基于光纤传感技术的飞机结构载荷监测系统的制作方法

本发明涉及一种应用于航空领域内飞机起落架结构载荷的健康监测技术，具体地说是一种基于光纤传感技术的飞机起落架结构载荷在线监测系统。

背景技术：

飞机起落架作为飞机重要安全功能部件，是用于飞机起飞、着陆、地面滑行和停放的重要支持系统，在飞机机体和机轮刹车系统之间起着桥梁作用，其结构性能的优劣直接影响着飞机起飞、着陆时的性能和安全。由于起落架本身结构复杂，非线性因素很多，在起飞着陆过程中要承受较大的冲击载荷，是飞机的主要承力构件，它吸收和耗散飞机在着陆及滑行过程中与地面形成的冲击能量，保证飞机在地面运动过程中的使用安全，且受偶然因素的影响比较大，因此起落架的使用条件较飞机结构的其它部件更为恶劣。起落架一旦损伤破坏，将严重危及飞行安全。因此，有必要对飞机起落架的载荷进行实时监测，并以此判断起落架的结构状态，估算剩余寿命，为维修人员提供检修依据。

在航空航天领域内,对于各类传感器的使用极其密集。而对它的灵敏度、体积和重量都有较高的要求。对于一架飞行器的起落架结构载荷监测需要的传感器数量庞大,因此传感器的尺寸、重量就变得尤为重要。目前，基于电阻应变片的载荷监测方法是飞机起落架结构载荷监测的重要技术手段。在针对飞机起落架关键部位的载荷监测过程中发现，电阻应变片监测的应变区域往往结构复杂，空间狭小。这造成了此区域内传感器导线繁多、导线间互相干扰，并因为导线繁多增加了结构的重量。同时，系统所占空间较大，供电复杂，造成了大体积、高能耗和操作复杂等问题。另外,飞机起落架在起飞着陆过程中都会受到极其严酷的环境的影响。现有的传统电类传感器,很容易受环境因素的限制不能在极端的飞行环境下正常工作，这必然会影响飞机起落架载荷监测的准确性，导致灾难性事故。

目前，现有的监测方法主要采用电类传感器进行监测，由于电类传感器本身易受电磁干扰，不具备防爆功能且在恶劣的环境中工作困难，采用多点测量时组网困难，使得信号的及时处理受限。此外，采用该电类传感器测量具有灵敏度不高、不耐高温，抗腐蚀性差等缺点。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种基于光纤传感技术的飞机起落架结构载荷在线监测系统，可在恶劣环境中工作，且通过对载荷与形变的间接测量，在飞机起落架结构损伤严重时及时预警，确保飞行安全的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于光纤传感技术的飞机起落架结构载荷在线监测系统，包括：

多个光纤光栅加速度传感器，布置在起落架减震支柱上设置的C字型支架上；记录每个测点安置的加速度传感器空载状态下初始波长λ1，实时监测加速度传感器的实时波长λ2；

多个光纤光栅应变传感器，布置在起落架的斜撑杆部位；光纤光栅应变传感器空载状态下的初始波长λ3，实时监测光纤光栅应变传感器实时波长λ4；

光纤光栅解调仪，与多个光纤光栅应变传感器、多个光纤光栅加速度传感器通过光纤连接，用于获取传感数据并进行解调；计算实时加速度大小为λ2-λ1/K，K为光纤光栅加速度传感器的灵敏度系数，计算实时应变大小为λ4-λ3/K'，其中K’为光纤光栅应变传感器的灵敏度系数

数据处理模块，与所述光纤光栅解调仪连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的解调后的传感器数据；

在线监测模块，用于根据解调后的传感器数据计算飞机载荷，并和飞行参数建立相关性联系，获得不同飞行参数下起落架的载荷谱，并结合材料疲劳性能σ-N曲线，估算飞机起落架的剩余寿命。

接上述技术方案，光纤应变传感器为二维光纤光栅应变传感器，该二维光纤光栅应变传感器包括呈垂直方向两个应变臂。

接上述技术方案，光纤加速度传感器为三维光纤光栅加速度传感器，三维加速度传感器为在一维柔性铰链光栅加速度传感器结构的基础上，将三个一维加速度传感器集成一体，同时获取飞机起落架部位航向、侧向、垂向三个方向的振动信号。

接上述技术方案，C字型支架通过环氧树脂胶固定在起落架减震支柱上。

接上述技术方案，光纤光栅加速度传感器通过螺栓或者环氧树脂胶固定在C字型支架上。

接上述技术方案，光纤光栅应变传感器通过环氧树脂胶水粘贴在起落架的斜撑杆上，且按照测量方向准确固定安装在飞机起落架斜撑杆部位的表面。

接上述技术方案，多个光纤光栅应变传感器、多个光纤光栅加速度传感器呈阵列对称排布。

接上述技术方案，多个光纤光栅应变传感器、多个光纤光栅加速度传感器的尾纤均通过一接线盒接出。

接上述技术方案，其中第一、第二一维光栅加速度传感器均包括基座、两个质量块和光纤光栅，两个质量块之间通过柔性铰链连接，两个质量块上均刻有凹槽，光纤光栅固定在凹槽内，第一、第二一维光栅加速度传感器的光纤光栅在同一平面内呈垂直放置；第三一维光栅加速度传感器包括两个支撑座和光纤光栅，两个支撑座上均设有凹槽，光纤光栅固定在凹槽内；第三一维光栅加速度传感器的光纤光栅与第一、第二一维光栅加速度传感器的光纤光栅在同一平面内，并形成一定的夹角。

接上述技术方案，三个一维光栅加速度传感器的光纤光栅串联在同一根光纤上。

本发明产生的有益效果是：本发明将光纤应变传感器和光纤加速度传感器组成一个有机的整体网络设置在飞机起落架上，通过对载荷与形变的间接测量，对飞机起落架着陆时减震支柱的加速度数据和斜撑杆的应力数据进行实测，以判断飞机起落架结构的状态，实现对飞机起落架的结构载荷进行实时监测，在飞机起落架结构损伤严重时及时预警，确保飞行安全的目的。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例的基于光纤传感技术的飞机起落架结构载荷在线监测系统示意图；

图2为本发明实施例起落架传感器测点布置图；

图3为本发明实施例二维光纤应变传感器结构图；

图4为本发明实施例三维光纤光栅加速度传感器结构图；

图5为本发明实施例C字型支架结构示意图；

图6为本发明实施例解调仪工作原理结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明基于光纤传感技术的飞机起落架结构载荷在线监测系统中，由于光纤传感器本身具有抗电磁干扰，本征防爆，可在恶劣环境中工作，测量灵敏度高和精度高，易于形成分布式测量等优点。采用本监测系统可将应变与加速度信号相互融合，提供飞机着陆过程中真实可靠的载荷和形变数据，通过对载荷与形变的间接测量，对飞机起落架着陆时减震支柱的加速度数据和斜撑杆的应力数据进行实测，以判断飞机起落架结构的状态，实现对飞机起落架的结构载荷进行实时监测，在飞机起落架结构损伤严重时及时预警，确保飞行安全的目的。

本发明涉及一种基于光纤传感技术的飞机起落架结构载荷在线监测系统，如图1所示，本系统的组成主要包括光纤应变传感器，光纤加速度传感器，光纤光栅解调仪，数据处理模块和在线检测模块。通过在飞机起落架关键结构中部署传感器，构建用于飞机起落架结构监测的传感器网络，实现对结构损伤、疲劳、冲击等工况的实时监测；利用数据处理系统对采集到的数据进行分析处理，实现对飞机起落架结构载荷及振动数据显示和结构健康状态的评估。该监测系统实现飞在着陆过程中对飞机起落架结构完整性、受力变形情况进行实时监测，并进行结构损伤判断，起落架结构材料件是否达到使用极限，以此达到确保飞行安全的目的。本发明实施例中布置了四个应变传感器1、2、3、4和两个加速度传感器5、6。光纤光栅应变传感器贴在起落架斜撑杆左右两侧，分别监测两个方向的应力变化，光纤光栅加速度传感器固定在减震支柱受力的最大点上，它能同时监测三个载荷方向的加速度变化，如图1所示，起落架上共有6个监测点，它们与解调仪之间用长距离光缆连接。

进一步地，光纤光栅三维加速度传感器布置在起落架的减震支柱上。当飞机处于非对称着陆状态时，最先与地面撞击的主起落架在着陆的那一刻所受的冲击力会逐渐增大，它不仅会影响飞机重心在垂直方向的速度，还会导致主起落架出现围绕机身旋转的趋势。该趋势是由于起落架在着陆时受到了侧向载荷。主起落架围绕该侧向力所产生的旋转运动和垂直方向起落架受飞机重心影响的垂直载荷，都是影响飞机安全着陆的关键因素之一。除了侧向载荷与垂直载荷，飞机从着陆瞬间到停止，整个运动过程起落架还承受着飞机向前的航向载荷。作为起落架主承力部件，减震支柱主要承受这三个方向的载荷。因此对减震支柱三个方向的加速度监测成为本系统的主要监测方向。

进一步地，在测量加速度时，加速度传感器安装正确与否，不仅直接关系到能否获取真实、有价值的测量数据，而且还可避免不正确的安装造成传感器的损坏。对于三维光纤光栅加速度传感器，如果直接粘贴在起落架的减震支柱上，由于起落架的减震支柱是一种圆杆，可能会导致传感器安装位置有较大误差，进而导致测量信号有误差。所以为了精确地布置安装和正立放置传感器，如图5所示，本发明专利采用C字型支架来安装加速度传感器。先将传感器使用钢螺栓安装到C字型支架上，再将C字型支架安装到起落架的撑杆上。这样的安装方式能充分保证传感器的频率范围和温度范围，而且其固定牢靠，耐冲击能力强。通常在螺栓拧紧前，在安装面上涂上一薄层润滑脂，以增加安装刚度。由于飞机起落架的冲击加速度载荷较大，所以该C字型支架对振动传递的影响可忽略不计。

如图2所示，多个光纤光栅加速度传感器，布置在起落架减震支柱上设置的C字型支架上。C字型支架如图5所示，光纤光栅加速度传感器按照实际测量放置在C字型支架的顶部位置，并采用钢螺栓的方式固定。C字型支架上包括呈[型的固定框以及固定在该固定框上的呈C字型的支撑架。多个光纤光栅应变传感器，布置在起落架的斜撑杆部位。

如图3所示，光纤应变传感器为二维光纤光栅应变传感器，包括呈垂直方向的两个应变臂。光纤应变传感器同时可测得飞机起落架斜撑杆上两个互相垂直方向的应变信号。传感器结构主要由FBG32和基座31组成，光栅的栅区直接粘贴在基座内部设置的凹槽内，基座固定在被测对象上，整个传感器芯体做成一体化结构，材料为不锈钢。

进一步地，光纤光栅应变传感器主要布置在起落架的斜撑杆上，为保证测量的准确性，传感器在斜撑杆上应为两侧对称布置，如图2所示。斜撑杆作为连接飞机机体和起落架的关键件。而飞机着陆是一个动态撞击过程，随着飞机轮胎接地起落架，地面载荷是通过轮胎触地点及机轮中心两个作用点将力传递给斜撑杆，此时撑杆主要受到两个方向力，分别是减震支柱对撑杆的支撑力、撑杆自身的重力以及拉杆对斜撑杆的拉力，这三种主要的力会使斜撑杆产生弹性变形。该变形与斜撑杆本身材料、着陆时不同方向力的大小有关。当该形变超出该斜撑杆的弹性形变时，撑杆可能会产生裂纹，甚至发生断裂，造成飞机重大安全事故。因此，对飞机着陆时撑杆应力的实测，是提高起落架使用寿命的重要手段。

进一步地，光纤光栅应变传感器通过环氧树脂胶水粘贴在飞机起落架斜撑杆的两侧，粘贴时应注意确定好位置后,将光纤光栅应变传感器紧紧贴在撑杆表面上，在粘贴前要尽量去掉上面的氧化层，对被测区域表面进行简单打磨处理。其次粘结剂要能适应起落架着陆的复杂环境，用细砂纸在表面轻轻地交叉打磨,直至其表面的纹路均匀和清晰可辨为止，再用酒精将表面清洗数次即可，再将光纤光栅应变传感器按照测量方向准确固定安装在飞机起落架斜撑杆表面。使其与斜撑杆表面充分接触，减少应力应变的传递损耗。

光纤加速度传感器为三维光纤光栅加速度传感器，三维加速度传感器包括三个集成一体的一维加速度传感器，三个一维加速度传感器同时获取飞机起落架部位航向、侧向、垂向三个方向的振动信号。其中第一、第二一维光栅加速度传感器均包括基座、两个质量块和光纤光栅，两个质量块之间通过柔性铰链连接，两个质量块上均刻有凹槽，光纤光栅固定在凹槽内，第一、第二一维光栅加速度传感器的光纤光栅在同一平面内呈垂直放置；第三一维光栅加速度传感器包括两个支撑座和光纤光栅，两个支撑座上均设有凹槽，光纤光栅固定在凹槽内；第三一维光栅加速度传感器的光纤光栅与第一、第二一维光栅加速度传感器的光纤光栅在同一平面内，并形成一定的夹角。

光纤加速度传感器为三维光纤光栅加速度传感器，如图4所示，三维加速度传感器是由三个一维柔性铰链光栅加速度传感器组成，其中两个一维柔性铰链光栅加速度传感器的结构相同，均包括基座41、柔性铰链43、质量块42和FBG44，两个质量块之间通过柔性铰链连接，基座固定在要测量的物体上。两个一维柔性铰链光栅加速度传感器可共用一个基座，共用其中一个质量块，整个做成一体化结构。质量块上刻有凹槽，FBG放置在凹槽内，两端通过胶结剂固定。这两个一维柔性铰链光栅加速度传感器的光纤光栅呈垂直放置。另一个一维加速度传感器包括两个支撑座和FBG，其中一个支撑座和另外两个传感器可共用一个基座，基座和支撑块顶部均刻有凹槽，FBG固定在两个凹槽内。三个一维传感器共用一根光纤，光纤相应位置刻有光栅。即三个光纤光栅串联在同一根光纤上。将三个一维加速度传感器按照图4的方式集成一体，可同时获取飞机起落架部位航向、侧向、垂向三个方向的振动信号。第三个一维柔性铰链光栅加速度传感器的光纤光栅与另外两个光纤光栅呈一定角度放置。

光纤光栅传感器的尾纤与铠装光缆连接，然后通过一条主光缆与光纤高速解调仪相连接。高速解调仪将采集到的光信号经过光电转换电路转化，输出波长电压信号，可通过USB将采集的电压信号输入到数据处理模块和在线检测模块中，进行数字滤波后根据相应的传感器灵敏度系数计算得到应变数据和加速度数据，然后利用数据处理软件直接读入起落架载荷的数据文件，根据后续数学推导计算最终得出的真实载荷大小。

进一步地，根据部署的传感器采集到飞机起落架结构关键部位载荷数据，起落架的载荷测量通常采用间接测量法，测量起落架的载荷参数时，并不直接测量，而是通过预测值与应变、加速度、压力和飞行力学参数的测量值之间的相关性来确定。在飞机着陆时布置在减震支柱及撑杆上的光纤光栅传感器输出加速度及应变两种信号，应变信号可根据应力与应变的线性比例关系将应变转化应力，进而得到斜撑杆的应力谱；加速度信号可以通过计算一定时间段内的平均应力与加速度平均能量，建立平均应力与加速度平均能量的对应关系，最终通过加速度能量揭示出应力的大小，根据计算最终得出起落架的应力大小。根据得到的应力和飞行参数实测数据，对飞行参数和得到的应力载荷进行相关性分析，选取相关性显著的参量作为危险部位的载荷识别参数，采用多项式函数表达式，建立了基于飞行参数的危险部位载荷谱，获得不同飞行参数下危险部位的载荷谱，在此基础上，结合Miner线性累积损伤原理，并根据材料广义σ-N曲面方程，估算剩余寿命。

进一步地，根据得到的应力和飞行参数实测数据，获得不同飞行参数下起落架危险部位的应力谱，再用雨流计数法对其进行计数，从而把应力谱离散成应力幅值σa和应力均值σm矩阵。然后建立广义σ-N曲面方程，在完成雨流计数和建立广义σ-N曲面方程之后，计算寿命时直接采用二维Miner线性累积损伤理论。根据公式(1)利用实测应力谱来确定飞机主要危险部位在每次飞行起落载荷作用下的当量使用寿命，利用确定的当量使用寿命来判断起落架的状态是否异常。

式中:nij为一个飞行起落内作用在构件上各级应力水平(σai,σmj)的循环数；Nij为在各级应力水平(σai,σmj)单独作用下的破坏循环数；T为一个典型任务内飞行起落总数(寿命)；D为一常数，通常取为1。nij可直接从雨流法均幅值矩阵中得到，Nij可从飞机对应结构部位材料广义σ-N曲面方程中求得。

光纤传感技术具有本征防爆与抗电磁干扰的特性，本系统将光纤光栅应变传感器和光纤光栅加速度传感器串联在一起进行组网，以实现远距离分布式在线监测。

光纤光栅解调仪为高速光纤光栅解调仪，具有高解调速度、高稳定性、高可靠性等特点，系统分辨率达到1pm，典型误差为±1pm，最大误差小于±2pm，用于同时解调8路光信号，波长扫描范围为50nm。针对单模光纤光栅加速度传感器可以实现最高2000Hz频率。将光纤光栅传感器的反射光波进行波分复用，使不同波长的光栅传感阵列反射光谱在在波长域分离，并将其转换为电信号，最终通过硬件及软件进行数字化解调。

进一步地，光纤光栅信号解调仪的组成结构如图6所示。宽谱光源输出光通过光环形器耦合到波分复用的布拉格光纤光栅阵列。布拉格光栅阵列的反射光通过光环形器的输出端口耦合到集成光解复用模块，光解复用模块将入射光解复用到多个不同波长的窄带输出通道。每个输出通道都耦合到光电探测阵列的一路探测器上进行光电转换处理，转换后的电信号经过滤波与放大后输入到多路并行模数转换电路将光强模拟信号转换成数字信号，最后由数字信号处理器解调出待测物理量，即波长数据。

进一步地，首先给ASE宽带光源提供DC5V电源，宽带光源工作后发出的连续光谱经过环形器，再经过光开关，如果测量一个待测量可以不使用光开关，光开关是为了增加测量的通道，达到同时测量多个FBG反射光谱的目的。到达FBG的光谱信号会由于待测量的改变引起FBG反射峰值的漂移，满足光纤光栅传感器相位匹配条件的光谱会被反射回来，反射回来的光谱进入FBGA,FBGA将光信号转换成数字信号，经过峰值信号变换转化为波长信号，经由FBGA上的USB接口传输到计算机上，随后应用编写的上位机测试软件，进行相应待测量的实时显示、设备状态信息的实时显示、传感器配置等。

光纤传感器采用波分复用的方式连到同一解调系统，便于对各种不同部位的光纤传感器采集的应变信号和加速度信号进行区分，方便实现数字信号处理系统的简单化。

传感探头与信号处理系统分离，光纤传感网络探测到的光学信号通过光纤实时传送到远离飞机起落架各测量部位的监测控制室，进行信号处理，有利保证系统的安全运行，同时光学传感测量相对电学传感测量具有较高的灵敏度。

该飞机起落架结构载荷监测系统，通过采用波分复用技术将多个光纤传感器连接在一起，组成监测飞机起落架机体各关键部位结构载荷的光纤传感网络以判断飞机起落架结构的损伤状态，避免出现严重事故。

本实施例中，根据光纤光栅传感器在飞机起落架上测得的数据，判断起落架结构损伤状态，是否到达使用寿命，以便于防止安全事故的发生。针对光纤光栅加速度传感器，记录每个测点安置的传感器空载状态下初始波长λ1，实时监测的传感器读取的波长值为λ2，所以该测点的加速度大小为λ2-λ1/K，K为光纤光栅振动传感器的灵敏度。针对光纤光栅应变传感器，首先在实验室标定测得其灵敏度系数K’，记录传感器空载状态下的初始波长λ3，实时监测的传感器读取的波长值为λ4，所以该测点的应变大小为λ4-λ3/K'，即可求得该点应变值大小。由此可计算出出光纤光栅传感器在飞机起落架上实时实时输出的载荷数据。

数据处理模块通过信号输入端与光纤光栅解调仪的信号输出端连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的信号；本发明实施例通过企业级数据库软件MS SQL Sever-2000建立监测数据库，并对储存采集到的数据并提供数据管理、查询、分析。

在线监测系统通过信号输入端与数据处理系统的信号输出端连接，利用数据处理系统存储的数据对被监测的飞机起落架结构建立立体模型，对数据进行应力、应变、加速度等参量的监测并反馈给操作人员。在线监测系统采用C/S和B/S结合的结构，利用3D建模技术，监测飞机起落架结构的实时载荷以及损伤和裂纹、疲劳寿命等健康状态。

本发明将光纤应变传感器和光纤加速度传感器组成一个有机的整体网络，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、防爆、频带宽、损耗低、精度较高等特点，成功解决了飞机在飞行过程中传感器受环境影响大的问题，通过实时在线监测飞机起落架结构载荷的变化，使得操作人员可以准确的观察和判断飞机起落架结构损伤的状态，从而有效提高飞机起落架结构的安全性，避免出现严重事故。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。