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匹配光栅法应变测量及其在火箭武器系统上的运用

【摘要】:火箭发射系统的许多结构件在长期储存、运输及工作过程中存在疲劳与破坏的问题,尤其是底架与起落架的一些关键部位,如底架上回转座圈支撑部位、起落架侧梁以及耳轴部位等。而这些部位的疲劳与变形破坏会影响火箭弹的发射稳定性,所以实时地监测这些部位的应力应变数据是十分有必要的。本文研究了基于光纤光栅传感器的火箭炮起落结构部分应变监测方法。本系统以布拉格光栅作为传感元件,采用了匹配光栅解调方式,与光功率计相结合,将应变量转化为光功率信号,实现了分布测点上应变的连续测量,满足了武器系统自主诊断对应变数据的感知需要。相比于传统的应变片应变测量方法极大地降低了实验测量的实施难度、以及整个测量系统的成本和体积。相较于传统电阻应变检测手段,光纤光栅体积小,质量轻,布控简单,抗电磁干扰,适合埋入式一体化设计,能更好地满足火箭炮部件应力应变实时监测的要求。论文主要完成了以下几个方面的工作:(1)基于匹配光栅解调的光纤光栅应变装置及其测量光路系统的设计;(2)利用数值仿真软件模拟了布拉格光栅反射光谱图,研究布拉格光栅的物理参数对其反射光谱的影响,对匹配光栅解调的实现方式进行仿真分析,得到传感光栅与匹配光栅叠加光谱的变化规律;(3)搭建了光栅应变测量实验台和应变片标定系统,通过对悬臂梁进行加载,对比两者得到的表面应变数据,最终确定光栅测量系统的光强-应变函数关系式及误差、重复性等性能参数;(4)在多次动态加载实验下,与电阻应变系统比较,观察这一测量系统的动态跟踪性能,并且对测量与理论计算、数值仿真之间的数据进行对比,通过实验的方式验证应变实时监测的可行性。通过上述研究,基于匹配光栅解调的光纤光栅应变装置满足实时监测结构部件应变的设计要求;光栅测量系统测得的应变值,和理论计算、数值仿真应变都比较吻合,验证了匹配光栅解调时与传感光栅叠加光谱的变化规律;用实验的方式验证了本系统实时监测结构应变的可行性。

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