基于埋入式光纤传感器的固体火箭发动机健康监测系统

发布时间：2017-12-21 00:18

  本文关键词：基于埋入式光纤传感器的固体火箭发动机健康监测系统　出处：《湖南大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：结构健康监测技术是通过探测结构主体在超负荷状态前后的响应变化或者通过对结构主体长期的数据监测,来实现对工程结构健康状况信息的读取,同时将测得的信号进行量化和评估,进一步判断主体结构性能的变化状况,为管理者或者智能系统提供结构健康的评判依据。目前,结构健康监测技术正处于蓬勃发展的时期。由于结构健康监测技术能够经济且有效地解决大型结构以及现代化设备的实时健康监测问题,能够有效避免突然的结构变化带来的重大事故和生命财产损失,有些文献把结构健康监测描述成能够用最少的人力、物力、财力来实时自动监测和观察结构健康状况的最优方案。由于结构健康监测技术的有效性和经济性,近些年结构健康监测技术得到越来越多的学者和政府机关的关注。固体火箭发动机的火药柱是由火药和粘合剂分层浇铸而成。由于复合材料的工艺稳定性相对较差,这些复合材料的粘合剂在生产、存储和运输过程中容易出现夹杂、孔隙、裂纹等缺陷和损伤。本论文利用屈服应变较大的聚合物光纤设计了一台能用于固体火箭发动机假药试件应变监测的便携式仪器。虽然目前有很多种能够用于应变监测的传感器,例如电阻应变片、光纤光栅应变传感器以及其它的一些应变传感器,但是这些传感器几乎都不能用于固体火箭发动机火药层间的应变监测,其原因有两个:一个是现有的应变传感器一般会有电流引入,火药层属于易燃易爆的危险品,不能有电流的引入;另外一个是现有传感器基底材料的应变范围限制了其应变测试范围。通过测试发现火药层间的破坏应变可以达到24.6%。为了解决这种易燃材料大应变测试的难题,本论文将聚合物光纤拉伸过程中的轴向应变转化为弯曲角度的变化去设计对应的大应变传感器。论文首先通过理论计算的方法研究了聚合物光纤的弯曲损耗单调性,通过计算发现在小半径弯曲时,聚合物光纤具有很好的弯曲灵敏度和弯曲单调性。但是在实验测试中却发现聚合物光纤在小半径弯曲时诱导了光纤的回音壁模式(Whispering gallery modes,WGMs)。弯曲过程中,当WGMs和纤芯模满足耦合条件时,两者之间会产生相互耦合而导致聚合物光纤的弯曲损耗呈现出振荡现象。通过对聚合物光纤WGMs产生机理研究发现,用刀片切除部分纤芯和包层的方法可以消除聚合物光纤的弯曲损耗振荡现象。然后利用处理过的聚合物光纤的弯曲损耗单调性设计了损耗随着弯曲角度变化的聚合物光纤大应变传感器,并且在论文中研究了这个聚合物光纤传感器的相关性能。同时,根据聚合物光纤大应变传感器的特性设计出了配套的测试系统,测试系统能够在-25℃到45℃范围内不受外界温度及其它环境因素的影响而保持较好的稳定性。通过对测试样品的拉伸应变测试发现论文设计的聚合物光纤大应变测试系统能够有效监测假药试件在拉伸过程中的应变变化、裂纹出现过程以及断裂过程。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V435;TP212

【参考文献】

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本文编号：1313957