光纤珐珀传感器在空气/水动力学方面的应用研究

摘要

空气动力学测试是航空航天和武器装备研制最基本的测试项目之一。目前，国内主要使用基于电阻应变计传感器的电阻天平进行气动力测量，但由于电阻应变计传感器存在温漂大，高温不稳定，易受电磁干扰等局限，使得电阻天平在恶劣环境下难以达到高精度测试要求。光纤传感器具有尺寸小、抗电磁干扰、耐高温、响应快、可靠性好、灵敏度高等优点，为探索新的风洞天平测力技术提供了新思路。本文提出一种超高灵敏度，低温度系数的全光纤法布里-帕罗应变传感器（Fabry-Perot sensor,FP），并应用于不同类型的测力天平来实现对不同航空、航天模型的空气动力学测试。 其中，与中国空气动力研究与发展中心合作研制的六分量光纤天平在超高声速风洞中实现了在不同温度下对高超声速风洞常用标准模型进行了空气动力学测试。实验结果表明，基于此传感器的光纤天平具有高重复性的温度补偿系数、低于0.4％的高静态测量精度，以及天平受力大小与传感器输出的超高线性度。在风速为马赫4（常温）、马赫8（750K）的风洞测试中，此光纤天平实现了对标模的气动力系数的高精度测量，所有状态均达到并超过了设计指标（1.5％），且绝大部分试验的重复精度小于1％；并且所测得的气动特性系数随攻角变化规律较好的吻合风洞常规应变计天平试验结果。 基于此光纤珐珀应变传感器研制研发的7杆光纤天平已分别在水洞、高速风洞、超高速风洞等应用场景实现了应用，并实现了高湿环境下的长期稳定性使用、高温环境下的高精度测量、以及解决了强振动干扰环境下的高精度测量问题。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 光纤传感技术简介

1.1.1 光纤传感技术原理

1.1.2 光纤传感器的分类

1.2 几种常见的光纤应变传感器

1.2.1 光纤光栅应变传感器

1.2.2 长周期光纤光栅应变传感器

1.2.3 光纤迈克尔逊应变传感器

1.2.4 光纤珐珀应变传感器

1.3 风洞天平

1.3.1 电阻测力天平的应用研究现状

1.3.2 光纤测力天平的应用研究现状

1.4 本论文的研究意义及主要研究内容

第二章 基于增敏型光纤珐珀传感器的光纤天平

2.1 光纤珐珀传感器的制作及选型

2.1.1 增敏型光纤珐珀传感器原理

2.1.2 光纤珐珀传感器的制作及封装

2.1.3 光纤珐珀传感器的选型

2.2 光纤珐珀传感器在风洞天平上的安装工艺

2.3 光纤风洞测力天平的温度补偿方案及温度补偿效果

2.4 本章小结

第三章 光纤风洞天平的静态校准实验

3.1.1 设计载荷

3.1.2 各分量输出计算公式

3.1.3 光纤天平静态校准方案

3.2单分量校准

3.2.1 法向力加载

3.2.2 俯仰力矩加载

3.2.3 滚转力矩加载

3.2.4 轴向力分量加载

3.2.5 侧向力分量加载

3.2.6 偏航分量加载

3.3 正法向单分量天平公式

3.4 正法向综合加载

3.5 光纤风洞测力天平精准度

3.6 本章小结

第四章 光纤天平风洞测力实验

4.1 实验装置与实验状态

4.2 M4状态下的实验结果

4.2.1 M4状态下法向力系数

4.2.2 M4状态下俯仰力矩系数

4.2.3 M4状态下轴向力系数

4.3 M8状态下的实验结果

4.3.1 M8状态下法向力系数

4.3.2 M8状态下俯仰力矩系数

4.3.3 M8状态下轴向力系数

4.4 本章小结

第五章 光纤天平的应用

5.1 低速水洞天平

5.2 高速风洞天平

5.3 盒式天平

5.3.1 盒式光纤天平A

5.3.2 盒式光纤天平B

5.4 超高速光纤天平

5.4.1 超高速6分量光纤天平A

5.4.2 超高速微量载荷3分量光纤天平

5.4.3 超高速6分量光纤天平B

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果