测量应变时，定义应变测量值和实际应变值的比值为传递系数，传递系数的准确性，直接决定了应变测量值的准确性。传递系数的影响因素很多，对于“不带金属基底”的光纤光栅传感器的传递系数，已有相关工作报道过影响传递系数的主要因素。2007年，大连理工大学的周广东等在应变传递理论的基础上，经过分析得出影响“不带金属基底”的光纤光栅传感器应变传递的主要因素，即光纤光栅传感器的长度、中间层的厚度、弹性模量和泊松比，并得到各因素对光纤光栅测量精度的影响。2008年，天津大学的王为等研究了“不带金属基底”的光纤光栅传感器传递过程中衬底对应变传递率的影响，仿真分析了衬底厚度和黏结长度对应变传递效果的影响。2010年，沈阳建筑大学孙丽等研究了“不带金属基底”的光纤光栅传感器的测量应变与基体结构实际应变之间的应变传递计算公式，并采用有限元方法对其分析.讨论了温度变化对非轴向力作用下的光纤光栅应变传递的影响。2013年，河海大学的张文晓等研究了“不带金属基底”的光纤光栅传感器应变传递的影响因素，得出各因素对应变传递率的影响程度。2014年，苏州科技学院的田石柱等对影响“不带金属基底”的光纤布拉格光栅传感器平均应变传递率的影响因素进行了理论分析，得出胶接层弹性模量、胶接层的宽度以及光纤的粘贴长度对应变传递率影响较大，通过实验确定它们之间的最佳组合。2016年，解放军理工大学的章征林等研究了胶粘剂对“不带金属基底”的光纤光栅传感器应变传递系数的影响，试验发现，胶粘剂在基体表面的剪切强度越大，光纤光栅传感器的应变传递系数也越大。而对于航天器用“带金属基底”的光纤光栅传感器，检索不到对传递系数的系统性研究或方法。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是提供一种应用光纤光栅传感器精确测量航天器应变的方法，可以得到准确的传递系数，进而实现光纤光栅传感器在航天器上应变测量的准确性。一种应用光纤光栅传感器测量应变的方法，包括如下步骤：首先，建立光纤光栅传感器(2)安装在待测体(3)上的有限元仿真模型；其中，光纤光栅传感器(2)的金属基底(22)通过粘胶剂(21)固定在待测体(3)表面上；其次，定义待测体(3)表面X-Z平面，X方向与光纤光栅传感器(2)的光纤纤芯(25)长度方向一致，Z轴垂直X轴，Y轴根据右手螺旋定则确定，由此建立直角坐标系XYZ；再次，在所述有限元仿真模型中输入光纤光栅传感器(2)的金属基底(22)结构参数，以及待测体(3)厚度、待测体(3)的弹性模量、粘胶剂(21)厚度、光纤纤芯(25)高度和粘胶剂(21)弹性模量；约束待测体(3)端面沿Y和Z方向位移，对其施加沿X方向位移载荷，提取光纤纤芯(25)平均位移ΔlF与待测体(3)与粘胶剂(21)接触区外边界平均位移ΔlB；由如下公式计算应变传递系数γ：最后，在应用光纤光栅传感器(2)测量待测体(3)位移时，利用应变传递系数γ对光纤光栅传感器(2)的测量值进行修正。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术针对“带有金属基底”光纤光栅传感器，建立光纤光栅传感器模型，通过考虑应变传递中待测体厚度、待测体弹性模量、胶粘剂厚度、光纤纤芯高度和胶粘剂弹性模量影响后，获得传递系数，利用传递系数对应变测量值进行修正，由此实现光纤光栅传感器在航天器上应变测量的准确性，为航天器上光纤光栅传感器实现应变的准确测量提供了保障。附图说明图1为传递系数计算有限元模型。图2为不同待测体厚度对应的应变传递系数。图3为不同待测体弹性模量对应的应变传递系数。图4为不同粘胶剂厚度对应的应变传递系数。图5为不同粘胶剂弹性模量对应的应变传递系数。图6为不同光纤纤芯位置时的应变传递系数。图7为不同因素对应变传递系数的影响权重。图8为某卫星舱壁结构图及传递系数准确性试验验证点。图9为综合考虑五因素后的传递系数与不考虑传递系数测量结果对比。其中，1-卫星舱体，2-光纤光栅传感器，3-待测体，21-粘胶剂，22-金属基底，23-光纤涂覆层，24-玻璃焊料，25-光纤纤芯。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术针对航天器上“带金属基底”的光纤光栅传感器应变测不准的问题，提供了一种应用光纤光栅传感器精确测量航天器应变的方法：首先确定带金属基底22的光纤光栅传感器2的结构，光纤光栅传感器2中具有光纤纤芯25，光纤纤芯25的外表面有光纤涂覆层23；光纤光栅传感器2的下表面设置的金属基底22通过粘胶剂21固定在待测体3表面；待测体3表面应变通过粘胶剂21传递到光纤光栅传感器2的金属基底22，再由金属基底22经过光纤涂覆层23与金属基底22间的玻璃焊料24传递到光纤纤芯25，引起光纤反射波长变化。设待测体3表面与粘胶剂21接触的测量区长度为lB，位移为ΔlB，待测体3表面测量区应变为εB，光纤光栅传感器2涂覆层两个玻璃焊料24之间的距离为lF，位移为ΔlF，光纤纤芯25应变为εF则有：η为传感器减敏系数，且有：应变传递系数γ为：根据式(1)～(3)可得：由式(4)可知，对于“带金属基底22”的光纤光栅传感器2，应变传递系数可以由光纤纤芯25在两个玻璃焊料点位置位移ΔlF与待测体3测量区位移ΔlB求得。建立待测体3、粘胶剂21与光纤光栅传感器2的有限元模型，以待测体3表面X-Z平面，X方向与光纤传感器的纤芯长度方向一致，Z轴垂直X轴，Y轴根据右手螺旋定则确定，由此建立直角坐标系XYZ；在有限元模型输入光纤光栅传感器2的金属基底22结构参数，以及待测体3厚度、待测体3的弹性模量、粘胶剂21厚度、光纤纤芯25高度和粘胶剂21弹性模量；约束待测体3端面沿Y、Z方向位移，施加沿X方向位移载荷，提取光纤纤芯25在两个玻璃焊料点位置平均位移ΔlF(如图1所示F点沿X方向位移)与待测体3与粘胶剂21接触区外边界平均位移ΔlB(如图1所示B点沿X方向位移)，计算应变传递系数γ。在应用光纤光栅传感器2测量待测体3位移时，利用应变传递系数γ对光纤光栅传感器2的测量值进行修正，由此实现对待测体3进行精确测量。实施例：图1为传递系数计算有限元模型。建立待测体3、粘胶剂21与光纤光栅传感器2的有限元模型，根据模型的对称性建立四分之一对称模型进行计算，模型(剖面)如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用光纤光栅传感器测量应变的方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，建立光纤光栅传感器(2)安装在待测体(3)上的有限元仿真模型；其中，光纤光栅传感器(2)的金属基底(22)通过粘胶剂(21)固定在待测体(3)表面上；其次，定义待测体(3)表面X‑Z平面，X方向与光纤光栅传感器(2)的光纤纤芯(25)长度方向一致，Z轴垂直X轴，Y轴根据右手螺旋定则确定，由此建立直角坐标系XYZ；再次，在所述有限元仿真模型中输入光纤光栅传感器(2)的金属基底(22)结构参数，以及待测体(3)厚度、待测体(3)的弹性模量、粘胶剂(21)厚度、光纤纤芯(25)高度和粘胶剂(21)弹性模量；约束待测体(3)端面沿Y和Z方向位移，对其施加沿X方向位移载荷，提取光纤纤芯(25)平均位移ΔlF与待测体(3)与粘胶剂(21)接触区外边界平均位移ΔlB；由如下公式计算应变传递系数γ：

【技术特征摘要】
1.一种应用光纤光栅传感器测量应变的方法，其特征在于，包括如下步骤：首先，建立光纤光栅传感器(2)安装在待测体(3)上的有限元仿真模型；其中，光纤光栅传感器(2)的金属基底(22)通过粘胶剂(21)固定在待测体(3)表面上；其次，定义待测体(3)表面X-Z平面，X方向与光纤光栅传感器(2)的光纤纤芯(25)长度方向一致，Z轴垂直X轴，Y轴根据右手螺旋定则确定，由此建立直角坐标系XYZ；再次，在所述有限元仿真模型中输入光纤光栅传感器(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗玉祥，郭春辉，申景诗，张建德，徐波，蒋海涛，王翀，
申请(专利权)人：山东航天电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：山东,37