柔性曲面变形检测的FBG方法

为实现太阳能帆板、飞机机翼等薄板类曲面的动态检测,构建了一种基于光纤光栅（FBG）的传感阵列系统。将FBG传感器分布式地封装在形状记忆合金（SMA）薄片上,并采用增加预应力方式,扩大FBG检测拉应力的检测范围;利用空分复用（SDM）和波分复用技术（WDM）将FBG阵列布置到曲面上,传感器分布根据曲面应力状况采用植入式分布,应变较大的地方布置稠密,反之稀疏;曲面发生变形时,解调仪器解调出波长变化;计算机对采集数据进行处理,重建曲面形状并实时显示,以实现曲面的动态检测和显示。实验结果表明,此传感阵列系统的波长变化与曲率具有较好的线性关系,传感器布置合理、测量精度高,利用FBG能够实现曲面变形检测。     

应变解耦增敏式FBG温度传感器的设计与应用

为了实现飞机载荷谱飞行实测中对温度参数的精确测量，设计了一种应变解耦增敏式光纤光栅（fiber Bragg grating,简称FBG）温度传感器。通过力学建模分析设计新的传感器结构，对传感器的光纤光栅进行增敏处理，选取铝7075-T6为基底进行全覆盖式封装，提出光纤光栅封装位置与结构件之间无直接接触方式，排除结构形变对温度传感器带来的影响。经标定测试传感器温度灵敏速度为40.4 pm/℃，是普通光纤光栅的4倍。搭建实验系统进行其性能探究以及在拉伸实验机上进行解耦特性验证，拉伸实验件的变形对该温度传感器没有影响，与理论分析相符，最终将传感器贴于飞机座舱中进行实际工程应用。实验表明，传感器测得的温度差最大不超过±1 ℃，表明设计的传感器可以用于实际温度测量中，满足在飞机载荷谱飞行实测中温度参数精确测量的需求。     

基于多点协调加载试验的机翼飞行载荷模型研究

研究了基于多点协调加载试验的机翼飞行载荷测量技术。在某型飞机机翼载荷校准试验中,使用了自动液压加载系统,并研制出新的飞机约束装置,从而实现了多点协调加载试验,其中试验数据由机载测试系统进行采集。提出了建立机翼载荷模型的方法,最后通过地面检验试验和飞行试验验证了机翼载荷模型的合理可靠性。结果表明:该方法能够建立更高精度的机翼载荷模型。     

溅射膜片微应变与精密测量弹簧组合技术用于毫米级位移测量的分析与实现

介绍溅射膜片微应变与精密测量弹簧组合测量位移技术,将0～5 mm位移转变为与其成比例的电压信号,分析、讨论了传感器工作原理与设计方法.地面和飞行试验结果显示,该组合技术具有良好的静态测量精度和动态响应性能,适用于飞行器动态环境小量程间隙的测量.     

飞机结构件运动数据的动态视觉测量系统

基于近景摄影测量理论和立体视觉技术,提出并实现了一种针对机身结构件在飞行状态下的轨迹、姿态、位移、变形等多种运动数据的动态视觉测量方法.研究了基于工业近景摄影测量的多相机快速自标定方法;飞行状态下相机动态定位及抖动消除技术;刚性结构件的运动轨迹及姿态的快速求取和通过多相机(≥3)协作实现非编码标志点阵列的精确匹配等多项关键技术.在模拟飞行环境下的实验结果表明,相机标定的重投影误差小于0.03 pixel,系统的运动轨迹姿态测量精度可达0.01 mm/1 m,关键点位移变形测量精度可达0.05 mm/1 m,基本满足飞机测试行业的精度和可靠性测量标准.     

双孔载频剪切散斑干涉法测量表面动态形变

为了精确地测量物体表面的动态形变并得到形变高度和梯度信息,提出了一种基于双孔衍射结构的空间载频剪切散斑干涉法.该方法采用双孔产生固定的载频条纹,利用双旋转光楔实现剪切量的连续调节,采用正弦拟合算法进行相位计算.首先,分析了双孔调制的相位载频与双孔距和像距之间的关系,讨论了双旋转光楔得到线性剪切量调整的实验参数.然后,设计了测量光路参数;采用孔距为3.8 mm的双孔径配合焦距为80 mm的成像镜头在物距为300 mm时得到了载频为π/2的散斑场.最后,对动态形变的薄金属板进行了测量.实验结果表明:配合实时图像处理系统,该方法可以在帧率为15 frame/s的采集速度下实现动态形变的测量与显示,可测形变峰值为0.11～1.15 μm.本系统结构简单,易于集成,适用于动态形变的实时检测.     

光纤光栅与增量极限学习机的航天器结构重构

为了解决航天器板状结构变形的监测问题,建立了结构应变检测与形变重构系统,提出了一种基于准分布式光纤光栅传感器网络和改进型增量式极限学习机相结合的结构形变重构方法.采用光纤光栅应变传感技术,搭建了四边固支平板结构应变检测与形变重构装置,每条通道由12个传感器按照四行三列等距离分布组成,并采用完全粘贴方式提高测量的准确度与稳定性.设计了基于增量式极限学习机的结构形变预测模型,经过训练,该模型能够有效的预测结构变形位移量,结合三次样条插值法,实现了变形曲面的三维重构.采用平均绝对误差以及均方根误差两个精度指标对重构方法进行评价,实验结果表明,该检测装置及形变重构方法在不同的变形状态下的平均绝对误差小于0.05 mm,均方根误差小于0.005 mm,满足航天器结构的形变监测需求.     

一种风洞中单双目混合的机翼弯扭变形快速测量方法

风洞中飞机模型因承受高速气流冲击等影响, 机翼产生动态弯曲和扭转变形,提出了一种单双目混合的快速测量方 法, 利用荧光标志点对风洞中机翼的弯曲和扭转变形进行测量。 首先, 提出工况下机翼弯扭变形的布局和计算方案; 然后, 根据风洞坐标系、飞机模型自身坐标系的关系, 建立相机坐标系实现相机自标定;最后, 根据已知 Y 轴向约束的机翼点构建单 相机三维重建模型, 再计算吹风状态下各截面弯曲和扭转量。 通过建立一套专用的机翼变形动态测试系统布局方案,以飞机 模型初始位姿作为约束, 实现模型动态变形的快速检测, 得到的扭转角平均误差为 0. 228°, 可有效解决双目相机难以高帧率 实时重建的问题, 为优化机身设计参数提供数据支撑。     

某民用飞机燃油系统不可用燃油量飞行试验研究

不可用燃油量作为飞机燃油油量表校准的关键依据,对评估飞机燃油测量系统具有重要意义。本文对某民用飞机燃油系统不可用燃油量飞行试验进行了研究,通过飞行试验,确定了该飞机燃油系统的不可用燃油量。     

一种可变刚度的载荷校准试验调试台架

载荷校准试验是应变法飞行载荷测量工作中必要的环节,其试验结果决定着飞行载荷测量成败。通常载荷校准试验是在飞机上实施的,具有较大的风险,为此在正式试验前要进行加载设备调试、工况演示,进而实现工况优化,降低试验风险。针对调试试验提出了一种可变刚度的载荷校准试验调试台架,通过对空气弹簧调节台架整体刚度,实现机翼受载后的变形模拟。试验结果表明,该调试台架的功能和承载能力能够满足调试试验的需求,能实现大展弦比机翼的大变形模拟。     

变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构方法

变构型飞行器在执行不同飞行任务时会大尺度地改变机翼结构和蒙皮形状,蒙皮多维大尺度的变形重构是变形飞行器研究中的难点。本文针对这一问题,提出一种基于多芯光纤传感的变形飞行器蒙皮变形形状重构方法。该方法基于多芯光纤光栅应变传感原理,利用传感器上的多个光栅传感点,建立光栅波长漂移和曲率之间的转换关系,实现三维曲线重构。此外,为了重构变构型飞行器多维大尺度变形下的形状,本文研究了将重构曲线转化为飞行器机翼的展开角和翻转角,并结合两个角度和飞行器机翼的长宽等固有参数,通过拟合插值将两个角度变化引起的变形连续化,实现了柔性蒙皮多维大尺度变形重构。同时,本文为了减小温度造成的误差,利用多芯光纤中间纤芯不受拉伸和压缩、只受温度影响的特点,将中间纤芯与旁轴纤芯的中心波长漂移量做差,实现温度解耦。为了验证本文变形重构方法的有效性,对飞行器蒙皮多种不同情况下的变形进行了实验测试,并将形变重构结果与视觉测量进行了对比。研究结果表明,飞行器蒙皮多维大尺度变形重构的平均误差为7 mm,变形角度重构的平均误差为3.6%,可以实现变构型飞行器蒙皮多维大尺度变形重构,该方法在航空航天器等结构变形监测领域具有良好的应用前...     

机翼模型应变场分布式光纤监测与重构方法

针对飞行器机翼结构应变场重构问题,提出了一种基于分布式光纤传感器与模态叠加原理相结合的大展弦比机翼缩比模型应变场监测与重构方法。借助ANSYS有限元分析软件,数值模拟得到大展弦比机翼缩比模型在不同载荷下应变分布与应变模态振型。在此基础上,通过在大展弦比铝合金机翼缩比模型展向设置光纤Bragg光栅传感器,实时采集应变分布与变化信息,结合数值仿真得到机翼模型应变模态振型,重构机翼缩比模型应变场分布,应变反演平均误差约为7%。研究结果表明,本研究方法具有非视觉测量、实时性好以及反演精度较高等优点,能够为及时准确获取飞行器翼面应变场分布信息,进而实现机翼气动载荷计算与疲劳寿命预测提供技术支撑。     

STRUCTURAL HEALTH MONITORING OF AN AIRCRAFT JOINT

A major concern with ageing aircraft is the deterioration of structural components in the form of fatigue cracks at fastener holes, loose rivets and debonding of joints. These faults in conjunction with corrosion can lead to multiple-site damage and pose a hazard to flight. Developing a simple vibration-based method of damage detection for monitoring ageing structures is considered in this paper. The method is intended to detect damage during operation of the vehicle before the damage can propagate and cause catastrophic failure of aircraft components. It is typical that only a limited number of sensors could be used on the structure and damage can occur anywhere on the surface or inside the structure. The research performed was to investigate use of the chirp vibration responses of an aircraft wing tip to detect, locate and approximately quantify damage. The technique uses four piezoelectric patches alternatively as actuators and sensors to send and receive vibration diagnostic signals.Loosening of selected screws simulated damage to the wing tip. The results obtained from the testing led to the concept of a sensor tape to detect damage at joints in an aircraft structure.     

飞机强度试验舵面偏角测量方法的研究

为满足飞机结构强度试验中舵面偏角测量的要求,提出了一种基于位移测量的舵面偏角测量方法。该方法通过安装于舵面悬挂支臂上的两个拉线式位移传感器,测量相对于舵面悬挂接头上同一个测量点的位移,利用三角公式进行计算,得到舵面的偏转角度。对比验证试验表明,该方法的测量性能指标满足飞机结构强度试验要求,解决了传统利用倾角传感器无法测量方向舵偏角的难题,提高了试验数据采集的效率。     

模拟高性能飞行器翼面结构形态的非视觉检测

针对高性能飞行器实验模型结构的翼面形态感知与重构技术要求,提出一种基于光纤光栅传感器阵列的翼型结构形态实时检测与可视化重构方法。首先,在分析光纤光栅结构曲率检测技术的基础上,进行基于分布式曲率感知信息的翼面结构形态实时重构算法研究;其次,针对实验模型结构振动响应特性与有限元分析结果,研究分布式光纤光栅传感器阵列优化布置方案;最后,构建飞行器模型结构实验平台与开发可视化软件环境,进行翼面结构静态形变与振动形态实时感知与重构实验分析与验证。结果表明,实验模型翼面结构形态实时感知与重构效果良好,较精确地反映了结构静态形变与振动形态的变化,验证了所提非视觉结构形态检测方法与技术的可行性与有效性。     

采用光纤光栅传感器测量模型材料应变的原理和应用

应变是材料与结构的重要物理特性,最能反映结构局部特性,是材料和工程结构健康监测最为重要的参数。对材料应变测量,可以预知局部荷载的状态。光纤传感器具有灵敏度高、响应速度快、电磁兼容性强、无零漂、可靠性高、使用寿命长等特点。光纤光栅应变传感器是一种极具发展潜力和应用价值的应变传感器。研究了光纤光栅应变传感器的传感原理、应变传递规律及其在模型试验相似材料应变测量中的应用,测量得到的应变历程与实际物理过程相一致。     

基于FBG传感网络的新型内窥镜形状实时检测系统

通过基于光纤光栅(FBG)传感网络的内窥镜空间形状实时检测系统的搭建,提供了一种新型的内窥镜形状的感知手段。针对内窥镜形状感知的具体要求,进行了光纤光栅大曲率传感器原理研究以及微小尺寸光纤光栅传感网络设计。在不改变内窥镜的结构的前提下,将光纤光栅传感网络介入其固有手术钳道,通过传感网络感知内窥镜上多个离散点空间曲率变化,利用离散曲率形状重建算法重构出内窥镜形状。在此基础上搭建了智能内窥镜实时形状感知系统,给出了数据处理方法和动物试验结果。     

光纤Bragg光栅应变传感器在桥梁结构监测中的应用

为了更准确了解桥梁结构变化情况,提出了一种新的检测方法。采用串联式组网方法,用光纤Bragg光栅(FBG)表面式应变传感器,对大桥左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测。对裂缝存在区域的20个监测断面进行近一年的监测结果表明,对温度(测量记录最大温差6.4℃)进行补偿后,光纤Bragg光栅应变传感器的应变在正常范围内,表明在监测期桥梁结构稳定无异常变化。     

Small diameter fiber Bragg gratings and applications

Small diameter optical fibers are preferred in sensing systems as they have less influence on mechanical performance of smart composite. The static and dynamic monitoring capabilities of the small-diameter fiber Bragg gratings (FBG) are experimentally studied in this paper. Firstly, a small-diameter FBG is used as a strain sensor. Secondly, a temperature sensor is fabricated using a specific FBG. Thirdly, a simple sensing system is proposed in order to discriminate temperature at sensing point. Finally, utilization of these small diameter FBGs for vibration monitoring is discussed. The experiments revealed that the central wavelengths of the small-diameter fiber Bragg gratings shift linearly with strain or temperature. The FBG is more sensitive than a thermocouple inside the thermostat. Acquisition and analysis of the dynamic signal indicates that the designed FBG can be used for dynamic signal monitoring.