基于fsFBG傳感器的SRM粘接界面服役狀態(tài)監(jiān)測

齊重陽，常新龍，張有宏，胡 寬，孟云蛟，王 震，朱雪蒙

(火箭軍工程大學(xué) 導(dǎo)彈工程學(xué)院， 西安 710025)

1 引言

固體火箭發(fā)動機(jī)(SRM)藥柱在復(fù)雜應(yīng)力情況下會出現(xiàn)嚴(yán)重變形、局部裂紋、殼體/絕熱層/襯層/藥柱等層間粘接界面脫粘等問題，以上結(jié)構(gòu)損傷可能會直接導(dǎo)致導(dǎo)彈點(diǎn)火發(fā)射時(shí)發(fā)生意外事故，造成嚴(yán)重性災(zāi)難。作為固體型號導(dǎo)彈最核心的部件，SRM的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測對于整彈的可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性有著重要意義。若能通過對SRM進(jìn)行監(jiān)測，及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的損傷，就能有效保證其結(jié)構(gòu)完整性，從而避免發(fā)生災(zāi)難性事件。目前，SRM常用的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法有解剖實(shí)驗(yàn)法、無損探傷法及模型分析法。以上傳統(tǒng)方法雖然可以對SRM進(jìn)行檢測，但是不能準(zhǔn)確預(yù)估整個批次所有發(fā)動機(jī)的服役壽命，導(dǎo)致尚能服役的發(fā)動機(jī)提前退役，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。若將傳感器植入到發(fā)動機(jī)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)動機(jī)內(nèi)部載荷變化和狀態(tài)數(shù)據(jù)，就可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)對發(fā)動機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。此監(jiān)測方法具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性，同時(shí)可以利用對制造、貯存、使用全壽命周期的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，優(yōu)化發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)，從而全面提高發(fā)動機(jī)制造技術(shù)。目前，用于植入SRM粘接界面的應(yīng)力傳感器是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

推進(jìn)劑/襯層/絕熱層(PLI)界面粘接應(yīng)力能夠直接表明推進(jìn)劑裝藥的敏感缺陷和累計(jì)損傷，是推進(jìn)劑裝藥健康狀態(tài)的指示劑。國內(nèi)外眾多學(xué)者研究了應(yīng)變片式(dual bond stress and temperature，DBST)傳感器在裂紋和脫粘等裝藥缺陷診斷監(jiān)測上的應(yīng)用。但應(yīng)變片式傳感器工作時(shí)容易引入電流等危險(xiǎn)因素，對于推進(jìn)劑這類含能材料，很小的電流就存在非常大的安全隱患。光纖傳感器具有不受電磁干擾、靈敏度高、可靠性好、質(zhì)量輕、體積小、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離遙測等特點(diǎn)而在傳感領(lǐng)域受到了眾多關(guān)注。正因具備這些特點(diǎn)，光纖傳感器非常適合植入SRM對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

目前，光纖傳感器領(lǐng)域中光纖光柵(FBG)傳感器應(yīng)用最為廣泛。其中，相比相位掩模技術(shù)制作的FBG，飛秒激光逐點(diǎn)直寫光纖光柵(fsFBG)可實(shí)現(xiàn)透過涂敷層直接制造，不損害光纖涂敷層，因此耐疲勞性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通FBG，使得對fsFBG封裝失敗率更低，封裝改造總體成本更低，壽命更長。

本文分析了基于fsFBG傳感器進(jìn)行粘接界面健康監(jiān)測的工作原理，對裸fsFBG傳感器進(jìn)行聚合物封裝。通過應(yīng)力傳感性能測試，研究了聚合物封裝fsFBG傳感器埋入推進(jìn)劑/襯層界面的響應(yīng)，更好地實(shí)現(xiàn)監(jiān)測推進(jìn)劑/襯層粘接界面服役時(shí)的健康狀態(tài)。

2 埋入推進(jìn)劑/襯層界面的fsFBG傳感特性分析

2.1 fsFBG傳感器的工作原理

光在光纖纖芯中通過在纖芯與包層中反射以折線形式傳播。光纖纖芯在光柵段折射率沿軸向呈周期性調(diào)制，光柵相當(dāng)于一個反射鏡，光從寬帶光源進(jìn)入光纖后，到達(dá)光柵區(qū)域，滿足光纖布拉格光柵條件的光將被反射，形成反射譜，而其他光將透射過去形成投射譜。當(dāng)外界環(huán)境(應(yīng)變、溫度等)作用到fsFBG上時(shí)，會引起反射譜變化，即引起反射譜中心波長發(fā)生漂移，但譜形不會改變。光纖光柵對外界物理量的傳感是通過外界物理量作用到光纖光柵上，使光纖光柵的柵格周期或纖芯的折射率發(fā)生變化，通過建立反射譜中心波長的變化與外界環(huán)境作用量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)利用光纖光柵對外界環(huán)境作用量的監(jiān)測，起到傳感器的作用。

fsFBG反射譜的中心波長表達(dá)式為：

=2

(1)

式(1)中：為Bragg中心波長；為光纖纖芯有效折射率；為光柵柵格周期。當(dāng)fsFBG受到外界環(huán)境作用時(shí)，會引起與的變化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)生漂移，通過對漂移量的測量，實(shí)現(xiàn)對外界環(huán)境作用量大小的檢測。

在僅考慮軸向應(yīng)力和溫度作用情況下，Bragg中心波長漂移量Δ可以表示為：

(+)Δ+ΔΔ

(2)

式(2)中：為光纖纖芯的泊松比；，分別為纖芯與包層的彈光系數(shù)；為纖芯材料的熱膨脹系數(shù)；為熱光系數(shù)；為溫度-應(yīng)變系數(shù)；Δ是溫度變化量；Δ是應(yīng)變變化量。以上系數(shù)都是與光纖材料有關(guān)的常數(shù)。

當(dāng)fsFBG傳感器受到軸向應(yīng)變時(shí)，光柵周期和光纖的彈光效應(yīng)產(chǎn)生一定的變化，從而使fsFBG反射譜對應(yīng)的中心波長產(chǎn)生漂移，fsFBG所受應(yīng)變與其中心波長漂移量有良好的線性關(guān)系。

2.2 基于fsFBG的粘接界面應(yīng)力傳感器的工作原理

推進(jìn)劑/襯層/絕熱層界面脫粘是固體火箭發(fā)動機(jī)常見的失效模式之一，相較于襯層/絕熱層界面，推進(jìn)劑/襯層的粘接界面更容易出現(xiàn)界面脫粘。粘接界面的主應(yīng)力方向垂直于粘接界面，即“扯離”方向。垂直方向的主應(yīng)力是造成脫粘也是脫粘需要檢測應(yīng)力的方向。若將傳感器布置在粘接界面，實(shí)時(shí)監(jiān)測界面應(yīng)力狀態(tài)，從而獲得層間狀態(tài)參數(shù)，就可以為發(fā)動機(jī)藥柱的壽命評估與健康監(jiān)測提供重要信息。值得注意的是fsFBG傳感器對沿光纖軸向的應(yīng)力較為敏感，若將fsFBG傳感器垂直安裝于界面層，如圖1(a)所示，雖符合fsFBG傳感器的傳感特性，但是會破壞藥柱的結(jié)構(gòu)完整性并且安裝工藝難度較大，因此圖1(b)所示fsFBG傳感器的安裝方法更符合條件。

裸光纖在埋入粘接層的過程中極易損壞。對于分布式傳感網(wǎng)絡(luò)中多個光纖光柵串聯(lián)的情況，某一處光纖光柵的損壞可能會造成整個傳感網(wǎng)絡(luò)的失效。為了實(shí)現(xiàn)將界面粘接應(yīng)力轉(zhuǎn)換為傳感器的軸向應(yīng)力、提高傳感器敏感度以及保護(hù)光纖傳感器，需要對fsFBG傳感器進(jìn)行封裝。

圖1 fsFBG傳感器界面布置示意圖

fsFBG傳感器的封裝應(yīng)滿足如下原則：

1) 埋入傳感器后不能影響發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性，傳感器應(yīng)盡量體積小、質(zhì)量輕并與層間材料能夠很好相容；

2) 由于藥柱為含能材料，為保證安全，傳感器應(yīng)不引入電流等危險(xiǎn)因素；

3) 埋入的傳感器在發(fā)動機(jī)制造過程中應(yīng)有較高的存活率，便于工藝生產(chǎn)，且長期貯存后仍具有較高的可靠性與穩(wěn)定性；

4) 能夠監(jiān)測發(fā)動機(jī)生產(chǎn)與貯存期間粘接界面溫度與應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)，并具有較好的敏感度。

綜合以上原則，本文采用低模量、高泊松比的聚合物對fsFBG進(jìn)行封裝。

3 fsFBG傳感器的封裝

考慮到光纖光柵比較脆弱的特點(diǎn)以及可能進(jìn)行單個或者多個光纖光柵封裝而導(dǎo)致封裝傳感器長度不確定，因此選用拼接式的封裝模具，封裝模具如圖2所示。該模具主要結(jié)構(gòu)組成件有鋁合金軌道、磁性夾具、固定螺栓、以及聚四氟乙烯模具。聚四氟乙烯模具上的凹槽用來放置聚合物，磁性夾具用來固定光纖光柵，固定螺栓將磁性夾具固定在鋁合金軌道上。

圖2 fsFBG傳感器拼接式封裝模具實(shí)物圖

本文對fsFBG傳感器進(jìn)行封裝的聚合物選用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材料，它是一種熱固化材料，固態(tài)的PDMS具有低的楊氏模量和高的泊松比等力學(xué)性質(zhì)。固化前PDMS以粘稠的液態(tài)形式存在，包括基本組分和固化劑2個部分，根據(jù)力學(xué)性能的需要，調(diào)節(jié)2種成分的配比來控制固化后材料的模量。本文選用基本組分和固化劑的比例(7∶1)對其進(jìn)行配比，將混合后的液態(tài)PDMS倒入模具后放入烘箱進(jìn)行固化，固化溫度為120 ℃，固化時(shí)間2 h。單個光纖光柵聚合物封裝后的fsFBG傳感器規(guī)格為40 mm×6 mm×1.5 mm，如圖3所示。

圖3 PDMS封裝的fsFBG傳感器示意圖

參照QJ 916-85，將同樣配比的液態(tài)PDMS倒入啞鈴狀聚四氟乙烯模具中，采用傳感器相同的固化條件，并對固化后的啞鈴狀試件在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行測試。經(jīng)測試，本文所設(shè)置配比下的PDMS模量約為6.14 MPa。

通過聚合物封裝，不僅可以將界面粘接應(yīng)力轉(zhuǎn)換為傳感器的軸向應(yīng)力，而且可以對fsFBG起到很好的保護(hù)作用，提高埋入層間的成活率。聚合物封裝后的fsFBG傳感器變成了一個側(cè)向傳感器，便于在發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)安裝布置，易于組成多點(diǎn)測量的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，滿足監(jiān)測要求。

4 推進(jìn)劑/襯層界面粘接試件的制作

為了研究粘接界面在受到載荷作用下埋入聚合物封裝fsFBG傳感器響應(yīng)，制作了推進(jìn)劑/襯層粘接試件，傳感器位于推進(jìn)劑和襯層之間。試件制作流程為：首先對拉伸鋼件粘接面進(jìn)行表面處理，然后在表面涂敷襯層料漿，襯層半固化后，把表面處理過的聚合物封裝fsFBG固定在襯層表面，最后按照裝藥條件進(jìn)行推進(jìn)劑的澆注和固化。

設(shè)計(jì)的聚合物封裝fsFBG傳感器在發(fā)動機(jī)界面試件中埋入位置如圖4所示。發(fā)動機(jī)界面試件粘接界面規(guī)格為40 mm×40 mm。

圖4 埋設(shè)聚合物封裝fsFBG傳感器的粘接試件

實(shí)際服役狀態(tài)中，SRM界面層不僅受到垂直于拉伸界面的應(yīng)力，受到復(fù)雜應(yīng)力作用時(shí)fsFBG傳感器的響應(yīng)信號同樣需要考慮。本文借鑒矩形試件拉伸試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了具有不同傾斜角度的界面拉伸試件，用拉伸試件傾斜角度的不同來模擬粘接界面受到不同角度的拉應(yīng)力載荷，對不同拉伸角度應(yīng)力狀態(tài)下的傳感器響應(yīng)進(jìn)行了分析。傾斜拉伸實(shí)驗(yàn)中埋入的傳感器所受應(yīng)力場比較復(fù)雜，弄清不同方向應(yīng)力與傳感器響應(yīng)之間的關(guān)系是利用fsFBG進(jìn)行SRM健康狀態(tài)監(jiān)測的前提。

圖5(a)為拉伸方向垂直粘接界面方向，圖5(b)為粘接界面與拉伸方向有一定夾角。根據(jù)力學(xué)知識，可以將拉伸應(yīng)力分解為垂直粘接面和平行粘接面2個方向的應(yīng)力，據(jù)此可以模擬拉伸和剪切同時(shí)作用在粘接面的情況。

圖5 界面拉伸試件示意圖

由于聚合物封裝的fsFBG傳感器為長條形，因此將傳感器埋設(shè)方式分為平行于傾斜方向和垂直于傾斜方向2種狀態(tài)，如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 界面拉伸試件中傳感器埋設(shè)方向示意圖

5 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)所使用光纖光柵傳感系統(tǒng)為MicronOptics公司的SM130光纖光柵傳感解調(diào)儀，波長檢測范圍為1 510～1 590 nm，分辨率小于1 pm，波長測量你重復(fù)精度為2 pm，掃描頻率為1 kHz，輸入功率檢測范圍為-60～-20 dB。

為了模擬推進(jìn)劑/襯層粘接界面服役狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，研究聚合物封裝的fsFBG傳感器埋入界面粘接試件在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下傳感器的響應(yīng)，進(jìn)行了室溫條件下(22±2 ℃)試件粘接性能試驗(yàn)及傾斜界面粘接試件拉伸應(yīng)力狀態(tài)下傳感器的響應(yīng)測試。

埋入式傳感器的固體火箭發(fā)動機(jī)健康檢測技術(shù)的首要問題是埋入傳感器不能對發(fā)動機(jī)本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成重大影響。目前，粘接強(qiáng)度是判斷埋入式傳感器對固體火箭發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)完整性影響的重要性能指標(biāo)。因此，參照QJ2038.1《固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室界面粘接強(qiáng)度測試方法扯離法》對界面粘接試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。界面垂直試件粘接性能實(shí)驗(yàn)表明，本文所制作的埋入式傳感器試件襯層與推進(jìn)劑層間的粘接強(qiáng)度為0.64 MPa，滿足大多數(shù)廠家要求的粘接強(qiáng)度不小于0.6 MPa的標(biāo)準(zhǔn)，從強(qiáng)度上說明本文所制作試件的可行性。

本文分別設(shè)置傾斜角度為0°、15°、30°、45°的傾斜面。傾斜角度為0°時(shí)拉伸載荷垂直粘接界面，即如圖5(a)所示，這種情況下將傳感器平行埋入傾斜面和垂直埋入傾斜面2種狀態(tài)等同，因此設(shè)置一個0°傾角試件，其他每個角度分別設(shè)置傳感器平行埋入傾斜面與垂直埋入傾斜面2個試件，共有7個試件。將制作好的試件分別進(jìn)行階梯式加載試驗(yàn)，最大加載量為40 N，分5次加載，每步增加8 N，加載方式為懸掛重物加載。加載試驗(yàn)方法如圖7所示。

圖7 階梯式加載試驗(yàn)方法示意圖

由于推進(jìn)劑、封裝聚合物以及絕熱層為粘彈性材料，每步加卸載完成時(shí)粘接力會隨時(shí)間變化。因此試驗(yàn)過程中，每個加卸載完成后待傳感器中心波長穩(wěn)定時(shí)再進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，試驗(yàn)裝置如圖8所示。

圖8 多角度應(yīng)力載荷拉伸試驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)的拉應(yīng)力增大時(shí)，光纖光柵中心波長逐漸減少，加載中傳感器中心波長漂移量與載荷關(guān)系如圖9所示。

圖9 應(yīng)力載荷與fsFBG中心波長漂移量關(guān)系曲線

為了找出不同傾斜角度拉伸情況下fsFBG傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，對各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合(=+)，得到擬合結(jié)果如圖10所示。

圖10 應(yīng)力載荷與中心波長漂移量線性擬合曲線

擬合數(shù)據(jù)參數(shù)與線性相關(guān)系數(shù)如表1所示。

表1 擬合參數(shù)與線性相關(guān)系數(shù)

通過線性擬合結(jié)果可以看出，線性度均高于0.99，表明光纖光柵平均中心波長與拉應(yīng)力之間存在良好的線性關(guān)系。對比每組擬合數(shù)據(jù)的值，發(fā)現(xiàn)：等于其傾斜角度的余弦值，等于垂直粘接界面方向的載荷分量與拉伸載荷的比值。其中，值代表中心波長隨負(fù)載增量的變化，據(jù)此可以得出結(jié)論：fsFBG傳感器中心波長的變化只與垂直于粘接界面方向的載荷分量有關(guān)，從而證明本文所提出的聚合物封裝fsFBG傳感器埋入界面粘接試件后，45°傾斜以下拉伸可以滿足檢測要求。

6 結(jié)論

1) 采用低模量、高泊松比的聚合物對fsFBG進(jìn)行封裝后埋入SRM界面，不破壞SRM結(jié)構(gòu)的完整性，并可以提高傳感器在發(fā)動機(jī)制造過程中的存活率，工藝便于生產(chǎn)，長期貯存后仍具有較高的可靠性與穩(wěn)定性。

2) 室溫下試件粘接性能試驗(yàn)表明：所用埋入聚合物封裝fsFBG傳感器的粘接試件滿足界面粘接強(qiáng)度要求，符合SRM行業(yè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于SRM的界面應(yīng)力檢測是可行的。

3) 室溫下粘接試件拉伸性能測試表明：光纖光柵中心波長隨拉應(yīng)力載荷增大而減小，fsFBG傳感器中心波長漂移量與施加的應(yīng)力載荷具有線性關(guān)系。粘接試件具有傾斜角度時(shí)拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明：fsFBG傳感器中心波長的變化只與垂直粘接界面方向的載荷分量有關(guān)，聚合物封裝fsFBG傳感器埋入界面粘接試件后滿足實(shí)際服役檢測要求。