星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统及其在星载天线中的预埋方法

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1.本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统及其在星载天线中的预埋方法，可应用于在轨天线实时形变高精度监测领域。


背景技术：

2.在轨星载天线是卫星系统不可缺少的结构，是航天卫星系统的必备监测手段。近年来，随着航天卫星技术的深度发展，对于星载天线长时间运行工况下的高精度健康监测提出了更高的要求。其中，蜂窝板是天线的主要呈现形式之一，是卫星系统的关键件。目前，针对在轨天线实时形变高精度监测是一个亟待解决的技术难题。温度与应变是监测天线板的主要参量。热电偶与应变片的传统测量方法不利于封装及集成，且不适应极端环境的高精度监测，因此需要探索新的传感系统满足轻薄化嵌入型、高测量精度、高采样频率、高可靠性的要求。基于此，本发明提供一种星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统及其在星载天线中的预埋方法以解决上述问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统及其在星载天线中的预埋方法，基于飞秒激光的高精度刻写工艺和光纤分布式封装埋入方法，制作一种适用于在轨天线实时形变及温度的高精度健康监测系统。其具有高集成度、耐高温、抗空间辐射、可实时监测、轻薄化嵌入型的优点。
4.为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：
5.(一)本发明提供一种星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统，包括飞秒激光直接刻写温度参考光纤光栅与测量光纤光栅，所述温度参考光纤光栅与测量光纤光栅分配到一个传感节点中，节点上设置有温度参考和应变测量两类光纤光栅，其中，温度参考光纤光栅不受应变，只对温度敏感；所述温度参考光纤光栅与测量光纤光栅预埋在星载天线的上面板与纸蜂窝之间，利用光纤光栅温度与应变监测系统解调光纤光栅波长变化对应的温度和应变，对星载天线的温度和应变进行实时监测。
6.进一步的，所述温度参考光纤光栅与测量光纤光栅上涂覆有抗空间辐射涂料；以增加传感器件的抗空间辐射效果，保证其长时间工作的稳定性和抗空间辐射特性；
7.(二)本发明还提供了星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统在星载天线中的预埋方法，具体包括以下步骤：
8.s1、在上面板上确定光纤光栅预埋位置以及光纤光栅的数目，光纤光栅预埋位置在星载天线的上面板与纸蜂窝之间；
9.s2、根据步骤s1设定的光纤光栅预埋位置和数目规划光纤布置，在上面板下表面用胶水固定温度参考光纤光栅与测量光纤光栅；
10.s3、将上面板、纸蜂窝和下面板进行热压固定。
11.进一步的，s2中，温度参考光纤光栅与测量光纤光栅在上面板上的固定方法为：先使用胶水将测量光纤光栅的两端固定在上面板的光纤光栅预埋位置，并给予测量光纤光栅栅区一定量的预应变；等待胶水风干后，再用胶水将温度参考光纤光栅的一端固定在光纤光栅预埋位置，其另一端尽量避免受上面板的形变干扰，从而使温度参考光纤光栅不受应变影响。
12.进一步的，s2中，所述温度参考光纤光栅与测量光纤光栅的光纤涂覆层材料均为聚酰亚胺，工作温度范围为-50℃～300℃，机械强度高。此外，在温度参考光纤光栅与测量光纤光栅上涂覆抗空间辐射涂料(氟树脂涂料)，以增加传感器件的抗空间辐射效果，保证其长时间工作的稳定性和抗空间辐射特性。
13.进一步的，s2中，所述温度参考光纤光栅与测量光纤光栅固定在上面板后，移动上面板，使两光纤光栅的栅区与纸蜂窝的正六边形中心位置对应，再将上面板、纸蜂窝和下面板进行热压固定。热压固定后，两光纤光栅的栅区与纸蜂窝的正六边形中心位置对应，从而避免纸蜂窝对光纤光栅造成挤压破坏。
14.进一步的，所述纸蜂窝的截面为正六边形，两平行边之间的距离为2.75mm，为避免两光纤光栅被蜂窝板壁挤压破坏，因此温度参考光纤光栅与测量光纤光栅的栅区长度设定为2mm。
15.进一步的，由于星载天线三层结构在热压成型过程中两光纤光栅容易受到较强剪切力，因此，在所述温度参考光纤光栅的栅区固定套接有保护套管，对栅区进行保护，减少蜂窝板壁对光纤光栅的挤压；所述保护套管通过胶水粘贴在温度参考光纤光栅的栅区位置。
16.进一步的，以温度参考光纤光栅的栅区为圆心，划定一个半径约2cm的圆形不灌胶区，后续固化过程中圆形不灌胶区不灌注固化胶。所述固化胶为星载天线三层结构的粘结剂，设置不灌胶区目的在于防止固化胶对温度参考光纤光栅形成干扰。
17.进一步的，将温度参考光纤光栅的一端固定在上面板时，先将保护套管两端的尾纤交叉在保护套管外围形成一个椭圆环，接着将一端尾纤与上面板粘贴固定，另一端尾纤绕出一个或一个以上小环，以增加温度参考光纤光栅的动态形变范围，最大程度隔离上面板的形变干扰。
18.进一步的，所述纸蜂窝上部开设有深度约为5mm的凹槽，根据预设光纤光栅传感器的铺设位置在蜂窝板上确定凹槽位置，所述凹槽与两光纤光栅的栅区位置对应，当上面板、纸蜂窝和下面板进行热压成型后，凹槽可完全覆盖固定在上面板的两光纤光栅的栅区；所述凹槽内表面设置有耐高温薄膜，以提升光纤光栅传感器安全性。
19.进一步的，所述胶水为环氧树脂胶，能耐高温，室温下经过48小时后仍然能够保持粘性。
20.本发明的有益效果：
21.(1)本发明提供星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统，将定制的阵列光纤光栅埋入天线材料内部，实现对星载天线在线监测和积累数据，增大了传感器对应变的传递效率，且增强了对光纤光栅传感器的保护；
22.(2)本发明依据对星载天线的温度场与应变场工况分析，可按照设定间隔在一根光纤上同时刻写多个光栅，减少了单光栅熔接点的操作难度，降低了时间成本；
23.(3)本发明中，将温度参考光纤光栅的一端固定在上面板时，先将保护套管两端的尾纤交叉在保护套管外围形成一个椭圆环，接着将一端尾纤与上面板粘贴固定，另一端尾纤绕出一个或一个以上小环，可增加参考光纤光栅的动态形变范围，最大程度隔离上面板的形变干扰，提高光纤光栅的测温可靠性与准确性；
24.(4)与传统的测量方法相比，本发明具有高集成度、耐高温、抗空间辐射、可实时监测、轻薄化嵌入型的优点。本发明可有效用于一体化在轨天线实时形变监测系统中，实现对天线表面结构的微小形变的高精度监测。
附图说明：
25.图1为本发明实施例天线预埋位置示意图；
26.图2为本发明实施例传感装置结构示意图；
27.图3为本发明实施例纸蜂窝凹槽结构示意图；
28.图4为本发明实施例对比实验中应变片与热电偶分布图；
29.图5为本发明实施例实测温度-时间关系图；
30.图6为本发明实施例实测应变-时间关系图；
31.附图中的标记为：
32.1、上面板；2、蜂窝板；3、下面板；4、光纤光栅预埋位置；5、加热设备；6、测量光纤光栅；7、温度参考光纤光栅；8、保护套管；9、测量光纤光栅栅区；10、圆形不灌胶区；11、环氧树脂胶；12、光纤光栅温度与应变监测系统；13、凹槽；14、应变片一；15、应变片二；16、应变片三；17、热电偶。
具体实施方式：
33.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明提出一种星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统及其在星载天线中的预埋方法，基于飞秒激光的高精度刻写工艺和光纤分布式封装埋入方法，结合不同光纤光栅的特定优势，制作出一种适用于在轨天线实时形变的高精度健康监测系统。
35.实施例1
36.本发明实施例提供一种星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统，包括飞秒激光直接刻写温度参考光纤光栅7与测量光纤光栅6，所述温度参考光纤光栅7与测量光纤光栅6分配到一个传感节点中，节点上设置有温度参考和应变测量两类光纤光栅，其中，温度参考光纤光栅7不受应变，只对温度敏感；所述温度参考光纤光栅7与测量光纤光栅6预埋在星载天线的上面板1与纸蜂窝2之间，利用光纤光栅温度与应变监测系统12采集波长数据，解调出光纤光栅波长变化对应的温度和应变，对星载天线的温度和应变进行实时监测。
37.实施例2
38.本发明实施例提供了星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统在星载天线中的预埋方法，具体为：
39.(一)光纤光栅预埋位置、光纤光栅数目的确定以及光纤光栅的预处理：
40.根据天线重构模型，在天线上面板1上确定光纤光栅预埋位置4以及光纤光栅的数目，光纤光栅预埋位置4在星载天线的上面板1与纸蜂窝2之间。
41.温度参考光纤光栅7的光纤涂覆层材料为聚酰亚胺，工作温度范围为-50℃～300℃，机械强度高。此外，在温度参考光纤光栅7与测量光纤光栅6上涂覆抗空间辐射涂料(氟树脂涂料)，以增加传感器件的抗空间辐射效果，保证其长时间工作的稳定性和抗空间辐射特性。
42.在温度参考光纤光栅7与测量光纤光栅6的栅区(2mm)固定套接保护套管8，对栅区进行保护，减少蜂窝板2板壁对光纤光栅的挤压，所述保护套管8通过环氧树脂胶粘贴在温度参考光纤光栅7与测量光纤光栅6的栅区外表面。
43.(二)进行内埋操作：
44.根据设定的光纤光栅预埋位置4和数目规划光纤布置。如图2中所示，在天线上面板1上放置温度参考光纤光栅7与测量光纤光栅6。
45.进行内埋操作时，温度参考光纤光栅7与测量光纤光栅6在上面板1上的固定方法为：先使用胶水(环氧树脂胶)将测量光纤光栅6的两端固定在上面板1的光纤光栅预埋位置4，并给予测量光纤光栅栅区9一定量的预应变，等待胶水风干。随后再用胶水(环氧树脂胶)将温度参考光纤光栅7的一端固定在光纤光栅预埋位置4。为了避免温度参考光纤光栅7受上面板1的形变干扰，增加温度参考光纤光栅7的测温稳定性与可靠性，本发明其他实施例中，固定温度参考光纤光栅7时，可先将保护套管8两端的尾纤交叉在保护套管8外围形成一个椭圆环，接着将一端尾纤与上面板1用环氧树脂胶粘贴固定，另一端尾纤绕出一个或一个以上小环，以增加温度参考光纤光栅7的动态形变范围，可最大程度隔离上面板1的形变干扰。
46.以温度参考光纤光栅7的栅区为圆心，划定一个半径约2cm的圆形不灌胶区10，后续固化过程中圆形不灌胶区10不灌注固化胶。所述固化胶为星载天线三层结构的粘结剂，设置不灌胶区10目的在于防止固化胶对温度参考光纤光栅7形成干扰。
47.在纸蜂窝2上挖一个深度约为5mm的凹槽13，所述凹槽13与两光纤光栅的栅区位置对应，当上面板1、纸蜂窝2和下面板3进行热压成型后，凹槽13可完全覆盖固定在上面板1的两光纤光栅的栅区，进一步避免了纸蜂窝2对光栅的挤压损伤；所述凹槽13内表面设置有耐高温薄膜，以提升光纤光栅传感器安全性。
48.(三)热压固定：
49.内埋操作完成后，将上面板1、纸蜂窝2和下面板3进行热压固定成型，预埋完成。
50.实施例3
51.对实施例2预埋后的光纤传感系统的测量精确度进行测试。
52.具体的，将星载天线板截成小块的天线子板，以天线子板作为传感媒介，利用热电偶及应变片系统检测上述光纤传感系统的测量精确度。
53.所述光纤传感系统的具体参数包括：温度参考光纤光栅7反射峰中心波长为1505nm波段，测量光纤光栅6反射峰中心波长为1570nm波段，两个光栅反射峰的半高全宽约0.24nm，光栅的信噪比可以达到27.7db。
54.所用的固化胶水为环氧树脂胶，能耐高温，室温下粘性保持时间可达到48小时以
上。
55.所用加热设备5放置在天线子板底部，从室温加热至80℃，保温约1min，来确保光纤光栅传感器与热电偶最高温恒定，天线子板最大应变数值稳定。最后用光纤光栅温度与应变监测系统12解调波长数据，其数据采集频率为1khz，并以10次为平均数进行保存。
56.通过给天线子板实施加热操作，得到温度/应变-时间关系图，如图5和图6所示。对比测量设置如图4所示，热电偶17紧贴光纤光栅所对应上面板位置，用于监测温度变化，分别利用应变片一14、应变片二15、应变片三16监测此处天线子板的应变。
57.温度变化实验数据如图5。波长数据为10次平均后的结果(取一个传感节点进行测试)，利用各自标定系数求解出温度，与热电偶17的数值进行对比。温度数据依据温度参考光纤光栅标定系数进行处理。如图5可见，光纤光栅温度变化曲线与热电偶17的曲线贴合比较好，两者的变化趋势相同。两者的温度差异可能来源一个是内部测温，一个是外部测量。两个温度最高点位置有一定偏移是因为光栅与应变片对温度的响应时间不相同。最后自然降温过程曲线上产生的突变是因除去天线表面的保温材料所致。
58.应变实验数据如图6。利用光纤光栅求解出应变，与补偿后的应变片测量数值进行对比。如图6可见，以温度参考光纤光栅的温度为准进行解调，经过补偿后的应变片二所测出的应变量与光纤光栅所测的应变曲线近乎完全相同，补偿后的应变片一与应变片三所测应变与解调出的光纤光栅应变值存在差异的主要原因在于上面板上的粘贴位置差异，但是它们所得应变值的变化趋势保持一致。天线蜂窝板降温过程中，曲线出现了一个小的突变，是因除去天线蜂窝板上表面所覆盖的保温材料所致。
59.因此，本发明星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统测量精确度良好，可有效用于一体化在轨天线实时形变监测系统中，实现对天线表面结构的微小形变的高精度监测。
60.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统，其特征在于，包括温度参考光纤光栅(7)、测量光纤光栅(6)和光纤光栅温度与应变监测系统(12)，所述温度参考光纤光栅(7)与测量光纤光栅(6)分配到一个传感节点中，节点上设置有温度参考和应变测量两类光纤光栅；所述温度参考光纤光栅(7)与测量光纤光栅(6)上涂覆有抗空间辐射涂料；所述温度参考光纤光栅(7)与测量光纤光栅(6)预埋在星载天线的上面板(1)与纸蜂窝(2)之间，利用光纤光栅温度与应变监测系统(12)采集并进行波长解调，解调出光纤光栅波长变化对应的温度和应变，实现对星载天线的温度和应变的实时监测。2.星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统在星载天线中的预埋方法，其特征在于，包括：s1、在上面板(1)上确定光纤光栅预埋位置(4)以及光纤光栅的数目，光纤光栅预埋位置(4)在星载天线的上面板(1)与纸蜂窝(2)之间；s2、根据步骤s1设定的光纤光栅预埋位置(4)和数目规划光纤布置，在上面板(1)下表面固定温度参考光纤光栅(7)与测量光纤光栅(6)；s3、将上面板(1)、纸蜂窝(2)和下面板(3)进行热压固定。3.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：s2中，温度参考光纤光栅(7)与测量光纤光栅(6)在上面板(1)上的固定方法为：先使用胶水将测量光纤光栅(6)的两端固定在上面板(1)的光纤光栅预埋位置(4)，并给予测量光纤光栅栅区(9)一定量的预应变；等待胶水风干后，再用胶水将温度参考光纤光栅(7)的一端固定在光纤光栅预埋位置(4)。4.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：所述温度参考光纤光栅(7)与测量光纤光栅(6)的光纤涂覆层材料均为聚酰亚胺，工作温度范围为-50℃～300℃。5.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：s2中，所述温度参考光纤光栅(7)与测量光纤光栅(6)固定在上面板(1)后，移动上面板(1)，使两光纤光栅的栅区与纸蜂窝(2)的正六边形中心位置对应。6.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：所述纸蜂窝(2)上部开设有凹槽(13)，所述凹槽(13)与两光纤光栅的栅区位置对应，且完全覆盖两光纤光栅的栅区；所述凹槽(13)内表面设置有耐高温薄膜。7.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：所述纸蜂窝(2)的截面为正六边形，两平行边之间的距离为2.75mm，所述温度参考光纤光栅(7)与测量光纤光栅(6)的栅区长度均为2mm。8.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：以温度参考光纤光栅(7)的栅区为圆心，划定圆形不灌胶区(10)，所述圆形不灌胶区(10)不灌注固化胶。9.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：所述温度参考光纤光栅(7)的栅区固定套接有保护套管(8)，所述保护套管(8)通过胶水粘贴在温度参考光纤光栅(7)的栅区位置。10.根据权利要求9所述的预埋方法，其特征在于：
将温度参考光纤光栅(7)的一端固定在上面板(1)时，先将保护套管(8)两端的尾纤交叉在保护套管(8)外围形成一个椭圆环，接着将一端尾纤与上面板(1)粘贴固定，另一端尾纤绕出一个或一个以上小环，以增加温度参考光纤光栅(7)的动态形变范围。

技术总结
本发明提供星载天线埋入式双参量光纤光栅传感系统及其在星载天线中的预埋方法，其中双参量传感器包括飞秒激光刻写的高精度光纤光栅及封装材料，二者共同构成光纤探测端埋于星载天线上面板与纸蜂窝之间；首先以光纤纤芯为中心基于飞秒激光刻写温度参考光栅，其次用剥去包层的光纤刻写测量光栅，并结合套管、防辐射涂料制作成一体化温度、应变双参量传感器，再对其进行全光谱信号解调，最后封装埋入天线中；这套传感系统具有高自由度、耐高温、抗空间辐射、可实时监测的优点，适用于星载天线的健康监测。的健康监测。的健康监测。


技术研发人员：路元刚 袁慎芳 倪宏程 黄天翔 刘鹏凯 操卫忠 彭楗钦 黄欣婷 芮棽 汪奕
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/9