王昌林，李 磊

(中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065)

1 引 言

大型民用飛機(jī)全尺寸靜力試驗(yàn)的檢測要求將越來越高，對(duì)測量通道的需求也越來越多，應(yīng)變測量點(diǎn)將數(shù)以萬計(jì)。目前，國內(nèi)在飛機(jī)靜力試驗(yàn)中還主要采用集中式的電測方法，應(yīng)變片粘貼、引線處理等工作量極大，且存在耐久性差、易受強(qiáng)電磁場干擾等缺陷，尤其是長期測試過程中存在的零點(diǎn)漂移容易導(dǎo)致測量結(jié)果嚴(yán)重失真[1，2]。點(diǎn)式應(yīng)變片需要布置大量的線纜進(jìn)行信號(hào)傳輸，其傳輸距離有限，傳感信號(hào)易受外界環(huán)境的干擾[3，4]。因此，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，開展分布式、高效的應(yīng)變測量技術(shù)研究，對(duì)提高我國飛機(jī)靜力試驗(yàn)測量能力和水平具有重要的意義。

當(dāng)前，國外已有基于總線技術(shù)的分布式測量和非接觸式定位及測量技術(shù)?；诜植际綌?shù)據(jù)采集技術(shù)，將采集儀器直接布置于試驗(yàn)件上，以減少測量導(dǎo)線的長度和數(shù)量，使用高速高帶寬傳輸總線技術(shù)將每臺(tái)采集儀的采集數(shù)據(jù)傳輸至測量服務(wù)器。

分布式光纖傳感器是近年來發(fā)展迅速的新型傳感器，具有抗電磁干擾、電絕緣性好、靈敏度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕，壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)。分布式光纖傳感器是一種高密度的應(yīng)變/溫度測量傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可靠性高、信息量大、結(jié)果精確的特點(diǎn)[5]。技術(shù)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了利用分布式光纖測量技術(shù)對(duì)機(jī)身結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，但在國內(nèi)，利用分布式光纖進(jìn)行機(jī)身的大規(guī)模試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布式測量及自動(dòng)處理仍是技術(shù)空白。本文通過研究制備分布式光纖光柵傳感器陣列的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)MA700飛機(jī)機(jī)身等直段全尺寸力學(xué)參數(shù)的分布式測量，滿足了測量精度、效率等測量技術(shù)指標(biāo)的需求，在一定程度上填補(bǔ)了該技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中應(yīng)用的空白。

2 分布式光纖光柵應(yīng)變測量技術(shù)

從1978年K.O.Hill等人利用駐波寫入法獲得第一根自感應(yīng)光纖光柵起，光纖光柵技術(shù)開始走進(jìn)大眾視野。隨著國內(nèi)外學(xué)者對(duì)光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)研究的深入，F(xiàn)BG寫入技術(shù)不斷完善，其獨(dú)特的優(yōu)異性能受到了社會(huì)各領(lǐng)域越來越多的重視和肯定[6，7]。FBG受力產(chǎn)生光纖拉伸或者收縮的現(xiàn)象，會(huì)引起光纖參數(shù)Λ和neff的數(shù)值改變。對(duì)于FBG來說，光柵受到軸向和徑向兩個(gè)方面的應(yīng)力。假設(shè)FBG受到大小為F的軸向力時(shí)，由材料力學(xué)的基本原理可知，其軸向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

(1)

式中，E表示光纖的楊氏模量；S表示光纖的橫截面積。

在軸向力F的影響下，F(xiàn)BG中心波長改變量與軸向力F滿足關(guān)系式：

(2)

式中，Pe為彈光系數(shù)。

與軸向力相同，當(dāng)FBG在檢測過程中受徑向力ΔP作用時(shí)，假設(shè)光纖光柵只受徑向力作用，其他影響因素固定不變，當(dāng)徑向力大小改變時(shí)，有：。

(3)

普通光纖的相關(guān)參數(shù)具體數(shù)值為：P11=0.12；P12=0.27；

v=0.17；E=7.0×1010N/m2；neff=1.46。根據(jù)各參數(shù)數(shù)值可得到普通FBG徑向應(yīng)力靈敏度數(shù)值約為-2.8×10-6/MPa。

解調(diào)系統(tǒng)由掃頻激光器、傳感通路、嵌入式系統(tǒng)、參考通路等4個(gè)部分組成。高性能掃頻激光器采用傅立葉域鎖模(Fourier Domain Mode Locked，F(xiàn)DML)光纖激光器的工作模式。設(shè)計(jì)采用環(huán)狀腔結(jié)構(gòu)，由SOA、可調(diào)諧F-P濾波器、光隔離器和光耦合器構(gòu)成，其工作原理是：利用腔長隨驅(qū)動(dòng)不斷變化的F-P濾波器篩選SOA自發(fā)輻射的多縱模光，經(jīng)過篩選的模光在腔內(nèi)循環(huán)后再次進(jìn)入SOA后被放大，最后通過光耦合器以一定比例輸出能量，其余繼續(xù)在腔內(nèi)循環(huán)放大輸出。由于光信號(hào)在腔內(nèi)循環(huán)的頻率遠(yuǎn)大于F-P驅(qū)動(dòng)頻率，故可認(rèn)為同頻率的光信號(hào)在腔內(nèi)會(huì)被放大多次而不會(huì)馬上被F-P濾波器濾掉。

掃頻激光器輸出的光信號(hào)經(jīng)過耦合器到光分路器，光分路器將掃頻光信號(hào)同時(shí)送入多路通道，實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用。每一個(gè)通道內(nèi)部由多個(gè)工作波長范圍互不相同的光纖光柵傳感器串接而成，實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用。寬帶光信號(hào)進(jìn)入后，相應(yīng)的光纖光柵傳感器會(huì)反射光信號(hào)到光電二極管并被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)由前級(jí)放大電路放大后送入嵌入式系統(tǒng)。這樣先通過光分路器送入每個(gè)通道，然后對(duì)每條通路進(jìn)行解調(diào)，即可完成波分-空分復(fù)用系統(tǒng)的解調(diào)。為解決使用器件本身不穩(wěn)定產(chǎn)生的絕對(duì)誤差和外界環(huán)境(主要為溫度)引起的誤差，引入?yún)⒖纪罚瑓⒖纪酚晒馐釥顬V波器與單峰濾波器組成。光柵輸出譜中心波長與溫度變化關(guān)系理論表達(dá)式為：

(4)

式中，ΔL為相鄰陣列波導(dǎo)的長度差，dNg/dT為波導(dǎo)的有效系數(shù)，λi(T)為第i通道的傳輸譜中心波長，m為衍射級(jí)次，ΔT為陣列波導(dǎo)光柵的溫度變化量，λi(T0)為陣列波導(dǎo)光柵的初始溫度。

解調(diào)算法采用高穩(wěn)定性尋峰算法，不再將每個(gè)波峰信號(hào)的最大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置作為波峰的位置，而是將每個(gè)波峰作為整體來考慮，計(jì)算構(gòu)成每個(gè)波峰的離散數(shù)字量的數(shù)學(xué)期望和分位數(shù)，將計(jì)算結(jié)果所對(duì)應(yīng)的位置作為波峰位置，降低了由于波形自身干擾和AD采樣誤差導(dǎo)致的尋峰算法性能的不穩(wěn)定。

3 性能測試及標(biāo)定

根據(jù)機(jī)身的結(jié)構(gòu)和形狀特點(diǎn)，利用拉絲塔在線制備光纖光柵技術(shù)在單條光纖上制備光纖光柵陣列。將制備的光纖光柵直接與被測物體粘貼，測得應(yīng)變。光纖傳感器制備完成，需要對(duì)傳感器進(jìn)行應(yīng)變范圍測試及標(biāo)定試驗(yàn)，測試在室溫恒定環(huán)境下進(jìn)行。標(biāo)定試驗(yàn)的原理是通過加載裝置使懸臂梁彎曲，利用光纖光柵傳感器對(duì)梁表面進(jìn)行應(yīng)變測量，采用應(yīng)變片的測量結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行標(biāo)定，如圖1所示。

圖1 傳感器標(biāo)定試驗(yàn)原理圖

根據(jù)測量要求，光纖光柵應(yīng)變測量的主要技術(shù)指標(biāo)為：響應(yīng)靈敏度為1.0pm/με，測量范圍±4000με。因此，在±4000με范圍內(nèi)各進(jìn)行2次拉向(0με～4000με)和壓向(-4000με～0με)的標(biāo)定試驗(yàn)，測量光纖光柵應(yīng)變傳感器的波長變化并計(jì)算靈敏度。根據(jù)測試數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行線性擬合處理，可以看出，波長漂移量與應(yīng)變呈線性關(guān)系(如圖2、圖3所示)，波長漂移量與應(yīng)變值的線性擬合度均達(dá)到99.99%，且多次試驗(yàn)具有很高的一致性。根據(jù)斜率可求得波長偏移量與應(yīng)變之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即應(yīng)變響應(yīng)靈敏度為n=1pm/με，根據(jù)波長漂移量可按下式換算出對(duì)應(yīng)變化的應(yīng)變大?。害?nΔλ。

(a)光柵第1次拉向數(shù)據(jù)

(b)光柵第2次拉向數(shù)據(jù)圖2 拉向數(shù)據(jù)

(a)光柵第1次壓向數(shù)據(jù)

(b)光柵第2次壓向數(shù)據(jù)圖3 壓向數(shù)據(jù)

4 試驗(yàn)內(nèi)容

4.1 試驗(yàn)方案

本次測量基于MA700飛機(jī)機(jī)身等直段疲勞及損傷容限試驗(yàn)-剩余強(qiáng)度試驗(yàn)過程進(jìn)行。MA700飛機(jī)機(jī)身等直段試驗(yàn)件選取機(jī)身22框至28框作為等直段試驗(yàn)件考核區(qū)，在27框進(jìn)行對(duì)接，試驗(yàn)件選取位置見圖4?？己藚^(qū)兩端各增加3個(gè)半框位用于試驗(yàn)件支持及載荷過渡，整個(gè)試驗(yàn)件共包括13個(gè)框及前后各370 mm連接區(qū)，試驗(yàn)件長7100 mm。

圖4 等直段試驗(yàn)區(qū)選取位置

MA700飛機(jī)機(jī)身等直段試驗(yàn)件一端通過連接框的兩圈共288顆螺栓固定在約束端框上。約束端框與自平衡框架的二框面通過16根螺栓螺桿相連[8]。采用自平衡框架的MA700等直段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)場見圖5。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場

根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)，27框切面載荷在前端框上以集中力的形式進(jìn)行施加。將試驗(yàn)載荷進(jìn)行適當(dāng)處理后，設(shè)置8個(gè)加載點(diǎn)。試驗(yàn)載荷施加和加載點(diǎn)布置示意圖如圖6所示。

圖6 加載點(diǎn)布置示意圖

除增壓載荷外，其余7個(gè)加載點(diǎn)都布置在前端的加載夾具上。其中，X向加載點(diǎn)用于施加軸向載荷；Y向加載點(diǎn)用于施加側(cè)向剪力Qy；Z向加載點(diǎn)用于施加垂向剪力Qz；彎矩My由Z向加載點(diǎn)主要加載；彎矩Mz由Y向加載點(diǎn)主要加載；扭矩Mx由Z向加載點(diǎn)加載。處理后各加載點(diǎn)的施加載荷見表1。1#～7#加載點(diǎn)載荷通過硬式連接作動(dòng)筒以集中力的形式施加到加載夾具上。8#增壓加載點(diǎn)載荷在支持夾具端板上及加載夾具端板上導(dǎo)入施加。試驗(yàn)現(xiàn)場安裝見圖7。

圖7 試驗(yàn)現(xiàn)場安裝圖

加載點(diǎn)編號(hào)加載方向加載點(diǎn)載荷1X向 16191N2X向16461N3X向-16461N4X向-16191N5Y向0N6Z向-90840N7Z向-87603N增壓載荷/0.045MPa

4.2 分布式光纖應(yīng)變測量

應(yīng)變測試的具體加載過程如下：

40%極限載荷預(yù)試：扣重后采零，以10%載荷級(jí)差逐級(jí)施加，加載至40%，檢查正常后反向退載至扣重，重復(fù)此過程3次；100%極限載荷試驗(yàn)：進(jìn)入扣重后采零，以10%載荷級(jí)差逐級(jí)施加，加載至100%，保載30s，逐級(jí)退載到扣重；對(duì)機(jī)身施加外部載荷，再一次重復(fù)上述過程。光纖在機(jī)身表面的粘貼位置如圖8所示。

試驗(yàn)過程中，每達(dá)到一個(gè)測試階段，根據(jù)指示臺(tái)的指令進(jìn)行一次測量，最后根據(jù)波長偏移量換算得到每個(gè)測點(diǎn)上應(yīng)變量的大小。在兩次試驗(yàn)過程中，1、2、4號(hào)光纖上各測點(diǎn)共計(jì)進(jìn)行了46次測量，5號(hào)光纖僅進(jìn)行了40%極限載荷預(yù)試的測量，共30次測量。匯總得到試驗(yàn)過程中測得的應(yīng)變值如圖9所示， 從圖中可以明顯看出各加載階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變變化及分布情況。

圖8 光纖在機(jī)身表面的粘貼位置

(a)1號(hào)光纖

(c)4號(hào)光纖

(d)5號(hào)光纖

5 結(jié) 論

本文基于光纖光柵傳感技術(shù)進(jìn)行了機(jī)身應(yīng)變分布式測量系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、光纖光柵傳感器的制備以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等相關(guān)問題的研究，確立了光纖傳感器在機(jī)身的粘貼、布設(shè)及具體測量方案?；诶z塔在線制備光纖光柵技術(shù)制備了多種密度的分布式光纖光柵應(yīng)變傳感器，在一條光纖上可串聯(lián)數(shù)百個(gè)傳感器，最小測量間隔可達(dá)2cm。通過實(shí)際MA700機(jī)身等直段強(qiáng)度試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)采集和處理，得到了試驗(yàn)過程中不同階段的高精度分布式應(yīng)變測量數(shù)據(jù)。該光纖應(yīng)變測量系統(tǒng)精度誤差小于1%，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變場的分布式測量。試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作最快可在1h內(nèi)完成，大大提高了應(yīng)變測量的效率，可實(shí)時(shí)獲取試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)與測量結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中應(yīng)用分布式光纖應(yīng)變測量技術(shù)，能夠在保證應(yīng)變測量精度的前提下大幅提高試驗(yàn)測量效率，在一定程度上填補(bǔ)了該技術(shù)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)中應(yīng)用的空白。