基于光纤传感的航天器结构在轨状态监测技术研究
发布时间：2022-02-24 13:07
随着科学技术的进步和飞速发展以及国民经济建设、国防现代化的需求,航天器向着“高精度、高可靠性、长寿命”的方向发展。航天器在发射、变轨、交会对接和在轨运行过程中长期面临着包括空间辐照、微流星体与空间碎片撞击、气动加热、热循环等较为复杂的太空环境,且常伴随剧烈的结构振动。这些因素均可能导致结构的形变、疲劳、损伤等,给航天飞行带来较大隐患,甚至导致航天任务的失败。因此,对航天器结构应变和冲击的实时监测提出了迫切需求。近年来,光纤传感技术飞速发展,光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG）传感器因其尺寸小、精度高、抗电磁干扰能力强、易波分复用与待测结构相容性好,被认为是结构健康监测的理想传感元件,相较于传统的传感器,将FBG传感器应用于航天飞行器的结构状态分析具有明显的优越性。但在航天特殊环境下,传感系统要长期可靠地工作,仍有不少理论和技术问题需要解决。本文分析了FBG传感器在航天器应用中的传感机理,研究了适用于航天器的传感器、信号解调系统以及信号处理、特征提取、超高速冲击位置识别技术,建立航天器结构状态分析监测系统,实现了航天器应变、温度监测以及舱壁超高速冲击等隐患的实...
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
1.2 航天器结构状态监测的研究现状
1.2.1 航天器结构应变监测研究现状
1.2.2 航天器高速撞击监测研究现状
1.3 论文的主要内容
第二章 FBG应变传感器与解调系统研制
2.1 应变监测方法与机理
2.2 FBG应变传感机理
2.3 FBG传感器的设计
2.3.1 传感器的特点及指标
2.3.2 应变传感器的封装设计
2.3.3 应变传感器的灵敏度设计
2.3.4 温补传感器的设计
2.4 应变检测解调系统的设计及解调方法研究
2.4.1 解调系统的总体结构设计
2.4.2 扫描光源时间-波长映射关系建立
2.4.3 基于时间预测的扫描光源波长校正
2.4.4 基于复合波长参考的FBG解调方法
2.5 FBG应变传感器的标定方法研究
2.5.1 应变传感器的标定
2.5.2 应变传递系数
2.5.3 应变横向效应
2.6 FBG传感器性能测试
2.6.1 应变传感器性能测试
2.6.2 温度传感器性能测试
2.7 解调系统的稳定性及精度测试验证
2.8 小结
第三章 典型工况航天器结构应变测量技术研究
3.1 航天器在典型力学行为下的应变模型仿真分析
3.1.1 结构形变仿真概述
3.1.2 充压状态结构仿真研究
3.1.3 加速度状态结构仿真研究
3.1.4 扭转状态结构仿真研究
3.2 基于FBG传感网络的航天器结构模拟测试验证
3.2.1 水压模拟实验
3.2.2 水压结构应变检测研究
3.2.3 气压结构应变检测研究
3.3 小结
第四章 FBG传感器对超高速撞击响应及检测技术研究
4.1 FBG传感器超高速撞击响应机理分析
4.2 超高速撞击检测系统设计
4.3 高频解调系统性能测试验证
4.3.1 性能测试平台搭建
4.3.2 性能测试结果及分析
4.4 小结
第五章 航天器空间碎片超高速撞击响应机理研究
5.1 超高速撞击仿真的材料模型构建
5.1.1 状态方程
5.1.2 材料本构模型
5.1.3 材料失效准则
5.2 超高速撞击仿真的几何模型构建及条件约束
5.3 超高速撞击仿真实验及结果分析
5.3.1 超高速撞击信号传播过程仿真及分析
5.3.2 超高速撞击损伤过程仿真及分析
5.3.3 超高速撞击信号特征分析
5.4 小结
第六章 基于FBG传感系统的超高速撞击定位实验验证
6.1 超高速撞击实验装置
6.1.1 超高速弹丸发射装置
6.1.2 靶件及弹丸装置
6.1.3 信号解调与采集
6.2 基于ELM的撞击源区域定位技术
6.2.1 ELM区域定位原理
6.2.2 特征提取
6.2.3 ELM区域定位方法模拟测试
6.2.4 基于ELM网络的超高速撞击源区域定位
6.3 基于几何传感阵列模型的时差撞击源定位技术
6.3.1 几何传感阵列定位原理
6.3.2 时差定位方法模拟测试
6.3.3 基于菱形传感阵列的超高速撞击源定位
6.4 小结
第七章 总结与展望
7.1 论文总结
7.2 展望
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于机电阻抗与超声导波综合技术的复合材料板损伤定位[J]. 刘增华,曹瑾瑾,吴斌,何存富. 北京工业大学学报. 2018(05)
[2]航天器有效载荷分布式测试系统设计与实现[J]. 马萍,李峰,唐卫华,于喜河. 电子测量技术. 2018(03)
[3]空间碎片的防护、监测和建模[J]. 龚自正. 太空探索. 2018(01)
[4]基于菱形光纤布拉格光栅传感阵列的声发射定位技术[J]. 吕珊珊,耿湘宜,张法业,肖航,姜明顺,曹玉强,隋青美. 红外与激光工程. 2017(12)
[5]基于FBG动态应变监测的金属结构损伤识别方法研究[J]. 黄博,白生宝,宁宁,杨宇,肖迎春. 航空制造技术. 2017(19)
[6]基于小波的蜂窝板面超高速撞击声发射信号损伤特征提取[J]. 刘源,庞宝君,迟润强,曹武雄,张志远. 爆炸与冲击. 2017(05)
[7]航天器智能结构与先进传感技术[J]. 耿胜男,冯辉,王星来,冯敏洁,王锋. 遥测遥控. 2017(05)
[8]基于morlet小波与模态分析的突发型声发射源定位研究[J]. 王少锋,刘朋真,王道瑞,王建国. 传感技术学报. 2017(08)
[9]MOS电容型微小空间碎片探测器探头研究[J]. 郝志华,向宏文,蔡震波,王金延. 航天器环境工程. 2017(03)
[10]基于光纤光栅的冲击激励声发射响应机理与定位方法研究[J]. 张法业,姜明顺,隋青美,吕珊珊,贾磊. 物理学报. 2017(07)
博士论文
[1]基于声发射的典型结构空间碎片撞击在轨感知技术研究[D]. 张凯.哈尔滨工业大学 2015
[2]航天器桁架结构中高频抖动动力学分析与主动控制研究[D]. 王有懿.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]基于碎片云特性的航天器空间碎片撞击易损性分析[D]. 翟家跃.哈尔滨工业大学 2016
[2]航天器测试进度管理系统的设计与实现[D]. 田园.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于模态声发射的平板超高速撞击损伤模式识别技术[D]. 常志中.哈尔滨工业大学 2014
[4]基于声发射技术铝合金平板超高速撞击损伤模式识别方法[D]. 郑钦敏.哈尔滨工业大学 2013
[5]基于极限学习机的AUV决策控制系统的研究[D]. 宋超.中国海洋大学 2013
[6]基于机器视觉的应变测量技术研究[D]. 卢炳奇.济南大学 2013
[7]表面粘贴式FBG传感器应变传递机制研究[D]. 邱野.上海交通大学 2012
[8]基于PVDF压电传感器的空间微小碎片探测系统规划研究[D]. 张庆志.中北大学 2012
[9]二级轻气炮内弹道仿真研究[D]. 冯福全.南京理工大学 2008
[10]基于机器视觉的材料真应力—应变测试技术研究[D]. 高军.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3642785
【文章来源】：西安电子科技大学陕西省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章 绪论
1.1 课题研究的背景及意义
1.2 航天器结构状态监测的研究现状
1.2.1 航天器结构应变监测研究现状
1.2.2 航天器高速撞击监测研究现状
1.3 论文的主要内容
第二章 FBG应变传感器与解调系统研制
2.1 应变监测方法与机理
2.2 FBG应变传感机理
2.3 FBG传感器的设计
2.3.1 传感器的特点及指标
2.3.2 应变传感器的封装设计
2.3.3 应变传感器的灵敏度设计
2.3.4 温补传感器的设计
2.4 应变检测解调系统的设计及解调方法研究
2.4.1 解调系统的总体结构设计
2.4.2 扫描光源时间-波长映射关系建立
2.4.3 基于时间预测的扫描光源波长校正
2.4.4 基于复合波长参考的FBG解调方法
2.5 FBG应变传感器的标定方法研究
2.5.1 应变传感器的标定
2.5.2 应变传递系数
2.5.3 应变横向效应
2.6 FBG传感器性能测试
2.6.1 应变传感器性能测试
2.6.2 温度传感器性能测试
2.7 解调系统的稳定性及精度测试验证
2.8 小结
第三章 典型工况航天器结构应变测量技术研究
3.1 航天器在典型力学行为下的应变模型仿真分析
3.1.1 结构形变仿真概述
3.1.2 充压状态结构仿真研究
3.1.3 加速度状态结构仿真研究
3.1.4 扭转状态结构仿真研究
3.2 基于FBG传感网络的航天器结构模拟测试验证
3.2.1 水压模拟实验
3.2.2 水压结构应变检测研究
3.2.3 气压结构应变检测研究
3.3 小结
第四章 FBG传感器对超高速撞击响应及检测技术研究
4.1 FBG传感器超高速撞击响应机理分析
4.2 超高速撞击检测系统设计
4.3 高频解调系统性能测试验证
4.3.1 性能测试平台搭建
4.3.2 性能测试结果及分析
4.4 小结
第五章 航天器空间碎片超高速撞击响应机理研究
5.1 超高速撞击仿真的材料模型构建
5.1.1 状态方程
5.1.2 材料本构模型
5.1.3 材料失效准则
5.2 超高速撞击仿真的几何模型构建及条件约束
5.3 超高速撞击仿真实验及结果分析
5.3.1 超高速撞击信号传播过程仿真及分析
5.3.2 超高速撞击损伤过程仿真及分析
5.3.3 超高速撞击信号特征分析
5.4 小结
第六章 基于FBG传感系统的超高速撞击定位实验验证
6.1 超高速撞击实验装置
6.1.1 超高速弹丸发射装置
6.1.2 靶件及弹丸装置
6.1.3 信号解调与采集
6.2 基于ELM的撞击源区域定位技术
6.2.1 ELM区域定位原理
6.2.2 特征提取
6.2.3 ELM区域定位方法模拟测试
6.2.4 基于ELM网络的超高速撞击源区域定位
6.3 基于几何传感阵列模型的时差撞击源定位技术
6.3.1 几何传感阵列定位原理
6.3.2 时差定位方法模拟测试
6.3.3 基于菱形传感阵列的超高速撞击源定位
6.4 小结
第七章 总结与展望
7.1 论文总结
7.2 展望
参考文献
致谢
作者简介
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于机电阻抗与超声导波综合技术的复合材料板损伤定位[J]. 刘增华,曹瑾瑾,吴斌,何存富. 北京工业大学学报. 2018(05)
[2]航天器有效载荷分布式测试系统设计与实现[J]. 马萍,李峰,唐卫华,于喜河. 电子测量技术. 2018(03)
[3]空间碎片的防护、监测和建模[J]. 龚自正. 太空探索. 2018(01)
[4]基于菱形光纤布拉格光栅传感阵列的声发射定位技术[J]. 吕珊珊,耿湘宜,张法业,肖航,姜明顺,曹玉强,隋青美. 红外与激光工程. 2017(12)
[5]基于FBG动态应变监测的金属结构损伤识别方法研究[J]. 黄博,白生宝,宁宁,杨宇,肖迎春. 航空制造技术. 2017(19)
[6]基于小波的蜂窝板面超高速撞击声发射信号损伤特征提取[J]. 刘源,庞宝君,迟润强,曹武雄,张志远. 爆炸与冲击. 2017(05)
[7]航天器智能结构与先进传感技术[J]. 耿胜男,冯辉,王星来,冯敏洁,王锋. 遥测遥控. 2017(05)
[8]基于morlet小波与模态分析的突发型声发射源定位研究[J]. 王少锋,刘朋真,王道瑞,王建国. 传感技术学报. 2017(08)
[9]MOS电容型微小空间碎片探测器探头研究[J]. 郝志华,向宏文,蔡震波,王金延. 航天器环境工程. 2017(03)
[10]基于光纤光栅的冲击激励声发射响应机理与定位方法研究[J]. 张法业,姜明顺,隋青美,吕珊珊,贾磊. 物理学报. 2017(07)
博士论文
[1]基于声发射的典型结构空间碎片撞击在轨感知技术研究[D]. 张凯.哈尔滨工业大学 2015
[2]航天器桁架结构中高频抖动动力学分析与主动控制研究[D]. 王有懿.哈尔滨工业大学 2014
硕士论文
[1]基于碎片云特性的航天器空间碎片撞击易损性分析[D]. 翟家跃.哈尔滨工业大学 2016
[2]航天器测试进度管理系统的设计与实现[D]. 田园.哈尔滨工业大学 2016
[3]基于模态声发射的平板超高速撞击损伤模式识别技术[D]. 常志中.哈尔滨工业大学 2014
[4]基于声发射技术铝合金平板超高速撞击损伤模式识别方法[D]. 郑钦敏.哈尔滨工业大学 2013
[5]基于极限学习机的AUV决策控制系统的研究[D]. 宋超.中国海洋大学 2013
[6]基于机器视觉的应变测量技术研究[D]. 卢炳奇.济南大学 2013
[7]表面粘贴式FBG传感器应变传递机制研究[D]. 邱野.上海交通大学 2012
[8]基于PVDF压电传感器的空间微小碎片探测系统规划研究[D]. 张庆志.中北大学 2012
[9]二级轻气炮内弹道仿真研究[D]. 冯福全.南京理工大学 2008
[10]基于机器视觉的材料真应力—应变测试技术研究[D]. 高军.哈尔滨工业大学 2006
本文编号：3642785
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