反射式动栅光纤传感器及应用

提出一种新型的光纤传感器——反射式动栅光纤传感器。这种传感器是采用光纤作为传光元件，而敏感元件是一对等节距光栅，其中一块为定栅，一块为动栅，当两光栅位置发生变化时，其光通量随之变化，再经光电转换系统转换信号后以电信号输出的传感系统。该传感器结构简单，使用方便，可用于测量位移、应变及其它物理量，尤其是在高温测量、连续变化量测量及实时监测等方面，更显示其优越性。文中给出了这种传感器的理论分析，并以测位移为例，给出了实测结果。实验结果表明，理论分析与实验结果相一致，并具有一定的测试灵敏度     

光纤光栅传感器与机械结构预处理胶接方法

结构应力应变高精度测量对于实现直升机动静态强度监测与评估具有至关重要的意义。由于光纤光栅传感器具有柔韧性好、芯径细、抗电磁干扰能力强以及便于实现分布式监测等显著优点,使得其在航空航天器结构强度监测领域受到广泛重视。为提升直升机应变监测精度与灵敏度,本文研究了光纤光栅传感器应变感知原理和精度影响因素,构建了基于光纤光栅传感器的板结构应变监测系统。在此基础上,提出剥离光栅栅区涂覆层、施加预应力及其双层胶接等预处理集成方法,实现对板结构光纤光栅传感器应变测量精度的有效提升。     

钢筋锈蚀的光纤光栅监测

基于光纤光栅应变中心波长会发生漂移的原理,探讨了一种新的光纤光栅腐蚀传感器.设计了布拉格光栅来监测在役钢筋的锈蚀,通过光纤光栅的应变来监测钢筋锈蚀过程.单独设置一根光纤光栅来测量温度引起的光栅应变.通过两根光纤光栅监测应变,可分离出钢筋由于锈蚀所引起的体积变化.这种光纤光栅锈蚀传感器通过监测光栅波长随钢筋锈蚀漂移直接测量钢筋锈蚀程度,而且不受锈蚀因素的影响,可用于混凝土结构中钢筋锈蚀早期的监测.     

基于双树复小波变换的风力叶片监测研究（英文）

对风力发电系统而言,结构服役期间的健康监测非常重要。由于布拉格光纤光栅(Fiber Bragg grating,FBG)传感器的中心波长随应变或温度呈线性变化,因此FBG传感器广泛应用于结构测试。本文提出了基于FBG传感器的风力叶片监测方法,并通过实验验证该方法。沿着叶片长度方向粘贴5个FBG传感器进行应变测量。由于环境及测试噪声会掩盖结构真实信号,文中采用双树复小波变换(Dual-tree complex wavelet transform,DT-CWT)方法,进行数据处理,滤去噪声信号。实验验证结果表明,当其中一根叶片出现损坏时,测量应变出现明显波动,给定工作条件下,旋转周期为1 s,而结构完好时的周期为0.3 s。因此,利用布拉格光纤光栅传感系统进行应变测量,可以预测风力叶片系统的损坏。进一步研究表明,可以通过监测其中一根叶片,从而对整个风力发电系统进行故障预测。     

碳基复合材料结构800℃光纤高温应变测量

本文采用自主研制的光纤高温应变复合传感器对碳基复合材料结构样件在常温～810℃范围内的高温应变测试特性进行了研究。在马弗炉内对两件碳基复合材料结构试件分别进行三次常温～810℃重复加热实验,高温应变热输出测试结果具有很好的重复性。在万能试验机上,在800℃高温环境下对碳基复合材料结构试件进行了拉伸实验,光纤高温应变复合传感器的测量值与高温引伸计的测量值具有较好的一致性。与此同时,在本文实验结果中,光纤高温复合传感器测试结果的跟随性、平滑性要优于高温引伸计的测试结果。     

基于外置电桥修正法的大展弦比机翼片式铰链力矩天平应用技术研究

传统的大展弦比机翼片式铰链力矩天平在应用过程中存在测量精准度不高的问题。该问题由机翼受载变形引发的附加干扰信号产生。针对此现象，为提高大展弦比飞机操纵舵面铰链力矩风洞试验数据的精度与准度，探索了一种"利用一组信号修正天平信号"的外置电桥修正法，详细阐述了其工作原理以及方法步骤。以某型号风洞试验为例，通过在机翼上布置外置电桥，将修正后测量结果与未修正的测量结果进行对比。由对比结果可知:未经信号修正的天平测量误差最高达到54%，将信号修正后其测量误差降低为6%，天平测量准度有所提高。本研究为大展弦比飞机操纵舵面铰链力矩天平的应用提供新思路。     

基于光纤光栅的编织复合材料多点热应变监测

为研究三维编织复合材料的热特性，本文利用编入编织复合材料结构的光纤Bragg光栅传感器来测量其内部多点热应变。为消除光栅自身温度受温度的影响，本文提出了用另一个自由状态光纤Bragg光栅对其进行温度补偿的方法。通过实验获得了编织复合材料的热应变与温度关系曲线。实验结果表明，碳纤维／环氧树脂三维编织复合材料结构的编织角较小时，在编织方向上的热膨胀率为负。     

光纤表面等离子体波传感器用于固化监测的研究(英文)

光纤表面等离子体波传感器在理论上具有较高的研究价值 ,并且因为结构简单、灵敏度高等特点在工程上得到广泛应用。使用光纤表面等离子体波来测试折射率 ,方法简单、灵敏。本文介绍了利用光纤表面等离子体波传感器使用这种方法对环氧树脂复合材料进行固化监测。文中对不同折射率的溶液进行了折射率测试的研究 ,并设计了一种用于折射率测量的性能稳定、操作方便的光纤传感探头及整套的测试系统 ,用以对固化过程中环氧树脂在不同阶段的折射率变化进行实测。测试结果表明 ,该系统工作稳定、可靠 ,测试结果符合实际情况     

基于FBG传感器的固体火箭发动机结构健康监测技术

讨论光纤布拉格光栅(FBG)传感技术用于固体火箭发动机结构应变场、温度场和损伤状况健康监测的可行性。分析了利用FBG传感器组成固体火箭发动机结构健康监测系统的关键技术问题,包括光纤传感器的工艺集成,光纤传感网络的最优化布置,分布式传感器信号的解耦与处理等,并给出一些研究结论和初步解决方案。基于FBG传感器的健康监测系统在固体火箭发动机领域显示了良好的应用前景。     

基于仿生学的机翼结构刚度和强度设计研究

探讨仿生学及结构仿生学的理论基础,研究将其应用到飞机机翼的结构设计中,以提高机翼的结构刚度和强度的方法。研究内容包含：分析机翼结构受力和传递路径,探讨与机翼结构相似的特定生物系统特征,以确定机翼结构形式,并计算应力,变形等参数,和原型机翼进行比较,最终择优选择设计方案。     

一种宽测量范围的光纤折射率探针的研究

研究了一种全光纤型光纤折射率传感器，通过将多模光纤的包层和一部分纤芯腐蚀掉形成感区，在腐蚀区和未腐蚀区的交办处形成圆锥形的过渡区，利用圆锥形的过渡区对光的会与发散作用扩展折射率的测量范围，并在传感区的一端镀有全的反射膜，形成探针结构，这种折射率传感器比现有的全光纤折射率传感器有更宽的测量范围，具有灵敏度高，结构简单的特点。     

基于GRNN-ELM的飞机复合材料结构损伤识别

飞机结构的损伤严重影响着飞机的飞行安全,为了解决飞机复合材料结构损伤难以有效识别问题,本文提出一种基于广义回归神经网络(General regression neural network,GRNN)与极限学习机(Extreme learning machine,ELM)组合的飞机复合材料结构损伤识别新方法。首先对飞机复合材料层合板进行冲击,而后对其进行疲劳拉伸试验,通过优化布局在复合材料层合板上的光纤光栅传感器募集应变信息,并对其进行预处理。采用变分模态分解(Variational mode decomposition,VMD)对募集的应变信息进行自适应分解,得到多个基本模式分量(Intrinsic mode function,IMF)。计算各阶IMF分量的奇异熵,通过核独立主元分析(Kernel independent component analysis,KICA)方法对奇异熵进行特征融合,构建融合特征向量。采用融合特征向量建立基于GRNN-ELM的复合材料结构损伤识别模型,通过试验对损伤识别模型的有效性进行了验证,并分别与所构建的ELM和GRNN损伤识别模型的识别结果进行比较。结果表明,该方法能有效对飞机复合材料结构损伤进行识别,具有很好的工程应用价值。     

动静态载荷下光纤光栅传感器敏感特性研究

针对航空航天领域板结构动静态载荷监测需求,研究了基于铝合金板结构的光纤光栅（Fiber Bragg grating,FBG）传感器感知特性。从静载监测角度,得到光纤光栅传感器中心波长偏移量与加载距离、载荷大小和加载角度的对应关系。从动载监测角度,分别得到在不同加载距离和不同加载夹角的载荷作用下,光栅中心波长最大峰值幅度和基于小波包分解的能量谱特征随冲击载荷属性变化的响应特性。研究表明在动静态载荷作用下,光纤光栅传感器中心波长偏移量随加载载荷的增大而呈现良好的单调递增关系。此外,光纤光栅传感器还具有较好的载荷 方向敏感特性,传感器响应灵敏度随着加载夹角增大而逐渐提高。这些特性能够为进一步开展基于光纤光栅传感器的板结构动静态载荷辨识与损伤监测提供有益帮助。     

光纤法布里-珀罗高温应变传感器技术进展

本文对法布里-珀罗高温应变传感器技术的发展进行了整理和总结。基于石英光纤的法布里-珀罗高温应变传感器能够应用于1000℃以下的环境,采用本征型和非本征型F-P传感器均能够对应变进行测量。对于1000℃以上的环境,以蓝宝石光纤为基础制作的传感器取得了较好的测温效果,但对应变的测试没有报道。基于蓝宝石光纤的F-P腔高温应变测试将会是未来的发展方向之一。     

在高速风洞中使用荧光压力传感器技术对飞机模型压力场的实验研究

介绍了国内首次在高速风洞中使用荧光压力传感器 (LPS)技术对飞机模型机翼表面压力场测量的初步结果。简述了LPS技术的应用原理、实验设备、实验方法和数据处理方法。为了分析比较 ,在用LPS技术测压的同时也用常规压力孔测压方法进行了机翼表面压力测量 ,并对二种测量方法得到的结果进行了简单分析。实验马赫数M =0 .4～ 1 .5 ,攻角α=0°～ 1 8°。     

基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅解调系统

提出了一种基于级联长周期光纤光栅的光纤布拉格光栅解调系统.级联长周期光纤光栅作为边沿滤波器,利用它的一个线性区监测单个光纤布拉格光栅传感信号.该系统具有结构简单、价格低等优点,但易受光源抖动及系统其他不稳定因素等带来的系统噪声的影响.为消除系统噪声带来的不利影响,对该系统进行了改进.改进系统利用级联长周期光纤光栅的两个线性区同时监测两个光纤布拉格光栅传感信号.分别用原系统及其改进系统对温度进行监测,实验的温度测量范围为-70～-115℃.原系统的灵敏度为0.49 mV/℃,温度分辨率为0.5℃;改进系统的灵敏度为0.86 mV/℃,温度分辨率为0.3℃.实验结果表明改进系统能有效消除系统噪声,提高系统的精度.     

飞机结冰传感器安装位置确定方法

结冰传感器的安装直接决定了冰的探测效果，在飞机设计阶段往往要耗费巨大的工作量来确定合适结冰传感器安装的位置。本文提出了一种高效确定结冰传感器安装位置的方法，其基本思路是采用数值计算的手段，获得不安装结冰传感器飞机流场的水滴容积分数分布；再根据水滴收集率的定义，得到传感器拟安装区域不同位置的水滴收集率，并与机翼表面的水滴收集率对比；从保证传感器可以起到预警作用的角度出发，进而给出传感器的安装位置。采用该方法对某型民航客机进行了分析，给出了该型飞机适合安装传感器的区域。在此基础上，将传感器加载到对应位置进行数值仿真验证。仿真结果显示:传感器探头处的水滴收集率与不加载传感器时该位置的水滴收集率基本一致，均大于同等条件机翼上的最大水滴收集率，符合飞机的结冰防护需求。本文方法可普遍应用于运输类飞机设计，有效提高结冰防护系统设计的效率。     

通用飞机机翼积冰冰形预测

从通用飞机机翼积冰冰形特征出发,确定机翼特征点,通过其对应积冰厚度描绘积冰冰形。提出了一种基于BP神经网络的机翼积冰厚度预测方法,并利用预测厚度还原预测冰形。将预测积冰厚度与实际积冰厚度相比较,预测值与实际值的平均均方根误差为1.893 mm,表明该方法可用于通用飞机机翼积冰冰形预测。     

单端固支铝合金结构应变监测与反演方法

针对直升机主承力结构,如桨叶关 键区域应力应变场监测需求，研究相应分布式在线监测技术及其应变场反演方法，从而为直升机结构健康状态评估与结构变形实时辨识提供依据。借助Patran/Nastran仿真软件分别对单端固支铝合金梁与板结构进行有限元仿真，给出基于光纤光栅传感器与电阻应变式传感器的基本配置规则，提出了基于三次B样条函数插值算法的单端固支铝合金结构应变场反 演方法。在此基础上，构建了基于光纤布拉格光栅和电阻应变片的分布式应变在线监测系统。研究表明，本文监测方法合理、可行。     

改性C/C材料梁结构四点弯高温应变光纤传感测量

本文根据梁结构四点弯模型挠度与应变的关系特点,采用自主研制的光纤高温应变复合传感器,在改性C/C材料结构表面用高温无机胶粘贴布设传感器,放入高温挠度试验机进行常温至800℃条件下的四点弯加载试验,获得不同挠度下光纤复合传感器所测的应变数据,并与按四点弯模型计算的参考应变作对比,相对误差1-范数平均值在10%以内。通过有限元进行四点弯模型仿真计算,获得不同挠度下试验件上的应变仿真数据和光纤复合传感器测量的应变仿真数据,二者相对误差为7.56%。高温挠度试验和有限元仿真结果均证明,在测量梁的弯曲应变时,光纤高温应变复合传感器测量结果大于挠度对应的梁的实际应变值,相对误差在10%以内。