本申請(qǐng)要求2015年10月20日提交的，申請(qǐng)?zhí)朇N201510681546.2的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)的優(yōu)選權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及航空航天技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于光柵光纖傳感器的垂尾外載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

飛機(jī)在實(shí)際飛行過(guò)程中，承受著各種環(huán)境下的隨機(jī)載荷，結(jié)構(gòu)破壞時(shí)有發(fā)生。對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，控制其飛行過(guò)程中自身的損傷情況，采用經(jīng)濟(jì)性維修和結(jié)構(gòu)壽命健康管理，延長(zhǎng)飛機(jī)壽命。

飛機(jī)在飛行過(guò)程中受到的外載荷主要為1)空氣動(dòng)力、2)質(zhì)量力、3)其他部件傳來(lái)的集中載荷。在飛機(jī)轉(zhuǎn)彎或側(cè)滑等飛行動(dòng)作時(shí)側(cè)向載荷會(huì)受到比平穩(wěn)飛行時(shí)更大空氣動(dòng)力影響；機(jī)身本身的質(zhì)量以及飛機(jī)內(nèi)部的裝載會(huì)對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生質(zhì)量力，對(duì)飛機(jī)造成載荷；飛機(jī)起飛、滑跑、降落過(guò)程中機(jī)翼、尾翼以及起落架等部件對(duì)飛機(jī)本身產(chǎn)生會(huì)產(chǎn)生載荷。飛機(jī)的外載荷嚴(yán)重影響飛機(jī)機(jī)身和飛機(jī)部件，不及時(shí)對(duì)飛機(jī)機(jī)身和飛機(jī)部件進(jìn)行修護(hù)將大大降低飛機(jī)的使用壽命。但是對(duì)于飛機(jī)飛行過(guò)程中收到載荷對(duì)機(jī)身和飛機(jī)部件的影響，目前都是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或者當(dāng)飛機(jī)機(jī)身以及部件出現(xiàn)損傷時(shí)進(jìn)行維修，這時(shí)的維修已經(jīng)對(duì)飛機(jī)壽命產(chǎn)生了影響，縮減了飛機(jī)的壽命。

對(duì)于飛機(jī)飛行過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)有技術(shù)通常通過(guò)電阻式傳感器來(lái)進(jìn)行監(jiān)控，其監(jiān)控效果和精度不夠準(zhǔn)確，對(duì)飛機(jī)的修護(hù)指導(dǎo)意義不強(qiáng)。

因此，需要一種能有效解決對(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程中的外載荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在從而制導(dǎo)飛機(jī)修護(hù)的基于光柵光纖傳感器的垂尾外載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于光柵光纖傳感器的垂尾外載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，所述實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法包括以下步驟：

a.搭建光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括泵浦源、第一摻鉺光纖、第二慘鉺光纖、波分復(fù)用器、光柵光纖組以及信號(hào)接收器；其中

所述光柵光纖組由多段光柵光纖與應(yīng)變片貼合后以串聯(lián)的方式進(jìn)行連接；

b.建立飛機(jī)垂尾外載荷數(shù)學(xué)模型，對(duì)所述垂尾模型進(jìn)行全域應(yīng)力計(jì)算，尋找飛機(jī)垂尾的外載荷應(yīng)力集中區(qū)；

c.在步驟b中找到的飛機(jī)垂尾外載荷應(yīng)力集中區(qū)布置所述光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；

d.對(duì)所述飛機(jī)垂尾持續(xù)施加外載荷，所述光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)接收器采集光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)，繪制外載荷大小與所述光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線，其中

由外載荷導(dǎo)致應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變，從而使所述光柵光纖組的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移；

e.將所述光柵光纖檢測(cè)系統(tǒng)安裝在飛機(jī)垂尾，根據(jù)所述關(guān)系曲線對(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程中垂尾的實(shí)時(shí)載荷進(jìn)行監(jiān)控。

優(yōu)選地，所述第一摻鉺光纖和所述第二摻鉺光纖摻雜濃度相同。

優(yōu)選地，所述泵浦源為激光二極管單泵浦源。

優(yōu)選地，所述泵浦源發(fā)出的泵浦光分兩路分別進(jìn)入第一摻鉺光纖和第二慘鉺光纖。

優(yōu)選地，所述光柵光纖組末端設(shè)置熔接隔離器，防止端面回波對(duì)輸出信號(hào)的影響。

優(yōu)選地，步驟b中所述的全域應(yīng)力計(jì)算包括垂尾的剪力、彎矩以及扭矩的計(jì)算。

優(yōu)選地，所述光柵光纖組與應(yīng)變片通過(guò)膠粘的方式貼合。

優(yōu)選地，步驟c中所述光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方式為通過(guò)膠粘的方式將應(yīng)變片與飛機(jī)垂尾外載荷應(yīng)力集中區(qū)粘貼。

優(yōu)選地，步驟d中采集光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所述處理方法包括如下步驟：

d1.數(shù)據(jù)預(yù)處理，采集到的光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)建立時(shí)間歷程；針對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間歷程進(jìn)行檢測(cè)，剔除不合格的起落數(shù)據(jù)；

d2.數(shù)據(jù)二次處理，對(duì)預(yù)處理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和分段。

本發(fā)明采用了光柵光纖傳感器對(duì)飛機(jī)垂尾外載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)控過(guò)程精細(xì)、智能、準(zhǔn)確，指導(dǎo)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)的有效維護(hù)，延長(zhǎng)了飛機(jī)的整體壽命。

應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說(shuō)明和解釋?zhuān)⒉粦?yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。

附圖說(shuō)明

參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過(guò)本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示意性示出了本發(fā)明光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2示出了本發(fā)明基于光柵光纖傳感器的垂尾外載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法的流程圖；

圖3示出了本發(fā)明對(duì)飛機(jī)垂尾模型進(jìn)行全域應(yīng)力計(jì)算的示意圖；

圖4示出了本發(fā)明光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)的處理流程圖；

圖5示出了本發(fā)明外載荷大小與光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線。

具體實(shí)施方式

通過(guò)參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開(kāi)的示范性實(shí)施例；可以通過(guò)不同形式來(lái)對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明書(shū)的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。

在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類(lèi)似的部件，或者相同或類(lèi)似的步驟。本發(fā)明所提供的一種基于光柵光纖傳感器的垂尾外載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法是通過(guò)光柵光纖制備的光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)垂尾的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本實(shí)施例中示意性給出一種所述的光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；所述光柵光纖檢測(cè)系統(tǒng)包括泵浦源101、第一慘鉺光纖102、第二慘鉺光纖103、波分復(fù)用器105、光柵光纖組105以及信號(hào)接收器106。其中，光柵光纖組105包括多段光柵光纖1052，本實(shí)施例中示意性給出了4段光柵光纖，4段光柵光纖通過(guò)串聯(lián)的方式進(jìn)行連接；在一些實(shí)施例中，光柵光纖可以是多段，具體的由所要監(jiān)測(cè)的飛機(jī)垂尾的尺寸所決定，同樣地，設(shè)置的多段光柵光纖通過(guò)串聯(lián)的方式連接。所述光柵光纖1052通過(guò)膠粘黏貼在應(yīng)變片1051上，當(dāng)飛機(jī)垂尾受到外載荷時(shí)，應(yīng)變片1051發(fā)生變形引起光柵光纖1052的中心波長(zhǎng)漂移實(shí)現(xiàn)對(duì)外載荷監(jiān)測(cè)。應(yīng)當(dāng)理解的是本發(fā)明中采用的是多段光柵光纖構(gòu)成的光柵光纖組105的整體出現(xiàn)波長(zhǎng)漂移，使得監(jiān)測(cè)到的外載荷與光柵光纖組105的波長(zhǎng)漂移的關(guān)系更加精確。

為了實(shí)現(xiàn)高平坦的C+L波段放大的自發(fā)輻射光，本發(fā)明采用的泵浦源101為激光二極管單泵浦源，并且第一慘鉺光纖102和第二慘鉺光纖103的摻雜濃度相同。

泵浦源101產(chǎn)生的光路分成兩路分別進(jìn)入到第一慘鉺光纖102和第二慘鉺光纖103中，通過(guò)兩路光路對(duì)泵浦源產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行放大處理。波分復(fù)用器104將放大后的信號(hào)耦合進(jìn)入到串聯(lián)連接4段光柵光纖的光柵光纖組105中。信號(hào)接收器106采集光路信號(hào)，優(yōu)選地，在光柵光纖組105的末端設(shè)置熔接隔離器，防止端面回波對(duì)輸出信號(hào)的影響。

下面本實(shí)施例具體說(shuō)明本發(fā)明利用上述光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)飛機(jī)垂尾外載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法做詳細(xì)說(shuō)明，如圖2所示本發(fā)明基于光柵光纖傳感器的垂尾外載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法的流程圖，所示垂尾外載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法應(yīng)當(dāng)包括如下步驟：

步驟201：搭建光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；所述監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括泵浦源、第一摻鉺光纖、第二慘鉺光纖、波分復(fù)用器、光柵光纖組以及信號(hào)接收器。

步驟202：:仿真計(jì)算，尋找飛機(jī)垂尾應(yīng)力集中區(qū)；建立飛機(jī)垂尾外載荷數(shù)學(xué)模型，對(duì)所述垂尾模型進(jìn)行全域應(yīng)力計(jì)算，尋找飛機(jī)垂尾的外載荷應(yīng)力集中區(qū)。具體仿真計(jì)算過(guò)程借助有限元分分析方法，建立飛機(jī)數(shù)學(xué)模型，在飛機(jī)數(shù)學(xué)模型上布置光柵光纖并設(shè)置邊界條件，所述邊間條件為根據(jù)實(shí)際飛機(jī)飛行過(guò)程中的外載荷進(jìn)行模擬。本實(shí)施例采用了包括對(duì)垂尾的剪力、彎矩以及扭矩的模擬計(jì)算的全域應(yīng)力計(jì)算，使得計(jì)算結(jié)果更加接近飛機(jī)實(shí)際飛行過(guò)程中的情況，從而對(duì)后續(xù)的檢測(cè)更加準(zhǔn)確。

通過(guò)仿真計(jì)算。尋找到飛機(jī)在飛行過(guò)程中最能產(chǎn)生應(yīng)變的區(qū)域，如圖3所示本發(fā)明對(duì)飛機(jī)垂尾模型進(jìn)行全域應(yīng)力計(jì)算的示意圖，飛機(jī)垂尾301在計(jì)算過(guò)程中得到應(yīng)變區(qū)域302，計(jì)算結(jié)果的到的應(yīng)變區(qū)域302產(chǎn)生的應(yīng)變集中區(qū)域303是受到外載荷最大的區(qū)域。

步驟203：布置光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；在步驟202中找到的飛機(jī)垂尾外載荷應(yīng)力集中區(qū)布置所述光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本實(shí)施例中為了對(duì)光柵先材料的節(jié)約，只對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域303布置光柵光纖組。應(yīng)當(dāng)理解的是，在一些實(shí)施例中，為了對(duì)飛機(jī)更好的維護(hù)應(yīng)當(dāng)是對(duì)整個(gè)應(yīng)變區(qū)域302布置光柵光纖組。上述布置光柵光纖組采用黏貼的方式將光柵光纖組的應(yīng)變片與飛機(jī)垂尾的應(yīng)變集中區(qū)域相互膠粘黏貼固定，應(yīng)當(dāng)理解本實(shí)施例中采用的固定方式除了黏貼之外應(yīng)當(dāng)還包括其他本領(lǐng)域技術(shù)人員所能想到的一切固定方式，例如：特種膠固定或金屬對(duì)接。

步驟204：繪制外載荷大小與光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線；對(duì)所述飛機(jī)垂尾持續(xù)施加外載荷，所述光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)接收器采集光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)，繪制外載荷大小與所述光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線，其中

由外載荷導(dǎo)致應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變，從而使所述光柵光纖組的中心波長(zhǎng)發(fā)生偏移。

對(duì)于飛機(jī)垂尾持續(xù)施加外載荷的過(guò)程采用加載機(jī)對(duì)飛機(jī)垂尾從空間6個(gè)維度進(jìn)行加載，使施加的外載荷盡可能的與飛機(jī)飛行過(guò)程中產(chǎn)生的外載荷。

信號(hào)接收器接采集光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如圖4所示光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)的處理流程圖，具體數(shù)據(jù)處理過(guò)程包括如下步驟

步驟401：數(shù)據(jù)采集，通過(guò)光柵光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)接收器采集光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量；

步驟402：數(shù)據(jù)預(yù)處理，采集到的光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)建立時(shí)間歷程；針對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)間歷程進(jìn)行檢測(cè)，剔除不合格的起落數(shù)據(jù)；其中剔除的數(shù)據(jù)為采集到的偽讀數(shù)以及二維低載荷數(shù)據(jù)。

步驟403：數(shù)據(jù)二次處理，對(duì)預(yù)處理得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行波峰數(shù)據(jù)和波谷數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和分段。

經(jīng)過(guò)處理的光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)與施加的載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，使繪制的外載荷大小與光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線誤差區(qū)間達(dá)到最小。如圖5所示外載荷大小與光柵光纖組的中心波長(zhǎng)偏移量數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線，外載荷施加至極限點(diǎn)501時(shí)重現(xiàn)飛機(jī)垂尾嚴(yán)重受損。

步驟205：對(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程中垂尾載荷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；將所述光柵光纖檢測(cè)系統(tǒng)安裝在飛機(jī)垂尾，根據(jù)所述關(guān)系曲線對(duì)飛機(jī)飛行過(guò)程中垂尾的實(shí)時(shí)載荷進(jìn)行監(jiān)控。應(yīng)當(dāng)理解的是，所說(shuō)關(guān)系曲線通過(guò)編程的方式寫(xiě)入控制程序，通過(guò)控制程序?qū)︼w機(jī)飛行過(guò)程中的載荷進(jìn)行直觀顯示。關(guān)系曲線寫(xiě)成程序的過(guò)程應(yīng)當(dāng)是本領(lǐng)域技術(shù)人員所能想到的所有的編程方式，例如：PLC邏輯控制。

本發(fā)明采用了光柵光纖傳感器對(duì)飛機(jī)垂尾外載荷進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)控過(guò)程精細(xì)、智能、準(zhǔn)確，指導(dǎo)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)的有效維護(hù)，延長(zhǎng)了飛機(jī)的整體壽命。

結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說(shuō)明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說(shuō)明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。