基于光纤传感器测得的梁表面应变值计算工作载荷的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于光纤传感器测得的梁表面应变值计算工作载荷的方法，属于 光纤传感技术领域。
【背景技术】
[0002] 目前，为获得梁结构件上的工作载荷，工业上采用一种严格却又耗时的设计方法， 这种设计方法很大程度上依赖计算的方法，比如有限元建模（FEM)。但是有限元建模是耗费 大量人力以及经济成本的方法。
[0003] 更进一步，对于与飞行器机翼相关的实时载荷，使用的方法是二十世纪五十年代 发展起来的一种相对广泛的"应变片/载荷标定"法。首先，在机翼结构的里面安装一系列 离散的传统应变片，在机翼表面作用一系列集中载荷标定在这些载荷下应变片的响应，称 之为影响系数。然后将应变片测量值输入软件，实时运行载荷公式得到结果。其中这种方 法安装传感器时耗时耗力，而且成本较高。
【发明内容】
[0004] 本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于光纤传感器测得的梁 表面应变值计算工作载荷的方法，本发明的目的是使用光纤传感器测得的梁表面应变值实 时获得工作载荷。
[0005] 本发明的另一个目的是减少实时获取作用于梁上的工作载荷的时间。
[0006] 本发明的更进一步的目的是减少与实时获取梁上的工作载荷相关的经济成本。
[0007] 本发明技术解决方案：一种基于光纤传感器测得的梁表面应变值计算工作载荷的 方法，所述的梁为等截面悬臂梁或截面渐变悬臂梁，工作载荷是弯曲载荷、扭转载荷，或者 两者均有。实现步骤如下：
[0008] (1)在梁结构件上安装多个光纤传感器，测量弯曲载荷时，光纤传感器沿着梁的轴 向粘贴；测量扭转载荷时，光纤传感器要与梁的轴线呈45° ;
[0009] (2)光纤传感器布置完后，施加弯曲载荷或扭转载荷，在梁的自由端施加一个已知 单点载荷或一个力偶，获得在每一个光纤传感器处的应变值；
[0010] (3)布置完善光纤传感器并施加了已知载荷后，对梁进行标定测试，得到每个光纤 传感器处的梁的结构性能，所述结构性能包括弯曲刚度与扭转刚度；并在此定义一个截面 系数S1，僅
^其中I1是第i个传感器处截面的惯性矩，c i是第i个传感器与中性轴的 距离。根据第i个传感器处弯矩M1与应变ε i关系公式_
(E1为第i个传感器处的 杨氏模量），变形后带入截面系数，得到公式M1= (ES) i ε i，则（ES)1S弯矩与应变值的比例 系数，标定后确定弯矩与应变之间的关系；
[0011] (4)利用标定的结构特性及光纤传感器测得的应变值计算扭矩、弯矩；
[0012] (5)利用相邻两个光纤传感器之间的弯矩得到剪切力，再利用剪切力计算梁实时 的工作载荷。
[0013] 所述的光纤传感器为光纤布拉格光栅（FBG)传感器。
[0014] 所述标定方法如下所述，标定的悬臂梁的长度为1，标定前已在梁上布置好光纤传 感器，在梁的自由端上作用一个已知单点载荷P，则梁会发生弯曲，梁被光纤传感器离散成 多个区域，每个区域长度为Δ 1，截面X = X1处的弯矩为M = P α-i Λ 1)，将其带入公式
中，得到公式
，梁的弯曲刚度在每个测量位置处就被确定；在每 个光纤传感器处测得应变值，根据标定公式
，获得每一个光纤传感器处 的弯曲刚度。
[0015] 所述步骤（4)中利用标定的结构特性及光纤传感器测得的应变值计算弯矩的过 程为：所述步骤（3)标定结果获得每一个光纤传感器处弯曲刚度，根据公式：
即确定了弯矩与应变之间的关系，而应变值由每个光纤传感器测得，所以确定了每一个光 纤传感器所处梁截面上的弯矩。
[0016] 所述步骤（5)中利用相邻两个光纤传感器之间的弯矩得到剪切力，再利用剪切力 获取工作载荷的过程和公式为：
[0017] 根据力矩的平衡原理，在截面X = X1处的剪切力￥1可以确定，计算公式为
1根据力的平衡原理，在截面X = Xi处工作载荷P i可以被确定，计算公式为
[0018] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0019] (1)本发明减少有限元建模的复杂度，即与有限元建模相比，本发明简单，计算效 率高。
[0020] (2)本发明采用的光纤传感器质量轻，尺寸小，易组网、抗电磁干扰等优点克服了 传统应变片的不足之处，具有省时省力的优点。
[0021] (3)本发明很大程度上减少了完成结构分析、增加精确度等过程所需的时间和成 本。
【附图说明】
[0022] 图1为等截面梁上传感器的布置图；
[0023] 图中，1-梁；2-FBG传感器（测扭转应变）；3_梁的轴线；4-FBG传感器（测弯曲应 变）；5_传感器间隔；6-c (传感器到中性轴或中性面的距离）；7_梁的长度。沿着梁的轴 向方向贴装弯曲应变光纤传感器，沿着梁的轴向方向与轴呈45°贴装测扭转应变光纤传感 器。
【具体实施方式】
[0024] 实施对象为如图1所示的悬臂梁结构件，左端固支，右端为梁的自由端，在图1中， 1-梁；2-FBG传感器（测扭转应变）；3_梁的轴线；4-FBG传感器（测弯曲应变）；5_传感器 间隔Λ l;6-c (传感器到中性轴或中性面的距离）；7_梁的长度1。沿着梁的轴向方向贴装 弯曲应变光纤传感器，沿着梁的轴向方向与轴向呈45°贴装扭转应变光纤传感器。
[0025] 本发明具体实现如下：
[0026] (1)在梁结构件上安装多个光纤传感器，测量弯曲载荷时，沿着梁的轴向粘贴；测 量扭转载荷时，光纤传感器要与梁的轴线呈45° ;
[0027] (2)光纤传感器布置完后，施加弯曲载荷或扭转载荷，即作用在梁的自由端一个已 知单点载荷或一个力偶，获得在每一个光纤传感器处的应变值；
[0028] (3)布置完善光纤传感器并施加了已知载荷后，对梁进行一个简单的标定实验，得 到每个光纤传感器处的梁的结构性能，所述结构性能包括弯曲刚度与扭转刚度；
[0029] (4)利用标定的结构特性及光纤传感器测得的应变值计算弯矩、扭矩；
[0030] (5)利用相邻两个光纤传感器之间的弯矩得到剪切力，再利用剪切力计算梁实时 的工作载荷。
[0031] 进一步，本发明在梁上安装一套空间分辨率合理的光纤传感器网络，为了获得传 感器处截面的结构特性，对于梁的弯曲情况，在梁的自由端施加一个单点载荷，用来获取梁 的弯曲性能。类似的，在梁的自由端施加一个力偶，获得梁的扭转结构特性。
[0032] 本发明提供了一种改进的方法，该方法基于光纤传感器测得的梁表面应变值计算 工作载荷。通常，多个光纤传感器布置在梁上呈现网格状、有规则的模型。光纤传感器具有 尺寸小、重量轻等特点，因此使用了大量的光纤传感器。实际上这些传感器将梁分成了多个 区域，这些区域为相邻两个传感器之间的部分。本发明假设这些区域有恒定的结构性能，但 是不同区域的结构性能可能不同。因为在每个区域的两边缘处测得应变值，这些区域的长 度可以相同也可以不同。
[0033] 本发明采用光频域反射技术，使用有相同中心波长的低反射率的光栅，及可调谐 激光器。上百个FBG成一串。一种常见配置是使用480个传感器，在一条约6m长的光纤上 lFBG/cm粘贴。传感器的数量依赖于梁的长度，例，对于机翼，使用者可以约I. 27cm贴一个。 本发明方法与当前其他方法相比具有更高的空间分辨率。
[0034] 光纤传感器安装在梁上之后，弯曲与扭转载荷可以按照下面所述方法施加。对于 弯曲载荷，一个外加的平面外单点载荷，且载荷已知，作用在梁的自由端上，通常沿着机翼 主轴方向。类似的，对于扭转载荷，一对已知的力偶作用在结构的自由端。接下来，使梁承 受工作载荷。在加载期间，利用每一部分的结构性能信息及从传感器中测得的应变值，按照 使用者