应用于等离子减阻的光纤光栅测力天平实验研究

李国文, 王建明, 杨 波

(1. 沈阳航空航天大学 航空航天工程学部, 辽宁 沈阳 110136；2. 大连海事大学, 辽宁 大连 116026)



应用于等离子减阻的光纤光栅测力天平实验研究

李国文1, 王建明1, 杨 波2

(1. 沈阳航空航天大学 航空航天工程学部, 辽宁 沈阳 110136；2. 大连海事大学, 辽宁 大连 116026)

针对等离子减阻研究中使用高压放电的强电场对普通应变天平信号产生干扰的问题,利用目前光纤光栅可以在强电场环境中稳定工作特点,设计并制作了一台以光纤光栅作为应变计的天平。经校准以及温度修正天平的精度可以满足使用要求。进行了飞机标模对比验证实验,实验数据比较吻合。在等离子减阻研究测力实验中与常规测压方法得到的数据进行了对比,结果表明该技术可以应用于天平,进行航空航天测力方面的实验研究。

测力天平; 风洞测力; 光纤光栅; 等离子体

国内外有关资料表明,21世纪最具有发展潜力的航空技术之一为主动控制技术。目前对于流动控制有多种方法,如在航空叶片的吸力面前缘采用沟槽、吸气以及声激励措施,达到减阻增升的目的。但这些流动控制措施结构复杂,甚至有的严重破坏了机翼结构强度。随着等离子体技术的出现,可以在飞行器表面覆盖等离子体,通过激励电压、频率、相位以及电极分布的控制,可以有效地控制等离子体内的电子密度以及等离子体的运动方向和流向，从而影响边界层里中性粒子的速度和附着能力,使飞行器机体表面流场发生改变,改善飞行器机翼后缘和表面的流动状态,实现飞行器的减阻,提高飞行器的气动性能。

实验测量方法一般包括表面压力测量、定性的流动显示观察分析、天平测力等。然而在高电压电场下,普通航空应变天平输出的微弱信号已经被等离子电场湮没,信号严重失真。考虑到光纤光栅技术的发展,以及光纤光栅传感器不受电场的影响[1-3],本文采用光纤光栅代替普通的应变片作为天平的敏感元件。据国内外资料表明,受等离子电场影响,等离子减阻研究领域使用天平直接进行测力实验还存在着诸多问题。一般采用表面测压法以及计算机模拟计算等。因此光纤光栅天平的研制解决了此类实验的瓶颈,拓宽了等离子减阻研究的方法和手段,在航空航天其他研究领域也有应用价值。

1 光纤光栅传感技术原理

光纤光栅传感器技术是20世纪70年代随着光纤技术和光纤通信技术的发展而迅速发展起来的传感器技术,它代表了新一代传感器技术的发展趋势,具有“传”“感”合一的特点[3]。它是利用光纤对某些特定物理量敏感的特性,将外界物理量转换成可以直接测量的光信号的技术。光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性变化的一种无源器件,只对特定波长的光具有反射作用,其他光无损耗地透过。

光纤布拉格(Bragg)光栅(FBG)是最普遍的一种光栅,是一段折射率呈周期性变化的光纤,其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。FBG光纤光栅结构及反射、透射光谱见图1。根据耦合模理论,FBG的光栅方程为

(1)

式中,λB为FBG的反射波中心波长(Bragg波长)，neff为光纤光栅的有效折射率，Λ为光纤栅距。

应力、温度等任何扰动都可能引起neff和Λ的变化,从而使光栅的中心反射波长发生漂移。当FBG发生微小应变时,Bragg波长会发生漂移。

图1 光纤光栅结构及反射、透光谱

光纤光栅的温度灵敏度系数约为10 pm/℃,目前品傲光电科技的光纤光栅传感网络分析仪的测量分辨

率为1 pm,绝对精度为±3 pm。因此,未经过封装的光纤光栅直接用于温度测量时其温度分辨率为0.1 ℃左右，应变灵敏度系数约为1.2×10-9m/e(e为单位应变),经过封装的光纤光栅直接用于应变测量时其应变分辨率为0.83 me左右(即可以探测8.3×10-7的应变变化)[3],因此对于天平测力分辨率和精度可以满足。

2 天平设计

常规天平的敏感元件使用应变片,但在本课题中产生等离子体需要高压电离正负极间的气流,普通的敏感元件会在高压放电的电场中受到严重的干扰,无法得到正确的应变信号。从课题研究出发,测量模型的气动力需要抗干扰强的敏感元件代替常规应变片,因此采用光纤光栅作为天平变形的感受元件,设计了一台光纤光栅天平,主要针对等离子减阻应用方面的研究[4-5]。天平结构[6-7]见图2。

图2 天平结构

3 光纤光栅的粘贴及天平校准

3.1 光纤光栅的粘贴

光纤光栅传感器的粘贴和普通应变片的粘贴大不相同。从图1可以知道光纤光栅传感器有内外双层结构，内层为石英玻璃纤维,在长度为6～10 mm纤维上利用光衍射的方法刻上数以万计的条纹,用以作为敏感元件；外层为保护胶制层(包层)。粘贴时先轻微地去掉光栅两侧的保护胶层,使用特殊的固定胶,把其两端粘贴到弹性体上,经烘干处理后方可使用。为满足测量要求,在天平弹性体元件外侧共安装了12只光纤光栅应变计,在忽略弹性变形的轴根部粘贴温度补偿光纤,共计13根光栅,具体布置如图3所示。

图3 光纤光栅应变计粘贴位置

3.2 光纤光栅天平的校准

在完成设计、加工、光栅粘贴和测量线路的连接等工作后,光纤光栅天平必须进行校准。光纤光栅天平校准是模拟天平的实际工作状态(包括受载情况和工作环境)对光纤光栅天平进行标定。由于光纤对温度具有敏感的特性,为此首先对光纤光栅天平进行温度特性效应实验。利用可调温度的恒温箱进行,以便进行温度修正。温度修正光纤对0号栅,由于天平使用环境是在室温条件下,因此温度t修正范围为15～25 ℃。由图4可以计算出1 ℃对应中心波长λ变化大约为9.82 pm,符合理论计算要求。天平的静校采用多元校,利用最小二乘法求取天平公式系数,在考虑温度修正的情况下得到天平校准系数。天平的校准准度见表1，表中Y为升力，Z为侧力，Mx为滚转力矩、My为偏航力矩、Mz为俯仰力矩。

图4 光栅温度效应曲线

项目YMzMxZMy绝对误差δ0.3370N0.0157N·m0.0093N·m0.1315N0.0199N·m相对误差σ/%0.210.230.200.230.27极限误差3σ/%0.630.700.590.650.79

4 标准模型实验

实验采用DBM-4041标准模型,为全钢制模型,模型比例1∶3。该模型是国际、国内通用的低速风洞标准模型,具有气动力在较大雷诺数范围内变化不敏感的优良特性,而且有国内外多个风洞的实验数据可作比较参考。主要参数见表2。

表2 标准模型参数

实验采用沈阳航空航天大学的DFD低速闭口回流风洞,风洞主要性能参数见表3(表中Cp为压力系数)。

实验得到的应变天平和光纤光栅天平的数据对比见图5和图6(图中α为攻角、CL为升力系数、CD为阻力系数)。由图6可以看出，2种天平的精度相近,只是测量阻力时光纤光栅天平与应变天平测量有一定的误差,但其测量的实验数据还是可以值得信赖[8-9]。

表3 风洞参数

图5 CL-α关系曲线

图6 CD-α关系曲线

5 翼型等离子减阻实验

图7为等离子体激励器布局。实验在大连海事大学环境工程研究所低速回流式风洞中进行,实验段尺寸为0.2 m×0.2 m×0.6 m,风速范围为5～105 m/s,流场品质良好。实验测量翼型为NACA0015翼型,光解调器为武汉光科生产的型号为BGD-16M光纤光栅解调器,用于光纤光栅波长信号解调与数据读取。波长范围为1 285～1 325 nm,分辨率为1 pm。用户软件采用VB程序编写。

图7 等离子体激励器布局

经实验发现，输出电压峰峰值Vp-p=12 kV、频率f=10 kHz时,控制效果较为理想,故以下实验均采用此电压和频率。

图8和图9表明:在有无等离子时,光纤光栅天平测量的气动力稳定,不受其高电场的干扰，并且加载等离子体有效地改变了翼型的气动性能,光纤光栅天平可以测量出其中的变化,光纤光栅天平精度满足测量的要求。图10为光纤光栅天平测力与同期测压实验数据对比,两种方法数据基本吻合,充分验证了光纤光栅天平数据的可靠性。因此光纤光栅天平设计合理,可以应用于各种航空测力以及强干扰环境[10-12]。

图8 有无等离子体激励时cL随α变化

图9 有无等离子体激励时cD随α变化

图10 测力和测压cL随α变化对比

6 结论

针对目前光纤光栅技术的发展及航空航天测力实验要求,本文设计了一台以等离子减阻研究为目的的光纤光栅天平。光纤光栅天平设计考虑到了光纤传感器与常规应变片的区别,并且对光纤的温度敏感特性加以考虑,并在光纤光栅天平使用中进行了温度修正。通过风洞等离子减阻测力实验,光纤光栅天平可以对其进行定量的测量,与常规测压方法数据基本吻合。因此,本文设计的光纤光栅天平可以应用于航空航天测力实验,并且随着设计方法及修正方法的改进,其应用有广泛的前景。对于同种结构与常规应变片天平对比需要进一步研究。

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Fiber grating measuring force balance manufacture application for drag reduction of plasma

Li Guowen1, Wang Jianming1, Yang Bo2

(1. Faculty of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China；2. Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Aim at using high voltage discharge in plasma reduction drag, there are some problems on strong electric field interferential general strain gauge signal. Fiber grating sensor may stably work in the strong electric field environment. The balance of fiber grating strain gauge is designed. By adjustment and temperature correction, the precision of balance may satisfy the using demand. In the experiment of plasma reduction drag, the data are identical with the general measurement pressure method. Experimental results indicate that the technology may be applied for balance, progressing experimental study on aviation and spaceflight measurement force.

force balance; wind tunnel measurement force； fiber grating; plasma

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.022

仪器设备研制与应用

2016-05-05

国家自然科学基金项目(600801010)

李国文(1978—)，男，河北唐山，硕士，工程师，研究方向为流体.

E-mail：25402620@qq.com

TP715.1

A

1002-4956(2016)11-0089-05