直升機(jī)主旋翼葉片上的光纖應(yīng)變傳感應(yīng)用

撰稿 | 哈爾濱工業(yè)大學(xué)?碩士研究生姚嘉翔 &?董永康教授 翻譯 原作者 |英國(guó)克蘭菲爾德大學(xué)Stephen W James課題組 ?01???

導(dǎo)讀

近日，英國(guó)Cranfield大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用光纖傳感器（Optical Fibre Sensors,?OFS）在光纖應(yīng)變和形狀測(cè)量方面取得了研究進(jìn)展。該文章（題為“Fibre-optic measurement of strain and?shape on a helicopter rotor blade during?a ground run: 1 . Measurement of strain”）發(fā)表在Smart Materials and Structures期刊上，Stephen W James為論文的第一作者和通訊作者。

?02??研究背景

光纖傳感器（OFS）用于測(cè)量飛行器結(jié)構(gòu)的前景在諸多文獻(xiàn)中已有詳細(xì)描述。相較于傳統(tǒng)傳感器，OFS擁有諸多優(yōu)勢(shì)，例如高靈活性、輕質(zhì)量、抗電磁、小尺寸，并且對(duì)傳感器元件的電連接沒有要求。這些特性可以使其作為安裝在氣動(dòng)力面的傳感器，此外，還可以在光纖的制造過程中嵌入增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和組件。

旋翼槳葉是保障直升機(jī)安全飛行的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。但它易受沖擊、易吸收水分，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)退化，性能下降或可能造成災(zāi)難性故障。目前，評(píng)估直升機(jī)主旋翼葉片的狀態(tài)主要是靠目視檢查和敲擊測(cè)試。在飛行過程中可以使用電子應(yīng)變計(jì)來監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子葉片的結(jié)構(gòu)變形。然而，除了接線對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)和葉片的動(dòng)態(tài)行為可能產(chǎn)生有害影響外，安裝時(shí)間過長(zhǎng)，以及它們對(duì)溫度和進(jìn)水的敏感性也會(huì)限制對(duì)它的使用效果。

這篇論文分為兩部分，介紹了BladeSense項(xiàng)目（動(dòng)態(tài)旋翼槳葉形變測(cè)量）的部分研究進(jìn)展。該項(xiàng)目旨在研究光纖傳感器在直升機(jī)旋翼槳葉上的應(yīng)用，以提供數(shù)據(jù)，增強(qiáng)對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)彈性現(xiàn)象的理解，并探索常規(guī)飛行部署的可行性，以促進(jìn)旋翼槳葉的預(yù)測(cè)性維護(hù)。先前的文獻(xiàn)作者已經(jīng)確認(rèn)了OFS技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行地面振動(dòng)試驗(yàn)期間，在靜止參考系中分析轉(zhuǎn)子葉片振動(dòng)特性的能力。這些文獻(xiàn)評(píng)估了當(dāng)安裝了OFS測(cè)量設(shè)備的直升機(jī)地面運(yùn)行過程時(shí)，該技術(shù)在旋轉(zhuǎn)框架中的應(yīng)用情況。本文的兩部分分別探討OFS在監(jiān)測(cè)應(yīng)變方面的應(yīng)用和該技術(shù)對(duì)旋翼槳葉形狀變化的測(cè)量。第1部分描述了在空客直升機(jī)H135直升機(jī)的BMR葉片上全速地面運(yùn)行期間部署的兩種固有OFS應(yīng)變傳感技術(shù)，即光纖布拉格光柵（FBG）和光纖段干涉測(cè)量（FSI）。該部分通過對(duì)槳葉的監(jiān)測(cè)深入探討了葉片的氣動(dòng)彈性特性，并對(duì)兩種傳感系統(tǒng)進(jìn)行了性能之間的比較。 ?03???創(chuàng)新研究 3.1 光纖應(yīng)變傳感方法

圖1 典型FSI裝置 圖源: Smart Materials and Structures ?(2022) https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac736d?(Fig. 2)

本文描述了在全轉(zhuǎn)速地面運(yùn)行期間，在直升機(jī)主旋翼葉片上部署兩種基于光纖的應(yīng)變傳感方法，F(xiàn)BG和FSI。 FBG（Fibre Bragg Grating）是典型標(biāo)距長(zhǎng)度為5 mm的光纖應(yīng)變傳感器。FBG可以在寬帶光源或大范圍可調(diào)諧激光器下沿光纖反射窄帶波長(zhǎng)（通常<0.5 nm）。反射帶集中在布拉格波長(zhǎng)上，該波長(zhǎng)與光柵的周期和傳播模式的有效折射率有關(guān)。改變周期或折射率的光纖擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致反射布拉格波長(zhǎng)的變化，其測(cè)量構(gòu)成傳感技術(shù)操作的基礎(chǔ)。 FSI（Fibre Segment Interferometry）用于解調(diào)來自內(nèi)部干涉應(yīng)變傳感器陣列的信號(hào)。該方法如圖1所示，使用由分布式反饋（DFB）激光器、光纖環(huán)行器和光電二極管組成的光學(xué)系統(tǒng)，利用距離分辨干涉測(cè)量（RRI）信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。 實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了兩個(gè)定制的輪轂支撐蓋組件，一個(gè)用于FBG傳感儀器，另一個(gè)用于FSI/DFOSS儀器。每個(gè)集線器支持帽組件包含合適的傳感器詢問器、計(jì)算單元(以堅(jiān)固的微型PC的形式)、數(shù)據(jù)遙測(cè)專用Wi-Fi卡、用于本地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)作為備份的SSD驅(qū)動(dòng)器和可提供長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)運(yùn)行時(shí)間的鋰離子電池。組裝的示意圖如圖2所示。

圖2 (a)轂支撐蓋組件布局示意圖，(b) FBG傳感器圖像，(c) FSI /DFOSS傳感器圖像。

圖源: Smart Materials and Structures ?(2022) https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac736d?(Fig. 3)

3.2 直升機(jī)主旋翼葉片上的光纖應(yīng)變傳感

圖3和圖4顯示了從FBG和FSI傳感器獲得的原始數(shù)據(jù)。圖3(a)顯示了連接到葉片下側(cè)的陣列中每個(gè)FBG傳感器的波長(zhǎng)變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子從靜止過渡到空轉(zhuǎn)時(shí)，觀察到的波長(zhǎng)階躍變化是離心力和葉片形狀變化共同作用的結(jié)果。全速運(yùn)行時(shí)觀察到的時(shí)間序列特征對(duì)應(yīng)于圖5中三次重復(fù)的導(dǎo)頻輸入序列。分析時(shí)間序列可以確定直升機(jī)的旋轉(zhuǎn)速率，如圖3(b)?所示。這是通過特征每轉(zhuǎn)信號(hào)一次的零交叉點(diǎn)計(jì)算出來的，在圖3(c)和(d)所示的時(shí)間序列的0.5 s持續(xù)時(shí)間切片中很明顯，分別對(duì)應(yīng)于怠速和全速運(yùn)行。 時(shí)間序列分析可以確定直升機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，如圖3(b)所示。這是從每轉(zhuǎn)一次的特征信號(hào)的零交叉點(diǎn)計(jì)算得出的，在圖3(c)和(d)所示的時(shí)間序列的0.5秒持續(xù)時(shí)間切片中很明顯，分別對(duì)應(yīng)于怠速和全速運(yùn)行。怠速和全速條件下的轉(zhuǎn)速分別為5Hz和6.62 Hz，與HMV系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果相匹配。在怠速和全速運(yùn)行期間觀察數(shù)據(jù)（圖3(c-d)）表明存在更豐富的振動(dòng)頻譜。

圖3 FBG傳感器數(shù)據(jù) (a)安裝在葉片下表面G1-G10的傳感器所顯示的波長(zhǎng)偏移。(b)根據(jù)G3數(shù)據(jù)確定的旋轉(zhuǎn)速率。(c)和(d)分別為轉(zhuǎn)子怠速和全速運(yùn)行FBG的詳細(xì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)。

圖源: Smart Materials and Structures ?(2022) https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac736d?(Fig. 6)

在FSI的情況下，圖 4(b)?顯示了在每個(gè)反射器R1到R11之間形成的干涉儀和來自劈裂光纖端的參考反射之間測(cè)量的相位變化。由于FBG和FSI數(shù)據(jù)是在單獨(dú)的地面運(yùn)行期間獲得的（因?yàn)闇y(cè)試器安裝在不同的輪轂支撐蓋組件中），運(yùn)行的怠速和全速運(yùn)行段的持續(xù)時(shí)間不同，但數(shù)據(jù)的特征相似。數(shù)據(jù)表明，長(zhǎng)度最長(zhǎng)的干涉儀（對(duì)應(yīng)于距離葉片根部最近的反射器R11和劈裂光纖端之間的長(zhǎng)度）顯示出最大的累積相位偏移?？梢钥闯?，相位偏移的幅度隨著干涉儀長(zhǎng)度的減小而減小。還可以分析FSI數(shù)據(jù)，以確定旋轉(zhuǎn)速率，如圖 4(b)?所示。比較FBG（圖3(c)）和FSI（圖4(c)）在空閑和全速下的0.5秒數(shù)據(jù)切片，表明FSI具有顯著較低的噪聲。

圖4 FSI傳感器原始數(shù)據(jù)。(a)從反射器（R1–R11，R1最靠近分裂光纖端）和分裂光纖端反射之間形成的干涉儀進(jìn)行相位測(cè)量。(b)根據(jù)相位數(shù)據(jù)確定的旋轉(zhuǎn)速率。(c)和(d)分別在轉(zhuǎn)子怠速和全速運(yùn)行期間干涉儀的詳細(xì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)。 圖源: Smart Materials and Structures ?(2022) https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac736d?(Fig. 7) ?

圖5 計(jì)劃的輸入模式。步進(jìn)(0-100s)，雙峰(100-150秒)，循環(huán)(160-250秒)，N中性，L左，R右，B向后，F(xiàn)向前 圖源: Smart Materials and Structures ?(2022) https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac736d?(Fig. 5) 為了觀察由控制裝置的每類先導(dǎo)輸入引起的工作振動(dòng)模式，可以使用圖6中所示的頻譜圖來可視化動(dòng)力學(xué)。圖6(b)和(d)?分別是FBG和FSI通過取時(shí)間序列（圖6(a)和(b)）的短時(shí)傅立葉變換的對(duì)數(shù)得到的數(shù)據(jù)。

圖6 (a)?和 (d) 地面運(yùn)行GR3期間光纖段FBG G7測(cè)量的應(yīng)變時(shí)間序列。(b) 相應(yīng)的頻譜圖。(c)?地面運(yùn)行GR3期間，F(xiàn)SI傳感器S7測(cè)量的應(yīng)變時(shí)間序列，(d) 相應(yīng)的頻譜圖。通過使用數(shù)據(jù)時(shí)間序列的短時(shí)傅立葉變換確定的頻譜圖。

圖源: Smart Materials and Structures ?(2022) https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac736d?(Fig. 15)

圖6(b)和圖6(d)?顯示了槳葉固有振動(dòng)頻率對(duì)直升機(jī)轉(zhuǎn)速的依賴性，在對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子速度降低的頻譜圖區(qū)域（分別大于1350和大于1650秒）。在這里，與轉(zhuǎn)子諧波相對(duì)應(yīng)的更尖銳的線迅速下降到0 Hz，而葉片固有頻率的擴(kuò)散線特性下降到葉片無負(fù)載時(shí)的測(cè)量值。以這種方式觀察模態(tài)可以生成完整的直升機(jī)槳葉坎貝爾圖，該圖以旋轉(zhuǎn)振蕩率表示槳葉的響應(yīng)譜，為槳葉特性和健康監(jiān)測(cè)提供有用的信息，其中的變化表示損傷。使用高度局域應(yīng)變測(cè)量和基于曲率模態(tài)振型的方法被報(bào)道為損傷定位非常有效，這是進(jìn)一步研究的主題。 該論文中的實(shí)驗(yàn)證明，光纖傳感器在特定的先導(dǎo)輸入集體和循環(huán)控制的激勵(lì)下，能夠測(cè)量葉片所經(jīng)歷的應(yīng)變和葉片動(dòng)力學(xué)特征。這兩種傳感方法都能夠檢測(cè)1/rev旋轉(zhuǎn)頻率及其諧波，并檢測(cè)由特定的先導(dǎo)輸入激發(fā)的工作氣動(dòng)彈性模態(tài)。FSI系統(tǒng)比FBG系統(tǒng)具有低兩個(gè)數(shù)量級(jí)的噪聲，F(xiàn)SI的應(yīng)變?cè)肼晿?biāo)準(zhǔn)偏差為0.2nε/√Hz，F(xiàn)BG的應(yīng)變?cè)肼晿?biāo)準(zhǔn)偏差為30nε/√Hz。FSI系統(tǒng)的優(yōu)越性能部分是來源于FSI傳感器的較長(zhǎng)的測(cè)量長(zhǎng)度，這也說明了FSI具有固有的較高的應(yīng)變靈敏度。

?04???應(yīng)用與展望

總體而言，對(duì)于葉片動(dòng)力學(xué)評(píng)估等應(yīng)用，可以得出這樣的結(jié)論: FBG系統(tǒng)所提供的高度局部應(yīng)變傳感并不是必須的，而且在更長(zhǎng)的標(biāo)距長(zhǎng)度上平均應(yīng)變是有益的，因?yàn)殪`敏度隨著信噪比的提高而提高。此外，長(zhǎng)標(biāo)距長(zhǎng)度傳感使得測(cè)量對(duì)局部結(jié)構(gòu)不均勻性或應(yīng)變傳遞中的局部非理想性不太敏感?，F(xiàn)已證明，即使部署在對(duì)于旋轉(zhuǎn)直升機(jī)輪轂惡劣的環(huán)境中，這兩種系統(tǒng)也足夠堅(jiān)固，這為驗(yàn)證槳葉設(shè)計(jì)和服役槳葉狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)大的工具。將這些數(shù)據(jù)與葉片的氣動(dòng)彈性特性聯(lián)系起來可以成為未來研究的一個(gè)方向。

編輯：黃飛

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