光纖光柵傳感器在固體推進劑內部應變測量中的試驗研究①

張 燾,張衛平,張 浩,卞賀明,劉 偉

(1.中國航天科工集團有限公司六院四十一所，呼和浩特 010010；2.天津大學，天津 300354；3.中國航天科技集團有限公司九院十三所，北京 100094)

0 引言

藥柱是固體發動機的重要組成部分，在發動機全生命周期過程中易受到外部環境影響，是發動機的薄弱環節，固體發動機藥柱的應力應變是影響發動機裝藥結構壽命的主要因素[1-3]。現階段，固體推進劑藥柱應變變化規律主要通過藥柱表面應變測量與仿真計算藥柱內部應變相結合的方式獲得，缺少對藥柱結構內部應變的可靠監測手段。國外學者Christos Riziotis、Ludwig Eineder等[4]和國內的陳濤[5]在固體推進劑試件內部植入聚合物光纖(POF，Polymer Optical Fiber)結構，并開展相應的拉伸試驗，試驗表明固體推進劑試件的應變與POF的光學響應之間存在一致性[6]，這為固體推進劑內部應變的測量提供了一種新的思路。但POF傳感器所測得的物理量為任意一段光纖傳感器所處位置的平均值，測量精度較差，而FBG傳感器定位更加精準、測量精度更高。

FBG傳感器具有體積小、質量小、空間分布簡單、抗干擾及環境適應能力強等優點[7]，其在結構健康監檢測與損傷診斷中應用廣泛，對結構損傷與破壞的提前預警、損傷位置與損傷程度長期監測有著獨特優勢[8-9]。近年來，FBG傳感器被大量應用在橋梁建筑、航空航天、船舶和電力等領域，實現橋梁結構、電力電纜的健康監測和飛機、船舶結構壓力、溫度、振動等信息的監測[10-11]。在固體火箭發動機行業，FBG傳感器對復合材料結構損傷與缺陷的快速實時檢測、對發動機尾焰溫度與壓力的測量等方面已有研究[11-15]；在發動機藥柱內部應變測量方面，由于FBG傳感器與固體推進劑的彈性模量、伸長率等力學性能相差巨大，難以直接應用[5]。

基于FBG傳感器感知技術，本文通過開展內埋FBG傳感器固體推進劑試件拉伸、壓縮試驗，獲得內埋FBG傳感器固體推進劑內部應變變化規律，驗證了FBG傳感器對固體推進劑內部應變測量的可行性，為FBG傳感器用于固體發動機藥柱內部應變監檢測提供支撐。

1 植入式FBG應變傳感器研究

1.1 內埋FBG傳感器增敏結構的確定

當FBG應變傳感器的變形與被測材料的變形保持一致時，傳感器的應變值才能真實地反映結構基體的應變[15]。現有的FBG模量較大(一般為50～70 GPa)[16]，而固體推進劑模量較小(一般為幾到幾十MPa)，由于模量匹配性不好導致兩者協調變形性較差[14]，固體推進劑的變形無法100%傳遞給傳感器，傳感器的測量值不能真實地反映推進劑的真實應變。本文用應變傳遞效率(簡稱“傳遞效率”)來表征應變測量值與被測對象真實應變之間的關系，傳遞效率=(測量值/真實值)×100%。

為了提高FBG傳感器與固體推進技的變形協調性，從而提升FBG傳感器對固體推進劑內部應變測量的傳遞效率和可靠性，需要研究一種增敏方法。根據FBG傳感器的特性，在FBG傳感器兩端設計與之剛性連接的固定小球。通過小球感知基體的位移變化，并將變形量傳遞到傳感器，從而增加對柔性材料應變變化的敏感程度及測量精度。由于測量期望獲取的應變值為試件中被測具體位置的應變值，因此在增敏小球兩端增加免應力套管(φ0.6 mm的聚四氟乙烯套管)，避免試件中沿光纖的材料應變對光纖產生拉伸或壓縮作用，影響測量精度與效率。FBG傳感器增敏結構如圖1所示。

圖1 FBG應變傳感器增敏結構示意圖Fig.1 Structure diagram of FBG strain sensor

本研究采用的FBG應變測量傳感器及解調儀由中國航天科技集團公司第九研究院第十三研究所提供，傳感器的工作溫度為-60～100 ℃，解調儀為采樣率100 Hz的4通道低頻光纖光柵解調儀。

1.2 增敏小球尺寸確定

開展數值分析為FBG傳感器結構及試件結構的設計提供參考，并初步探索不同尺寸增敏小球的增敏效果。本文采用ANSYS Mechanical軟件對植入FBG應變傳感器的固體推進劑試件拉伸及壓縮試驗進行數值仿真，獲得無增敏球和帶有φ2.0 mm、φ3.0 mm、φ4.0 mm增敏小球的FBG應變傳感器在拉伸和壓縮狀態下的傳遞效率，見表1。數值分析采用子模型法，采用8節點SOLID186單元劃分網格，建立全模型和子模型，先對全模型進行分析，再將全模型的計算結果插值到子模型的切割邊界，最后計算子模型。子模型中最小網格尺寸0.02 mm。增敏小球和光纖光柵傳感器采用線彈性模型，固體推進劑采用基于應力松弛模量主曲線測試擬合后獲得的Prony級數模型來表征其粘彈性。

數值計算結果表明，隨著增敏小球直徑的增大，試件受力拉伸變形和壓縮變形時的傳遞效率越高。結合固體推進劑的力學特性及數值仿真結果，設計了4種傳感器結構，分別是無增敏球和帶有φ2.0 mm、φ3.0 mm、φ4.0 mm增敏球的FBG應變測量傳感器，用于植入固體推進劑試件實物內部。

表1 不同增敏尺寸拉伸、壓縮狀態傳遞效率仿真結果Table 1 Simulation results of transfer efficiency in tensile state and compression state with different sensitizing sizes

2 內埋FBG傳感器固體推進劑試驗

試驗分為拉伸試驗和壓縮試驗。在不破壞光纖傳感器的情況下，針對4種傳感器結構開展不同加載速率(2.0 mm/min和20.0 mm/min)的拉伸和壓縮試驗，獲取不同增敏尺寸光纖傳感器的應變測量性能。共進行了8組試驗，每組有4個平行試樣。

2.1 試驗設備

試驗采用WDW-10微機控制電子萬能試驗機，見圖2。該型試驗機試驗力范圍0.04～10 kN，位移分辨率0.001 mm，位移加載速率0.005～500 mm/min，工作溫度10～35 ℃，濕度20%～80%。

(a)Universal testing machine

(b)Tooling for tensile test (c)Tooling for compression test圖2 試驗設備Fig.2 Test equipment

2.2 固體推進劑試件結構設計

參照GJB 770B—2005《火藥試驗方法》并結合傳感器埋設的要求，設計內埋FBG傳感器的丁羥三組元固體推進劑拉伸和壓縮試件。拉伸試件形狀為啞鈴狀，尺寸為370 mm×110 mm×70 mm；壓縮試件為110 mm×110 mm×110 mm的正方體。在試件內部中間位置沿軸向布設FBG傳感器，并從試件兩端引出，試件形狀、尺寸示意圖見圖3所示。

2.3 拉伸試驗

2.3.1 慢速拉伸加載

在拉伸件慢速加載試驗中(2.0 mm/min)，如圖4(a)所示，隨著增敏小球直徑的增加，在相同時刻應變傳感器測得的應變值越大。隨著增敏小球直徑增加，FBG傳感器的傳遞效率逐漸增加，φ3.0 mm和φ4.0 mm增敏結構傳遞效率最佳，如圖4(b)所示。

(a)Strain-time (b)Transfer efficiency-time圖4 不同增敏尺寸慢速拉伸試驗曲線Fig.4 Curves of slower speed tensile test of the specimen with different sensitizing sizes

2.3.2 快速拉伸加載

在拉伸件快速加載試驗中(20.0 mm/min)，如圖5(a)所示，隨著增敏小球直徑的增加，在相同時刻傳感器測得的應變絕對值越大。隨著增敏小球直徑的增加，FBG傳感器的傳遞效率逐漸增加，如圖5(b)所示，φ3.0 mm和φ4.0 mm增敏結構傳遞效率最佳。

(a)Strain-time (b)Transfer efficiency-time圖5 不同增敏尺寸快速拉伸試驗曲線Fig.5 Curves of faster speed tensile test of the specimen with different sensitizing sizes

2.3.3 試驗結果分析

由于試件表面存在缺陷，加載初期試件不能與試驗系統的加載工裝均勻、緊密配合，導致試驗過程前段傳遞效率波動較大，故在拉伸試驗慢速加載中計算傳遞效率時，以40 s后趨于穩定的各傳感器的傳遞效率求平均值；在拉伸試驗快速加載中計算傳遞效率時，拉伸件以10 s后趨于穩定的各傳感器傳遞效率求平均值，不同傳感器類型的拉伸試件傳遞效率平均值如表2所示。

表2 拉伸試件應變傳感器傳遞效率平均值Table 2 Average transfer efficiency of strain sensor for tensile specimen

通過分析拉伸試驗的結果可知：隨著增敏小球直徑的增加，FBG傳感器的傳遞效率增加，本研究選取的傳感器方案中，φ3.0 mm和φ4.0 mm增敏小球FBG傳感器傳遞效率曲線穩定性非常好。

2.4 壓縮試驗

2.4.1 慢速壓縮加載

在壓縮件慢速加載試驗中(2.0 mm/min)，如圖6(a)所示，隨著增敏小球直徑的增加，在相同時刻，應變傳感器測得的應變值絕對值越大，且隨著增敏小球直徑增加，FBG傳感器的傳遞效率逐漸增加，如圖6(b)所示。

(a)Strain-time (b)Transfer efficiency-time圖6 不同增敏尺寸慢速壓縮試驗曲線Fig.6 Curves of slower speed compression test of the specimen with different sensitizing sizes

2.4.2 快速壓縮加載

在壓縮件快速加載試驗中(20.0 mm/min)，如圖7(a)所示，隨著增敏小球直徑的增加，在相同時刻傳感器測得的應變絕對值越大。隨著增敏小球直徑的增加，FBG傳感器的傳遞效率逐漸增加，如圖7(b)所示。對比圖6(b)和圖7(b)可知,快速加載時傳遞效率曲線的收斂性相比慢速加載時較差。

(a)Strain-time (b)Transfer efficiency-time圖7 不同增敏尺寸快速壓縮試驗曲線Fig.7 Curves of faster speed compression test of the specimen with different sensitizing sizes

2.4.3 試驗結果分析

由于試件表面存在缺陷，壓縮試驗加載初期試件不能與試驗系統的加載工裝均勻、緊密配合，導致試驗過程前段傳遞效率波動較大，故在壓縮試驗慢速加載中計算傳遞效率時，以30 s后趨于穩定時的各支傳感器傳遞效率求平均值；在壓縮試驗快速加載中計算傳遞效率時，以5 s的趨于穩定的各支傳感器傳遞效率求平均值，不同傳感器類型的壓縮試件傳遞效率平均值如表3所示。

通過分析拉伸試驗的結果可知：隨著增敏小球直徑的不斷增加，FBG傳感器的傳遞效率不斷增加，本研究選取的傳感器方案中，φ3.0 mm和φ4.0 mm增敏小球FBG傳感器傳遞效率曲線穩定性非常好。

3 結論

本文開展了FBG傳感器在固體推進劑內部應變測量中的應用研究，對預埋FBG應變傳感器固體推進劑試件拉伸和壓縮試驗結果的分析表明：

(1)采用增敏小球結構可以有效地解決FBG應變傳感器與固體推進劑的變形協調性問題，從而大幅提升應變測量的靈敏度和傳遞效率，實現對推進劑內部應變的測量；

(2)FBG應變傳感器在固體推進劑中的傳遞效率與加載方式、加載速率相關。

本文的研究過程和結論可為FBG應變傳感器在固體推進劑內部應變測量中的應用提供參考，但要實現FBG應變傳感器在固體推進劑內部應變測量的大規模工程應用，尚有很多關鍵性難題需要解決，如FBG應變傳感器在測量固體推進劑內部應變時的量程。同時，在固體推進劑內部植入應變測量結構不可避免地對推進劑結構的完整性造成負面影響，因此結合推進劑結構完整性要求確定增敏小球的最佳尺寸也是下一步研究的重點和難點之一。