專利名稱：：光纖光柵五分量測(cè)力天平及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種航空航天測(cè)力實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量設(shè)備及測(cè)量方法，尤其涉及一種光纖光柵五分量測(cè)力天平及測(cè)量方法。屬于航空航天測(cè)力實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：風(fēng)洞天平按工作原理可分為機(jī)械天平、應(yīng)變天平、壓電天平及磁懸掛天平等。目前廣泛應(yīng)用的是應(yīng)變天平，應(yīng)變天平是基于非電量電測(cè)的原理，把應(yīng)變測(cè)量技術(shù)具體應(yīng)用在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，來測(cè)量作用在模型上的空氣動(dòng)力和力矩。用專門設(shè)計(jì)的天平元件來感受作用在模型上的空氣動(dòng)力，并將其按一定的坐標(biāo)系統(tǒng)分解成空氣動(dòng)力和力矩分量。在此空氣動(dòng)力和力矩分量的作用下，天平元件產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變。粘貼在天平元件上的應(yīng)變片將天平元件產(chǎn)生的應(yīng)變量變換成與此成比例的電阻增量。由應(yīng)變片組成的測(cè)量電橋，將電阻增量變換成電壓輸出，然后由檢測(cè)儀表測(cè)量和記錄下來。光纖光柵傳感器技術(shù)是20世紀(jì)70年代隨著光纖技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，它代表了新一帶傳感器技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，具有“傳”、“感”合一的特點(diǎn)。它是利用光纖對(duì)某些特定物理量敏感的特性，將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接測(cè)量的光信號(hào)的技術(shù)。常規(guī)天平的敏感元件選用應(yīng)變片，但在一些測(cè)力現(xiàn)場噪聲影響比較嚴(yán)重，普通的敏感元件會(huì)在噪聲電場中受到嚴(yán)重的干擾，無法得到正確的應(yīng)變信號(hào)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決常規(guī)天平的敏感元件的應(yīng)變片，在一些測(cè)力現(xiàn)場噪聲影響比較嚴(yán)重，會(huì)在噪聲電場中受到嚴(yán)重的干擾，無法得到正確的應(yīng)變信號(hào)的技術(shù)問題，提供一種光纖光柵五分量測(cè)力天平及測(cè)量方法，所述光纖光柵五分量測(cè)力天平，它主要由固定端、模型安裝錐面及天平應(yīng)變梁組成，在所述固定端側(cè)面設(shè)有鍵槽，在所述天平應(yīng)變梁上組橋采用五分量復(fù)合敏感元件，在所述五分量復(fù)合敏感元件的各應(yīng)變梁的前端和后端分別粘貼有光纖光柵傳感器。光纖光柵五分量測(cè)力天平的測(cè)量方法，該方法的實(shí)現(xiàn)步驟為將固定端作為天平與測(cè)量轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)的連接段，鍵槽用于與實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)定位；五分量復(fù)合敏感元件的各應(yīng)變梁用來粘貼光纖光柵傳感器作為測(cè)量氣動(dòng)力的耦合梁；所述模型安裝錐面為天平與模型的配合面；模型的氣動(dòng)力載荷由此配合面?zhèn)鞯教炱綔y(cè)量元件上；將0號(hào)光纖光柵傳感器粘貼到天平固定端頭部；在對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)位置粘貼其他光纖光柵傳感器，保證光柵變形與天平應(yīng)變梁同步變形；校準(zhǔn)天平的五分量復(fù)合敏感元件，求出天平的校準(zhǔn)系數(shù)；在飛行器模型表面覆蓋等離子體，通過激勵(lì)電壓、頻率、相位以及電極分布的控制，控制表面等離子體內(nèi)的電子密度以及等離子體的運(yùn)動(dòng)方向和流向；從而影響邊界層里中性粒子的速度和附著能力，使飛行器機(jī)體表面流場發(fā)生改變；用光纖光柵傳感器代替普通應(yīng)變片，通過對(duì)光柵變形來測(cè)量天平應(yīng)變梁的同步變形，實(shí)現(xiàn)測(cè)量作用在模型上的空氣動(dòng)力載荷，即力與力矩的大小、方向與作用點(diǎn)。本發(fā)明效果和益處是本發(fā)明采用光纖光柵傳感器作為變形梁的敏感元件代替常規(guī)的應(yīng)變片，具有傳輸距離長，信號(hào)精度高，可以精確到一個(gè)Pm，不易被干擾等特點(diǎn)。而且可以一個(gè)光纖數(shù)個(gè)光柵傳感器，通過不同的光信號(hào)波長來尋址，這樣可以減少測(cè)量線的鋪設(shè)，減少了由于線路過多而對(duì)天平結(jié)構(gòu)的要求過多。對(duì)于航空航天測(cè)力實(shí)驗(yàn)的高精度要求是相適應(yīng)的，減少了由于信號(hào)失真而造成的對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的反復(fù)測(cè)量和分析，節(jié)省了研究時(shí)間，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。本發(fā)明有效的提高天平的測(cè)量精度，在強(qiáng)磁場環(huán)境下可以不受現(xiàn)場的電磁干擾，信號(hào)不失真。在特種研究實(shí)驗(yàn)中，如等離子減阻技術(shù)研究需要高壓放電，產(chǎn)生強(qiáng)磁場，因此一般的研究方式都是以測(cè)壓為主，本發(fā)明可以拓寬在此類實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量方法，提高測(cè)量的分析手段。光纖光柵天平經(jīng)校準(zhǔn)后，測(cè)量精度滿足常規(guī)的天平實(shí)驗(yàn)要求，而考慮到了溫度效應(yīng)和綜合抗干擾性，放寬了光纖光柵天平的使用環(huán)境。圖1是本發(fā)明中光纖光柵五分量測(cè)力天平結(jié)構(gòu)示意2是圖1中A-A剖面圖具體實(shí)施例方式光纖光柵五分量測(cè)力天平，它主要由固定端1、模型安裝錐面3及天平應(yīng)變梁組成，在所述固定端1側(cè)面設(shè)有鍵槽2，在所述天平應(yīng)變梁上組橋采用五分量復(fù)合敏感元件4，在所述五分量復(fù)合敏感元件4的各應(yīng)變梁的前端和后端分別粘貼有光纖光柵傳感器5。所述光纖光柵傳感器5的粘貼位置，靠近固定端的叫做后端，另一端為前端。所述光纖光柵傳感器5的粘貼位置，為剛性強(qiáng)度忽略變形的部位。所述光纖光柵傳感器5粘貼部位以及光纖光柵應(yīng)用在航空天平上的方法和粘貼部件在12-14mm的要求范圍。光纖光柵五分量測(cè)力天平的測(cè)量方法，該方法的實(shí)現(xiàn)步驟為將固定端1作為天平與測(cè)量轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)的連接段，鍵槽2用于與實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)定位；五分量復(fù)合敏感元件4用來粘貼光纖光柵傳感器5測(cè)量氣動(dòng)力耦合梁；所述模型安裝錐面3為天平與模型的配合面；模型的氣動(dòng)力載荷由此配合面?zhèn)鞯教炱綔y(cè)量元件上；將0號(hào)光纖光柵傳感器5粘貼到天平固定端1頭部；在對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)位置粘貼其他光纖光柵傳感器5，保證光柵變形與天平應(yīng)變梁同步變形；校準(zhǔn)天平的五分量復(fù)合敏感元件4，求出天平的校準(zhǔn)系數(shù)；在飛行器模型表面覆蓋等離子體，通過激勵(lì)電壓、頻率、相位以及電極分布的控制，控制表面等離子體內(nèi)的電子密度以及等離子體的運(yùn)動(dòng)方向和流向；從而影響邊界層里中性粒子的速度和附著能力，使飛行器機(jī)體表面流場發(fā)生改變；用光纖光柵傳感器代替普通應(yīng)變片，通過對(duì)光柵變形來測(cè)量天平應(yīng)變梁的同步變形，實(shí)現(xiàn)測(cè)量作用在模型上的空氣動(dòng)力載荷，即力與力矩的大小、方向與作用點(diǎn)。所述五分量復(fù)合敏感元件4的各應(yīng)變梁的測(cè)量點(diǎn)包括Y-升力元、Mx-轉(zhuǎn)力矩元、My-偏航力矩元、Z-側(cè)力元及Mz-抬頭力矩元。工作原理由于光信號(hào)具有不受電磁的干擾而且具有傳輸距離長和精度高等特點(diǎn)。從而可以代替普通應(yīng)變片作為測(cè)量的敏感元件。光纖光柵是在光纖纖芯內(nèi)介質(zhì)折射率呈周期性變化的一種光纖無源器件，只對(duì)特定波長的光具有反射作用，其它光無損耗地透過。光纖布拉格(Bragg)光柵(FBG)是最普遍的一種光柵，是一段折射率呈周期性變化的光纖，其折射率調(diào)制深度和光柵周期一般都是常數(shù)。FBG折射率分布于反射、投射特性如圖1所示。根據(jù)耦合模理論，F(xiàn)BG的光柵方程為λβ=2neffΛ其中，λΒ為FBG的反射波中心波長(Bragg波長)；neff為光纖光柵的有效折射率；A為光纖柵距。應(yīng)力、溫度等任何擾動(dòng)都可能引起Iirff和Λ的變化，從而使光柵的中心反射波長發(fā)生漂移。當(dāng)FBG發(fā)生微小應(yīng)變時(shí)，Bragg波長會(huì)發(fā)生漂移。對(duì)式(1)求全微分得到dλB=2dneffA+2neffdΛ由上式可知，當(dāng)光纖光柵受到應(yīng)變作用時(shí)，光纖Bragg光柵的Bragg波長隨著neff和Λ的改變而改變，因此Bragg波長對(duì)于外界力、熱負(fù)荷極為敏感，應(yīng)變是由于光柵周期的伸縮和彈光效應(yīng)引起的Bragg波長變化，而溫度是由于光柵熱膨脹效應(yīng)和熱光效應(yīng)引起的Bragg波長變化。航空航天測(cè)力實(shí)驗(yàn)研究中在飛行器表面覆蓋等離子體，通過激勵(lì)電壓、頻率、相位以及電極分布的控制，有效地控制表面等離子體內(nèi)的電子密度以及等離子體的運(yùn)動(dòng)方向和流向。從而影響邊界層里中性粒子的速度和附著能力，使飛行器機(jī)體表面流場發(fā)生改變，控制飛行器機(jī)翼后緣和表面的流動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)飛行器的減租，提高飛行器的氣動(dòng)性能。而在此研究中常規(guī)的測(cè)力天平不能滿足在高電場的使用要求，必須用一種新型的測(cè)量敏感元件代替。本發(fā)明就是使用現(xiàn)在已經(jīng)技術(shù)成熟的光纖光柵傳感器代替普通應(yīng)變片的方法，來測(cè)量在特種實(shí)驗(yàn)中模型感受的氣動(dòng)力載荷，這樣提高了實(shí)驗(yàn)?zāi)芰屯貙捔搜芯款I(lǐng)域。針對(duì)在強(qiáng)磁場環(huán)境下的航空航天測(cè)力實(shí)驗(yàn)以及常規(guī)的測(cè)力實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠符合光纖光柵傳感器粘貼條件的天平。普通光纖光柵傳感器的刻?hào)砰L度一般在8-10mm，預(yù)留粘貼受力固定端，以及在天平應(yīng)變梁上組橋，需要大概28mm的距離，因此光柵應(yīng)變梁要設(shè)計(jì)足夠的長。因此設(shè)計(jì)天平根據(jù)模型安裝要求以及光纖貼片要求設(shè)計(jì)為五分量天平Y(jié)(升力元)、Mx(滾轉(zhuǎn)力矩元)、My(偏航力矩元)、Z(側(cè)力元)、Mz(抬頭力矩元)。由于光纖光柵傳感器材質(zhì)為玻璃纖維，因此對(duì)溫度非常敏感，為了提高天平的測(cè)量精度，消除溫度效應(yīng)的影響，在天平剛性強(qiáng)度無變形的部位粘貼溫度補(bǔ)償光纖光柵傳感器。參看圖1，固定端1是天平與測(cè)量轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)連接段，其中有鍵槽2，用于定位使用；五分量復(fù)合敏感元件4是用來粘貼光纖光柵傳感器5測(cè)量氣動(dòng)力耦合梁，其中傳感器的粘貼位置在圖中標(biāo)明，在靠近固定端的位置叫做后端，另一端為前端；模型安裝錐面3為天平與模型的配合面，模型的氣動(dòng)力載荷由此面?zhèn)鞯教炱綔y(cè)量元件上；參看圖2，A-A截面圖為五分量復(fù)合敏感元件4的截面圖，圖上的數(shù)字標(biāo)明粘貼光柵的位置以及排序，O號(hào)光柵粘貼到天平固定端頭部。在天平四根變形梁上前端后端各粘貼一個(gè)光纖光柵，粘貼的數(shù)量共13根，其中光纖排列序號(hào)為逆時(shí)針順序排列，前端為小號(hào)，后端為大號(hào)，具體功能如下0號(hào)光纖光柵傳感器為溫度補(bǔ)償傳感器；7加12與8加11號(hào)光纖光柵傳感器信號(hào)差值為Y(升力元)；11加12與7加8號(hào)光纖光柵傳感器信號(hào)差值為Mz(抬頭力矩元)；1加6與2加5號(hào)光纖光柵傳感器信號(hào)差值為Mx(滾轉(zhuǎn)力矩元)；4加9與3加10號(hào)光纖光柵傳感器信號(hào)差值為Z(側(cè)力元)；9加10與3加4號(hào)光纖光柵傳感器信號(hào)差值為My(偏航力矩元)；下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例。按光柵傳感器粘貼要求和天平氣動(dòng)力測(cè)量要求設(shè)計(jì)一臺(tái)五分量天平，設(shè)計(jì)載荷見表1，在對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)位置粘貼光纖光柵傳感器，保證光柵變形與天平應(yīng)變梁同步變形，在光纖表面涂保護(hù)性物質(zhì)，以便保護(hù)光纖不被折斷。把粘貼好的天平放入恒溫箱內(nèi)烘干，連接光纖到信號(hào)分析儀，讀取信號(hào)零值，見表2。改變恒溫箱溫度，校測(cè)0號(hào)傳感器的溫度效應(yīng)(忽略天平本身的熱脹冷縮)。校測(cè)完畢后取出天平，安裝到天平校測(cè)臺(tái)架上，進(jìn)行天平五分量校準(zhǔn)，求出天平的校準(zhǔn)系數(shù)，完成了天平的校準(zhǔn)，天平的靜校精度為，見表3.表1技術(shù)設(shè)計(jì)載荷及校準(zhǔn)載荷(N、N*M)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2橋路參數(shù)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表3靜校均方誤差<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>用于測(cè)量作用在模型上的空氣動(dòng)力載荷(力與力矩)的大小、方向與作用點(diǎn)。權(quán)利要求光纖光柵五分量測(cè)力天平，它主要由固定端(1)、模型安裝錐面(3)及天平應(yīng)變梁組成，在所述固定端(1)側(cè)面設(shè)有鍵槽(2)，其特征在于在所述天平應(yīng)變梁上組橋采用五分量復(fù)合敏感元件(4)，在所述五分量復(fù)合敏感元件(4)的各應(yīng)變梁的前端和后端分別粘貼有光纖光柵傳感器(5)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵五分量測(cè)力天平，其特征在于所述光纖光柵傳感器(5)的粘貼位置，靠近固定端的叫做后端，另一端為前端。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵五分量測(cè)力天平，其特征在于所述光纖光柵傳感器(5)0號(hào)的粘貼位置，為剛性強(qiáng)度忽略變形的部位。4.光纖光柵五分量測(cè)力天平的測(cè)量方法，該方法的實(shí)現(xiàn)步驟為將固定端(1)作為天平與測(cè)量轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)的連接段，鍵槽(2)用于與實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)定位；五分量復(fù)合敏感元件(4)用來粘貼光纖光柵傳感器(5)測(cè)量氣動(dòng)力耦合梁；所述模型安裝錐面(3)為天平與模型的配合面；模型的氣動(dòng)力載荷由此配合面?zhèn)鞯教炱綔y(cè)量元件上；將0號(hào)光纖光柵傳感器(5)粘貼到天平固定端(1)頭部；在對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)位置粘貼其他光纖光柵傳感器(5)，保證光柵變形與天平應(yīng)變梁同步變形；校準(zhǔn)天平的五分量復(fù)合敏感元件(4)，求出天平的校準(zhǔn)系數(shù)；在飛行器模型表面覆蓋等離子體，通過激勵(lì)電壓、頻率、相位以及電極分布的控制，控制表面等離子體內(nèi)的電子密度以及等離子體的運(yùn)動(dòng)方向和流向；從而影響邊界層里中性粒子的速度和附著能力，使飛行器機(jī)體表面流場發(fā)生改變；用光纖光柵傳感器代替普通應(yīng)變片，通過對(duì)光柵變形來測(cè)量天平應(yīng)變梁的同步變形，實(shí)現(xiàn)測(cè)量作用在模型上的空氣動(dòng)力載荷，即力與力矩的大小、方向與作用點(diǎn)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖光柵五分量測(cè)力天平的測(cè)量方法，其特征在于所述五分量復(fù)合敏感元件(4)的各應(yīng)變梁的測(cè)量點(diǎn)包括Y-升力元、Mx-轉(zhuǎn)力矩元、My-偏航力矩元、Z-側(cè)力元及Mz-抬頭力矩元。全文摘要光纖光柵五分量測(cè)力天平及測(cè)量方法，屬于航空航天測(cè)力實(shí)驗(yàn)等應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明為了解決常規(guī)天平的敏感元件的應(yīng)變片，在一些測(cè)力現(xiàn)場噪聲影響比較嚴(yán)重，會(huì)在噪聲電場中受到嚴(yán)重的干擾，無法得到正確的應(yīng)變信號(hào)的技術(shù)問題，在天平上粘貼光纖光柵傳感器作為天平感受氣動(dòng)力載荷的敏感元件，有效的提高天平的測(cè)量精度，在強(qiáng)磁場環(huán)境下可以不受現(xiàn)場的電磁干擾，信號(hào)不失真。在特種研究實(shí)驗(yàn)中，如等離子減阻技術(shù)研究需要高壓放電，產(chǎn)生強(qiáng)磁場，因此一般的研究方式都是以測(cè)壓為主，本發(fā)明可以拓寬在此類實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量方法，提高測(cè)量的分析手段。光纖光柵天平經(jīng)校準(zhǔn)后，測(cè)量精度滿足常規(guī)的天平實(shí)驗(yàn)要求，而考慮到了溫度效應(yīng)和綜合抗干擾性，放寬了光纖光柵天平的使用環(huán)境。文檔編號(hào)G01L11/02GK101806654SQ201010165429公開日2010年8月18日申請(qǐng)日期2010年5月7日優(yōu)先權(quán)日2010年5月7日發(fā)明者李勇,李國文,楊波申請(qǐng)人:沈陽航空航天大學(xué)