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 |英國克蘭菲爾德大學(xué)Stephen W James課題組 ?01???

導(dǎo)讀

近日，英國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試。在飛行過程中可以使用電子應(yīng)變計(jì)來監(jiān)測轉(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，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）和光纖段干涉測量（FSI）。該部分通過對(duì)槳葉的監(jiān)測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（通常<0.5 nm）。反射帶集中在布拉格波長上，該波長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)致反射布拉格波長的變化，其測量構(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量（RRI）信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行檢測。 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傳感器的波長變化。當(dāng)轉(zhuǎn)子從靜止過渡到空轉(zhuǎn)時(shí)，觀察到的波長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，長度最長的干涉儀（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1/rev旋轉(zhuǎn)頻率及其諧波，并檢測由特定的先導(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傳感器的較長的測量長度，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，而且在更長的標(biāo)距長度上平均應(yīng)變是有益的，因?yàn)殪`敏度隨著信噪比的提高而提高。此外，長標(biāo)距長度傳感使得測量對(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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