光纖光柵傳感器在直升機(jī)旋翼槳葉載荷標(biāo)定上的應(yīng)用

周強(qiáng) 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 概述

光纖光柵傳感技術(shù)在近年來(lái)發(fā)展十分迅速，具有精度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可測(cè)量應(yīng)力應(yīng)變、溫度、加速度等多種物理量，在建筑、船舶、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)廣泛[1]。目前，國(guó)外已經(jīng)成功將光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）傳感器應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，如在線(xiàn)監(jiān)測(cè)航天飛行器復(fù)合材料的應(yīng)變和溫度以及航空航天器的結(jié)構(gòu)損傷[2,3]。而國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用較少。

已有研究表明，利用FBG測(cè)量模型旋翼槳葉的載荷分布具有可行性、精確性和優(yōu)越性[4]?；诖?，本文利用FBG傳感器在某型號(hào)的全尺寸槳葉的多個(gè)剖面上進(jìn)行表面貼片和靜態(tài)加載標(biāo)定，并對(duì)標(biāo)定測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出FBG測(cè)量物理量的變化量與相應(yīng)剖面彎矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系[5]。作為對(duì)比，本文使用傳統(tǒng)應(yīng)變片在相同測(cè)量環(huán)境下對(duì)槳葉進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)比較和分析兩者最終所得數(shù)據(jù)，驗(yàn)證FBG測(cè)量旋翼槳葉載荷實(shí)際應(yīng)用的可行性。

2 FBG傳感器的測(cè)量原理

FBG的結(jié)構(gòu)主要由纖芯、包層和涂覆層三部分組成。利用摻雜鍺、磷等元素的光纖的光敏性，通過(guò)某種工藝方法使外界入射光子和纖芯內(nèi)的摻雜粒子相互作用促使纖芯折射率沿纖軸方向呈周期性或非周期性的永久性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，如圖1所示[4]。

當(dāng)寬帶入射光通過(guò)光纖光柵時(shí)，一部分窄帶光被反射回去，在反射光譜中出現(xiàn)峰值，如圖2所示。FBG反射光的波長(zhǎng)需滿(mǎn)足方程：λB=2neffΛ，式中的λB為光纖光柵的反射波長(zhǎng)；neff為光纖纖芯的有效折射率；Λ為光柵周期。反射光的中心波長(zhǎng)取決于光纖光柵的柵距，而光纖光柵的柵距會(huì)因機(jī)械應(yīng)力或熱應(yīng)力而改變，因此通過(guò)對(duì)反射光中心波長(zhǎng)的檢測(cè)就可獲知被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力和溫度信息。

3 試驗(yàn)方法和過(guò)程

3.1 槳葉貼片

本標(biāo)定試驗(yàn)共使用某型號(hào)2片全尺寸槳葉進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，并編號(hào)為1#槳葉和2#槳葉，其中1#槳葉黏貼電阻應(yīng)變片，2#槳葉黏貼光纖光柵。槳葉載荷主要包括揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)三種彎矩載荷，標(biāo)定試驗(yàn)取槳葉r=186剖面測(cè)量扭轉(zhuǎn)，取r=200剖面測(cè)量擺振和揮舞彎矩。

如圖3所示，在1#槳葉上、下表面的1/4弦線(xiàn)位置各粘貼1組平行應(yīng)變片，即R1和R2、R3和R4，組全橋，用于測(cè)量揮舞載荷作用下的輸出電壓值；在1#槳葉上、下表面的1/4弦線(xiàn)位置各粘貼1組正交應(yīng)變片，組全橋，用于測(cè)量扭轉(zhuǎn)載荷作用下的輸出電壓值；在1#槳葉前緣和后緣位置共選取4個(gè)單應(yīng)變片，組全橋（前緣粘貼2個(gè)單應(yīng)變片，后緣粘貼多個(gè)單應(yīng)變片并從中選取2個(gè)，所選4個(gè)單應(yīng)變片組成的全橋應(yīng)使揮舞-擺振耦合最?。?，用于測(cè)量擺振載荷作用下的輸出電壓值。這種應(yīng)變片組橋方式可有效消除徑向拉伸和壓縮載荷的影響，并具有溫度補(bǔ)償功能[6]。

為了進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，在2#槳葉上、下表面的1/4弦線(xiàn)位置各粘貼1組光柵，用于測(cè)量揮舞載荷作用下的輸出波長(zhǎng)值；在1#槳葉上下表面的1/4弦線(xiàn)位置各粘貼1組正交光柵，用于測(cè)量扭轉(zhuǎn)載荷作用下的輸出波長(zhǎng)值；在1#槳葉前緣和后緣位置共粘貼4段光柵，組全橋，用于測(cè)量擺振載荷作用下的輸出波長(zhǎng)值。圖4為槳葉表面粘貼光纖光柵的局部實(shí)物圖，對(duì)2#槳葉的測(cè)量剖面進(jìn)行表面打磨后，用509膠將光柵直接粘貼在槳葉的復(fù)合材料表面。光纖引出端通過(guò)法蘭盤(pán)與信號(hào)解調(diào)儀對(duì)接，進(jìn)行信號(hào)的輸出和采集。

圖1：光纖光柵示意圖

圖2:：光纖布拉格光柵傳感原理

圖3：槳葉表面光纖光柵貼片

圖4：槳葉表面光纖光柵貼片局部實(shí)物圖

表1：主槳葉1#200剖面揮舞狀態(tài)應(yīng)變片標(biāo)定數(shù)據(jù)表（單位：uV/10V）

表2：主槳葉2#200剖面揮舞狀態(tài)光纖標(biāo)定數(shù)據(jù)表（單位：pm）

表3：主槳葉1#200剖面擺振狀態(tài)應(yīng)變片標(biāo)定數(shù)據(jù)表（單位：uV/10V）

表4：主槳葉2#200剖面擺振狀態(tài)光纖標(biāo)定數(shù)據(jù)表（單位：pm）

表5：主槳葉1#186剖面扭矩狀態(tài)應(yīng)變片標(biāo)定數(shù)據(jù)表（單位：uV/10V）

3.1 槳葉標(biāo)定

槳葉標(biāo)定前，通過(guò)兩根插銷(xiāo)將槳葉根部安裝固定在標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)上，并利用槳葉翼形夾具進(jìn)行加載，確定預(yù)扭角后，對(duì)槳葉進(jìn)行砝碼加載標(biāo)定[5]。槳葉安裝示意圖如圖5(a)所示。

槳葉標(biāo)定時(shí)，試驗(yàn)加載剖面為2125 mm，揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)方向標(biāo)定時(shí)最大載荷分別為±15 kg、±20 kg和±25 kg，至少分4級(jí)以上逐級(jí)加載，每級(jí)加載重復(fù)3次，然后測(cè)量各測(cè)點(diǎn)位置電壓和波長(zhǎng)輸出值。揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)加載示意圖分別如圖5(b)、圖5(c)和圖5(d)所示。

4 數(shù)據(jù)處理及分析

按照標(biāo)定步驟在預(yù)先確定的加載剖面對(duì)兩片主槳葉進(jìn)行揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)狀態(tài)的標(biāo)定，標(biāo)定數(shù)據(jù)見(jiàn)表1～表6，標(biāo)定曲線(xiàn)見(jiàn)圖6～圖8。

從標(biāo)定數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，通過(guò)逐級(jí)加載力矩，應(yīng)變片的電壓輸出值和光纖光柵的波長(zhǎng)輸出值會(huì)隨之變化，且每級(jí)加載輸出值的穩(wěn)定性好；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合后發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變片和光纖光柵都顯示出較好的線(xiàn)性度，即在最大載荷測(cè)量范圍內(nèi)，兩者的輸出值和槳葉所加載的載荷具有一一對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性關(guān)系。

表6：主槳葉2#186剖面扭矩狀態(tài)光纖標(biāo)定數(shù)據(jù)表（單位：pm）

圖5：槳葉安裝和標(biāo)定加載示意圖

圖6：主槳葉200剖面揮舞狀態(tài)標(biāo)定曲線(xiàn)

圖7：主槳葉200剖面擺陣狀態(tài)標(biāo)定曲線(xiàn)

圖8：主槳葉186剖面扭矩狀態(tài)標(biāo)定曲線(xiàn)

5 結(jié)論

通過(guò)主槳葉載荷的靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BG傳感器的標(biāo)定效果與傳統(tǒng)應(yīng)變片相似，可滿(mǎn)足標(biāo)定要求，即基于光纖傳感測(cè)量技術(shù)識(shí)別旋翼載荷的應(yīng)用具有可行性。由于光纖光柵傳感器反射的中心波長(zhǎng)同時(shí)受應(yīng)力和溫度的影響，為更加精確地測(cè)量槳葉載荷的大小和分布，需考慮對(duì)槳葉標(biāo)定的過(guò)程進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

此次的標(biāo)定試驗(yàn)為后續(xù)光纖光柵傳感器用于直升機(jī)旋翼槳葉動(dòng)態(tài)載荷的測(cè)量提供了有力的支撐。另外，光纖光柵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、適合植入材料內(nèi)部，具有可實(shí)現(xiàn)全程在線(xiàn)監(jiān)測(cè)材料內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變及結(jié)構(gòu)損傷等實(shí)際應(yīng)用的可能性，這是傳統(tǒng)應(yīng)變片所不具備的。因此，光纖傳感器在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用市場(chǎng)的發(fā)展前景是十分廣闊的。