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

：本发明属于光纤传感，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

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背景技术：

1、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。

技术实现思路

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技术实现要素：

1、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。

2、为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

3、(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。

4、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；

5、(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：

6、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；

7、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；

8、s3、将上面板、纸蜂窝和下面板进行热压固定。

9、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。

10、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。

11、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。

12、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。

13、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。

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

18、本发明的有益效果：

19、(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；

20、(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；

21、(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；

22、(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。

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，

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：

3.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：

4.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：

5.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：

6.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：

7.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：

8.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：

9.根据权利要求2所述的预埋方法，其特征在于：

10.根据权利要求9所述的预埋方法，其特征在于：

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。

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：
技术公布日：2024/1/14