基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统和方法，本发明专利技术的系统包括光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器、接线盒、光纤光栅解调仪、数据处理系统和应变载荷解耦系统；本发明专利技术将刻制好的阵列光栅埋入复合材料内部进行在线监测，采取温度补偿措施，对旋翼的挥舞载荷与摆振载荷进行解耦解算；本发明专利技术抗电磁干扰能力强，受环境较小，灵敏性好，测量精度高，用于感知微小信号和绘制波形图，实用性和可靠性强。

A Helicopter Rotor Load Monitoring System Based on Embedded Optical Fiber Sensor

The invention provides a helicopter rotor load monitoring system based on embedded fiber optic sensor, which includes fiber Bragg grating strain sensor, fiber Bragg grating temperature sensor, junction box, fiber Bragg grating demodulator, data processing system and strain load decoupling system. The temperature compensation measures are taken to decouple the swing load and the swing load of the rotor; the invention has strong anti-electromagnetic interference ability, small environment, good sensitivity and high measurement accuracy, and is used to sense small signals and draw waveform graphs, with strong practicability and reliability.

【技术实现步骤摘要】
基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统和方法
本专利技术属于直升机高速旋转旋翼的载荷监测
，具体涉及基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统和方法。
技术介绍
旋翼系统是直升机的主要升力和操纵力来源，旋翼系统中的旋翼在飞行过程中，由于气弹耦合的作用，始终处于交变载荷的工作状态。旋翼动载荷测试具有分布复杂、量程大、测点密、对附加质量敏感、动态响应高等特点；处于旋转和振动环境中，微小的不平衡量会导致旋翼结构较大振动，加速轴承和轴封等零件的老化，严重影响飞行安全。为提高直升机的安全性，有必要对作用在旋翼的交变载荷进行实时在线监测，为旋翼的寿命估算积累数据。以往的健康监测传感器采用传统的电子传感器，主要使用电阻式应变片。但此方法连接导线多，影响结构的力学性能，同时存在使用寿命短、贴片和标定周期长、不能实现连续载荷测量等局限性。现有的光纤光栅应变传感器多采用表面粘贴式布置传感器，不能满足对复合材料结构实时监测的要求，而且容易受外界环境的影响从而遭到损伤，增大了时间成本和经济成本。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：提供基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统和方法，用于对旋翼的交变载荷进行实时在线测量，并为旋翼的寿命估算积累数据。本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统，包括光纤光栅传感器和控制组件；光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器，在一根光纤中等距设置光纤光栅应变传感器，并根据直升机旋翼的应力分布将光纤光栅应变传感器埋入直升机旋翼的桨叶中靠近边缘的位置；控制组件包括光纤光栅解调仪、数据处理系统和应变载荷解耦系统；光纤光栅解调仪通过光接收端与光纤光栅传感器的尾纤连接，用于解调光纤光栅传感器输出的光信号；数据处理系统通过信号输入端与光纤光栅解调仪的信号输出端连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的信号；应变载荷解耦系统通过信号输入端与数据处理系统的信号输出端连接，通过数据处理系统存储的数据得到摆振载荷和挥舞载荷间的影响系数，实现解耦直升机旋翼载荷的功能。按上述方案，按与桨叶长度垂直的方向在桨叶上等距划分n个测量剖面，n为自然数；设测量剖面的宽度为弦长，将光纤光栅应变传感器分别埋入在每个测量剖面中靠近桨叶的边缘的1/6弦长处。进一步的，光纤光栅应变传感器有2n个，光纤光栅应变传感器按桨叶的测量剖面的间距设置在一根光纤上，形成光栅阵列。按上述方案，所述的光纤光栅传感器还包括至少一个光纤光栅温度传感器，光纤光栅温度传感器与光纤光栅应变传感器串联在同一根光纤中，且松弛地固定在桨叶表面。按上述方案，所述的光纤光栅传感器的尾纤接入接线盒并成束输出到光纤光栅解调仪。基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统实现的监测方法包括以下步骤：步骤S1：根据直升机旋翼的应力分布将光纤光栅应变传感器埋入沿直升机旋翼的桨叶中靠近边缘的位置。步骤S2：在直升机旋翼旋转期间，加电运行基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统，光纤光栅解调仪接收、解析光纤光栅应变传感器发送的波长漂移量数据并发送给数据处理系统，数据处理系统对数据做相应处理后发送给应变载荷解耦系统。步骤S3：应变载荷解耦系统根据步骤S2收到的数据，分别解算并拟合直升机旋翼模型的挥舞弯矩和摆振弯矩的应变系数，得到桨叶的测量剖面的弯矩，实现挥舞弯矩和摆振弯矩的解耦。进一步的，所述的步骤S1中，具体步骤为：步骤S11：计算直升机旋翼的应力分布，根据计算结果在直升机旋翼的桨叶上选取n个测量剖面，n为自然数。步骤S12：按测量剖面的间距在光纤上等距设置2n个光纤光栅应变传感器。步骤S13：将光纤埋入桨叶中，将光纤光栅应变传感器埋入桨叶的测量剖面中靠近桨叶边缘的位置；设测量剖面的宽度为弦长，光纤光栅应变传感器与桨叶边缘的距离为弦长的1/6。进一步的，所述的步骤S3中，具体步骤为：步骤S31：分别对桨叶的每个测量剖面建立模型，对模型分级加载挥舞弯矩，使摆振弯矩为0，根据步骤S2收到的波长漂移量，以及波长和应变的关系，求得ε挥和ε摆，通过拟合计算得到单位挥舞弯矩的应变系数λ挥-挥和λ挥-摆。步骤S32：对模型分级加载摆振弯矩，使得挥舞弯矩为0，根据步骤S2收到的波长漂移量，以及波长和应变的关系，求得ε摆和ε挥，通过拟合计算得到单位挥舞弯矩的应变系数λ摆-摆和λ摆-挥。步骤S33：根据步骤S31和步骤S32得到的参数整理公式如下：即：其中：Jyx＝λ挥-挥·λ摆-摆-λ挥-摆·λ摆-挥，得到测量剖面的弯矩，实现挥舞弯矩和摆振弯矩的解耦：进一步的，还包括以下步骤：在设有光纤光栅应变传感器的光纤中串联至少一个光纤光栅温度传感器，将光纤光栅温度传感器松弛固定在桨叶的表面，对步骤S2得到的结果进行温度补偿解算，剔除温度对结果的影响。本专利技术的有益效果为：1.本专利技术的提供基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统和方法，将刻制好的阵列光栅埋入旋翼的复合材料内部，实现对旋翼进行在线监测和积累数据的功能，增大了传感器对应变的传递效率，还增强了对光纤光栅传感器的保护。2.本专利技术采用的光纤光栅传感器具有测量距离远、抗电磁干扰、信号易传输、易复用、稳定性好、测量精度和灵敏度高等优点，实用性和可靠性强。用于感知微小信号和绘制波形图，是旋翼结构健康监测的重要手段。3.本专利技术按照测量点的间隔在一根光线上打出多个光栅，减少了单光栅融合点的操作难度，降低了时间成本。附图说明图1是本专利技术实施例的功能框图。图2是本专利技术实施例的机翼模型测点布局俯视图。图3是本专利技术实施例的机翼模型测点布局主视图。图4是本专利技术实施例的机翼模型测点布局局部图。其中：1.～14.光纤光栅应变传感器；15.光纤光栅温度传感器。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。参见图1，本专利技术提供了基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统，包括光纤光栅传感器和控制组件；光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器，在一根光纤中等距设置光纤光栅应变传感器，并根据直升机旋翼的应力分布将光纤光栅应变传感器埋入直升机旋翼的桨叶中靠近边缘的位置；控制组件包括光纤光栅解调仪、数据处理系统和应变载荷解耦系统；光纤光栅解调仪通过光接收端与光纤光栅传感器的尾纤连接，用于解调光纤光栅传感器输出的光信号；数据处理系统通过信号输入端与光纤光栅解调仪的信号输出端连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的信号；应变载荷解耦系统通过信号输入端与数据处理系统的信号输出端连接，通过数据处理系统存储的数据得到摆振载荷和挥舞载荷间的影响系数，实现解耦直升机旋翼载荷的功能。按与桨叶长度垂直的方向在桨叶上等距划分n个测量剖面，n为自然数；设测量剖面的宽度为弦长，将光纤光栅应变传感器分别埋入在每个测量剖面中靠近桨叶的边缘的1/6弦长处。按桨叶的测量剖面的间距在一根光纤上设置2n个光纤光栅应变传感器，形成光栅阵列。还设置一个光纤光栅温度传感器与光纤光栅应变传感器串联在同一根光纤中，且松弛地固定在桨叶表面。光纤光栅传感器的尾纤接入接线盒并成束输出到光纤光栅解调仪。基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统实现的监测方法，包括以下步骤：步骤S1：根据直升机旋翼的应力分布将光纤光栅应变传感器埋入沿直升机旋翼的桨叶中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统，其特征在于：包括光纤光栅传感器和控制组件；所述的光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器，在一根光纤中等距设置光纤光栅应变传感器，并根据直升机旋翼的应力分布将光纤光栅应变传感器埋入直升机旋翼的桨叶中靠近边缘的位置；所述的控制组件包括光纤光栅解调仪、数据处理系统和应变载荷解耦系统；光纤光栅解调仪通过光接收端与光纤光栅传感器的尾纤连接，用于解调光纤光栅传感器输出的光信号；数据处理系统通过信号输入端与光纤光栅解调仪的信号输出端连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的信号；应变载荷解耦系统通过信号输入端与数据处理系统的信号输出端连接，通过数据处理系统存储的数据得到摆振载荷和挥舞载荷间的影响系数，实现解耦直升机旋翼载荷的功能。

【技术特征摘要】
1.基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统，其特征在于：包括光纤光栅传感器和控制组件；所述的光纤光栅传感器包括光纤光栅应变传感器，在一根光纤中等距设置光纤光栅应变传感器，并根据直升机旋翼的应力分布将光纤光栅应变传感器埋入直升机旋翼的桨叶中靠近边缘的位置；所述的控制组件包括光纤光栅解调仪、数据处理系统和应变载荷解耦系统；光纤光栅解调仪通过光接收端与光纤光栅传感器的尾纤连接，用于解调光纤光栅传感器输出的光信号；数据处理系统通过信号输入端与光纤光栅解调仪的信号输出端连接，用于存储和管理光纤光栅解调仪输出的信号；应变载荷解耦系统通过信号输入端与数据处理系统的信号输出端连接，通过数据处理系统存储的数据得到摆振载荷和挥舞载荷间的影响系数，实现解耦直升机旋翼载荷的功能。2.根据权利要求1所述的基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统，其特征在于：按与桨叶长度垂直的方向在桨叶上等距划分n个测量剖面，n为自然数；设测量剖面的宽度为弦长，将光纤光栅应变传感器分别埋入在每个测量剖面中靠近桨叶的边缘的1/6弦长处。3.根据权利要求2所述的基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅应变传感器有2n个，光纤光栅应变传感器按桨叶的测量剖面的间距设置在一根光纤上，形成光栅阵列。4.根据权利要求1所述的基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅传感器还包括至少一个光纤光栅温度传感器，光纤光栅温度传感器与光纤光栅应变传感器串联在同一根光纤中，且松弛地固定在桨叶表面。5.根据权利要求1所述的基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统，其特征在于：所述的光纤光栅传感器的尾纤接入接线盒并成束输出到光纤光栅解调仪。6.基于权利要求1所述的基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼载荷监测系统实现的监测方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：根据直升机旋翼的应力分布将光纤光栅应变传感器埋入沿直升机旋翼的桨叶中靠近边缘的位置；步骤S2：在直升机旋翼旋转期间，加电运行基于埋入式光纤传感器的直升机旋翼...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁磊，易铮，徐刚，王仁亮，吴慧峰，王慧，朱振华，蔡彦璞，周雄兵，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42