直升机主旋翼叶片上的光纤应变传感应用

撰稿 | 哈尔滨工业大学 硕士研究生姚嘉翔 & 董永康教授 翻译 原作者 |英国克兰菲尔德大学Stephen W James课题组  01   

导读

近日，英国Cranfield大学的研究团队利用光纤传感器（Optical Fibre Sensors, OFS）在光纤应变和形状测量方面取得了研究进展。该文章（题为“Fibre-optic measurement of strain and shape on a helicopter rotor blade during a ground run: 1 . Measurement of strain”）发表在Smart Materials and Structures期刊上，Stephen W James为论文的第一作者和通讯作者。

 02  研究背景

光纤传感器（OFS）用于测量飞行器结构的前景在诸多文献中已有详细描述。相较于传统传感器，OFS拥有诸多优势，例如高灵活性、轻质量、抗电磁、小尺寸，并且对传感器元件的电连接没有要求。这些特性可以使其作为安装在气动力面的传感器，此外，还可以在光纤的制造过程中嵌入增强复合材料结构和组件。

旋翼桨叶是保障直升机安全飞行的关键系统之一。但它易受冲击、易吸收水分，从而导致结构退化，性能下降或可能造成灾难性故障。目前，评估直升机主旋翼叶片的状态主要是靠目视检查和敲击测试。在飞行过程中可以使用电子应变计来监测转子叶片的结构变形。然而，除了接线对空气动力学和叶片的动态行为可能产生有害影响外，安装时间过长，以及它们对温度和进水的敏感性也会限制对它的使用效果。

这篇论文分为两部分，介绍了BladeSense项目（动态旋翼桨叶形变测量）的部分研究进展。该项目旨在研究光纤传感器在直升机旋翼桨叶上的应用，以提供数据，增强对空气动力学、气动弹性现象的理解，并探索常规飞行部署的可行性，以促进旋翼桨叶的预测性维护。先前的文献作者已经确认了OFS技术在实验室条件下进行地面振动试验期间，在静止参考系中分析转子叶片振动特性的能力。这些文献评估了当安装了OFS测量设备的直升机地面运行过程时，该技术在旋转框架中的应用情况。本文的两部分分别探讨OFS在监测应变方面的应用和该技术对旋翼桨叶形状变化的测量。第1部分描述了在空客直升机H135直升机的BMR叶片上全速地面运行期间部署的两种固有OFS应变传感技术，即光纤布拉格光栅（FBG）和光纤段干涉测量（FSI）。该部分通过对桨叶的监测深入探讨了叶片的气动弹性特性，并对两种传感系统进行了性能之间的比较。  03   创新研究 3.1 光纤应变传感方法

图1 典型FSI装置 图源: Smart Materials and Structures  (2022) https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac736d (Fig. 2)

本文描述了在全转速地面运行期间，在直升机主旋翼叶片上部署两种基于光纤的应变传感方法，FBG和FSI。 FBG（Fibre Bragg Grating）是典型标距长度为5 mm的光纤应变传感器。FBG可以在宽带光源或大范围可调谐激光器下沿光纤反射窄带波长（通常<0.5 nm）。反射带集中在布拉格波长上，该波长与光栅的周期和传播模式的有效折射率有关。改变周期或折射率的光纤扰动会导致反射布拉格波长的变化，其测量构成传感技术操作的基础。 FSI（Fibre Segment Interferometry）用于解调来自内部干涉应变传感器阵列的信号。该方法如图1所示，使用由分布式反馈（DFB）激光器、光纤环行器和光电二极管组成的光学系统，利用距离分辨干涉测量（RRI）信号处理技术进行检测。 实验构建了两个定制的轮毂支撑盖组件，一个用于FBG传感仪器，另一个用于FSI/DFOSS仪器。每个集线器支持帽组件包含合适的传感器询问器、计算单元(以坚固的微型PC的形式)、数据遥测专用Wi-Fi卡、用于本地存储数据作为备份的SSD驱动器和可提供长达6小时运行时间的锂离子电池。组装的示意图如图2所示。

图2 (a)毂支撑盖组件布局示意图，(b) FBG传感器图像，(c) FSI /DFOSS传感器图像。

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

3.2 直升机主旋翼叶片上的光纤应变传感

图3和图4显示了从FBG和FSI传感器获得的原始数据。图3(a)显示了连接到叶片下侧的阵列中每个FBG传感器的波长变化。当转子从静止过渡到空转时，观察到的波长阶跃变化是离心力和叶片形状变化共同作用的结果。全速运行时观察到的时间序列特征对应于图5中三次重复的导频输入序列。分析时间序列可以确定直升机的旋转速率，如图3(b) 所示。这是通过特征每转信号一次的零交叉点计算出来的，在图3(c)和(d)所示的时间序列的0.5 s持续时间切片中很明显，分别对应于怠速和全速运行。 时间序列分析可以确定直升机旋转速度，如图3(b)所示。这是从每转一次的特征信号的零交叉点计算得出的，在图3(c)和(d)所示的时间序列的0.5秒持续时间切片中很明显，分别对应于怠速和全速运行。怠速和全速条件下的转速分别为5Hz和6.62 Hz，与HMV系统的测量结果相匹配。在怠速和全速运行期间观察数据（图3(c-d)）表明存在更丰富的振动频谱。

图3 FBG传感器数据 (a)安装在叶片下表面G1-G10的传感器所显示的波长偏移。(b)根据G3数据确定的旋转速率。(c)和(d)分别为转子怠速和全速运行FBG的详细时间序列数据。

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

在FSI的情况下，图 4(b) 显示了在每个反射器R1到R11之间形成的干涉仪和来自劈裂光纤端的参考反射之间测量的相位变化。由于FBG和FSI数据是在单独的地面运行期间获得的（因为测试器安装在不同的轮毂支撑盖组件中），运行的怠速和全速运行段的持续时间不同，但数据的特征相似。数据表明，长度最长的干涉仪（对应于距离叶片根部最近的反射器R11和劈裂光纤端之间的长度）显示出最大的累积相位偏移。可以看出，相位偏移的幅度随着干涉仪长度的减小而减小。还可以分析FSI数据，以确定旋转速率，如图 4(b) 所示。比较FBG（图3(c)）和FSI（图4(c)）在空闲和全速下的0.5秒数据切片，表明FSI具有显著较低的噪声。

图4 FSI传感器原始数据。(a)从反射器（R1–R11，R1最靠近分裂光纤端）和分裂光纤端反射之间形成的干涉仪进行相位测量。(b)根据相位数据确定的旋转速率。(c)和(d)分别在转子怠速和全速运行期间干涉仪的详细时间序列数据。 图源: Smart Materials and Structures  (2022) https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac736d (Fig. 7)  

图5 计划的输入模式。步进(0-100s)，双峰(100-150秒)，循环(160-250秒)，N中性，L左，R右，B向后，F向前 图源: Smart Materials and Structures  (2022) https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac736d (Fig. 5) 为了观察由控制装置的每类先导输入引起的工作振动模式，可以使用图6中所示的频谱图来可视化动力学。图6(b)和(d) 分别是FBG和FSI通过取时间序列（图6(a)和(b)）的短时傅立叶变换的对数得到的数据。

图6 (a) 和 (d) 地面运行GR3期间光纤段FBG G7测量的应变时间序列。(b) 相应的频谱图。(c) 地面运行GR3期间，FSI传感器S7测量的应变时间序列，(d) 相应的频谱图。通过使用数据时间序列的短时傅立叶变换确定的频谱图。

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

图6(b)和图6(d) 显示了桨叶固有振动频率对直升机转速的依赖性，在对应于转子速度降低的频谱图区域（分别大于1350和大于1650秒）。在这里，与转子谐波相对应的更尖锐的线迅速下降到0 Hz，而叶片固有频率的扩散线特性下降到叶片无负载时的测量值。以这种方式观察模态可以生成完整的直升机桨叶坎贝尔图，该图以旋转振荡率表示桨叶的响应谱，为桨叶特性和健康监测提供有用的信息，其中的变化表示损伤。使用高度局域应变测量和基于曲率模态振型的方法被报道为损伤定位非常有效，这是进一步研究的主题。 该论文中的实验证明，光纤传感器在特定的先导输入集体和循环控制的激励下，能够测量叶片所经历的应变和叶片动力学特征。这两种传感方法都能够检测1/rev旋转频率及其谐波，并检测由特定的先导输入激发的工作气动弹性模态。FSI系统比FBG系统具有低两个数量级的噪声，FSI的应变噪声标准偏差为0.2nε/√Hz，FBG的应变噪声标准偏差为30nε/√Hz。FSI系统的优越性能部分是来源于FSI传感器的较长的测量长度，这也说明了FSI具有固有的较高的应变灵敏度。

 04   应用与展望

总体而言，对于叶片动力学评估等应用，可以得出这样的结论: FBG系统所提供的高度局部应变传感并不是必须的，而且在更长的标距长度上平均应变是有益的，因为灵敏度随着信噪比的提高而提高。此外，长标距长度传感使得测量对局部结构不均匀性或应变传递中的局部非理想性不太敏感。现已证明，即使部署在对于旋转直升机轮毂恶劣的环境中，这两种系统也足够坚固，这为验证桨叶设计和服役桨叶状态监测提供了强大的工具。将这些数据与叶片的气动弹性特性联系起来可以成为未来研究的一个方向。

编辑：黄飞