CN1844872A - 旋翼分布载荷光纤光栅传感测量系统 - Google Patents

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夏品奇
陈文�
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Abstract

一种旋翼分布载荷光纤光栅传感测量系统，属旋翼飞行器的旋翼载荷测量技术。该系统包括粘贴在旋翼桨叶测量表面上的光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器的光纤信号通过与桨叶相连的光信号旋转接头连于光信号调制解调器进行光信号的发射、接收与采集。由与光信号调制解调器相连的计算机进行记录并分析处理采集到的光信号。本发明简单、安全、可靠，测量精度高，应用在旋转结构的动态应变测量上，而且应用在旋转的旋翼分布载荷的动态测量上。

Description

旋翼分布载荷光纤光栅传感测量系统
一、技术领域
本发明的旋翼分布载荷光纤光栅传感测量系统，属旋翼飞行器旋翼载荷测量技术。
二、背景技术
旋翼飞行器靠旋翼旋转产生的气动力在空中悬停或飞行，确定旋翼上的气动力载荷对设计旋翼飞行器至关重要。由于旋翼旋转时的气动力流场异常复杂，理论计算误差很大，因此需要用实验来验证理论计算的准确性。另外，在旋翼飞行器研制完成后，都要进行地面试验和飞行试验来测量旋翼上的载荷。因此，旋翼载荷测量非常重要。
目前，旋翼载荷测量主要采用两种方法，一是采用天平来测量桨毂的六力素，但不能测出桨叶上的分布载荷，即桨毂上三个方向的力和三个方向的力矩；二是采用应变片来测量桨叶的应变，可以测量出桨叶上的分布载荷。但由于应变片的面积较大，且一片应变片需要两根导线，因此只能把应变片埋设在桨叶内部，而不能把应变片贴在桨叶表面，否则要影响桨叶的气动外形。埋设应变片要破坏桨叶结构，造成结构夹杂和损伤，影响复合材料固化成型，形成应力奇点，破坏结构传力的连续性，减少桨叶寿命。当埋设的应变片数量较多时，导线的重量还会严重影响到桨叶的性能。另外，应变片测量精度低，易受测量环境如温度、湿度、噪声等的影响，会严重影响旋翼载荷的测量精度。
利用光纤光栅传感器体积小、重量轻、一根光纤可串联多个光栅进行多点测量、不受外部环境影响等优点，采用光纤光栅传感测量，不仅可以测量出旋翼的分布载荷，而且可以克服采用应变片测量的缺点。光纤光栅无须埋设在桨叶内部，只要贴在桨叶表面，不会影响桨叶的气动力外形，不会增加桨叶的重量，操作简单，测量精度高。
在光纤光栅传感测量技术方面，现有较成熟的技术主要在静态应变测量和不旋转结构的测量上，如含光纤光栅传感器的智能材料结构及其健康监测等。对结构动态应变测量、特别是旋转结构的动态应变测量研究得很少，技术很不成熟。
三、发明内容
1、本发明目的在于提供一种简单、安全、可靠，测量精度高的旋翼分布载荷测量系统。
2、技术方案
本发明的旋翼分布载荷光纤光栅传感测量系统，包括粘贴在旋翼桨叶测量表面上的光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器的光纤信号通过与桨叶相连的光信号旋转接头连于光信号调制解调器进行光信号的发射、接收与采集。由与光信号调制解调器相连的计算机进行记录并分析处理采集到的光信号。
本发明的旋翼分布载荷光纤光栅传感测量系统，简单、安全、可靠，测量精度高，应用在旋转结构的动态应变测量上，而且应用在旋转的旋翼分布载荷的动态测量上。
四、附图说明
图1是本发明的旋翼分布载荷光纤光栅传感测量系统的组成框图。
五、具体实施方式
图1是本发明的旋翼分布载荷光纤光栅传感测量系统的组成框图。包括粘贴在旋翼桨叶测量表面上的布拉格光纤光栅传感器、光信号旋转接头、光信号调制解调器、计算机。具体工作过程及实施步骤如下：
(1)在桨叶的上表面测量位置粘贴一串布拉格光纤光栅传感器；
(2)将桨叶上的光纤接到光信号旋转接头，再将光纤从光信号旋转接头引出，并连接到光信号调制解调器上进行光信号的发射、接收与采集。光信号调制解调器与计算机相连，由计算机记录并分析采集到的信号；
(3)将某一试验状态(如某一桨叶安装角、某一旋翼转速)下各测量点采集到的动态光信号转换成动态应变信号，并进行数据平均，平均值即为旋转桨叶各测量点在气动力作用和离心力作用下的应变；
(4)对于对称翼型，在0°安装角下；对于非对称翼型，在零升力安装角下，以与步骤(3)同样的转速旋转，采集旋转桨叶各测量点的动态光信号并转换成动态应变信号，再进行数据平均，平均值即为旋转桨叶各测量点仅在离心力作用下的应变；
(5)将在相同测量点和相同转速下由步骤(3)得到的应变减去由步骤(4)得到的应变，即得到旋转桨叶各测量点仅在气动力作用下的应变；
(6)将应变转换成应力，即可得到桨叶上的分布应力
六、有益效果
(1)采用这一技术，已在实验室成功地完成了旋翼分布载荷光纤传感测量的试验，得到了旋转桨叶在气动力和/或离心力作用下沿半径分布的应变/应力测量值。解决了旋翼分布载荷测量的技术难题和长期以来旋翼分布载荷理论研究缺乏试验数据验证的困难，为旋翼载荷理论的进一步发展提供了基础。
(2)该技术可直接应用于直升机旋翼分布载荷的飞行测量，解决了直升机旋翼分布载荷测量的难题，特别是对现有的直升机，采用应变测量技术是不可能实现旋翼分布载荷测量的，因为不可能在桨叶上开槽来埋设应变片和导线。而采用光纤光栅传感测量技术，只要把光纤光栅贴在桨叶的表面就可以了。
(3)该技术简单、安全、可靠、测量精度高，是直升机旋翼分布载荷测量技术的一个飞跃。

Claims (1)

1、一种旋翼分布载荷光纤光栅传感测量系统，其特征在于，包括粘贴在旋翼桨叶测量表面上的光纤光栅传感器，此光纤光栅传感器的光纤信号通过与桨叶相连的光信号旋转接头连于光信号调制解调器，光信号调制解调器的输出连于计算机。
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