基于FBG应变花的发射平台行走装置在线监测研究

朱超杰 孝春成 刘砚涛 吴彦增 郝培言 丁文祺

基于FBG应变花的发射平台行走装置在线监测研究

朱超杰1孝春成1刘砚涛1吴彦增2郝培言1丁文祺1

（1北京强度环境研究所，北京 100076；2北京电子工程总体研究所，北京 100854）

作为火箭转运和发射过程中的关键承载部位，行走装置是发射平台结构健康监测的重点关注对象，因此需要在线监测结构关键部位的应变等物理参数。传统的电阻应变花存在传输线路复杂、不抗电磁干扰、长期稳定性差等缺陷，难以适应在发射平台等恶劣环境的应变监测需要。本文基于FBG构造了三向应变花，搭建了行走装置光纤应变监测系统，完成了发射平台转运等过程中的应力监测，同时验证了系统的长期稳定性。系统有效解决了FBG温度补偿和在发射环境下存活的问题，适用于发射平台应力状态在线监测，具备一定的应用价值。

FBG；应变花；行走装置；在线监测

0 引言

活动发射平台是运载火箭发射支持系统中不可缺少的关键设备，随着现阶段火箭发射任务增加和发射间隔缩短，发射平台往往在短期内承担多次发射任务，其长期健康状态和稳定性面临一定的挑战，亟需对其健康状态进行监测[1-2]。行走装置是火箭发射平台的关键部位，在火箭转运、发射等活动中是主要的承载结构，其承载能力直接关系到发射任务的安全可靠进行，监测其应力可以直接反映发射平台的健康状态[3]。

常用的应力检测手段是电阻应变片，在常规试验中得到了广泛的应用。但电阻应变片存在传输线路冗杂、不抗电磁干扰、长期稳定性差等缺陷，越来越难以适应复杂环境的监测需要。火箭发射环境伴随着高温、高湿、高电磁干扰等恶劣条件，对新型检测手段的需求尤其强烈[4-5]。

FBG（光纤布拉格光栅）作为一种新型传感元件，其优异的传感性能被认为十分适用于环境较为严酷的工程测量。与电阻应变片相比，FBG具有抗电磁干扰、长期稳定性强、耐高低温等优点，同时其传感系统线路简单可靠，易于实现准分布式测量，在对环境适应性和系统稳定性要求较高的航空航天等领域具备较高应用价值[6]。但由于封装方式、温度交叉敏感等关键难点存在，FBG在航天工程应用上的发展相对缓慢。现阶段，FBG的主要应用方向为温度和应变测量，而在相关文献中对FBG应变花和应力监测的介绍较为匮乏。

本文从光纤传感原理出发，基于FBG构造了三向应变花，同时分析其温度应变交叉敏感机理，实现了传感器温度准确补偿。在此基础上搭建了火箭发射平台行走装置光纤应力监测系统，完成了行走装置在火箭转运和发射前两个工作状态的应力监测试验。结果表明，系统可以准确获取行走装置应变和温度信息，并计算得到应力数据，并在经历火箭发射环境后保持良好状态。系统的成功应用也对航天工程现场的光纤传感系统搭建方法提供了大量数据和宝贵经验。

1 FBG传感及补偿原理

1.1 FBG传感机理

用特定技术手段对光纤纤芯折射率进行调制后，形成FBG。FBG可以反射特定中心波长的窄带光，其反射波长与应变和温度表现出相关性，因此具有了传感效应。图1为FBG基本传感原理示意图。

在常温环境下，可以认为FBG与温度和应变呈线性关系。式(1)为FBG应变温度传感关系

根据式(1)可知，如果获知了FBG反射中心波长变化量，即可得到温度或应变信息。但由于温度和应变同时影响FBG反射波长，实际应用中需要实现FBG应变温度信息解耦。在应变测试中，温度补偿是主要解耦方法。

图1 FBG传感原理

1.2 温度补偿方法

FBG温度补偿的目标是解耦测试信息中温度引起的那部分影响，以得到应变信息[7]。

1.2.1常用的温度补偿方法

常用的FBG温度补偿方法有参考光栅法、材料块补偿法和解方程法等。

参考光栅法是在应变FBG附近，悬置补偿FBG，补偿FBG仅测量温度变化，用应变FBG与补偿FBG相减即可得到应变引起的波长变化。参考光栅法可以准确测量结构测点部位的温度，但忽略了结构自身的受热膨胀，直接波长相减会带来较大误差，仅适用于温度变化小且变化缓慢的应用场景。

材料块补偿法考虑了结构自身热膨胀，将补偿FBG粘贴在不受力的结构同种材料块上。这种方法考虑了结构本身的受热膨胀，对于温度梯度小的环境具有较好的补偿效果。但在局部温差大的环境，补偿块与测点处温度相差较大，同时会受到大型结构温度迟滞等效应影响，产生较大误差。

解方程法采用不同传感系数的FBG同时粘贴在结构上，但由于当前FBG制造工艺和解调范围的限制，还没有较为成熟的应用。

1.2.2改进的温度补偿方法

本文基于发射平台环境温度变化大、变化快和温度梯度显著的特点，提出了一种改进的温度补偿方法。改进方法FBG布置示意如图2所示。

图2 改进温度补偿方法

使用粘接剂将传感FBG固定在结构测点处，用来感受测点所受应变及温度；将温度补偿FBG穿过毛细不锈钢管后布置在传感FBG附近，以保证两者在同一温度场内。

毛细不锈钢管是保证改进方法准确的关键部件，具有两个重要作用。第一，毛细不锈钢管管壁薄、热传导能力强，可以较为准确感受测点附近温度变化；第二，温度补偿FBG在毛细不锈钢管内处于一端固定一端自由的状态，这种处理可以保证FBG在结构本身受到外力作用时不受到牵引和挤压，确保仅感受温度信息。

将关系式(2)、(4)和(5)联立即可得到，结构测点处的机械应变

改进的温度补偿方法结合了参考光栅法和材料块补偿法的优点，在考虑了结构热应变的基础上，同时保证了补偿FBG和传感FBG处于相同温度场，采用测试与计算相结合的方法进行温度补偿。

2 基于FBG的三向应变花研究

目前，FBG的主要应用场景是温度和应变测量，而在应变测量中以单向应变测量为主，在各类文献中少有对FBG平面应力测量的介绍。

2.1 光纤三向应变花的几种形式

为了保留FBG可以串联的优点，这里讨论的光纤三向应变花均考虑为单根光纤上的布置形式，目前，兼顾了光纤最小折弯半径和计算便利性的应变花形式有三种，直角式、等腰直角式、等边三角式，FBG三向应变花示意如图3所示。

图3 FBG三向应变花

2.2 直角型FBG应变花应力计算

3 行走装置应力在线监测系统

3.1 测点分布

此次在发射平台的西南角行走装置完成了应力监测。行走装置及测点实物图如图4 a)所示。

共布置了十个测点，总计40个FBG传感器，包含30个应变传感器和10个温度补偿传感器（每个测点均有1个补偿测点）。行走装置10个正式测点编号和位置如图4 b)所示，补偿测点未列出。

图4 行走装置及测点示意图

3.2 传感器布置及防护

用于应力监测的FBG为普通聚酰亚胺涂覆的裸光栅，在布置之前，为便于现场布置FBG应变花，预先将4个FBG等间隔熔接到一根光纤上，其中，3个FBG分别为FBG应变花的a向、b向、c向，另一个FBG用于这三个传感FBG的温度补偿。FBG应变花实际布置如图5所示。a向、b向、c向FBG分别呈0°、90°、45°方向排布，由于三根光纤交汇于一点，最上层的FBG与结构之间会有较大间隙，不利于胶层传递应变，因此栅区可以适当远离交汇点。

全部测点的传感器布置完成后，需要对传感器区域及传输光纤区域进行基础防护，以应对机械损伤和发射场台风、高温高湿等气候环境。同时也要考虑热防护，提高系统在发射时高热流冲击的环境下存活的概率。图5为传输线路防护实物图。

传感器区域是重点防护对象，本文采用了三层防护策略，最内层涂覆硅橡胶，作为与外界硬物的缓冲层，中间层为玻璃丝带，增加防护层的韧性和防热能力，最外层为高温胶带层，进一步增加防热冲击的能力，同时也确保传感器区域不受雨水等冲击。传输光纤区域使用套管加硅橡胶的方式，既保证了光纤的固定，也可以增强抗冲击的能力。

图5 FBG应变花及传输线路防护

3.3 测试系统

数据采集设备为2台16通道SI255高速光纤光栅解调仪，通过两台千兆交换机进行数据传送。FBG传感网络通过传输光缆连接到解调设备上，解调设备通过基地光缆连接远端计算机。测量系统原理图如图6a)所示，系统实物图如图6b)所示。

图6 行走装置应力监测系统原理图

4 行走装置在线监测研究

4.1 行走装置在线监测过程

本文搭建行走装置监测系统，完成了星箭组合体运输和状态转换两个过程中行走装置关键部位的应变监测。火箭发射前，发射平台将星箭组合体从组装厂房运输至发射场地；星箭组合体转运至发射场地后，开始状态转换，行走装置抬起，支撑装置落地调平，发射平台进入发射前待命状态。系统在行走装置转运和抬起过程中实时采集并存储10个测点的应变和温度信息，设定好的计算机读取数据并通过温度补偿得到各测点三向应变，最终计算得到应力数据。

4.2 FBG温度补偿

试验中每个测点布置了一个FBG温度传感器来监测测点温度变化量，用于对应变传感器数据的温度补偿。图7为转运过程中，10个测点温度变化量曲线。从图7中可以看出，发射平台转运过程中，各测点温度出现明显的上升趋势，由于受到阳光直射和接近正午光照强度增加等影响，结构受到加热，且各测点温度始终处于上升状态，测试试验后期，结构受到周边建筑物遮挡开始降温，各测点温度开始回落。整个测试过程，各测点受到温度影响，平均升温6℃左右，若光纤光栅温度系数和应变系数分别按10pm/℃和1.2pm/με粗略计算，温度效应将给各测点应变数据带来50με左右的误差。

图7 转运过程中各测点温度变化量曲线

本文采用改进的温度补偿方法，以测点7a为例，测点7a温度补偿前后应变曲线如图8所示。从图8可以看出，随着转运过程的进行，测点7a温度补偿前的应变曲线出现了严重的漂移，与行走装置实际的稳定受力情况不符合。测点7a在补偿前，转运结束时的应变为-60με，相对于转运起始应变-110με增加了50με左右，是由转运过程中温度增加导致。利用本文的改进方法得到温度补偿后数据，测点7a应变曲线在转运过程中保持相对稳定，基本维持在-110με附近波动，符合实际受力情况，消除了温度变化的影响。表明改进温度补偿方法良好的实际效果。

图8 测点7a温度补偿前后应变曲线

4.2.1行走装置转运过程监测

结构的所有测点应变数据均为温度补偿后的结果。转运过程中全部测点应变测试结果如图9所示。

图9 转运过程中全部测点应变曲线

图9中可以看到在转运过程中，行走装置各测点应变数值有一定的波动，但均值处于平稳状态，反映了行走装置运行过程中良好的受力状态。

根据测点处三向应变数据根据2.2节中方法计算得到各测点的主应力数据。图10a）和图10b）分别为全部测点测试过程中最大主应力、最小主应力曲线。

从图10中可以看出，行走装置各测点最大拉应力出现在测点1，平均为108MPa左右，符合行走装置腹板位置受力状态；最大压应力测点7、测点8、测点9和测点10，平均为-95MPa左右，与行走装置四个支撑腿的实际受力状态一致。

图10 转运过程中全部测点应力曲线

4.2.2行走装置抬起过程监测

在行走装置到达发射场后，转换装置开始落地调平，逐渐将平台支撑起来，行走装置被抬起，直至完全脱离地面。行走装置抬起过程中全部测点应变测试结果如图11所示。

从图11中可以看到，在4次抬起动作下，行走装置各测点应变数值逐渐减小。在完全抬起后，行走装置所有测点应变均接近0，与实际受力状态一致。

图12 a）和图12 b）分别为行走装置全部测点在抬起过程中最大主应力、最小主应力曲线。从图12中可以看出，随着结构开始运行，各测点应力逐渐降低，曲线可以明显反应行走装置4个抬起调整过程状态。由于受到温度补偿误差和残余应力等影响，各测点与零状态均有一定程度的偏差，最大偏差不超过15MPa。

图11 抬起过程中全部测点应力曲线

图12 抬起过程中全部测点应力监测曲线

4.2.3系统长期健康监测能力分析

行走装置应力测试系统在建立后，圆满完成了两次发射测试任务。在经历火箭发射后，测试系统在高温、高湿、高风速、强振动和强电磁等恶劣发射环境的冲击下，各测点传感器全部存活，测试性能未受影响。

两次发射前后间隔时间超过6个月，在重新接电后，测试系统可以完整接续测试数据，各测点数据基本与前一次测试保持一致，没有出现明显的漂移现象，展现了良好的长期稳定性。

5 结论

本文建立了发射平台行走装置应力在线监测系统，基于FBG三向应变花，对发射平台行走装置进行了在线监测。在线监测数据准确反映了行走装置在转运和抬起过程的承载状态，为发射平台状态监测提供了依据，给行走装置结构优化提供了数据支持。系统在恶劣发射环境的考验下，成功完成两次发射任务行走装置状态监测，展现了良好的测试准确性和长期监测稳定性，在发射平台长期健康监测领域具有一定的应用价值。

在当前火箭发射频次高、发射间隔短的情况下，发射平台的健康状态监测需求日益明显。行走装置应力监测中的良好应用，为以后发射平台健康监测系统的建立和应用提供了一些方法支持。建议在后续的型号发展中，更多地应用光纤传感等先进测试技术，对平台的关键位置进行多区域、全覆盖状态监测，完善测试手段，积累测试数据，进而建立发射平台长期健康监测系统，为发射平台的状态评估、寿命预测等提供支撑。

[1] 杨艳明. 活动发射平台环境监测系统设计与实现[J]. 测控技术, 2017, 36(12).[Yang Y M. Design and implementation of environmental monitoring system for mobile launching platform[J]. Measurement & Control Technology, 2017, 36(12).]

[2] 吴梦强, 刘海波, 杨喜荣, 等. 运载火箭发射台垂直度调整方法及发展探讨[J]. 导弹与航天运载技术, 2013, 2: 30-34.[Wu M Q, Liu H B, Yang X R, et al. Method and development of launch vehicle launch pad verticality adjustment[J]. Missiles and Space Vehicles, 2013, 2: 30-34.]

[3] 张育林, 吴建军. 液体火箭发动机健康监控技术研究现状[J]. 上海航天(中英文), 2020, 31(1).[Zhang Yulin, WU Jianjun. Research status of the health monitoring technology for liquid rocket engines[J].Aerospace Shanghai(Chinese & English), 2020, 31(1).]

[4] 常新龙, 郭风华, 李进军. 基于FBG传感器的固体火箭发动机结构健康监测技术[J]. 强度与环境, 2006, 33(4). [Chang Xinlong, Guo Fenghua, Li Jinjun. Health monitoring of solid rocket structure based on fiber grating sensing[J]. Structure & Environment Engineering, 2006, 33(4). ]

[5] 潘玉竹, 陈世业, 赵劲彪, 等. 运载火箭发射平台钢架结构强度分析方法研究[J]. 现代机械, 2019, 3: 10-12. [Pan Yuzhu, Chen Shiye, Zhao Jingbiao, et al. The research on the analytical method of steel-frame structure of launch vehicle launch pad[J]. modern mechanism, 2019, 3:10-12.]

[6] 姜德生, 何伟. 光纤光栅传感器的应用概况[J].光电子×激光, 2002, 13(4):420-430.[Jiang Desheng, He Wei. Review of applications for fiber bragg grating sensors[J]. Journal of Optoelectronics/laser, 2002, 13(4): 420-430.]

[7] 魏鹏, 李丽君, 郭俊强, 等. 光纤Bragg光栅应力传感中温度交叉敏感问题研究[J]. 应用光学, 2008, 29(1): 105-109.[Wei Peng, Li Lijun, Guo Junqiang, et al. Cross sensitivity of temperature in fiber Bragg grating strain sensing[J]. Journal of Applied Optics, 2008, 29(1): 105-109.]

分箱.

On-Line Monitoring Research of Launching Platform Walking Device Based on FBG Strain Rosette

ZHU Chao-jie1XIAO Chun-cheng1LIU Yan-tao1WU Yan-zeng2HAO Pei-yan1DING Wen-qi1

(1 Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing, 100076, China; 2 Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854, China)

As the key bearing part in the process of rocket transportation and launch, the walking device is an important object of structural health monitoring of the launch platform. Therefore, it is necessary to monitor the stress and other physical parameters of key parts of the structure on-line. The traditional resistance strain rosette has some defects, such as redundant transmission line, no resistance to electromagnetic interference, poor long-term stability and so on. In this paper, a three-dimensional strain rosette was constructed based on FBG, an optical fiber strain monitoring system of walking device is built, the stress monitoring in the process of transfer of launch platform is completed, and the long-term stability of the system is verified. The system effectively solved the problem of FBG temperature compensation and survivability in the launch environment. It is suitable for on-line monitoring of stress state of launch platform, and has certain application value.

FBG; Strain rosette; Walking device; On-line monitoring

V443

A

1006-3919(2022)02-0001-08

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2022.02.001

2021-06-28；

2022-01-25

国家自然科学基金（12173060）

朱超杰（1992—），男，硕士，工程师，研究方向：光纤传感技术/结构静强度；(100076)北京9200信箱72