基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法与流程

1.本发明涉及基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，属于复合材料蒙皮健康监测技术领域。


背景技术：

2.飞机机翼是飞机的重要结构部件之一,在长期飞行过程中，由于风雨的侵蚀以及鸟类的撞击，机翼蒙皮结构极易发生损坏。最常见的损坏形式有裂纹，蒙皮脱落等；对于复合材料蒙皮，还可能发生层与层之间的脱胶。这些损伤会严重影响飞机的飞行安全。
3.因此，对飞机复合材料机翼蒙皮进行实时健康监测，具有十分重要的现实意义。目前比较常见的蒙皮结构健康状态监测方法有x射线检测法和红外热成像技术等，这类方法的监测过程繁琐，并且不能长时间的，实时的进行监测。
4.光纤光栅传感器由于具有灵敏度高、体积小、多点测量、抗腐蚀、抗电磁扰能力强等特点，而适用于机翼蒙皮结构的实时监测。例如可将光纤光栅传感器粘贴在机翼外表面用于监测蒙皮的应变，弯矩等，但是仍然无法实现对蒙皮内部损伤的实时监测。


技术实现要素：

5.针对现有复合材料机翼蒙皮状态监测中，无法实现蒙皮内部损伤的实时监测的问题，本发明提供一种基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法。
6.本发明的一种基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，包括，
7.在每个机翼复合材料蒙皮结构第8与第9层或第9与第10层的夹层内，埋设8到12条光纤形成准分布式光纤光栅；每条光纤上依次间隔20cm～30cm设置n 2个传感元件，n 2个传感元件包括n个应变传感器和两个温度补偿传感器，两个温度补偿传感器位于光纤的两个三等分点上；所述n为大于9的整数；
8.所述监测方法包括：
9.对每个传感元件的中心波长进行标定；
10.将宽带光打入到每个传感元件内，每个传感元件采集到的光信号经光纤传导至光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪根据应变传感器的光中心波长测量值和温度补偿传感器的光中心波长测量值以及相应传感元件的标定中心波长进行计算，获得每个应变传感器所在蒙皮位置处的应变信号，根据应变信号确定蒙皮结构健康状态。
11.根据本发明的基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，对每条光纤上每个光栅设定不同的敏感波段；根据光中心波长测量值所在区间确定相应传感元件对应光栅的位置，根据所述应变信号确定对应光栅处蒙皮结构健康状态。
12.根据本发明的基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，
13.每个应变传感器所在蒙皮位置处的应变信号的计算方法包括：
14.ε＝(δλ1‑
δλ2)/α
ε
，
15.式中ε表示光纤光栅解调仪计算获得的应变信号，δλ1表示应变传感器的光中心
波长测量值与标定中心波长的差值，δλ2表示温度补偿传感器的光中心波长测量值与标定中心波长的差值，所述温度补偿传感器为与当前应变传感器处于同一条光纤上，且距离当前应变传感器距离更近的温度补偿传感器；α
ε
表示应变敏感系数。
16.根据本发明的基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，
17.根据光纤光栅解调仪输出的所有应变信号判断应变传感器是否有缺失，若应变信号的个数为n个，则所有应变传感器正常工作；若应变信号的个数小于n个，则判定应变传感器有缺失；根据光中心波长测量值所在区间确定缺失应变传感器所在的光纤及所在光纤的光栅位置。
18.根据本发明的基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，
19.在判定应变传感器无缺失的前提下，若所有应变信号处于预设的应变稳定区间，则判定机翼处于正常工作状态。
20.根据本发明的基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，
21.若存在应变信号超出预设应变稳定区间，则判定相应应变传感器在不同采集周期的应变变化速度，若应变变化速度超出预设应变最大变化率值区间，且应变信号持续增大或减小，判定相应位置的蒙皮发生破损；
22.若超出预设应变稳定区间的应变信号在10s后回归到应变稳定区间，则判定机翼处于正常工作状态。
23.根据本发明的基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，
24.若存在应变信号超出预设应变稳定区间，但应变变化速度处于预设应变最大变化率值区间，则判断应变信号是否超出最大应变阈值，若是，判定蒙皮材料为失效状态；
25.若应变信号未超过最大应变阈值，则判断应变信号在不同采集周期是否持续增大或减小，若是，判定蒙皮存在故障；否则，判断10s后应变信号是否回归到预设应变稳定区间，若是判定机翼处于正常工作状态，否则，判定蒙皮存在故障。
26.根据本发明的基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，
27.每个机翼复合材料蒙皮结构上，所有光纤的首端处于机翼末端蒙皮轮廓线的8到12等分点上，所有光纤的尾纤由机翼首端蒙皮轮廓线的8到12等分点上引出至光纤光栅解调仪。
28.根据本发明的基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，
29.两个机翼上所有光纤的尾纤通过集线箱集线后连接至光纤光栅解调仪。
30.根据本发明的基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，
31.每条光纤及相应的传感元件封装在毛细管中，埋设在蒙皮结构的夹层内。
32.本发明的有益效果：本发明将光纤光栅测量与复合材料蒙皮健康监测技术相融合。将准分布式光纤光栅传感器预埋内复合材料蒙皮结构里，不仅能监测蒙皮内部的力学信号，还可以实现对蒙皮结构出现裂纹损伤以及裂纹拓展等典型损伤进行实时监测与预警。
33.本发明方法将传感器设置于蒙皮的夹层内部，可用于实时对蒙皮的健康状态进行监测，监测结果准确，可及时发现蒙皮状态的异常，从而保证飞机的飞行安全。
34.本发明实现了对机翼复合材料蒙皮应变与温度的实时监测，可大幅提高飞机蒙皮结构的可靠性与安全性。
附图说明
35.图1是本发明所述准分布式光纤光栅在机翼蒙皮中的预埋示意图；图中1表示机翼蒙皮，2表示应变传感器，3表示温度补偿传感器，4表示光纤，5表示集线箱；
36.图2是光纤在机翼蒙皮中埋设的截面图；图中a表示机翼蒙皮上表面，b表示机翼蒙皮下表面，c表示光纤引出端；
37.图3是基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测的系统图；
38.图4是本发明方法的具体实施工作流程图；图中y表示是，n表示否。
具体实施方式
39.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
40.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
41.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
42.具体实施方式一、结合图1至图4所示，本发明提供了一种基于准分布式光纤光栅的机翼蒙皮结构健康状态监测方法，包括，
43.在每个机翼复合材料蒙皮结构第8与第9层或第9与第10层的夹层内，埋设8到12条光纤形成准分布式光纤光栅；每条光纤上依次间隔20cm～30cm设置n 2个传感元件，n 2个传感元件包括n个应变传感器和两个温度补偿传感器，两个温度补偿传感器位于光纤的两个三等分点上；所述n为大于9的整数；
44.所述监测方法包括：
45.对每个传感元件的中心波长进行标定；
46.将宽带光打入到每个传感元件内，每个传感元件采集到的光信号经光纤传导至光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪根据应变传感器的光中心波长测量值和温度补偿传感器的光中心波长测量值以及相应传感元件的标定中心波长进行计算，获得每个应变传感器所在蒙皮位置处的应变信号，根据应变信号确定蒙皮结构健康状态。
47.本实施方式中，应变传感器通过光纤串接后，内埋至机翼复合材料蒙皮结构中，再通过传输光纤与光栅解调仪连接。光栅解调仪将应变传感器的光信号解调转化为应变信号，应变信号可通过数据线传递到飞行员驾驶室，帮助飞行人员实时监测机翼复合材料蒙皮结构的健康状态。
48.作为示例，每条光纤上可设置12个应变传感器，四个为一组分为三组，通过两个温度补偿传感器分隔。这样布置应变传感器和温度补偿传感器不仅能够保证足够的监测精度，还可以保证监测的成本不会太高。
49.本实施方式中，应变传感器形成准分布式光纤布拉格光栅传感器。
50.工作原理：应变传感器在接收到光信号后，会反射特定中心波长的光到光纤光栅解调仪中。当外界环境发生变化时，主要是外力的拉压以及温度的变化，会导致应变传感器和温度补偿传感器的中心波长发生偏移，根据偏移量可计算获得应变信号。再进一步使用
复分解调技术对光信号进行解调处理，当单条光纤上每个光栅的波段都设定为不同，可根据反射波长所在区间判断该波长对应光栅的位置，从而定位到不同光栅所采集的应变。
51.所述复合材料蒙皮可是以碳纤维复合材料，铺层共为10～16层，其中，准分布式光纤光栅位于复合材料蒙皮结构8
‑
10层之间。
52.标定光纤光栅中心波长
53.在预埋好传感器的机翼投入使用前，需要对光纤光栅传感元件的中心波长进行标定：将机翼复合材料蒙皮结构静置一段时间，然后记录每一个应变光纤光栅传感器中心波长和每一个温度补偿光纤光栅传感器的中心波长，完成初始波长标定。
54.进一步，对每条光纤上每个光栅设定不同的敏感波段；根据光中心波长测量值所在区间确定相应传感元件对应光栅的位置，根据所述应变信号确定对应光栅处蒙皮结构健康状态。
55.本实施方式中，传感元件对应光栅的位置指传感元件所处光栅中心点位置。也就是说，传感元件对应的蒙皮位置不是一个区间，而是对应的光栅在蒙皮内部的空间坐标点。
56.再进一步，每个应变传感器所在蒙皮位置处的应变信号的计算方法包括：
57.ε＝(δλ1‑
δλ2)/α
ε
，
58.式中ε表示光纤光栅解调仪计算获得的应变信号，δλ1表示应变传感器的光中心波长测量值与标定中心波长的差值，δλ2表示温度补偿传感器的光中心波长测量值与标定中心波长的差值，所述温度补偿传感器为与当前应变传感器处于同一条光纤上，且距离当前应变传感器距离更近的温度补偿传感器；α
ε
表示应变敏感系数。
59.其中δλ1与δλ2可以为正值，也可以为负值，正值表示传感器受到拉伸载荷，负值表示传感器受到压缩载荷。
60.当同一条光纤上两个温度补偿传感器距离当前应变传感器的距离相等时，选择两个温度补偿传感器测量结果的平均值作为当前温度补偿传感器的测量值。
61.再进一步，结合图4所示，根据光纤光栅解调仪输出的所有应变信号判断应变传感器是否有缺失，若应变信号的个数为n个，则所有应变传感器正常工作；若应变信号的个数小于n个，则判定应变传感器有缺失；根据光中心波长测量值所在区间确定缺失应变传感器所在的光纤及所在光纤的光栅位置。
62.再进一步，结合图4所示，在判定应变传感器无缺失的前提下，若所有应变信号处于预设的应变稳定区间，则判定机翼处于正常工作状态。
63.再进一步，结合图4所示，若存在应变信号超出预设应变稳定区间，则判定相应应变传感器在不同采集周期的应变变化速度，若应变变化速度超出预设应变最大变化率值区间，且应变信号持续增大或减小，判定相应位置的蒙皮发生破损；
64.若超出预设应变稳定区间的应变信号在10s后回归到应变稳定区间，则判定机翼处于正常工作状态。
65.再进一步，结合图4所示，若存在应变信号超出预设应变稳定区间，但应变变化速度处于预设应变最大变化率值区间，则判断应变信号是否超出最大应变阈值，若是，判定蒙皮材料为失效状态；
66.若应变信号未超过最大应变阈值，则判断应变信号在不同采集周期是否持续增大或减小，若是，判定蒙皮存在故障；否则，判断10s后应变信号是否回归到预设应变稳定区
间，若是判定机翼处于正常工作状态，否则，判定蒙皮存在故障。
67.结合图3所示，本实施方式可以将光纤光栅解调仪获得的应变信号传输至pc端，由pc端根据应变信号的范围，对蒙皮状态进行判断，并在判断结果为故障时，控制报警器进行报警。报警器可根据预设的不同损伤情况，实行分级报警。
68.再进一步，结合图1所示，每个机翼复合材料蒙皮结构上，所有光纤的首端处于机翼末端蒙皮轮廓线的8到12等分点上，所有光纤的尾纤由机翼首端蒙皮轮廓线的8到12等分点上引出至光纤光栅解调仪。
69.再进一步，结合图3所示，两个机翼上所有光纤的尾纤通过集线箱集线后连接至光纤光栅解调仪。
70.所述集线箱与光纤光栅解调仪可安装在机舱正下方，光纤光栅解调仪配置相应个数的光纤接口，其中一半连接左侧机翼光纤，另一半连接右侧机翼光纤。
71.再进一步，结合图2所示，每条光纤及相应的传感元件封装在毛细管中，埋设在蒙皮结构的夹层内。
72.本发明中，监测组件在复合材料蒙皮生产时需预埋至复合材料蒙皮里。
73.预埋流程包括：在复合材料预浸料铺覆后，将整条光纤及传感器封装在特质毛细管中，并铺设在与下层预浸料碳纤维方向相同的两层预浸料之间，然后将尾纤从复合材料层合板的侧面引出，并可使用特质材料套管对传感器的尾纤进行保护。
74.下面结合图4，对本发明的具体实施流程进行说明：
75.1)首先，设定两个阈值区间，分别为最大应变值区间和最大应变变化率值区间，最大应变值区间根据复合材料最大应变准则设定，即
‑
e
c
<ε<e
t
。其中，e
t
为复合材料基体拉伸极限应变值，e
c
为复合材料基体压缩极限应变值。最大应变变化率值区间根据大量的实验和仿真数据设定。可设定e
c
为
‑
300με/s，e
t
为300με/s。则
‑
300με/s<ε<300με/s。然后，将解调仪得到的所有应变数据输入到程序中，判断是否存在缺失部分传感器的监测应变值。若有缺失，找出缺失的传感器编号以及其所在的光纤，说明此光纤发生了断裂而导致部分传感器不能反射回波长信号，而光纤断裂的主要原因是由于外界载荷过大，导致光纤遭到破坏，甚至会导致光纤所在位置的碳纤维断裂，这属于严重的安全隐患，需要进行报警处理，该报警可设置为三级报警。
76.2)若不存在传感器的缺失情况，则可进行下一步的判断，此时，需判断各应变值是否处于稳定区间。飞机机翼在执行工作过程中，难免会发生振动现象，表现在传感器的应变值会在一定区间来回波动，可设定应变的稳定区间为
‑
50με<ε<50με，若应变值处于稳定区间，表明机翼处于正常工作状态。
77.3)若应变值不处于稳定区间，则需判定应变的变化速度。当复合材料蒙皮发生穿孔，脱粘等损伤时，在损伤位置会产生应力集中的现象，表现在传感器的应变值会发生突变现象，即应变值的变化速度会大幅增加，若其变化速度超出设定的应变最大变化率值区间，则需判断应变值绝对值是否有持续增加或减小的趋势，若有，则需报警，该报警为一级报警。若没有，判断10s后应变值是否回到正常区间，若不能回到，则需报警，该报警为一级报警。若能回到正常区间，则处于健康状态。
78.4)若变化速度没有超出设定的应变最大变化率值区间，则需判断应变值是否超出最大应变值区间，若超过，表明材料开始失效，需要进行报警，该报警为二级报警。若没有，
则需判断应变绝对值是否有持续增加或减小的趋势，若有，则需报警，该报警为二级报警。若没有，判断10s后应变值是否回到正常区间，若否，则需报警，该报警为一级报警。若是，则处于健康状态。
79.进行以上所有判断后，需要对所有数据进行存储，方便为以后的健康监测提供参考。
80.虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其它所述实施例中。