使用用于嵌入式光纤的复合UAV翼的瑞利后向散射系统的应变监测
关键字：嵌入式光纤，无人机，应变监测，分布式感应系统
概述：这项研究的主要目的是评估复合无人机的应变能力，其中连接有瑞利后向散射分布式感测系统的嵌入式光纤。本研究报告总结了无人机组合仪表中使用的制造工艺。此外，开发了一种有限元模型，以便在静态和动态载荷条件下验证复杂结构的应变分布。应用测量数据作为验证手段的应用是本研究的一部分。结果表明，分布式传感系统能够在单个非光栅纤维上获得复杂而准确的应变分布。此外，这些发现证明了系统在动态负载测试案例中捕获精确应变曲线的当前局限性。
介绍：纤维增强聚合物（FRP）复合材料在航空航天工业中稳步发展。复合材料的使用逐渐增加到主机架结构中。增加使用复合材料的优点之一是它们的强度和刚度，其转化为减轻重量，同时保持或改善飞行器的结构性能。尽管有这些进步，但与其金属相比，复合材料的加载行为和损伤演化仍然缺乏经验。为了防止这种不确定性，通常采用更高的设计安全系数或者增加检查来确保足够的安全性。
增加对复合结构的受力行为和缺陷的理解，确定特定结构内的精确受载应变的能力，从而增加安全性的。复合材料的性质及其制造可能引起制造异常和缺陷，导致成品结构内复杂的载荷再分配。能够将复合故障与这些局部应变再分配相结合，局部损伤状态和全局负载是提高我们对结构健康的理解的必要步骤。为了更好地了解结构的健康将需要：（1）开发能够识别和量化可能导致有关结构性能变化的损害的传感系统（安装或嵌入式）（2）开发可以验证传感器在不同操作条件下产生的信号有效性的技术（3）能够处理大量数据的数学算法和系统，以量化测量参数的趋势（4）最有可能是最具挑战性的一步，就是在不同的运行条件下，由于疲劳导致的对损伤增长的全面理解的发展。
结构健康监测（SHM）被定义为“从车载传感器获取和分析数据以评估结构健康的过程”。结构的承载能力的变化可以表明结构的健康状况的变化。航空航天界正在考虑使用SHM，以便在关键部件上实施基于状态的维护（CBM）方法。SHM的最终目标是确定和量化损伤。不幸的是，许多SHM技术由于未解决的条件，例如：（1）传感器的可靠性不足和获得的测量的不确定性，尚未得到广泛接受。（2）认证机构对SHM系统实施的要求（3）除了生成这些POD曲线所需的相关成本外，飞机特定位置的特定传感器网络缺乏检测概率（POD）曲线。（4）对环境操作条件（EOC）和结构几何复杂性对许多SHM系统准确地检测和定位损坏的能力的影响缺乏了解。
在无人机（UAV）的发展上，由于复合材料在这些结构上的使用越来越多，因此有必要了结构健康和载荷监测。无人机在许多情况下与传统商用飞机或战斗机相比，载荷和飞行的历史背景不足。在航空航天工业中，通过使用运行负载监测（OLM）技术，利用基于飞行参数的方法和传统的应变计（SGs）传感器来评估关键部件的负载监测。这些方法从船载加速度计和陀螺仪获取的飞行状态数据。加速度计和陀螺仪数据结合传递函数用于将飞行机动和关键航空航天结构的应变数据相关联。这些OLM只能提供全局负载状态，而SG可以提供局部应变数据。
许多研究人员考虑了光纤传感器在复合结构中的嵌入及其对结构性能的影响。通过测试具有和不具有光纤传感器的等效样品，各种研究得出结论，机械结构性能（强度，应变能释放速率等）没有负面影响。然而，其他研究者提出了局部效应的证据，如传感器周围的材料松弛和较高的应力集中。对嵌入复合结构中的纤维的存在的影响取决于几个因素：铺层顺序，厚度，材料基体和纤维类型。除了对结构性能的影响外，嵌入过程还存在一系列相关的制造问题。光纤传感器在复合结构中的嵌入主要是在复合织物放置过程中作为手动操作进行的，增加了仪器结构的成本。这种手动嵌入程序的积极成果是复合材料和光纤传感器之间实现的更大的凝聚力。
许多研究人员集中精力使用光纤布拉格光栅技术，也称为离散感测系统。然而第二代光传感系统，称为分布式传感系统（DSS），用于应变/温度监测应用。DSS具有能够沿着没有光栅的商用光纤传感器获得应变/温度测量的主要优点。DSS技术基于Rayleigh，Raman反向散射的原理，它们是通过在光纤芯内传播的光子的不同类型的相互作用产生的，从而产生不同波长的后向散射。DSS利用由纤维材料的固有特性（干涉数据）产生的光反射，然后用它来计算应变和温度的变化。每个纤维在非应变状态下具有特定的局部几何形状或杂质分布，从而提供参考反向散射曲线。当外部应变或者温度场作用在纤维上时，纤维的局部折射率受到影响。因此，应变或温度场引起不同的反向散射曲线。比较基线和应变曲线，可以将差异转化为应变和温度测量的变化。
本研究中使用的DSS瑞利后向散射系统由光频域反射计（OFDR）组成，用于分析局部反向散射光强度（干涉数据）。OFDR由可调激光源，快速傅立叶变换（FFT）分析仪，示波器和照相接收器组成。OFDR连接到没有光栅的光纤线路。光纤线路连接到被评估的结构。在频域收集干扰数据，并通过FFT分析仪进行分析。然而，干扰数据的子集用于确定测量和基线频谱之间的互相关。测量和基线频谱之间的这种比较用于确定瑞利散射图中是否存在与应变变化成比例的频移。
尽管如此，目前的DSS光纤数据采集系统体积庞大，在日常使用和无人机负载监控操作方面存在很大的局限性。此外，由于可以收集和处理的压倒性数据量，信号处理可能是具有挑战性的。利用罗利后向散射DSS，可以以最大采集速率23.8Hz，或每100mm长度高达10米长的10米光纤每1.25毫米监测一个应变或温度点。
由于文献中可用的UAV载荷谱不足，使用DSS技术可以更好地了解UAV结构承受的典型载荷谱，从而为航空当局提供有关UAV的未来商业用途的必要信息。
将技术应用于实体结构中仍有许多未解决的问题。本文在无人机翼结构的背景下探讨了这些问题。本文研究了用于确定应变和分辨负载的瑞利后向散射光纤传感系统的能力。本研究着重于将该技术应用于实际结构，包括制造期间嵌入传感器的挑战，制造后对传感器的性能进行鉴定/验证，以及代表典型飞行的动态负载下的嵌入式传感器的性能加载场景。此外，除了仪器化的机翼原型，还制造了第二台非仪器机翼，以研究光纤对结构性能的影响。这项工作的目的是确定并突出显示技术成功应用于UAV结构实时负载监测的具体挑战。这项研究的主要科学目标是调查瑞利后向散射在静态，准静态和动态载荷条件下的应变测量的能力，利用嵌入在复合无人机中的光学传感器。最后，开发了一个有限元法，旨在模拟和预测机翼结构性能，并协助研究团队验证实验结果。
翼设计概念
名为蜻蜓的串联无人机的前翼是选择用于集成光纤（OF）传感器的结构，以确定瑞利后向散射负载监测系统的能力。无人机的初步设计是在代尔夫特理工大学航空航天工程学院开发的，具有飞机配置，副翼位于前翼，如图1所示。
图一：蜻蜓无人机的插图
这个工作的机翼和飞机的相关几何特征如表1所示。从UAV对称平面的机翼顶视图草图如图1所示。2，说明副翼的尺寸和位置以及伺服机构切断。
表1：主要蜻蜓几何特征
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无人机估计质量 |
10.9kg |
副翼 |
Eppler582 |
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前翼翼型 |
Eppler582 |
副翼跨度 |
0.475m |
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前翼跨度，b |
2.55m |
内副翼位 |
0.77m |
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前翼和弦，c |
0.1475m |
副翼弦 |
0.061m |
图2.具有相应应变计（SG）的数字和位置在特定翼展的光纤布局（测量以mm为单位）。翼长约为1300mm，弦长约150mm
机翼结构由高刚度泡沫芯和由单向碳纤维（UDCF）和E-玻璃织物（EGW）层制成的复合外皮层压板组成。以机翼长度作为参考方向，皮肤层压板（从吸力到压力表面）：plusmn;45°EGW，0°UDCF，芯，0°UDCF，plusmn;45°EGW。为了定义有限元模型中的材料行为，在德尔夫特航空材料和结构实验室（DASML）进行了泡沫和复合材料外壳的彻底的结构表征。所采用的测试程序和标准的详细描述可以在[29]中找到。获得的性质和商业成分材料名称列于表2和表3。
表2：机械性能泡沫芯（T型拉伸，压缩）
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泡沫：AirexR82reg; |
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? |
V |
?? |
?? |
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? |
|
99.7??? |
0.4 |
2.6??? |
3.1＊104?? |
minus;1.4??? |
31.4MPa |
表3：复合皮肤的机械性能（T型张力，C型压缩）
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复合皮肤：UDCFUDOCST300/300碳EGWHexForce7581Hexcel |
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?? |
??? |
??? |
??? |
?? |
??? |
|
72.9??? |
0.3 |
1190??? |
1.4∙104?? |
10.8??? |
132??? |
|
??? |
??? |
??? |
??? |
??? |
??? |
|
1.9∙104?? |
403??? |
0.98∙104?? |
178.3??? |
2.1∙104?? |
4.3??? |
翼制造和光纤传感器嵌入
无人机翼制造规模。使用CNC铣床制造泡沫芯的翼型。在加工后，由于其闭孔性质，芯片不需要密封步骤。在加入玻璃纤维织物之前，碳复合层覆盖在芯上。接下来，将OF穿过机翼表面，并使用相同的环氧树脂局部固定在适当位置，后者将用于注入整个机翼。OF集成过程是基于以下文献来源定义和实现的[28,30,31]。OF的入口和出口部分都用特殊物质保护，以便在这些关键位置保护感测纤维。随后将玻璃织物层覆盖在机翼上，将纤维包埋在碳和玻璃层之间。机翼被真空袋盖住，密封，保护OF连接器和出口点。在连接器周围产生辅助真空袋，以在其周围产生真空，从而避免在输入过程中通过连接器进入机翼的任何空气。浸渍过程之后，在室温（20℃）下固化24小时，然后在80℃固化6小时。最后，取出真空袋，并对前缘和后缘进行砂磨以除去任何过量的环氧树脂。
在机翼中的OF的路由在图1中定义。出现在升降机翼中的弯曲载荷通过沿翼展的正应力进行，并通过纵向放置的纤维段进行监测。横向方向虽然比纵向方向负载小，但承受扭转载荷，并且也考虑到这种光纤布局。将横截面放置在不同的翼横截面（如图2所示的部分1至5）。最后，为了评估由于载荷引导的对准问题引起的扭转的存在，在无人机翼翼的不同部分也设有45°倾斜段。OF连接器和终端都在图2中示出。2为点1.OF传感器的连接器端通过LC/APC连接器连接到光频域反射计，如图3所示。
图3.带有LC/APC连接器和表面安装应变仪的蜻蜓UAV翼
还制造了没有OF传感器的二次和等效的非仪器化翼型原型。制造过程遵循相同的程序（树脂浸渍和固化参数）。
实验设置和测试案例
为了验证OF集成传感器的能力，并有助于FEM的验证，包含OF的试验机在仪器的吸入面上焊接了13个应变计，如图1所示。使用10kN疲劳
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