一、实验目的
研制基于光纤光栅传感的大型航天器桁架变形的监测平台，主要是应用于大型航天桁架变形的主动控制系统。大尺度柔性结构形状测量试验系统形状测量精度需优于1mm（空间跨度100m以上挠性结构条件下）。因此需要对大尺度柔性结构形状测量试验系统的形状精度进行验证。
本实验以10m长的大型柔性桁架的受力弯曲变形的模型为基础，按照比例需满足形状测量试验系统形状测量精度需优于0.1mm。验证大尺度柔性结构形状测量试验系统在标准悬臂梁的变形测量方面的准确性。
二、实验原理
光纤光栅传感原理
光纤布拉格光栅传感器属于波长调制型非线性光纤传感器。光纤光栅是将普通光纤掺锗后经紫外光透过相位掩膜板照射而使其纤芯折射率发生周期性变化，这样就形成了光纤布拉格光栅，如下图所示：
当一宽谱光源入射进入光纤后，一般波长的光会全部穿过此布拉格光栅而不受影响，只有在各个折射率分界面发生反射叠加，形成干涉相长的光波才会再回到原来的方向，如上图所示。当外界发生扰动如温度变化或者受到拉伸时，光栅的栅距和折射率都会改变，原来反射光波的等价光程差发生改变而不再干涉相长，取而代之的是其他波长的光波。因此获取反射光波长的变化就可得到外界温度等被测量的变化。
光纤光栅应变测量原理
光纤光栅在受到拉伸还是挤压时，光栅周期会发生改变，且光纤的弹光效应也会使得其折射率发生变化，从而使得光纤的有效折射率发生改变，引起反射波长的漂移。通常情况下只考虑光栅在轴向拉伸或压缩下产生的应变而不考虑横向挤压的影响，由轴向应变引起的波长漂移占主导作用，在推导应变与波长漂移的关系也只考虑这种轴向应变
三、实验步骤
光纤光栅传感器传感器粘贴
本实验采用长度为10m的大型桁架结构，桁架的有效工作长度10m，跨数为20跨，每跨长度为0.5m，桁架支撑杆直径5mm，材料为铝，弹性模量E=17GPa，泊松比0.42。实验所用的光纤光栅应变传感器长度为10mm，包层直径125μm。粘贴传感器时，先用3M胶带固定光纤光栅的一端，用手轻轻拉紧另一端，对传感器施加预紧力，再用3M胶带固定另一端。固定完毕后，将502胶水均匀涂抹在光纤光栅应变传感器上。传感器的粘贴效果如下图所示。光纤光栅应变传感器的粘贴方向沿悬臂梁的轴向，均匀分布在桁架上部梁上，第一个光纤光栅应变传感器的中心距离悬臂梁自由端的距离为4cm，后面每隔25cm布设一个光纤光栅应变传感器，共布设光纤光栅应变传感器40个，覆盖整个桁架上部梁。
高精度CCD测量仪器的安装
将桁架固定在试验台上，一端用固定气浮台进行固定约束，另一端自由放置。如下图1所示为大型桁架变形测量实验的装置。将高精度CCD测量仪器固定在桁架下端右侧梁附近，并将推拉力计夹具固定在桁架下端左侧梁附近。高精度CCD测量仪器探针粘贴于桁架下端右侧梁上并竖直向下悬空，使其下端在CCD传感器扫描的范围内，如下图2高精度CCD测量仪器的测量装置。桁架自由段产生水平的左右变形时，探针会随着桁架的左右变形而左右移动，固定在探针下方的CCD扫描仪器感受到探针的左右移动位移并通过显示器显示出来。在实验中保持CCD扫描仪器不移动。
安装推拉力计夹具
实验中采用推拉力计夹具对桁架施加固定的水平方向的力，使桁架产生水平方向的左右位移。将推拉力计固定在桁架下端左梁上，夹紧夹具固定桁架自由端位置，通过旋转推拉力计的左右旋杆对桁架施加水平力，使其产生左右位移，下图是推拉力计的实验装置。
光纤光栅应变传感器接入高精度光学信号解调器
将光纤光栅应变传感器的光纤接头接入高精度光学信号解调器。本实验所选用的高精度光学信号解调器，高精度光学信号解调器显示界面如下图1和下图2所示，该解调器可以达到分辨率1pm，最高采样率1000Hz，其中，“采样分频”按钮可以对采样频率进行分频处理，本实验所采用的采样率为100Hz，故设置采样分频为1000/100=10。
施加变形力及数据采集
给桁架气足通气，使桁架完全浮起，保持桁架处于微低重力环境之下，使桁架与地面没有摩擦力，控制推拉力计夹具旋杆，使桁架自由端产生水平方向的左右变形。从初始平衡位置开始，控制桁架每次左偏（右偏）变形1mm，直到达到CCD测量仪器的最大测量量程7mm。每次变更桁架位置后，保持变形约60秒，使整个桁架悬臂梁系统稳定下来。根据光纤光栅解调系统所显示的光纤光栅应变传感器的中心波长，可以判断悬臂梁结构是否稳定。当整个系统稳定时，高精度光纤信号解调器的上位机软件界面所显示的波长曲线基本保持不变。待系统稳定后，记录高精度CCD测量仪器的显示位移，作为该负载下桁架自由端部的水平位移。
四、实验结论
在大尺度柔性结构形状测量试验系统形状测量精度检测实验中，从7个固定的负载力方面对试验桁架上高精度CCD测量仪器测变形和FBG传感器所测算的变形进行了验证，从实验结果和数据的分析中，可以得到，高精度CCD测量仪器和和高精度光纤形变测量敏感器在定载荷的桁架变形实验中都表现出能够测量出设定的变形，证明大尺度柔性结构形状测量试验系统形状测量精度可以达到0.1mm（空间跨度10m以上挠性结构条件下）。
