CN105021351A - 一种基于光纤光栅振动传感系统的直升机桨叶质量不平衡检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光纤光栅振动传感系统的直升机桨叶质量不平衡检测方法，将光纤光栅传感器布置于直升机的桨叶表面(1)和桨叶底座表面(2)上，通过光纤滑环和光缆连接到后部的解调仪和上位机，在桨叶转动时感受桨叶表面的应变和桨叶底座的振动(3)并采集数据(4)，后部的数据处理系统通过时域分析(5)和频域分析(6)，提取数据特征，与正常桨叶的数据进行对比，从而判断直升机桨叶的质量是否不平衡以及不平衡程度(7)。本发明克服了人工纸筒式标杆法费时费力、精度低、具有一定危险性和频闪仪靶标法依靠人眼不客观、定标时间长的缺点，能对直升机桨叶的质量不平衡进行客观、精确的检测和定量分析。

Description

一种基于光纤光栅振动传感系统的直升机桨叶质量不平衡检测方法

技术领域

本发明属于结构健康监测领域，特别涉及一种基于光纤光栅振动传感系统的直升机桨叶质量不平衡检测方法。

背景技术

直升机旋翼作为向直升机飞行提供升力和操纵力的核心部件，直接关系到直升机的安全及其他各项重要性能的优劣。直升机旋翼高速旋转产生的椎体是直升机旋翼系统技术状态的综合反映，包括桨叶质量变化、桨叶安装和固定情况等，均反映到旋翼椎体的变化。其中桨叶的质量不平衡会引起飞机机身的振动，影响飞行安全，严重时有可能会引起桨叶的折断，造成机毁人亡的后果，所以为了飞行安全，很有必要对这一常见的问题进行检测。

测量桨叶质量不平衡的传统方法有两种：人工纸筒式标杆法和频闪仪靶标法。人工纸筒式标杆法是在各根桨叶的叶尖上涂不同的颜色，当旋翼旋转到规定转速时，将吊挂白色纸筒的标杆逐渐靠近桨叶叶尖，通过人工观察纸筒上不同颜色的痕迹来粗略判断桨叶质量的平衡状况。人工纸筒式标杆法较为简单，但是有几点弊端：1、人工靠杆需要空、地勤人员的协同，且靠杆有一定危险性；2、重复性差，无法记录数据；3、比较依赖熟练技术工的经验，精度低。频闪仪靶标法则是利用人眼视觉暂留现象发展出的一种测量方法，在各桨叶上粘贴特定的反光靶标，在直升机地面开车后，用频闪仪固定照射桨叶某一位置，反光靶标随之发光，由于人眼的迟滞性，会记录下靶标位置，若桨叶质量不平衡，转动轨迹变化，则靶标位置也会变化。此方法相对于人工纸筒式靶标法有所进步，但仍存在缺点：1、无法记录数据，依赖人眼判断，不够客观也不能进行定量分析；2、首次锁定靶标时间较长，有可能对直升机机体结构造成危害。

光纤光栅传感器作为一种新兴的传感器，具有小巧轻便、抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、成本低及易于实现复用等优点，在传感领域发挥着重要作用，并在航空航天、桥梁、矿山、地质勘探、铁路检测等领域中得到广泛应用。目前将光纤光栅传感器应用在直升机桨叶质量不平衡检测上的实例和专利暂时还没有，但是光纤光栅传感器所拥有的这些优点，令其具有良好的应用前景，而此专利的发明内容，也是富有实践意义的。

发明内容

本发明的目的在于，克服已有的技术局限，利用光纤布拉格光栅组建振动传感系统，提供了一种基于光纤光栅振动传感系统的直升机桨叶质量不平衡检测方法，该方法能够有效地检测到直升机桨叶的质量不平衡以及质量不平衡的程度。

本发明采用的技术方案为：一种基于光纤光栅振动传感系统的直升机桨叶质量不平衡检测方法，将光纤光栅传感器粘贴在直升机桨叶的表面和桨叶底座上，直升机桨叶表面的首个光纤光栅传感器连接至光纤滑环的动端，桨叶底座的首个光纤光栅传感器连接至光纤滑环的静端，桨叶底座的最后一个光纤光栅传感器连接至光纤光栅振动解调系统；在桨叶转动时感受桨叶表面的应变和桨叶底座的振动并采集数据，处理数据得到振动的时域参数：振幅、均值、方差、均方根值、峰值、峰值因子、峭度系数；然后通过快速傅里叶变换(FFT)计算频域参数：基频、重心频率、均方频率、均方根频率、频率方差；将时域、频域参数与正常桨叶的振动数据对比，判断桨叶质量是否平衡以及不平衡程度。

进一步的，光纤光栅传感器的粘贴方式采取栅区两侧用3M胶带粘贴，栅区用α-氰基丙烯酸乙酯胶粘贴，各个光纤光栅传感器熔接为一串，直升机桨叶表面的首个光纤光栅传感器连接至光纤滑环的动端，桨叶底座的首个光纤光栅传感器连接至光纤滑环的静端，桨叶底座的最后一个光纤光栅传感器连接至光纤光栅振动解调系统。

进一步的，采集到的原始数据为光纤光栅的中心波长，先将其转换为应变值，得到振动幅值的时域数据，计算均值、方差、均方根值、峰值、峰值因子、峭度系数时域参数，然后通过快速傅里叶变换(FFT)转换成频域数据，计算重心频率、均方频率、均方根频率、频率方差频域参数，通过将以上数据与质量平衡的桨叶振动数据相对比来判断所测桨叶是否质量不平衡以及质量不平衡的程度。

其中，由振动幅值计算得到均值、方差、均方根值、峰值、峰值因子、峭度系数时域参数的方法为时域分析方法。由时域信号进行快速傅里叶变换并计算得到基频、重心频率、均方频率、均方根频率、频率方差频域参数的方法为频域分析方法。

本发明与现有技术相比的优点在于：可以准确测量直升机桨叶旋转时的数据，并可保存下来量化分析；多个特征参数对比得出结论，对桨叶质量不平衡的判断成功率高；数据客观，检测过程重复性好，且操作简单、安全；目前检测直升机桨叶质量不平衡的人工纸筒式标杆法和频闪仪靶标法都依赖于人工的技术，判断不够客观且无法记录数据，而本发明利用光纤光栅振动传感系统进行测量和记录数据，能够避免人工观测的主观性，而且更加准确、可靠，此为创新性之一；本发明在布置传感器时，根据不同部位的不同数据特征在桨叶表面和桨叶底座表面布置了传感器，通过光纤滑环连为一串，在全面测量数据的同时又解决了桨叶转动带来的连接线扰动问题，此为创新性之二；本发明在数据处理时，从时域参数和频域参数两方面进行计算，通过多个参数的对比来判断桨叶质量的不平衡，成功率高，而且能判断出桨叶质量不平衡的程度，此为创新性之三。

附图说明

图1为本专利的方法示意图；

图2为光纤光栅振动传感系统的结构连接示意图；

图3为光纤光栅传感器在直升机桨叶表面粘贴的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1为本专利的整体思路与检测流程图，1为在直升机桨叶表面上粘贴光纤光栅传感器，2为在桨叶底座表面上粘贴光纤光栅传感器，3是直升机开大车状态下开机检测，4是选定合适的采样频率来记录数据，5是对采集到的原始数据进行时域分析，包括求取峰值、峰值因子、峭度系数、均方根值等参数，6是对采集到的数据进行频域分析，包括快速傅里叶变换(FFT)、求取基频、重心频率、均方频率等参数，7是将求取的时域、频域参数与正常桨叶运转的相应参数进行对比，判断所测桨叶是否存在质量不平衡问题以及质量不平衡的严重程度。

图2为光纤光栅振动传感系统的结构图，1为粘贴在直升机桨叶表面的光纤光栅传感器，这些传感器通过熔接接为一串，通过光纤滑环的转动端2连接到光纤滑环3，粘贴在桨叶底座表面上的光纤光栅传感器5，也是通过熔接接为一串，一端连接到光纤滑环的固定端4上，另一端连接到光纤光栅振动解调仪6上，6连接到PC 7上进行数据存储与后期处理。这套系统具有体积小巧，灵敏度高，抗电磁干扰等优点，尤其适合在直升机开大车时进行检测，而且通过创造性地引入光纤滑环，使得在直升机开大车状态下，桨叶的转动不会造成线缆扰动和弯曲，从而降低了发生危险的概率并减小了信号的衰减。

图3为光纤光栅传感器在直升机桨叶表面上的布置粘贴图，在粘贴光纤光栅传感器时，采取的方式为光纤光栅的栅区两侧用3M胶带粘贴，栅区用α-氰基丙烯酸乙酯粘贴，在粘贴时预加一部分应力在光栅两端，这样可以保证光纤光栅传感器能紧贴材料表面，从而充分传递材料本身的应变；光纤光栅传感器布置在桨叶的叶尖处，一个横向布置，一个纵向布置，这样可以感受不同方向的应变。

光纤光栅传感器是用光栅栅距的变化来反映外界物理量变化的，当直升机桨叶转动时，粘贴在桨叶表面和桨叶底座表面的光纤光栅传感器感受到的振动，实质上是动态应变，光纤光栅传感器测振动的原理如下：

光纤布拉格光栅(FBG)的中心波长为：

λ_B＝2n_effΛ      (1)

式中的n_eff即代表纤芯的有效折射率，Λ则代表光纤光栅的周期(栅距)。当一束宽带光入射进布拉格光栅时，符合上述光栅谐振条件的窄带频谱将被反射回来，当外界的物理量如压力、温度、声场作用在光纤光栅上时，有效折射率n_eff和光栅周期Λ都会受到影响而发生改变，引起后向反射光中心波长的漂移。于是，可以得到：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\Λ}}{\mathrm{\Λ}}+\frac{{\mathrm{\Δn}}_{eff}}{n_{eff}}---\left(2\right)$

式中：△n_eff为光纤纤芯有效折射率变化，△Λ为光栅栅距变化。

其中光纤产生应变时的折射率变化为：

$\frac{{\mathrm{\Δn}}_{eff}}{n_{eff}}=-\frac{1}{2}{n}_{eff}^2\[(1-\mathrm{\μ})P_{12}-{\mathrm{\μP}}_{11}\]\mathrm{\ϵ}=-P\mathrm{\ϵ}---\left(3\right)$

式中：ε是轴向应变，μ是泊松比。对于典型的石英光纤：n_eff＝1.46，P₁₁＝0.12，P₁₂＝0.27，μ＝0.16，则P＝0.22。若设则式(2)可以写为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P)\mathrm{\ϵ}=0.78\mathrm{\ϵ}---\left(4\right)$

式(4)就是FBG应变测量的一般公式，可以看出当FBG的材料一旦确定，其对应的传感特性基本上是与材料系数相关的常数，这也说明FBG具有很好的线性应变特性。

光纤光栅振动传感系统测得的原始数据为各光纤光栅传感器的中心波长，利用(4)式将其转化为应变，按照时间点依次作图，即可得到应变的时域图，同时得到应变的幅值x(t)。时域参数的计算公式如下：

均值一个周期内函数绝对值的平均值，

$\stackrel{\‾}{X_P}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T\left|x\left(t\right)\right|dt---\left(5\right)$

其中，T为振动信号的样本长度，x(t)为振动的时域信号；

方差σ_x ²：各个数据分别与其平均数之差的平方的和的平均数，

${{\mathrm{\σ}}_x}^2=\underset{i-1}{\overset{N}{\Σ}}{\[x\left(t_i\right)-\stackrel{\‾}{X_P}\]}^2---\left(6\right)$

其中，N为离散化信号的样本点数，x(t_i)为i点处的样本值；

峰值X_P：信号波形中的最大幅值，

X_P＝max[|x(t_i)|]   (7)

峰值因子C：信号峰值与其有效值的比值，用来描述信号波形尖峰度的一个指标，

其中，Xrms为信号的有效值；

峭度系数K：用来表示样本的密度函数p(x)图形顶峰的凸平度，

$K=\frac{E{\[x-\mathrm{\μ}\]}^4}{{\mathrm{\σ}}^4}=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{\[\frac{x_i-\mathrm{\μ}}{\mathrm{\σ}}\]}^4---\left(9\right)$

其中，x～N(μ,σ²)，N为样本长度，μ为样本均值，σ为样本标准差；

频域参数的计算公式如下：

重心频率FC：信号的频率谱中能量最集中的频率，

$FC=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{f}_i{p}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{p}_i}---\left(10\right)$

其中，f_i为i时刻的功率谱所对应的频率值；p_i为i时刻的功率谱幅值，N为时间长度；

频率方差VF：各个频率分别与中心频率作差的平方的和的平均数，

$VF=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{(f_i-fc)}^2{p}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{p}_i}---\left(11\right)$

其中，fc为中心频率；

均方频率MSF：单位功率内的频率平方值，

$MSF=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{f}_i^2{p}_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{p}_i}---\left(12\right)$

其中：f_i为i时刻的功率谱所对应的频率值；p_i为i时刻的功率谱幅值，N为时间长度；

均方根频率RMSF：单位功率内的频率值，

$RMSF=\sqrt{MSF}---\left(13\right)$

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种基于光纤光栅振动传感系统的直升机桨叶质量不平衡检测方法，其特征在于：将光纤光栅传感器粘贴在直升机桨叶的表面和桨叶底座上，直升机桨叶表面的首个光纤光栅传感器连接至光纤滑环的动端，桨叶底座的首个光纤光栅传感器连接至光纤滑环的静端，桨叶底座的最后一个光纤光栅传感器连接至光纤光栅振动解调系统；在桨叶转动时感受桨叶表面的应变和桨叶底座的振动并采集数据，处理数据得到振动的时域参数：振幅、均值、方差、均方根值、峰值、峰值因子、峭度系数；然后通过快速傅里叶变换(FFT)计算频域参数：基频、重心频率、均方频率、均方根频率、频率方差；将时域、频域参数与正常桨叶的振动数据对比，判断桨叶质量是否平衡以及不平衡程度。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅振动传感系统的直升机桨叶质量不平衡检测方法，其特征在于：光纤光栅传感器的粘贴方式采取栅区两侧用3M胶带粘贴，栅区用α-氰基丙烯酸乙酯胶粘贴，各个光纤光栅传感器熔接为一串，直升机桨叶表面的首个光纤光栅传感器连接至光纤滑环的动端，桨叶底座的首个光纤光栅传感器连接至光纤滑环的静端，桨叶底座的最后一个光纤光栅传感器连接至光纤光栅振动解调系统。

3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅振动传感系统的直升机桨叶质量不平衡检测方法，其特征在于：采集到的原始数据为光纤光栅的中心波长，先将其转换为应变值，得到振动幅值的时域数据，计算均值、方差、均方根值、峰值、峰值因子、峭度系数时域参数，然后通过快速傅里叶变换(FFT)转换成频域数据，计算重心频率、均方频率、均方根频率、频率方差频域参数，通过将以上数据与质量平衡的桨叶振动数据相对比来判断所测桨叶是否质量不平衡以及质量不平衡的程度。