植入光纤与无线无源传感协同的固体燃料沉降监测方法技术

本发明专利技术涉及传感监测技术领域，提供基于植入光纤与无线无源传感协同的固体燃料沉降监测方法。本发明专利技术利用植入固体燃料内表层的光纤光栅传感器对无线无源传感器阵列进行标定，使无线无源传感器具备准确的应变监测能力。本发明专利技术使用经严格标定封装的无线无源传感器阵列监测固体燃料沉降，规避了通过仿真获取的沉降量准确度不高的问题。本发明专利技术无需在固体发动机壳体上开孔走线，克服了常规有线有源方式带来的发动机结构上的破坏，安全系数高。该发明专利技术使用的植入光纤光栅标定法相比于其它电类传感器具有易植入、体积小、精度高、布线简单、标定后无需拆卸等优点。本发明专利技术的标定过程中避免了信号之间的相互干扰，系统测量更准确。系统测量更准确。系统测量更准确。

【技术实现步骤摘要】
植入光纤与无线无源传感协同的固体燃料沉降监测方法


[0001]本专利技术涉及传感监测
，具体涉及植入光纤与无线无源传感协同的固体燃料沉降监测方法。

技术介绍

[0002]固体发动机中固体燃料为粘弹性物质，在长期储存过程中，受内因和外因作用，容易出现分层、脱粘、裂纹等现象，尤其是长期立式储存条件下，固体燃料容易发生沉降，给发动机带来巨大危害。具体来讲，大的沉降会直接改变固体燃料的内孔型面，导致燃气通道发生阻塞或引起固体燃料燃面形状发生变化，进而使发动机内弹道性能发生变化，发动机有发生爆炸的危险。
[0003]对于沉降的监测，主要有两种方法，一是可通过仿真计算得到沉降量，二是通过贴装传感器进行监测。对于前者，由于环境影响因素较多，仿真很难考虑到所有因素，因此很难得到准确的沉降量；对于后者，以常规贴装电阻应变片为例，存在以下缺陷：
[0004](1)电阻应变片与所测固体燃料的弹性模量不匹配，局部应力集中，应变测量误差大。
[0005](2)利用电阻应变片等常规方式进行测量时，需要供电电源、信号调理电路等，而且需要线缆连接，对于大型固体发动机内部燃料的大面阵监测，需要在固体燃料上排布大量线缆，影响燃气通道空间。
[0006](3)大量线缆为电信号传输，贴合固体燃料有安全风险。
[0007](4)更关键的是，线缆与外界的设备连接需要在发动机壳体上打孔，来进行引线，这样就破坏了发动机结构，可操作性差，而且存在安全隐患。
[0008]因此，能否找到一种沉降监测的有效方式，克服上述缺陷，成为一个亟待解决的问题。

技术实现思路

[0009]为解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供植入光纤与无线无源传感协同的固体燃料沉降监测方法，其包括如下的步骤：
[0010]S1：使用硅橡胶对含有若干个光栅传感器的光纤进行封装后，将封装好的光纤植入到中空圆柱形固体燃料内表层；
[0011]S2：利用三元乙丙橡胶对若干个无线无源传感器进行封装，将封装后的无线无源传感器贴于固体燃料内表面，使每一个无线无源传感器均与光纤中的光栅传感器一一对应，且保持在固体燃料圆柱的同一径向方向；
[0012]S3:设置每个无线无源传感器的空间坐标，并为每个无线无源传感器设置唯一的射频反射峰信号编码，将每个编码与无线无源传感器的空间坐标唯一对应；
[0013]S4：对植入固体燃料内表面的光纤光栅传感器阵列以及无线无源传感器阵列进行标定；
[0014]S5：利用射频读写装置，对无线无源传感器阵列进行应变量信息读取，结合空间坐标、对应点位的应变量，构建出固体燃料沉降的三维情况，实现对固体燃料沉降的监测。
[0015]其中，所述步骤S3的具体过程包括：
[0016]将n个光纤光栅传感器植入圆柱形固体燃料内表面指定位置，设置每个光纤光栅传感器具有自己唯一的空间坐标；
[0017]光纤光栅传感器之间通过波分复用的方式使用，n个光纤光栅均设置各自不同的中心波长,分别为λ1……
λ
n
，且中心波长之间相距较远，满足应变发生时，光纤光栅的波长变化量小于相邻光纤光栅中心波长的间距，使不同位置的光栅中心波长变化不会发生重叠，保证每个光纤光栅传感器的空间坐标与其中心波长形成唯一对应的关系。
[0018]进一步，所述步骤S3的具体过程还包括：
[0019]通过改变n个无线无源传感器的尺寸来改变其谐振频率，使每个无源无线传感器有特定的谐振频率，避免其相互之间发生串扰，n个无线无源传感器均设置各自不同的谐振频率，分别为f1……
f
n
。
[0020]进一步，所述步骤S4的具体过程包括：
[0021]步骤A：对光纤光栅传感器进行应变测量标定：
[0022]光纤光栅传感器通过波长变化量来测量应变，在忽略温度影响的前提下，其计算方法为：
[0023][0024]其中，λ0为光纤光栅的中心波长，为每个光栅的已知固定值，Δλ为光纤光栅发生形变后产生的波长变化量，P
e
为弹光系数(是常数)，ε为应变值；由以上公式可以看出，光纤光栅的波长变化量Δλ与应变ε成正比，因此可以通过波长的变化量来测量应变；
[0025]具体标定操作为：对光纤光栅传感器施加大小已知的梯度应变值，测量其波长变化量，经过多次测量并拟合可以得到二者之间正比关系的系数，从而完成了光纤光栅传感器测量应变的标定；
[0026]步骤B：对无线无源传感器进行应变测量标定：
[0027]光纤光栅传感器完成应变测量标定后，作为应变测量的基准，进而对无线无源传感器应变监测进行标定；本专利技术所用无线无源传感器通过谐振频率的变化来判断应变的变化，两者满足的关系如下：
[0028]Δf＝k
·
ε+c
[0029]其中，ε为无线无源传感器监测到的应变，Δf为无源无线传感器谐振频率的变化，k、c均为常数，因此，可以通过标定得出谐振频率的变化与应变之间的关系。
[0030]进一步，所述步骤S5的具体过程包括：
[0031]P1：通过测量每个无线无源传感器的频移量，得到相应位置的应变ε1
……
εn，结合无线无源传感器厚度，可得到各个传感点的曲率；
[0032]P2：根据固体燃料的形变主要发生在其轴向与径向方向，扭曲微小的特点，将固体燃料上同一列的传感器所在曲线等效于二维曲线；
[0033]P3：针对每条曲线分别建立二维直角坐标系，对上述计算出的曲率进行插值，将整条曲线等效为若干段等长的微小圆弧，然后利用曲率值、曲率半径、弯曲角度、弧长等值逐
一推导得到曲线上各点相较于其前面一点横/纵坐标的变化量，即在初始坐标点的基础上加上坐标变化量，即可逐一推导出曲线上所有离散点的坐标，将所有离散点拟合相连即完成单条曲线重构；
[0034]P4：重构出固体燃料内表面传感器所在的若干条曲线后，经过拟合，即可重构出固体燃料内表面形状，得到各传感点的空间坐标；
[0035]P5：沉降后传感点的空间坐标与安装标定时的空间坐标相比发生了变化，通过比较传感点安装时的空间位置与重构形状后得到的空间位置，获得沉降信息。
[0036]本专利技术所达到的有益效果为：
[0037]第一、本专利技术使用经严格标定封装的无线无源传感器阵列监测固体燃料沉降，规避了通过仿真获取的沉降量准确度不高的问题。
[0038]第二、本专利技术无需在固体发动机壳体上开孔走线，克服了常规有线有源方式带来的发动机结构上的破坏，安全系数高。
[0039]第三、本专利技术的整个固体燃料监测区域没有电缆，没有电信号的传输与电源供电，解决了易燃易爆物质环境下的安全隐患问题。同时，利用传统电学传感器阵列监测沉降，需大量布局线缆，影响燃气通道空间，该专利技术所用方法解决了这一难题。
[0040]第四、本专利技术的无线无源传感器和光纤光栅传感器封装材料的弹性模量均与固体燃料弹性模量匹配性好，解决了本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.植入光纤与无线无源传感协同的固体燃料沉降监测方法，其特征在于，其包括如下的步骤：S1：使用硅橡胶对含有若干个光栅传感器的光纤进行封装后，将封装好的光纤植入到中空圆柱形固体燃料内表层；S2：利用三元乙丙橡胶对若干个无线无源传感器进行封装，将封装后的无线无源传感器贴于固体燃料内表面，使每一个无线无源传感器均与光纤中的光栅传感器一一对应，且保持在固体燃料圆柱的同一径向方向；S3:设置每个无线无源传感器的空间坐标，并为每个无线无源传感器设置唯一的射频反射峰信号编码，将每个编码与无线无源传感器的空间坐标唯一对应；S4：对植入固体燃料内表面的光纤光栅传感器阵列以及无线无源传感器阵列进行标定；S5：利用射频读写装置，对无线无源传感器阵列进行应变量信息读取，结合空间坐标、对应点位的应变量，构建出固体燃料沉降的三维情况，实现对固体燃料沉降的监测。2.根据权利要求1所述的植入光纤与无线无源传感协同的固体燃料沉降监测方法，其特征在于：所述步骤S3的具体过程包括：将n个光纤光栅传感器植入圆柱形固体燃料内表面指定位置，设置每个光纤光栅传感器具有自己唯一的空间坐标；光纤光栅传感器之间通过波分复用的方式使用，n个光纤光栅均设置各自不同的中心波长,分别为λ1……
λ
n
，且中心波长之间相距较远，满足应变发生时，光纤光栅的波长变化量小于相邻光纤光栅中心波长的间距，使不同位置的光栅中心波长变化不会发生重叠，保证每个光纤光栅传感器的空间坐标与其中心波长形成唯一对应的关系。3.根据权利要求1所述的植入光纤与无线无源传感协同的固体燃料沉降监测方法，其特征在于：所述步骤S3的具体过程还包括：通过改变n个无线无源传感器的尺寸来改变其谐振频率，使每个无源无线传感器有特定的谐振频率，避免其相互之间发生串扰，n个无线无源传感器均设置各自不同的谐振频率，分别为f1……
f
n
。4.根据权利要求1所述的植入光纤与无线无源传感协同的固体燃料沉降监测方法，其特征在于：所述步骤S4的具体过程包括：步骤A：对光纤光栅传感器进行应变测量标定：光纤光栅传感器通过波长变化量来测量应变，在忽略温度影响的前提下...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗玉祥，孙赓，朱其星，王丁丁，张庆志，孙鑫磊，
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：