基于光纤传感器的热致振动实验研究_张子豪.pdf

第 卷 第 期 年 月空间控制技术与应用 :引引用用格格式式：张子豪，王晶，余鑫宇，等 基于光纤传感器的热致振动实验研究 空间控制技术与应用，（）：，（）：（）：基于光纤传感器的热致振动实验研究张子豪，王 晶，余鑫宇，范 典，周次明 武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室，武汉 武汉理工大学机电工程学院，武汉 摘 要：大多数航天器在运行期间受到冷热交变作用时会发生振动，导致航天器不能正常工作甚至损坏 目前针对这种业内称为热致振动现象的理论研究较多，实验研究较少，这主要是因为缺乏高精度的测量手段本文基于常见的热致振动模型，搭建了柔性吊杆的结构，分别利用光纤光栅应变传感器和光纤法布里珀罗加速度传感器对其热致振动特性进行了测量 实验结果表明，柔性吊杆在热源的辐射下发生了热致振动现象，光纤光栅应变传感器和光纤加速度传感器获得的柔性吊杆应变和加速度与理论分析一致，本文所述光纤传感器能在不影响结构特性情况下准确测量热致振动关键词：热致振动；高精度；光纤传感器；应变；加速度中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：；录用日期：基金项目：国家自然科学基金（、）通信作者：引 言大多数航天器在太空中运行期间进出日照区和阴影区时，由于冷热交变和热载荷作用，结构各部分之间存在温度梯度，可能出现热致振动现象，如哈勃太空望远镜（）、地球物理观测卫星（）、航天器、航天器等航天器都出现过热致振动问题。热致振动会使这些航天器不能完成既定的任务，甚至会损坏航天器功能，因此广大学者对这些热致振动现象做了大量理论研究 但由于缺乏高精度的测量手段，目前对热致振动的实验研究还相对较少 年，首次在实验室的环境下对热致振动的现象进行了测量；年，等也在实验室中进行了不同结构的热致振动测量；年，苏新明等完成了国内第一次热致振动实验 上述实验中都是采用电子式应变传感器或位移传感器对热致振动现象进行测量，难以得到复杂结构的模态信息，而该信息一般要轻质加速度传感器测量 由于太空中存在有电磁干扰、真空、低温、冷热交替等环境因素，传统应变和加速度传感器难以同时克服这些环境因素带来的影响，而光纤传感器具有抗电磁干扰、体积小、灵敏度高、耐腐蚀以及耐高温等优点，能更好的适应太空中的复杂环境 所以研究光纤传感器作为航天器热致振动的高精度的测量手段，对今后航天器的结构设计优化具有非常重要的意义本文首次利用光纤传感器对热致振动现象进行了测量 首先利用光纤光栅应变传感器对热致振动导致的结构应变变化和振动频率进行了测量，为了获得模态分析所需关键参量即加速度，本文设计了一种轻质、小巧、灵敏度高的光纤加速度传感器，用来测量结构在热致振动导致的加速度 搭建柔性吊杆的热致振动结构对 种传感器进行实验测试，结果表明 种光纤传感器都能准确测量到结构热致第 期张子豪等：基于光纤传感器的热致振动实验研究振动时的相关信息，为热致振动现象的实验研究提供了 种高精度测量手段 热致振动实验装置及理论分析为了验证光纤传感器是否能适用于测量热致振动现象，搭建了一套热致振动结构模型，对热致振动问题进行了实际测量 该结构为柔性吊杆结构，柔性吊杆的选材为铝材，将柔性吊杆竖直放置，结构顶端进行刚性固定 该柔性吊杆的直径为 ，厚度为 ，长度为 为了降低结构模型的固有频率，在底端安装一定质量的质量体 结构模型如图 所示 热源加载方式为热冲击式，热源辐射的热流密度 大约为 图 柔性吊杆热致振动模型与实验系统图 实验步骤：将热源放置在柔性吊杆的一侧，将光纤光栅应变传感器、光纤加速度传感器、柔性吊杆和热源放置在同一竖直平面上；光纤加速度传感器粘接在柔性吊杆的靠底端位置，个不同波长的光纤光栅应变传感器分别粘贴在柔性吊杆顶部的左右 侧，这样可以测量出结构的应变变化情况，同时消除温度变化对光纤光栅应变传感器带来的影响，然后接通热源对柔性吊杆进行垂直热辐射，测量加速度传感器的加速度值和应变传感器的应变值对该结构进行运动分析，实验装置中热源是垂直辐射柔性吊杆的一侧，对于简单结构一般会发生第一阶弯曲模态，热流作用可以近似看作为一个外力 作用在柔性吊杆的一侧，该力的大小与热源功率和辐射距离等有关，则根据挠度理论分析，柔性吊杆的挠度式与应变式分别为（）（）（）（）|（）（）（）（）（）（）（）|（）其中，为杆的挠度，为测量点与固定端的距离，为柔性吊杆的杨氏模量，为吊杆的惯性矩，为力 作用点与固定端之间的距离，为吊杆的测量点应变，为应变测量点与固定端的距离，为杆的外径，为柔性吊杆长度光纤光栅应变传感器固定在柔性吊杆的顶端，即，根据牛顿第二定律，结构上应变与加速度的关系式可表示为（）（）其中，为吊杆与质量块总质量，为吊杆的测量点加速度从式（）中可以看出，系统的结构参数均为常数，简单结构如柔性吊杆的应变与加速度存在一定的对应关系 本实验可以通过 种传感器测量的应变值和加速度值，与理论结果进行对比分析来验证测量的准确性 测试结果与分析在大气环境下对柔性吊杆进行热致振动实验测量，通过信号解调仪采集 种传感器所测得的信号值 图（）表示底端质量块质量为 时柔性吊杆在热辐射下的应变信号时域图，图（）表示的是底端安装不同质量块时应变信号的频域图 图（）中的信号从 时刻开始逐步下降，以后保持较为稳定的周期性变化 前 的应变值变化是由于柔性吊杆受热源辐射影响出现温度梯度而造成的，与文献中的理论研究结果是一致的，后吊杆温度趋于稳定，结构以该频率周期性振动 从图（）中可以看出结构底端安装不同质量块时，信空间控制技术与应用第 卷号频域上都只有一个主峰，这表明结构以第一阶弯曲模态发生振动，与文献中的纯弯曲模型测量结果一致，且频域信号反映出了该信号的一阶固有频率随着质量的增大而减小 且将本文的实验测试方法和结果与文献中使用应变片进行对比，光纤应变传感器的体积质量更小，对结构特性影响更小可以忽略不计，且使用光纤应变传感器可以排除温度对测量带来的干扰 同时从测量结果上光纤应变传感器测量的结果中振动信号更为明显，且文献中指出其实验结果与仿真结果不一致 而本文测量的结果与理论仿真结果基本一致图 热辐射下应变的时域信号及其应变信号变化频域图 图（）表示底端质量块质量为 时柔性吊杆在热辐射下的加速度信号时域图，图（）是底端安装不同质量块时加速度信号的频域图，图（）中的时域信号从 时刻开始变化，加速度值在 时陡然上升 时急剧下降，到 时趋于稳定的周期性上下浮动，之后以保持较为稳定的周期性上下浮动 前 中加速度信号出现一个较大的波动，是由于温度升高导致结构发生了热跳变现象，与文献中的研究结果是一致的 从图（）中可以看出结构底端安装不同质量块时，频域信号也都只有一个主峰，也证明了结构以第一阶弯曲模态发生振动，与光纤光栅应变传感器所测得的频率信号一致 本文研究的光纤加速度传感器的测量精度为，工作带宽为 ，体积为 ，质量为 ，能很好适用于热致振动的测量要求图 热辐射下加速度的时域信号及其加速度信号变化频域图 图 显示的是柔性吊杆在同一热辐射下，底端安装不同质量的质量块时，振动产生的应变值和加速度值变化情况 将应变曲线归算为加速度值，使 者测量比较上更具直观性，图 中黑线为应变变化情况，蓝色曲线为实测加速度变化情况，将测量应变值带入式（）中，可以得到相应加速度对应值，即第 期张子豪等：基于光纤传感器的热致振动实验研究图 中红色曲线所示，从图 中红色曲线和蓝色曲线可以看出，实测加速度变化与理论换算加速度变化趋势一致，其数值上发生了平移 从图 中可以看出在质量块质量较小时，随着质量的增加应变值和加速度值变化的都较快，当质量超过某一值后，应变值和加速度值都变化的较慢 但总趋势表明，当结构发生热致振动时，系统质量越大，系统的弯曲振动频率越低，热振动越剧烈图 应变和加速度随质量变化关系图 通过以上结果的讨论分析，可以看出柔性吊杆在热辐射下发生了热致振动现象，光纤光栅应变传感器和光纤加速度传感器都可以测量到结构的热致振动现象 对实验结果进行分析，在底端安装质量为 的质量块时，光纤光栅应变传感器测得 主频率的应变有效值为 ，代入式（），其 中 ，可以得到加速度值为 ，与光纤加速度传感器测得 主频率的加速度有效值 基本一致，其数值上平移是由于将热辐射看作单点外力作用的理想计算的结果，同时加速度传感器本身会存在的测量偏差共同造成 上述结果也表明利用单一传感器测量结果理论换算为其他物理量值时，与实际测量值可能会存在一定的偏差，证明在测量加速度值时利用加速度传感器进行实际测量的必要性 实测加速度变化与理论换算加速度变化趋势一致，且实际测量值与理论计算值基本一致，表明了 种光纤传感器测量的准确性 综上所述，种光纤传感器都可以用于热致振动问题的测量中，作为 种新的热致振动高精度测量手段 结 论综上所述，本文首次利用光纤传感器对热致振动现象进行了高精度测量 设计了一种光纤光栅应变传感器和一种光纤加速度传感器，对柔性吊杆的热致振动现象进行了实验研究 实验结果表明，热源辐射下柔性吊杆发生了热致振动现象，在相同测量条件下，光纤光栅应变传感器测得主频率处应变有效值为 ，其对应的加速度理论值 ，与实际测量得到主频率处的加速度有效值 基本一致，表明了 种光纤传感器测量的准确性，可以在今后更为复杂航天器结构的热致振动中进行测量工作参 考 文 献 郑士昆，宋燕平，赵将，等 大型环形桁架天线进出地影期热致振动特性研究 中国科学：物理学 力学 天文学，（）：，（）：，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，空间控制技术与应用第 卷 ，（）：沈振兴，胡更开 大型航天器结构的热致振动研究 载人航天，（）：，（）：（），：，（）：，（）：余成武，卢欣 有限元分析在航天器产品设计中的应用 空间控制技术与应用，（）：，（）：刘国强，薛春芳，王丹杰 基于应变测量法的几种典型悬臂梁的挠度测量 装甲兵工程学院学报，（）：，（）：，（）：作者简介：张子豪（），男，硕士研究生，研究方向为光纤传感器设计；王晶（），女，硕士研究生，研究方向为光纤 解调算法研究；余鑫宇（），男，硕士研究生，研究方向为光纤传感器设计；范典（），女，副研究员，研究方向光纤传感方向；周次明（），男，研究员，研究方向为光纤传感方向 ，：，：；：；：（，）：