CN112729146A - 一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统及测试方法，该系统及方法通过固定实验台、亚克力水箱、压力传感器、漩涡发生器、加热装置、液氮降温装置、温度监控装置、FBG（FIBER BRAGG GRATING，光纤布拉格光栅）传感器、传感器保护罩、宽带光源发射器、光纤耦合器、光纤光栅波长解调器等简易装置实现控制环境温度、控制桨叶流场、控制桨叶离心力等要素的功能，模拟桨叶在复杂环境条件下的工作场景，测量出其在复杂环境动载荷下的响应特性。该发明具有结构简单，成本低廉，操作方便，可行性高、可操作变量多的优点。在测量方面精度高、准确性好、反应灵敏能有效反应桨叶在工作时的特征。该项发明对直升机的研究具有重要意义。

Description

一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统及测试 方法

技术领域

本发明涉及仪器仪表与科学和直升机交叉领域，特别涉及一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统。

背景技术

直升机桨叶在复杂环境中的动载荷测试问题，一直是困扰直升机相关领域科学家的疑难杂症，针对此问题发明了基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统。在直升机桨叶测试实验中有很多测试装置，如风洞实验装置、振动测试装置和旋转台等。

但此类实验装置只能完成单一控制变量实验，并且实验装置占地面积大、使用维护成本高。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种新型的北斗接口转接装置，该装置具有精度高、准确性好、反应灵敏等特点，能够较为准确的反映桨叶受到外载荷时所产生的应变。对直升机研究具有重大意义。

本发明一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统，所述系统结构包括水箱测试装置、光学测量装置，所述水箱测试装置内包含待测桨叶，基于采用水箱、水箱内的漩涡发生装置，用于模拟出桨叶在不同工作温度及温度突变时的应变；所述光学测量装置包含宽带光源发射器、光纤耦合器、光纤光栅波长解调器，用于产生测试所需的采样光源。

进一步的，所述水箱测试装置包括固定试验台、桨叶固定夹、亚克力水箱、水箱固定夹；

所述固定试验台上设有桨叶固定夹，所述桨叶固定夹将待测桨叶悬挂在固定试验台上；

在所述桨叶外为亚克力水箱，所述亚克力水箱通过水箱固定夹固定于所述桨叶上。

进一步的，所述亚克力水箱内设有漩涡发生器、加热装置、液氮降温装置、温度监控装置；

所述亚克力水箱的本体包含底板、侧板和背板，在所述底板上集成了漩涡发生器，侧板的顶部和底部分别设置入水口和出水口；在所述亚克力水箱内部侧板等距竖直放置温度传感器，背板底部设置加热和冷却装置预留口，正面板和背板中央有对称、等距的水箱固定夹预留口。

进一步的，所述水箱固定夹为圆柱状体，其连接在水箱正反两个侧板和所述桨叶上；

所述水箱固定夹是一根顶部集成了压力传感器的圆柱形螺栓，圆柱表面有与水箱配套的螺纹，可以通过控制旋出旋进深度来改变固定夹施加在桨叶表面的载荷，此载荷通过压力传感器传输至显示器，可实时观察并作出相应的调整。水箱的正反板面上对称放置5个水箱固定夹，根据需求在桨叶不同位置提供稳定且大小不同的夹持力来将水箱悬挂于桨叶上。

更进一步的，所述光学测量装置包含宽带光源发射器、光纤耦合器、光纤光栅波长解调器、FBG传感器组；

所述FBG（FIBER BRAGG GRATING，光纤布拉格光栅）传感器组由多个FBG传感器串联组成，宽带光源输出口连接通过光纤与FBG传感器组相连接，FBG传感器组的另一头连接光纤耦合器的任意输入端口，光纤耦合器输出端口与光纤光栅波长解调器输入端口相连接。光纤耦合器输出端口需要按照从左到右、第一排接满再接第二排的规律依次连接。

作为本申请的一种优选实施方案，所述光学测量装置还包括传感器保护罩，所述传感器保护罩覆盖于FBG光纤光栅传感器之上并贴于桨叶表面，用于保护FBG光纤光栅传感器免受环境因素影响。

本申请还提上述系统的桨叶复杂环境测试方法，所述测试方法包括以下步骤：

S1，实验前将FBG传感器按需求粘贴于桨叶表面，并用将传感器保护罩粘贴于桨叶上，盖住FBG传感器，防止传感器受到外界因素影响；

S2，将FBG传感器与光纤耦合器连接好，将光纤耦合器再分别与宽带光源发射器、光纤光栅波长解调器相连接；

S3，连接水箱相关管路，液氮降温装置入口和液氮降温装置出口；水箱出水口和水箱入水口分别对应连接好；

S4，连接相关设备，将温度监控装置与外部显示器相连接，并安装于图2所示位置并固定好；接通加热装置的电源，将漩涡发生器与外部电机相连接；

S5，将桨叶通过桨叶固定夹固定于实验台上，并通过调节水箱固定夹的预紧力将水箱悬挂于桨叶之上，通过水箱作用于桨叶上的固定夹夹持力的大小来等效桨叶所受到的离心力，所以根据实验所需的离心力大小计算所需要施加的夹持力大小，调整水箱固定夹的载荷。

与现有技术相比，本发明一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统及测试方法有以下有益效果：

1. 本发明所述的一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统，结构简单，成本低廉，操作方便，不需要宽阔的试验场地。能够模拟出桨叶在不同工作温度及温度突变时的应变；能用水旋涡模拟紊乱气流对桨叶的影响；还能模拟桨叶旋转时产生的离心力对桨叶的影响。以上测量均采用光纤光栅测量装置进行测量，该装置具有精度高、准确性好、反应灵敏、信息采集处理速度快等特点，能够较为准确的反映桨叶受到动载荷时所产生的应变。对直升机研究具有重大意义。

2. 本发明所述光纤光栅测量装置使用串联FBG传感器的方式，可以同时进行多点采样利用波分复用技术加快信息采集处理速度的同时又克服了交叉敏感效应，可以将多个不同点测到的应变分别输出，方便观察实验数据，研究桨叶不同位置对动载荷的响应特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其它附图。

图1为本发明实验装置整体结构示意图；

图中：1.固定实验台，2.桨叶固定夹，3.液氮降温装置入口，4.待测桨叶，5.水箱出水口，6.亚克力水箱，7.水箱入水口，8.水箱固定夹，9.液氮降温装置出口，10.桨叶驱动电机；

图2为亚克力水箱内部图；

图中：12.加热装置，11.漩涡发生器，13.温度监控装置；

图3为光学测量装置图；

图中：14.宽带光源发射器，15.光纤耦合器，16.光纤光栅波长解调器，17.宽带光源输出端口，18.光纤耦合器输出端口，19.解调器输入端口，20.第一光纤反馈信号输入端口，21.第二光纤反馈信号输入端口；

图4为桨叶固定装置细节图；

图中：22.光纤，23. FBG光纤光栅传感器，24. 传感器保护罩；

图5为本发明原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明为一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统，所述系统结构包括水箱测试装置、光学测量装置，所述水箱测试装置内包含待测桨叶，基于采用水箱、水箱内的漩涡发生装置，用于模拟出桨叶在不同工作温度及温度突变时的应变；所述光学测量装置包含宽带光源发射器、光纤耦合器、光纤光栅波长解调器，用于产生测试所需的采样光源。

进一步的，所述水箱测试装置包括固定试验台、桨叶固定夹、亚克力水箱、水箱固定夹；

所述固定试验台上设有桨叶固定夹，所述桨叶固定夹将待测桨叶悬挂在固定试验台上；桨叶固定架可多自由度活动也可以锁定在固定位置，实验桨叶固定夹安装于桨叶吊架之上，夹持桨叶防止桨叶因扰动而产生晃动。

在所述桨叶外为亚克力水箱，所述亚克力水箱通过水箱固定夹固定于所述桨叶上。

进一步的，所述亚克力水箱内设有漩涡发生器、加热装置、液氮降温装置、温度监控装置；

所述亚克力水箱的本体包含底板、侧板和背板，在所述底板上集成了漩涡发生器，侧板的顶部和底部分别设置入水口和出水口；在所述亚克力水箱内部侧板等距竖直放置温度传感器，背板底部设置加热和冷却装置预留口，正面板和背板中央有对称、等距的水箱固定夹预留口。

本实施例中，亚克力水箱的结构如图2所示，加热装置安装于水箱中，可以快速调节桨叶周围环境的温度。液氮降温装置入水口位于水箱背部，可快速调节桨叶周围环境的温度。漩涡发生器安装于水箱底部，通过改变转速来制造混乱的流场环境，亦可加快水循环保证水箱内温度均匀。

进一步的，所述水箱固定夹为柱状体，其连接在侧板和所述桨叶上；

在所述水箱固定夹的接头处集成了压力传感器，根据需求在桨叶不同位置提供稳定且大小不同的夹持力来将水箱悬挂于桨叶上。

本实施例中，所述水箱固定夹为一根顶部集成了压力传感器的圆柱形螺栓，圆柱表面有与水箱配套的螺纹，通过控制旋出旋进深度来改变固定夹施加在桨叶表面的载荷，载荷通过压力传感器传输至显示器，实时观察并作出相应的调整。水箱的正反板面上对称放置5个水箱固定夹，根据需求在桨叶不同位置提供稳定且大小不同的夹持力来将水箱悬挂于桨叶上。

更进一步的，所述光学测量装置包含宽带光源发射器、光纤耦合器、光纤光栅波长解调器、FBG传感器组；

所述FBG传感器组由多个FBG传感器串联组成，可以同时返回多组信号值。宽带光源输出口连接通过光纤与FBG传感器组相连接，FBG传感器组的另一头连接光纤耦合器的任意输入端口，光纤耦合器输出端口与光纤光栅波长解调器输入端口相连接，宽带光源发射器和光纤光栅波长解调器连接于光纤耦合器上，能够同时处理多组信号又克服了交叉敏感效应。光纤耦合器输出端口需要按照从左到右、第一排接满再接第二排的规律依次连接。

作为本申请的一种优选实施方案，所述光学测量装置还包括传感器保护罩，所述传感器保护罩覆盖于FBG光纤光栅传感器之上并贴于桨叶表面，用于保护FBG光纤光栅传感器免受环境因素影响。

实施例2

本申请还提上述系统的桨叶复杂环境测试方法，所述测试方法包括以下步骤：

S1，实验前将FBG传感器按需求粘贴于桨叶表面，并用将传感器保护罩粘贴于桨叶上，盖住FBG传感器，防止传感器受到外界因素影响；

S2，将FBG传感器与光纤耦合器连接好，将光纤耦合器再分别与宽带光源发射器、光纤光栅波长解调器相连接；

S3，连接水箱相关管路，液氮降温装置入口和液氮降温装置出口；水箱出水口和水箱入水口分别对应连接好；

S4，连接相关设备，将温度监控装置与外部显示器相连接，并安装于图2所示位置并固定好；接通加热装置的电源，将漩涡发生器与外部电机相连接；

S5，将桨叶通过桨叶固定夹固定于实验台上，并通过调节5个水箱固定夹的预紧力将水箱悬挂于桨叶之上，通过控制旋出旋进深度来改变固定夹施加在桨叶表面的夹持力的大小，通过水箱作用于桨叶上的固定夹夹持力的大小来等效桨叶所受到的离心力，所以根据实验所需的离心力大小计算所需要施加的夹持力大小，调整水箱固定夹的载荷。

注意水箱固定夹需要夹持于桨叶翼肋处，否则可能造成桨叶损坏。

根据实际计算所需要的注水量，实验中可以通过漩涡发生器来改变桨叶周围流场，测试桨叶不同位置对动载荷的响应特性；图2中的温度监控装置可以时时反馈桨叶周围环境温度，可根据需要调节加热装置和液氮降温装置来控制桨叶环境温度，以满足实验需求。

本发明具有结构简单，成本低廉，操作方便，可行性高、可操作变量多、信息采集处理速度快等优点。能够模拟出桨叶在不同工作温度及温度突变时的应变；能用水旋涡模拟紊乱气流对桨叶的影响；还能模拟桨叶旋转时产生的离心力对桨叶的影响。以上测量均采用光纤光栅测量装置进行测量，该装置具有精度高、准确性好、反应灵敏等特点，能够较为准确的反映桨叶受到外载荷时所产生的应变。对直升机研究具有重大意义。

上述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统，其特征在于，所述系统结构包括水箱测试装置、光学测量装置，所述水箱测试装置内包含待测桨叶，基于采用水箱、水箱内的漩涡发生装置，用于模拟出桨叶在不同工作温度及温度突变时的应变；所述光学测量装置包含宽带光源发射器、光纤耦合器、光纤光栅波长解调器，所述光学测量装置通过光纤传输宽带光源，用于产生测试所需的采样光源。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统，其特征在于，所述水箱测试装置包括固定试验台、桨叶固定夹、亚克力水箱、水箱固定夹；

所述固定试验台上设有桨叶固定夹，所述桨叶固定夹将待测桨叶悬挂在固定试验台上；

在所述桨叶外为亚克力水箱，所述亚克力水箱通过水箱固定夹固定于所述桨叶上。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统，其特征在于，所述亚克力水箱内设有漩涡发生器、加热装置、液氮降温装置、温度监控装置；

所述亚克力水箱的本体包含底板、正面板和背板，在所述底板上集成了漩涡发生器，正面板的顶部和底部分别设置入水口和出水口；在所述亚克力水箱内部侧板等距竖直放置温度传感器，背板底部设置加热和冷却装置预留口，正面板和背板中央有对称、等距的水箱固定夹预留口。

4.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统，其特征在于，所述水箱固定夹为圆柱状体，其连接在水箱正反两个侧板和所述桨叶上；

所述水箱固定夹为一根顶部集成了压力传感器的圆柱形螺栓，圆柱表面有与水箱配套的螺纹，通过控制旋出旋进深度来改变固定夹施加在桨叶表面的载荷，载荷通过压力传感器传输至显示器，实时观察并作出相应的调整。

5.根据权利要求2至4任一项所述的一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统，其特征在于，所述光学测量装置包含宽带光源发射器、光纤耦合器、光纤光栅波长解调器、FBG传感器组；

所述FBG传感器组由多个FBG传感器串联组成，宽带光源输出口连接通过光纤与FBG传感器组相连接，FBG传感器组的另一头连接光纤耦合器的输入端口，光纤耦合器输出端口与光纤光栅波长解调器输入端口相连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试系统，其特征在于，所述光学测量装置还包括传感器保护罩，所述传感器保护罩覆盖于FBG光纤光栅传感器之上并贴于桨叶表面，用于保护FBG光纤光栅传感器免受环境因素影响。

7.根据权利要求2所述的一种基于光纤光栅传感器的桨叶复杂环境测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

S1，实验前将FBG传感器按需求粘贴于桨叶表面，并用将传感器保护罩粘贴于桨叶上，盖住FBG传感器，防止传感器受到外界因素影响；

S2，将FBG传感器与光纤耦合器连接好，将光纤耦合器再分别与宽带光源发射器、光纤光栅波长解调器相连接；

S3，连接水箱相关管路，液氮降温装置入口和液氮降温装置出口；水箱出水口和水箱入水口分别对应连接好；

S4，连接相关设备，将温度监控装置与外部显示器相连接，并固定好；接通加热装置的电源，将漩涡发生器与外部电机相连接；

S5，将桨叶通过桨叶固定夹固定于实验台上，并通过调节水箱固定夹的预紧力将水箱悬挂于桨叶之上，通过水箱作用于桨叶上的固定夹夹持力的大小来等效桨叶所受到的离心力，所以根据实验所需的离心力大小计算所需要施加的夹持力大小，调整水箱固定夹的载荷。

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