撰稿 | 哈爾濱工業大學?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Stephen W James課題組 ?01???

導讀

近日，英國Cranfield大學的研究團隊利用光纖傳感器（Optical Fibre Sensors,?OFS）在光纖應變和形狀測量方面取得了研究進展。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）用于測量飛行器結構的前景在諸多文獻中已有詳細描述。相較于傳統傳感器，OFS擁有諸多優勢，例如高靈活性、輕質量、抗電磁、小尺寸，并且對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力面的傳感器，此外，還可以在光纖的制造過程中嵌入增強復合材料結構和組件。

旋翼槳葉是保障直升機安全飛行的關鍵系統之一。但它易受沖擊、易吸收水分，從而導致結構退化，性能下降或可能造成災難性故障。目前，評估直升機主旋翼葉片的狀態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變計來監測轉子葉片的結構變形。然而，除了接線對空氣動力學和葉片的動態行為可能產生有害影響外，安裝時間過長，以及它們對溫度和進水的敏感性也會限制對它的使用效果。

這篇論文分為兩部分，介紹了BladeSense項目（動態旋翼槳葉形變測量）的部分研究進展。該項目旨在研究光纖傳感器在直升機旋翼槳葉上的應用，以提供數據，增強對空氣動力學、氣動彈性現象的理解，并探索常規飛行部署的可行性，以促進旋翼槳葉的預測性維護。先前的文獻作者已經確認了OFS技術在實驗室條件下進行地面振動試驗期間，在靜止參考系中分析轉子葉片振動特性的能力。這些文獻評估了當安裝了OFS測量設備的直升機地面運行過程時，該技術在旋轉框架中的應用情況。本文的兩部分分別探討OFS在監測應變方面的應用和該技術對旋翼槳葉形狀變化的測量。第1部分描述了在空客直升機H135直升機的BMR葉片上全速地面運行期間部署的兩種固有OFS應變傳感技術，即光纖布拉格光柵（FBG）和光纖段干涉測量（FSI）。該部分通過對槳葉的監測深入探討了葉片的氣動彈性特性，并對兩種傳感系統進行了性能之間的比較。 ?03???創新研究 3.1 光纖應變傳感方法

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

本文描述了在全轉速地面運行期間，在直升機主旋翼葉片上部署兩種基于光纖的應變傳感方法，FBG和FSI。 FBG（Fibre Bragg Grating）是典型標距長度為5 mm的光纖應變傳感器。FBG可以在寬帶光源或大范圍可調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。改變周期或折射率的光纖擾動會導致反射布拉格波長的變化，其測量構成傳感技術操作的基礎。 FSI（Fibre Segment Interferometry）用于解調來自內部干涉應變傳感器陣列的信號。該方法如圖1所示，使用由分布式反饋（DFB）激光器、光纖環行器和光電二極管組成的光學系統，利用距離分辨干涉測量（RRI）信號處理技術進行檢測。 實驗構建了兩個定制的輪轂支撐蓋組件，一個用于FBG傳感儀器，另一個用于FSI/DFOSS儀器。每個集線器支持帽組件包含合適的傳感器詢問器、計算單元(以堅固的微型PC的形式)、數據遙測專用Wi-Fi卡、用于本地存儲數據作為備份的SSD驅動器和可提供長達6小時運行時間的鋰離子電池。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 直升機主旋翼葉片上的光纖應變傳感

圖3和圖4顯示了從FBG和FSI傳感器獲得的原始數據。圖3(a)顯示了連接到葉片下側的陣列中每個FBG傳感器的波長變化。當轉子從靜止過渡到空轉時，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果。全速運行時觀察到的時間序列特征對應于圖5中三次重復的導頻輸入序列。分析時間序列可以確定直升機的旋轉速率，如圖3(b)?所示。這是通過特征每轉信號一次的零交叉點計算出來的，在圖3(c)和(d)所示的時間序列的0.5 s持續時間切片中很明顯，分別對應于怠速和全速運行。 時間序列分析可以確定直升機旋轉速度，如圖3(b)所示。這是從每轉一次的特征信號的零交叉點計算得出的，在圖3(c)和(d)所示的時間序列的0.5秒持續時間切片中很明顯，分別對應于怠速和全速運行。怠速和全速條件下的轉速分別為5Hz和6.62 Hz，與HMV系統的測量結果相匹配。在怠速和全速運行期間觀察數據（圖3(c-d)）表明存在更豐富的振動頻譜。

圖3 FBG傳感器數據 (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G3數據確定的旋轉速率。(c)和(d)分別為轉子怠速和全速運行FBG的詳細時間序列數據。

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數據是在單獨的地面運行期間獲得的（因為測試器安裝在不同的輪轂支撐蓋組件中），運行的怠速和全速運行段的持續時間不同，但數據的特征相似。數據表明，長度最長的干涉儀（對應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。可以看出，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數據，以確定旋轉速率，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秒數據切片，表明FSI具有顯著較低的噪聲。

圖4 FSI傳感器原始數據。(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行相位測量。(b)根據相位數據確定的旋轉速率。(c)和(d)分別在轉子怠速和全速運行期間干涉儀的詳細時間序列數據。 圖源: Smart Materials and Structures ?(2022) https://doi.org/10.1088/1361-665X/ac736d?(Fig. 7) ?

圖5 計劃的輸入模式。步進(0-100s)，雙峰(100-150秒)，循環(160-250秒)，N中性，L左，R右，B向后，F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輸入引起的工作振動模式，可以使用圖6中所示的頻譜圖來可視化動力學。圖6(b)和(d)?分別是FBG和FSI通過取時間序列（圖6(a)和(b)）的短時傅立葉變換的對數得到的數據。

圖6 (a)?和 (d) 地面運行GR3期間光纖段FBG G7測量的應變時間序列。(b) 相應的頻譜圖。(c)?地面運行GR3期間，FSI傳感器S7測量的應變時間序列，(d) 相應的頻譜圖。通過使用數據時間序列的短時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頻率對直升機轉速的依賴性，在對應于轉子速度降低的頻譜圖區域（分別大于1350和大于1650秒）。在這里，與轉子諧波相對應的更尖銳的線迅速下降到0 Hz，而葉片固有頻率的擴散線特性下降到葉片無負載時的測量值。以這種方式觀察模態可以生成完整的直升機槳葉坎貝爾圖，該圖以旋轉振蕩率表示槳葉的響應譜，為槳葉特性和健康監測提供有用的信息，其中的變化表示損傷。使用高度局域應變測量和基于曲率模態振型的方法被報道為損傷定位非常有效，這是進一步研究的主題。 該論文中的實驗證明，光纖傳感器在特定的先導輸入集體和循環控制的激勵下，能夠測量葉片所經歷的應變和葉片動力學特征。這兩種傳感方法都能夠檢測1/rev旋轉頻率及其諧波，并檢測由特定的先導輸入激發的工作氣動彈性模態。FSI系統比FBG系統具有低兩個數量級的噪聲，FSI的應變噪聲標準偏差為0.2nε/√Hz，FBG的應變噪聲標準偏差為30nε/√Hz。FSI系統的優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變靈敏度。

?04???應用與展望

總體而言，對于葉片動力學評估等應用，可以得出這樣的結論: FBG系統所提供的高度局部應變傳感并不是必須的，而且在更長的標距長度上平均應變是有益的，因為靈敏度隨著信噪比的提高而提高。此外，長標距長度傳感使得測量對局部結構不均勻性或應變傳遞中的局部非理想性不太敏感。現已證明，即使部署在對于旋轉直升機輪轂惡劣的環境中，這兩種系統也足夠堅固，這為驗證槳葉設計和服役槳葉狀態監測提供了強大的工具。將這些數據與葉片的氣動彈性特性聯系起來可以成為未來研究的一個方向。

編輯：黃飛

?