光纤光栅在航空结构健康监测中的应用前景

光纤光栅传感作为一门快速发展的新型传感技术,具有精度高、体积小、重量轻、波分复用、寿命长、可靠性高、耐腐蚀、传输距离长等优点,可实现应力应变、温度、力、加速度等多种参量的测量,在飞机、舰船、发动机等重大装备的机载化测试以及地面综合测试中具有重大的应用前景,基于光的测量正在逐步成为航空试验测试技术发展的重要趋势.

高频角振动激励源设计及关键技术

针对现有力矩电机驱动角振动激励源频率难以超过100 Hz、波形失真大、不能满足宽频高精度角振动校准需求的现状,提出采用框式结构电磁驱动方法,显著降低驱动线圈电感以实现驱动力快速响应,并采用精密轻质空心杯空气轴承实现轴系定位,以克服摩擦力、提高回转定位精度,结合有限元分析仿真,将空气轴承转子与励磁线圈骨架进行整体优化设计,使轴系固有频率提升至2800 Hz以上。新的角振动激励装置的测试结果表明,工作频率范围达到600 Hz,角加速度波形失真度小于2%,可实现1 kg承载和1760 rad/s2最大角加速度,超出德国PTB角振动标准给出的50g承载和1400 rad/s2最大角加速度的技术指标,可更广泛用于高精度角振动校准及角运动传感器的动态性能评价。

杯式结构磁电式高频角振动台实现关键技术

针对力矩电机驱动角振动激励源频率难以超过100Hz、波形失真大、不能满足高频角振动测试需求的现状,提出采用杯式结构磁电驱动方法。显著降低驱动线圈电感以实现驱动力快速响应,采用橡胶扭转弹簧实现轴系支撑,以克服轴承摩擦力,结合有限元分析仿真,将转子与励磁线圈骨架进行整体优化设计,使轴系固有频率提升至2400Hz。所研究角振动激励装置经实际测试,最高工作频率可达700Hz,主要工作频段内角加速度波形失真度小于3%,可广泛用于高频角振动校准或角运动传感器动态性能评价。

基于光纤光栅传感器内埋的复合材料加筋板冲击位置识别

光纤光栅传感器是实现复合材料内部结构健康监测的最佳选择,可实现对复合材料冲击载荷位置的实时识别,锁定损伤区域,视情检测,提高效率,减小安全隐患。将光纤光栅传感器在复合材料层合板预浸料阶段埋入,通过热压罐固化方式成型为一体化结构,研究传感器对层合板不同位置载荷冲击的识别技术;并将12支光纤光栅传感器内埋于航空飞机典型复合材料加筋板结构,通过互相关函数算法成功实现了小尺寸加筋板结构的冲击定位判别。

加筋复合材料板分布式光纤冲击判位

针对加筋复合材料板结构冲击损伤监测需求,提出一种基于分布式光纤光栅传感网络的冲击载荷快速判位方法。通过优化分布式光纤冲击监测网络布局,采用小波包分解方法得到冲击响应信号特征,构建了基于特定阶数能量谱幅值比的样本响应矩阵。借助BP神经网络实现对加筋类航空板结构的快速冲击判位。

低频标准角振动台

低频标准角振动台产生标准角位移、角速度和角加速度,用正弦信号对角位移传感器、角速度传感器(陀螺、转速表等)和角加速度计进行幅频和相频特性校准.简要介绍了低频标准角振动台的工作原理,并应用其对角运动传感器进行校准.校准范围为0.1～100 Hz;幅值灵敏度不确定度优于1%;相移不确定度小于1°.

激光干涉技术在振动冲击中的应用

振动冲击计量标准中采用激光干涉仪作为量值溯源工具 ,本文就振动冲击实验室应用的两类干涉仪从光学原理方面进行一些简单的分析对比 。

振动传感器的相位特性测量

本文描述用激光干涉的方法测量机械振动的幅值及相位，并由此测量振动传感器灵敏度的幅频及相频特性，重点是相频特性，特别是反正切函数的计算方法。

稳态数字散斑测量仪校准方法探讨

针对稳态数字散斑测量技术在全场振动测试中的重要性,本文探讨了稳态数字散斑测量仪的校准方法;基于稳态正弦信号激励的压电振动台及高准确度的激光测振仪,搭建了稳态数字散斑测量仪的校准系统,并通过重复性实验验证了校准系统测量数据的准确性及可靠性;最后对自研的数字散斑干涉测量仪进行了校准,进一步证明了此校准方法的可行性。

飞机结构健康监测系统数据处理及在线应用

阐述了飞机结构健康监测的概念和基本组成部分,从监测结构和监测量方面梳理了常见的监测对象;评述了近期结构健康监测数据处理的典型研究成果,主要包括数据采集和预处理、数据分析两个方面,可以看到智能计算的思想和方法越来越多地应用在其中;展望了飞机结构健康监测未来走向大范围在线工程应用的趋势,有针对性地提出了三个要点,分别是机载化在线监控系统硬件的研发、算法的开发和行业的标准化,然后梳理了飞机结构健康监测传感器技术的近期研究案例,并介绍了新兴算法应用于在线监测系统中的案例,为进一步推动飞机结构健康监测系统研究提供参考与借鉴。

数字散斑干涉在振动测量中的应用

在动态测试领域中,数字散斑干涉技术常用到的相位处理方法有时间平均法和空间载波相移法。空间载波相移法因其简单性和实用性,被应用于双脉冲散斑干涉测量中。

基于仿生机器人的狭小空间裂纹检测技术

飞机裂纹的检查贯穿飞机的整个生命周期,若不及时发现可能会带来严重的后果,尤其是飞机盒段等狭小空间部位,人不可达,微小裂纹难以快速检查,给飞机服役、地面强度及疲劳试验等带来重大安全隐患。本文研究了可自由进入狭小空间的仿生机器人平台,涉及仿生机器人机构、运动行为及步态规划、环境感知和避障等。开展了大量图像文本的数字增强、图像预处理、基于深度学习的图像裂纹算法等研究,在具有狭小空间特征的飞机盒段样件上开展了试验验证,通过盒段内部预设裂纹,有效地集成图像采集模块和仿生机器人平台,并结合图像采集环境调试,机器人路径规划、裂纹算法优化研究等,成功实现了对狭小空间内部的裂纹长度和位置的识别,为后续开展飞机裂纹全覆盖快速检查和维修策略提供技术支撑。

扭转式光纤光栅加速度计的研究

设计了一种基于扭转式结构的光纤光栅(以下简称FBG)加速度计,提出了一种传感器的设计原理,并进行了相应的理论计算和有限元分析。文中提出了利用差动式结构解决传感器的温度补偿问题,使传感器的灵敏度系数提高了一倍。最后通过对传感器样件进行试验,验证了传感器的可行性。

光纤端面偏移对光纤F-P可调谐滤波器性能影响

在光纤F-P可调谐滤波器进行滤波调谐的过程中经常会出现光纤端面偏移的问题,从而导致其滤波性能下降。通过ZEMAX光学仿真软件对其光纤F-P腔部分进行仿真,模拟两光纤端面发生径向偏移和产生倾角时的情况,通过对仿真结果分析得出当发生径向偏移时将会导致光纤F-P可调谐滤波器的峰值透过率减小,插入损耗增加;在产生倾角时将会导致光纤F-P可调谐滤波器的3dB带宽增加以及阻带抑制能力减弱,而当倾角大于0.005°时其滤波性能将会发生明显衰减。

民用飞机复合材料结构健康监测技术研究

飞机结构健康监测技术是一个将对飞机结构设计、试验和维护产生重要影响的技术领域。国内航空界持续关注该领域的发展,逐步形成了高校、科研院所和主机厂所的联合团队,对飞机结构健康监测技术相关概念、内涵和策略,传感器工程适用性,监测方法,监测仪器,系统集成以及试验验证方面展开了深入研究,实现了结构健康监测技术在飞机结构地面强度试验中的应用。本文全面介绍了国内联合研究团队在飞机复合材料结构健康监测技术研究方面的研究进展。

变弯度机翼后缘多电机分布式控制系统设计与验证

飞机变弯度机翼后缘通过机械机构和/或柔性结构变形驱动,根据飞行状态实时连续光滑调节机翼弯度,从而获得最优气动效率,实现减阻、减重、降低燃油消耗等目的。本文针对全尺寸变弯度机翼后缘多节转动模型设计并搭建了测控系统,选用改进的偏差耦合算法,实现了三台电机的协同控制,以角度传感器和光纤变形传感器融合的反馈实现机翼后缘偏转闭环控制;完成了系统软、硬件的设计,并对全尺寸后缘模型驱动系统进行了空载及地面加载试验。结果表明,测控系统可以实时控制电机间的角度偏差在允许的误差范围内,在有无载荷情况下,驱动系统工作无显著差异;在随动加载情况下,驱动控制系统能够使变弯度机翼后缘偏转到设定角度,控制系统超调量小于0.20°,三电机最大角度差小于30°,满足变弯度机翼的协同偏转要求,为下一步变弯度机翼实现三维变形提供了技术储备。

变弯度机翼技术发展研究

飞机变弯度机翼通过机翼前后缘变弯度机构和/或柔性结构变形驱动,根据飞行状态实时连续光滑调节机翼弯度,从而获得最优气动效率,进而实现飞机减阻、减重、降低燃油消耗等目的。随着新材料、新结构技术的发展,光滑连续变形结构已成为飞机未来发展方向。变弯度机翼涉及气动总体需求分析、轻质变形结构设计、柔性大变形可承载蒙皮、智能材料驱动器、分布式协同变形控制等关键技术,以关键技术为牵引进行变弯度技术研究,是未来变弯度机翼工程化应用的重要途径。

光纤传感在飞机结构健康监测中的应用进展和展望

由于波分复用可实现多点测量特点,光纤传感被期望用于飞机结构的实时监测。飞机对重量(质量)极为敏感,光纤传感的应用可以极大程度上减少测量导线而达到减重的目的。同时,光纤传感还具有抗电磁干扰、耐高温、抗疲劳、抗环境腐蚀的显著优势。随着智能飞机结构的广泛应用,要求光纤传感更密集、更快、更小型。基于飞行测试和相关应用经验,本文对当前研究进展进行回顾,并对未来发展进行展望。

基于光纤传感的结构变形实时监测技术研究

针对变弯度机翼后缘开展变形测试研究,变弯度后缘属于变弯度机翼的一部分,可根据飞行状态来改变翼型弯度,获得最优的气动外形。相对于刚性变形翼后缘,其变形曲线更光滑,且重量更轻,可显著提高飞行器的升阻比,降低燃油消耗,增强飞行器的稳定性和机动性。如果在飞机飞行过程中能够实时测试变弯度机翼后缘的形状变化,可以对给定目标形状的变形机构进行闭环控制,为飞机结构设计和变形机构调节提供数据支撑。本文介绍了变弯度机翼的优势、国外现状、变弯度后缘相对于刚性变形翼后缘的优点、结构变形常规测试手段存在的短板,并分析了光纤光栅用于应变、变形测试的技术原理,开展了光纤变形传感器、支撑件的设计和变形传感器研制的关键技术研究。提出了光纤应变—变形算法、曲率重构算法,在理论和试验上进行了算法验证,最后将光纤变形传感技术在机翼后缘上开展了应用验证,可以很好地实现机翼后缘的变形测试。

角振动校准装置研究

为提升对惯性器件的动态性能评价能力,通过对被校传感器施加标准正弦角振动激励,精确测量角振动过程,实现了对角振动传感器的校准。基于不同频段的特点,将校准频段划分为低频和高频2部分,并提出空气轴承与无刷直流力矩电机相结合的低频角振动台方案,以及轻质空心杯精密空气轴承与框式电磁驱动结构相结合的高频角振动台方案;分别采用精密角度编码器和衍射光栅激光干涉仪实现对低频和高频角振动的测量,成功研制出频率范围为0.25~550Hz、角加速度范围为0.1~1 760rad/s2以及角速度波形失真小于2%的角振动绝对法校准装置。与德国国家物理技术研究院的角振动校准装置相比,该装置能够显著提升承载能力,可广泛用于惯性器件动态性能的测试与评价。