專利名稱：：光纖光柵五分量測力天平及測量方法
技術領域：
：本發明涉及一種航空航天測力實驗中的測量設備及測量方法，尤其涉及一種光纖光柵五分量測力天平及測量方法。屬于航空航天測力實驗等應用
技術領域：
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背景技術：
：風洞天平按工作原理可分為機械天平、應變天平、壓電天平及磁懸掛天平等。目前廣泛應用的是應變天平，應變天平是基于非電量電測的原理，把應變測量技術具體應用在風洞實驗中，來測量作用在模型上的空氣動力和力矩。用專門設計的天平元件來感受作用在模型上的空氣動力，并將其按一定的坐標系統分解成空氣動力和力矩分量。在此空氣動力和力矩分量的作用下，天平元件產生相應的應變。粘貼在天平元件上的應變片將天平元件產生的應變量變換成與此成比例的電阻增量。由應變片組成的測量電橋，將電阻增量變換成電壓輸出，然后由檢測儀表測量和記錄下來。光纖光柵傳感器技術是20世紀70年代隨著光纖技術和光纖通信技術的發展而迅速發展起來的，它代表了新一帶傳感器技術的發展趨勢，具有“傳”、“感”合一的特點。它是利用光纖對某些特定物理量敏感的特性，將外界物理量轉換成可以直接測量的光信號的技術。常規天平的敏感元件選用應變片，但在一些測力現場噪聲影響比較嚴重，普通的敏感元件會在噪聲電場中受到嚴重的干擾，無法得到正確的應變信號。
發明內容本發明為了解決常規天平的敏感元件的應變片，在一些測力現場噪聲影響比較嚴重，會在噪聲電場中受到嚴重的干擾，無法得到正確的應變信號的技術問題，提供一種光纖光柵五分量測力天平及測量方法，所述光纖光柵五分量測力天平，它主要由固定端、模型安裝錐面及天平應變梁組成，在所述固定端側面設有鍵槽，在所述天平應變梁上組橋采用五分量復合敏感元件，在所述五分量復合敏感元件的各應變梁的前端和后端分別粘貼有光纖光柵傳感器。光纖光柵五分量測力天平的測量方法，該方法的實現步驟為將固定端作為天平與測量轉角機構的連接段，鍵槽用于與實驗轉角機構定位；五分量復合敏感元件的各應變梁用來粘貼光纖光柵傳感器作為測量氣動力的耦合梁；所述模型安裝錐面為天平與模型的配合面；模型的氣動力載荷由此配合面傳到天平測量元件上；將0號光纖光柵傳感器粘貼到天平固定端頭部；在對應設計位置粘貼其他光纖光柵傳感器，保證光柵變形與天平應變梁同步變形；校準天平的五分量復合敏感元件，求出天平的校準系數；在飛行器模型表面覆蓋等離子體，通過激勵電壓、頻率、相位以及電極分布的控制，控制表面等離子體內的電子密度以及等離子體的運動方向和流向；從而影響邊界層里中性粒子的速度和附著能力，使飛行器機體表面流場發生改變；用光纖光柵傳感器代替普通應變片，通過對光柵變形來測量天平應變梁的同步變形，實現測量作用在模型上的空氣動力載荷，即力與力矩的大小、方向與作用點。本發明效果和益處是本發明采用光纖光柵傳感器作為變形梁的敏感元件代替常規的應變片，具有傳輸距離長，信號精度高，可以精確到一個Pm，不易被干擾等特點。而且可以一個光纖數個光柵傳感器，通過不同的光信號波長來尋址，這樣可以減少測量線的鋪設，減少了由于線路過多而對天平結構的要求過多。對于航空航天測力實驗的高精度要求是相適應的，減少了由于信號失真而造成的對實驗數據的反復測量和分析，節省了研究時間，提高了實驗數據的可靠性。本發明有效的提高天平的測量精度，在強磁場環境下可以不受現場的電磁干擾，信號不失真。在特種研究實驗中，如等離子減阻技術研究需要高壓放電，產生強磁場，因此一般的研究方式都是以測壓為主，本發明可以拓寬在此類實驗中的測量方法，提高測量的分析手段。光纖光柵天平經校準后，測量精度滿足常規的天平實驗要求，而考慮到了溫度效應和綜合抗干擾性，放寬了光纖光柵天平的使用環境。圖1是本發明中光纖光柵五分量測力天平結構示意2是圖1中A-A剖面圖具體實施例方式光纖光柵五分量測力天平，它主要由固定端1、模型安裝錐面3及天平應變梁組成，在所述固定端1側面設有鍵槽2，在所述天平應變梁上組橋采用五分量復合敏感元件4，在所述五分量復合敏感元件4的各應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。光纖光柵五分量測力天平的測量方法，該方法的實現步驟為將固定端1作為天平與測量轉角機構的連接段，鍵槽2用于與實驗轉角機構定位；五分量復合敏感元件4用來粘貼光纖光柵傳感器5測量氣動力耦合梁；所述模型安裝錐面3為天平與模型的配合面；模型的氣動力載荷由此配合面傳到天平測量元件上；將0號光纖光柵傳感器5粘貼到天平固定端1頭部；在對應設計位置粘貼其他光纖光柵傳感器5，保證光柵變形與天平應變梁同步變形；校準天平的五分量復合敏感元件4，求出天平的校準系數；在飛行器模型表面覆蓋等離子體，通過激勵電壓、頻率、相位以及電極分布的控制，控制表面等離子體內的電子密度以及等離子體的運動方向和流向；從而影響邊界層里中性粒子的速度和附著能力，使飛行器機體表面流場發生改變；用光纖光柵傳感器代替普通應變片，通過對光柵變形來測量天平應變梁的同步變形，實現測量作用在模型上的空氣動力載荷，即力與力矩的大小、方向與作用點。所述五分量復合敏感元件4的各應變梁的測量點包括Y-升力元、Mx-轉力矩元、My-偏航力矩元、Z-側力元及Mz-抬頭力矩元。工作原理由于光信號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。從而可以代替普通應變片作為測量的敏感元件。光纖光柵是在光纖纖芯內介質折射率呈周期性變化的一種光纖無源器件，只對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，其折射率調制深度和光柵周期一般都是常數。FBG折射率分布于反射、投射特性如圖1所示。根據耦合模理論，FBG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。應力、溫度等任何擾動都可能引起Iirff和Λ的變化，從而使光柵的中心反射波長發生漂移。當FBG發生微小應變時，Bragg波長會發生漂移。對式(1)求全微分得到dλB=2dneffA+2neffdΛ由上式可知，當光纖光柵受到應變作用時，光纖Bragg光柵的Bragg波長隨著neff和Λ的改變而改變，因此Bragg波長對于外界力、熱負荷極為敏感，應變是由于光柵周期的伸縮和彈光效應引起的Bragg波長變化，而溫度是由于光柵熱膨脹效應和熱光效應引起的Bragg波長變化。航空航天測力實驗研究中在飛行器表面覆蓋等離子體，通過激勵電壓、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的電子密度以及等離子體的運動方向和流向。從而影響邊界層里中性粒子的速度和附著能力，使飛行器機體表面流場發生改變，控制飛行器機翼后緣和表面的流動狀態，實現飛行器的減租，提高飛行器的氣動性能。而在此研究中常規的測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量敏感元件代替。本發明就是使用現在已經技術成熟的光纖光柵傳感器代替普通應變片的方法，來測量在特種實驗中模型感受的氣動力載荷，這樣提高了實驗能力和拓寬了研究領域。針對在強磁場環境下的航空航天測力實驗以及常規的測力實驗，設計一臺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柵長度一般在8-10mm，預留粘貼受力固定端，以及在天平應變梁上組橋，需要大概28mm的距離，因此光柵應變梁要設計足夠的長。因此設計天平根據模型安裝要求以及光纖貼片要求設計為五分量天平Y(升力元)、Mx(滾轉力矩元)、My(偏航力矩元)、Z(側力元)、Mz(抬頭力矩元)。由于光纖光柵傳感器材質為玻璃纖維，因此對溫度非常敏感，為了提高天平的測量精度，消除溫度效應的影響，在天平剛性強度無變形的部位粘貼溫度補償光纖光柵傳感器。參看圖1，固定端1是天平與測量轉角機構連接段，其中有鍵槽2，用于定位使用；五分量復合敏感元件4是用來粘貼光纖光柵傳感器5測量氣動力耦合梁，其中傳感器的粘貼位置在圖中標明，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，模型的氣動力載荷由此面傳到天平測量元件上；參看圖2，A-A截面圖為五分量復合敏感元件4的截面圖，圖上的數字標明粘貼光柵的位置以及排序，O號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光纖光柵，粘貼的數量共13根，其中光纖排列序號為逆時針順序排列，前端為小號，后端為大號，具體功能如下0號光纖光柵傳感器為溫度補償傳感器；7加12與8加11號光纖光柵傳感器信號差值為Y(升力元)；11加12與7加8號光纖光柵傳感器信號差值為Mz(抬頭力矩元)；1加6與2加5號光纖光柵傳感器信號差值為Mx(滾轉力矩元)；4加9與3加10號光纖光柵傳感器信號差值為Z(側力元)；9加10與3加4號光纖光柵傳感器信號差值為My(偏航力矩元)；下面結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的一個具體實施例。按光柵傳感器粘貼要求和天平氣動力測量要求設計一臺五分量天平，設計載荷見表1，在對應設計位置粘貼光纖光柵傳感器，保證光柵變形與天平應變梁同步變形，在光纖表面涂保護性物質，以便保護光纖不被折斷。把粘貼好的天平放入恒溫箱內烘干，連接光纖到信號分析儀，讀取信號零值，見表2。改變恒溫箱溫度，校測0號傳感器的溫度效應(忽略天平本身的熱脹冷縮)。校測完畢后取出天平，安裝到天平校測臺架上，進行天平五分量校準，求出天平的校準系數，完成了天平的校準，天平的靜校精度為，見表3.表1技術設計載荷及校準載荷(N、N*M)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表2橋路參數<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>表3靜校均方誤差<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>用于測量作用在模型上的空氣動力載荷(力與力矩)的大小、方向與作用點。權利要求光纖光柵五分量測力天平，它主要由固定端(1)、模型安裝錐面(3)及天平應變梁組成，在所述固定端(1)側面設有鍵槽(2)，其特征在于在所述天平應變梁上組橋采用五分量復合敏感元件(4)，在所述五分量復合敏感元件(4)的各應變梁的前端和后端分別粘貼有光纖光柵傳感器(5)。2.根據權利要求1所述的光纖光柵五分量測力天平，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.根據權利要求1所述的光纖光柵五分量測力天平，其特征在于所述光纖光柵傳感器(5)0號的粘貼位置，為剛性強度忽略變形的部位。4.光纖光柵五分量測力天平的測量方法，該方法的實現步驟為將固定端(1)作為天平與測量轉角機構的連接段，鍵槽(2)用于與實驗轉角機構定位；五分量復合敏感元件(4)用來粘貼光纖光柵傳感器(5)測量氣動力耦合梁；所述模型安裝錐面(3)為天平與模型的配合面；模型的氣動力載荷由此配合面傳到天平測量元件上；將0號光纖光柵傳感器(5)粘貼到天平固定端(1)頭部；在對應設計位置粘貼其他光纖光柵傳感器(5)，保證光柵變形與天平應變梁同步變形；校準天平的五分量復合敏感元件(4)，求出天平的校準系數；在飛行器模型表面覆蓋等離子體，通過激勵電壓、頻率、相位以及電極分布的控制，控制表面等離子體內的電子密度以及等離子體的運動方向和流向；從而影響邊界層里中性粒子的速度和附著能力，使飛行器機體表面流場發生改變；用光纖光柵傳感器代替普通應變片，通過對光柵變形來測量天平應變梁的同步變形，實現測量作用在模型上的空氣動力載荷，即力與力矩的大小、方向與作用點。5.根據權利要求4所述的光纖光柵五分量測力天平的測量方法，其特征在于所述五分量復合敏感元件(4)的各應變梁的測量點包括Y-升力元、Mx-轉力矩元、My-偏航力矩元、Z-側力元及Mz-抬頭力矩元。全文摘要光纖光柵五分量測力天平及測量方法，屬于航空航天測力實驗等應用
技術領域：
。本發明為了解決常規天平的敏感元件的應變片，在一些測力現場噪聲影響比較嚴重，會在噪聲電場中受到嚴重的干擾，無法得到正確的應變信號的技術問題，在天平上粘貼光纖光柵傳感器作為天平感受氣動力載荷的敏感元件，有效的提高天平的測量精度，在強磁場環境下可以不受現場的電磁干擾，信號不失真。在特種研究實驗中，如等離子減阻技術研究需要高壓放電，產生強磁場，因此一般的研究方式都是以測壓為主，本發明可以拓寬在此類實驗中的測量方法，提高測量的分析手段。光纖光柵天平經校準后，測量精度滿足常規的天平實驗要求，而考慮到了溫度效應和綜合抗干擾性，放寬了光纖光柵天平的使用環境。文檔編號G01L11/02GK101806654SQ201010165429公開日2010年8月18日申請日期2010年5月7日優先權日2010年5月7日發明者李勇,李國文,楊波申請人:沈陽航空航天大學