非接触式直升机传动轴扭矩测量系统设计*

李博文, 段发阶, 叶德超, 颜 晗, 华 波, 蒋佳佳

(1.天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072;2.中国船舶工业系统工程研究院，北京 100094)

0 引 言

目前应用在直升机的扭矩测量技术[1～4]主要依靠在转轴上粘贴电阻应变片进行测量，该方法是接触式测量，温度稳定性差、可靠性低，测量系统随被测轴同步旋转，安装限制较多[5]。目前，测量系统测得的数据输出有两种方案：通过滑环引线器输出被测信号，但滑环与旋转轴接触产生磨损，寿命低；需要配套无线供电和数据传输系统[6]，但无线传输系统的带宽限制了采样率的提升，在高速旋转时，还需进行测量系统的抗离心力设计，系统复杂，很难实现高速动态扭矩测量。孙凯明等人[7]将磁阻感应法应用于直升机扭矩测量，该方法虽然是非接触式测量，但需要在被测轴上安装两个磁钢环，具有较大的体积和质量，对被测轴介入过多，破坏了原轴系的动平衡，测量结果会受电磁场干扰而误差较大[8,9]，且未能进行实验验证。

本文利用光纤传感器，基于时间定时技术原理，设计了一种低介入的直升机传动轴扭矩测量系统。系统通过在直升机尾桨传动轴两端粘贴条纹编码器，测量扭转角，进而计算出被测轴的扭矩时间序列。对光纤传感器的出射光束进行准直，缩小了光斑直径，提高了工作距离。采用双边沿检测技术，消除了光强变化等共模干扰导致的误差。对编码条纹误差进行分析，提出了误差补偿方法。系统结构简单、安装方便、抗干扰能力强、介入低、不影响轴系动平衡，适用于直升机转轴的在线测量。该测量系统不影响原轴系的动平衡，结构简单、安装方便、测量重复性好，克服了现有的旋转轴动态扭矩测量系统的诸多弊端，可以实现直升机转轴的低介入非接触式扭矩测量。

1 测量原理

扭矩测量系统通过测量轴两端的相对扭转角来获取扭矩信息。当对被测轴施加激励扭矩M时，其在旋转过程中会产生相对扭转变形。如图1所示。

图1 轴系扭转变形

为测得相对扭转角，可在被测轴两端粘贴两个编码条纹及一键相条纹，键相条纹与其中一编码条纹相邻粘贴，并放置三组光纤传感器测量被测轴上的条纹。编码条纹由相间的黑白条纹构成，黑条纹的反射率低，光纤传感器接收到的反射光强也相对较低；白条纹反射率高，光纤传感器接收到的反射光信号较强。当被测轴在激励下旋转时，光纤传感器检测到条纹编码器的黑白条纹依次经过，得到一系列模拟脉冲电压信号。通过对光强设定一阈值，将传感器输出的光强模拟信号进行量化，可以得到一系列数字脉冲序列。以转速同步信号(由键相条纹产生)为计时基准，即设定转速同步信号脉冲到来的时刻为0时刻，利用现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)对脉冲序列进行高精度计时，可得到图2所示条纹到达的时间脉冲序列t1(i)和t2(i)，i为编码条纹编号，总数为N。

图2 传感器信号时序

计算由于扭矩造成的两列脉冲信号的时间差，再将时间差换算即可获得相对扭转角φ，其换算关系为

(1)

式中t1(i)和t2(i)为i号条纹扫过传感器1和传感器2的时刻，ωi为条纹扫过传感器时的瞬时角速度，其计算方法为

(2)

式中α为传感器1(或传感器2)所测条纹编码器的第i个条纹与i-1个条纹的夹角，如图3所示。测量得到扭转角序列φ(i)后，即可求出轴系承载的实时扭矩。

图3 被测轴截面

测量系统的扭转角测量分辨率

(3)

式中T为计时时钟周期，n为转速，f为测量系统的计数时钟频率。测量角分辨率与计时时钟频率成正比，与转速成反比。目前计时时钟频率可以达吉赫兹(GHz)级，提升时钟频率有利于测量分辨率的提高。

2 技术方案

测试系统如图4，包括传感器、信号处理电路、采集模块和计算机软件。

图4 系统框图

测量时在被测轴的两端粘贴等间隔明暗相间的黑白编码条纹及一键相条纹。条纹整周粘贴，质量小，不影响原轴系动平衡。编码条纹采用3M反射膜材料制成的高精度黑白条纹，反射亮度强。反射膜具有类似发射棱镜效果，使更多的光能量原路返回至接收光纤，提高接收效率。黑白编码条纹用于相对扭转角的测量，键相条纹中仅包含一个白条纹，用于产生转速同步信号和测量转速。被测轴每旋转一周都会产生一个转速同步脉冲，该冲信号会令计数器复位，并从零开始重新计时，防止了由于累加计数导致的计数器溢出问题。

本文采用Y型光纤束式光纤传感器，具有体积小、耐高温、响应快、抗油污能力强等特点。光纤束式光纤传感器以中心的光纤作为发射光纤，周围均匀分布接收光纤束，这种设计可以消除由结构背景光造成的干扰，有利于系统精度的提高，同时也增大了光接收面积，从而提高系统的光接收效率。传统光纤传感器光斑直径大、工作距离短，而直升机中安装传感器的空间受结构限制，可供安装光纤传感器的位置距被测轴有一定距离。为解决这一问题，本文在光纤传感器的探头安装了透镜准直结构，将发射光纤的出射光束准直为平行光，减小光束发散并缩小光斑，大大提高了工作距离，可以达到30 mm以上。光斑直径的减小可以有效提高系统定时信号的准确度，从而提高系统定时精度和测间隙精度。

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轴系旋转时，粘贴于轴上的条纹编码器随动旋转，条纹依次扫过相应的光纤传感器。当经过光纤传感器的黑条纹变为白条纹时，光纤传感器捕获到强烈回光，通过高速数据采集卡对回光信号进行高精度采样，并设定一阈值，低于该阈值的信号输出低电平，高于该阈值的信号输出高电平，从而得到条纹编码器转动的一系列脉冲信号。同时，FPGA数据采集卡对脉冲序列进行计数，在每个上升沿和下降沿锁存计数值即可得到时间脉冲序列t1(i)和t2(i)。然而，受外界干扰、光源波动及发射率不一致等因素影响[10]，光纤传感器输出模拟电压幅值可能发生变化，导致计时产生误差。针对上述影响因素，本文采用了双边沿定时技术，如图5。

图5 双沿定时原理

图5所示实线为理想情况下正常接收的光强模拟电压幅值曲线，对正常的光强信号进行量化时，光信号在ta和td时刻穿越阈值线，因此量化后在这两个时刻分别产生上升沿和下降沿脉冲。当对受到干扰的光强信号进行量化时，该信号在tb和tc时刻穿越阈值线，因此量化后在这两个时刻分别产生上升沿和下降沿脉冲。若采用上升沿定时，条纹到达时间t(i)取值为t(i)=ta。

受到干扰后，模拟电压幅值的变化将会导致脉冲的上升沿和下降沿的相位偏移，从而造成t(i)的实际测量值为tb，此时测量误差Δt(i)=tb-ta。

为减小这一误差，系统采用双沿定时技术，即对脉冲上升沿和下降沿分别定时，以上升沿和下降沿到达时刻的均值表征条纹的到达时刻。采用双沿定时技术时，正常光强和受干扰的光强信号测得的条纹到达时间为

t(i)=(tb+tc)/2=(ta+td)/2

(4)

可知，采用双沿定时技术时测量得到的两种光强信号的条纹到达时间是相等的。因此，该方法可以有效消除共模干扰导致的Δt(i)测量误差，有利于精度的提高。

3 误差分析

条纹误差主要来源于两个方面：条纹安装误差和条纹打印误差。条纹安装误差如图6所示。由于安装方法等原因，条纹很难做到理想情况下完全对齐，此时导致在空载条件下，两条纹编码器的同编号条纹没有对齐，而是存在一个固定值的扭转角，即产生了由于条纹安装不精确而引入的条纹安装误差。

图6 条纹安装误差示意

(5)

可知，通过在同一转速、同一负载下对被测轴进行正反转两个旋转方向的扭矩测量，对得到的两个扭转角相加平均，得到结果的1/2即为条纹粘贴的误差角度值。该角度值在条纹粘贴时即已确定，不再随测量条件的改变而改变，因此条纹粘贴误差只需要在系统校准时，将误差角度值输入到系统中进行一次纠正即可。

条纹打印误差包含两部分，即黑条纹宽度误差和白条纹宽度误差，这两部分误差造成的最终结果是空载条件下被测轴上两个条纹编码器白条纹的中心线发生偏移，产生一定的误差角，如图7所示，图中i指条纹编号，θ(i)为两个条纹编码器第i号编码条纹中心的角度误差值。

图7 条纹打印误差示意

由于条纹编码器打印存在误差，使得实际的测量得到的角度变为φ′(i)=φ(i)+θ(i)，可得

(6)

因此，根据式(6)，对系统测量所得的扭转角序列进周期平均可以校正消除条纹打印引入的误差。

4 实 验

扭矩实验测试尾桨传动轴的动态扭矩特性，以初步验证本文系统的可行性。实验在中国某直升机研究所的地面测试实验台上进行。传动轴轴长1 650 mm，直径89.4 mm，扭转刚度JG=2×104Nm/rad，计时时钟频率为96 MHz。

实验前，首先进行误差校正，保持转速固定，尾桨攻角固定，对被测轴进行正反转扭转角测量，计算得到条纹粘贴误差角度值，将该误差值输入系统进行校正。

实验时，驱动传动轴在转速2 000 r/min，尾桨攻角6°条件下平稳运行数秒后，记录转速数据，再将转速上调至4 100 r/min，启动测量系统记录扭转角数据。对尾桨施加激励，使尾桨攻角每次增大3°，到达18°后减小攻角，测量此过程的尾桨传动轴动态扭矩响应。测得数据如图8所示。

图8 扭转角数据

从图8中可以清晰地看出，在不同激励下，扭转角呈现出阶梯性变化，扭转角与攻角的变化呈线性关系。通过最小二乘法[11]和平均法对各攻角数据段进行扭转角求解得到表1。

表1 扭转角与扭矩数据

结果证明，两种方法所得结果最大误差为0.002 7°，但最小二乘法的计算量远大于周期平均法，不利于数据的处理，因此，在实际使用中以平均值代替最小二乘法得到的拟合值。将扭转角转换为扭矩值，结果如表1所示。

5 结 论

实验数据表明，设计的系统能够准确地检测到扭转角随负载变化的波动，扭转角与负载呈明显的正相关性，负载越大，扭转角越大。测量系统动态响应好，具有较高的角分辨率，可达0.000 2°，重复性好，重复性精度0.005°。后续将对该测量系统进行进一步优化，对弯振等其他因素引起的误差进行分析和补偿，随后进行标定实验。同时该系统也可用于扭振测量，在恒定负载条件下，施加激励使转速呈正弦变化，测量传动轴的动扭矩响，再进行FFT分析即可求取扭振频率。