光纖光柵測(cè)量在直升機(jī)旋翼試驗(yàn)中的應(yīng)用

謝亞文 易暉

（中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333001）

1 引言

傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量直升機(jī)旋翼載荷，容易受到外界環(huán)境如溫度、濕度、電磁干擾等因素的影響，且一片應(yīng)變片只能接一個(gè)通道，測(cè)量時(shí)需接大量的導(dǎo)線，導(dǎo)線的附加重量對(duì)試驗(yàn)結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。采用光纖光柵測(cè)量技術(shù)克服了傳統(tǒng)應(yīng)變片測(cè)量的缺陷，是一種很有應(yīng)用價(jià)值的新技術(shù)。本文首先介紹了在槳葉上分別粘貼光纖光柵傳感器和應(yīng)變片，完成了在靜態(tài)下的標(biāo)定，其次將粘貼應(yīng)變片和光纖光柵傳感器的槳葉安裝在在旋翼塔上進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和對(duì)比，得出驗(yàn)證結(jié)論。

2 光纖測(cè)量載荷原理、優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)狀

2.1 光纖測(cè)量原理

如圖1，當(dāng)力場(chǎng)F 作用于光纖光柵傳感器時(shí)，光柵柵距λ 發(fā)生變化，隨之產(chǎn)生折射率變化，即光柵反射中心波長(zhǎng)的變化，通過(guò)檢測(cè)波長(zhǎng)漂移量經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換就可以獲得被測(cè)點(diǎn)的載荷。

圖1：光纖光柵示意圖

2.2 光纖測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)變的載荷測(cè)量，與傳統(tǒng)金屬應(yīng)變片進(jìn)行比較，光纖光柵傳感器具有多種顯著的技術(shù)特點(diǎn)。單根光纖上可以制作多個(gè)光柵，將若干光纖光柵通過(guò)串、并聯(lián)等方式連接在一起，可組成分布式測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，使用光纖光柵測(cè)量技術(shù)可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)布線，使結(jié)構(gòu)更加輕便，該優(yōu)勢(shì)隨著測(cè)量點(diǎn)數(shù)的增加而愈加明顯；光纖光柵為光信號(hào)測(cè)量，不受外界磁場(chǎng)的影響，抗電磁干擾能力強(qiáng)；光纖耐腐蝕，化學(xué)穩(wěn)定性好；光纖結(jié)構(gòu)纖細(xì)，適合埋入材料內(nèi)部形成智能材料或結(jié)構(gòu)，可對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性、安全性、載荷疲勞、損傷程度等狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)內(nèi)部的應(yīng)變和溫度進(jìn)行高分辨率和大范圍地測(cè)量。

表1：貼應(yīng)變片槳葉標(biāo)定數(shù)據(jù)

表2：貼光纖槳葉標(biāo)定數(shù)據(jù)

圖2：應(yīng)變片和光纖標(biāo)定曲線

圖3：旋翼塔試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)組成

2.3 光纖測(cè)量應(yīng)用的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，開始進(jìn)入應(yīng)用研究，歐美等許多發(fā)達(dá)國(guó)家都將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)的主要部件上；在國(guó)內(nèi)，光纖光柵傳感器的研究時(shí)間相對(duì)較短，但發(fā)展速度較快。近年來(lái)不少高校和科研單位均對(duì)光纖光柵傳感器研究取得了一些進(jìn)展，其中南京航空航天大學(xué)的智能材料、結(jié)構(gòu)研究所、武漢理工大學(xué)光纖傳感技術(shù)及國(guó)家重點(diǎn)工業(yè)性試驗(yàn)基地在光纖光柵傳感器的理論和應(yīng)用技術(shù)研究方面在國(guó)內(nèi)處于領(lǐng)先地位，航空工業(yè)602 所也利用光纖開展了直升機(jī)槳葉載荷測(cè)試、自動(dòng)傾斜器動(dòng)環(huán)疲勞載荷測(cè)試試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 槳葉靜態(tài)標(biāo)定

選取某型號(hào)直升機(jī)的2 片不同槳葉，其中1 片在200 剖面、597 剖面粘貼應(yīng)變片，作為對(duì)比，另一片在相同剖面、相同測(cè)點(diǎn)位置以相同方式粘貼光纖光柵傳感器。

在試驗(yàn)前進(jìn)行槳葉靜態(tài)加載標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)先進(jìn)行擺振對(duì)揮舞進(jìn)行解耦，鑒于應(yīng)變片解耦技術(shù)已經(jīng)成熟，貼光纖光柵傳感器解耦方法與應(yīng)變片解耦相同。

解耦完成后進(jìn)行正式加載標(biāo)定，在2000mm 剖面進(jìn)行加載，從空載至16kg 分6 級(jí)加載。待加載穩(wěn)定后測(cè)量對(duì)應(yīng)剖面的信號(hào)輸出，重復(fù)標(biāo)定3 次，取3 次標(biāo)定數(shù)據(jù)的平均值為標(biāo)定結(jié)果。應(yīng)變片標(biāo)定數(shù)據(jù)見表1，光纖光柵標(biāo)定數(shù)據(jù)見表2，標(biāo)定曲線見圖2。

3.2 旋翼塔試驗(yàn)

將粘貼應(yīng)變片和光纖光柵傳感器的槳葉安裝在旋翼塔上，并在旋翼塔減速器底部安裝電/光纖一體集流環(huán)用于傳輸應(yīng)變片和光纖傳感器測(cè)量的旋轉(zhuǎn)載荷信號(hào)，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

在轉(zhuǎn)速257rpm、總距分別為0°、3°、5°、7°（縱向周期變距1°、2°）時(shí)槳葉穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下采集固定時(shí)長(zhǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

3.3.1 數(shù)據(jù)處理

應(yīng)變片測(cè)量得到的是電信號(hào)，光纖測(cè)量得到的是光信號(hào)，因此需要將兩組數(shù)據(jù)乘上對(duì)應(yīng)標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換成同一工程量。在分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，不僅要分析槳葉載荷的時(shí)域數(shù)據(jù)，同時(shí)需要對(duì)試驗(yàn)件載荷的動(dòng)態(tài)值和靜態(tài)值進(jìn)行對(duì)比。動(dòng)態(tài)值和靜態(tài)值按照公式（1）和公式（2）進(jìn)行處理。

Vmax 一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的最大值

Vmin 一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)的最小值

3.3.2 數(shù)據(jù)分析

在旋翼實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，通常選用載荷數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)值來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)件的安全監(jiān)控。圖4 至圖6 選出了槳葉200 剖面、597 剖面揮舞彎矩在總距5°縱向周期變距0°及總距7°縱向周期變距2°狀態(tài)下槳葉揮舞載荷時(shí)域數(shù)據(jù)。通過(guò)將應(yīng)變片和光纖光柵傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行對(duì)比，可看出二者的一致性較好。

4 結(jié)論

在完成了槳葉翼型表面的光纖測(cè)點(diǎn)布置、光纖與復(fù)合材料的粘貼和固化、光纖粘貼槳葉的標(biāo)定、光纖和應(yīng)變片粘貼后槳葉裝旋翼塔運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)、數(shù)據(jù)采集及處理等一系列工作后，通過(guò)分析比對(duì)，光纖測(cè)量和應(yīng)變片測(cè)量槳葉動(dòng)態(tài)載荷數(shù)據(jù)的一致性較好，初步驗(yàn)證了光纖在直升機(jī)旋翼動(dòng)態(tài)載荷測(cè)試的可行性。但在0°、3°等小總距狀態(tài)下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在細(xì)微偏差；經(jīng)初步分析：光纖粘貼在槳葉表面會(huì)影響槳葉表面氣動(dòng)性，槳葉承受的載荷不均；后續(xù)需改進(jìn)光纖粘貼工藝，研究光纖植入槳葉的方法，提高光纖測(cè)旋翼動(dòng)態(tài)載荷的測(cè)試精度。

圖4：總距5°狀態(tài)597 剖面揮舞彎矩

圖5：總距7°縱向周期變距2°狀態(tài)200 剖面揮舞彎矩

圖6：總距7°縱向周期變距2°狀態(tài)597 剖面揮舞彎矩