预埋光纤光栅传感器的碳纤维复合材料螺旋桨水下动应变在线测试

雷智洋，王春旭，吴崇建，丁国平，严小雨

1 中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

2 船舶振动噪声重点实验室，湖北 武汉 430064

3 武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070

0 引 言

船用金属材料螺旋桨由于腐蚀、疲劳寿命等问题而备受困扰。碳纤维复合材料（carbon fiber reinforced plastic，CFRP）具有轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性等优点[1-2]，为船用螺旋桨的性能提升带来了新的契机，并得到了广泛关注。

CFRP 螺旋桨与金属螺旋桨最主要的区别在于复合材料桨叶能根据水动力载荷产生自适应弯曲变形和扭转变形[3-4]，复合材料的各向异性及弯扭耦合效应导致桨距发生变化，使得螺旋桨在非均匀流场中的水动力性能优于金属桨；同时复合材料螺旋桨阻尼较大，有利于降低螺旋桨的振动和噪声。为评估复合材料螺旋桨的性能，准确测试获取CFRP 螺旋桨桨叶叶片变形、动应变和振动是复合材料螺旋桨研究设计的关键。

常规传感技术面临水下绝缘、流场干扰、信号传输等问题，螺旋桨在水下运转状态的工作变形和动应变测量一直是工程难题。常用应变测量方法是在螺旋桨表面粘贴应变片，由于螺旋桨处于水下运转状态，传统应变片及传输线缆的尺寸和自重将对螺旋桨表面流场和水动力性能产生较大的影响，并且已有研究表明在桨叶表面粘贴应变片会加剧空泡效应[4]。

光纤光栅（fiber bragg grating，FBG）传感器是一种新型光学传感器，其传感原理是通过光栅波长偏移实现对被测对象的应变或温度的绝对测量，由于光纤传感具有尺寸小、重量轻、一纤多点、抗电磁干扰、水下信号传输稳定等优点，而常规的光学成像法和电测法则不具备[5-6]，因此，基于光纤传感的螺旋桨水下工作变形和应变测试方法得到研究和关注。

Zetterlind 等[7]最早探讨了在复合材料螺旋桨叶片中埋入FBG 传感器进行应变测量的可行性分析；随后，Zetterlind 等[8]使用法-泊光纤干涉传感器（EFPI）在空气中对复合材料螺旋桨叶片在恒定轴向载荷和循环弯曲载荷下的静应变和动应变进行了监测，验证了光纤传感器在复合材料螺旋桨疲劳测试中的适用性；Wozniak[9]通过埋入FBG 传感器对复合材料螺旋桨桨叶进行应变监测，探讨如何将光纤从复合材料中引出的设计和工艺问题；Herath 等[10]通过在复合材料桨叶表面粘贴FBG 传感器阵列对应变进行了测量；Javdani 等[11]使用FBG 传感器阵列进行悬臂钢质螺旋桨叶片试件的振动测试，并在此基础上，在全尺寸的钢质螺旋桨叶片上安装FBG 传感器阵列，进一步研究了螺旋桨在空气中和水下的振动特性[12]。上述研究探索并验证了将FBG 传感技术用于复合材料及钢质螺旋桨空气中静态应变测试的可行性和适用性，但较少涉及CFRP 螺旋桨在水下运转状态下的桨叶动态动应变实时在线测试。

本文将提出把FBG 传感器预埋入CFRP 螺旋桨中，实现螺旋桨水下运转状态桨叶动应变在线测试。通过将FBG 传感器预埋入CFRP 螺旋桨桨叶内部，制备预埋FBG 传感器的CFRP 螺旋桨，构建CFRP 螺旋桨水下运转状态的动应变实时在线测试系统，开展多种运行工况下的CFRP螺旋桨水下运转状态桨叶动应变测试，掌握复合材料螺旋桨水下运转状态的动态应变特征，为CFRP 螺旋桨的流固耦合、水动力学性能研究及优化设计提供试验支撑。

1 CFRP 螺旋桨结构

本文设计的预埋FBG 的CFRP 螺旋桨为分体式金属预埋件桨叶结构，试验螺旋桨分为3 个部分：金属桨毂、金属预埋件（5 个）、CFRP 桨叶（5 片），其结构如图1 所示。

图1 金属-CFRP 桨叶结构Fig. 1 Metal-CFRP blade

该结构中金属预埋件与CFRP 桨叶通过模压成型而固化为一体（金属-CFRP 桨叶），随后通过螺钉和销钉将其与金属桨毂连接为一体。金属预埋件桨叶结构的5 个金属-CFRP 桨叶单独制造而成，若某个桨叶有损坏，可方便更换损坏的桨叶，减少维护成本。CFRP 螺旋桨的材料选用中复神鹰碳纤维公司的FAW200RC36（T700系列）单向碳纤维预浸料，螺旋桨主要结构参数如表1 所示。

表1 CFRP 螺旋桨主要参数Table 1 Main parameters of CFRP propeller

2 预埋FBG 传感器的CFRP 螺旋桨

2.1 FBG 的传感原理及复用技术

FBG 传感器的传感原理如图2 所示。入射光是包含多个波长的宽带光谱，入射至光栅区域时，只有特定波长的光波反射，其他波长的光波则不受影响直接通过光栅位置继续沿光纤传播，反射光波的波长即为布拉格波长，波长表达式为

图2 光纤光栅传感原理Fig. 2 FBG sensing principle

式中： λB为 光纤布拉格光栅的反射波长； Λ为光栅的周期；neff为光栅的有效折射率。决定光栅反射波长的主要因素有 Λ和neff。当光纤光栅传感器受到外力作用造成光栅区变形，引起光栅轴向应变的 变 化， Λ和neff也 随 之 发 生 变 化，最 终 导 致 λB变化；当光栅所处温度发生改变时，光纤材料发生热膨胀或收缩产生应变，进而引起 λB的变化，同时，热光效应也会引起光栅有效折射率的变化进而引起 λB的改变。

由式（1）可知光纤光栅中心波长的偏移量可表示为

由弹性力学及弹光效应、热光效应、热膨胀效应的理论，式（2）可改写为

式中： ΔT为光纤布拉格光栅的温度变化； α为光纤的热膨胀系数； ξ为热光系数； λB0为初始波长值；ε为光纤布拉格光栅的应变变化量；Pe为有效弹光系数，本文所用光栅为石英材质，因此Pe=0.22。

当光纤光栅传感器处于恒定温度场时，即ΔT=0，有

式中，Kε为光栅传感器的应变灵敏度。从式（4）可以看出，在外界温度不变的条件下，反射光谱中心波长的偏移只受光纤光栅传感器所在应力场的变化影响，光栅在外部应力场的作用下，导致Λ 与neff改变，进而引起光纤光栅反射波长和反射光谱的变化。因此，通过监测 ΔλB，即可得到对应的应力应变信息，此为光纤光栅监测应力应变的基本原理。在相同条件下，由于光纤光栅的横向灵敏度比纵向的小很多，因而在实际运用中通常只考虑传感器的纵向应变，因此也只用光纤光栅来测纵向应变。

如图3 所示，波分复用技术是光纤布拉格光栅传感器最显著的优势之一：在一根光纤上写入多个光栅，在解调仪或光谱仪可用的范围内给每个光栅分配一个独立的、不同的波长区间，各个光栅的反射波峰随着被测量的变化在各自波长范围内变化，采用一套解调装置检测所有光栅反射光谱形成的复合光谱，从预先分配的每一个独立波长区间内得到每一个光栅的中心波长漂移量，从而实现一纤多栅、大规模、分布式测量。

图3 光纤光栅的波分复用技术原理图Fig. 3 FBG wavelength-division multiplexing principle

2.2 预埋FBG 传感器布局

预埋FBG 传感器的布局位置主要考虑桨叶的铺层厚度及应变分布。首先，FBG 传感器直径为0.125 mm，将FBG 传感器预埋入CFRP 桨叶铺层层间时，为避免分层开裂，传感器处的铺层厚度应大于传感器直径的10 倍以上；其次，FBG 传感器应尽量布置在应变变化较为明显的区域。根据上述考虑，确定FBG 传感器在桨叶内的位置布局如图4 所示。

图4 桨叶内预埋FBG 传感器位置示意图Fig. 4 Schematic diagram of the position of the FBG sensor in the blade

根据FBG 传感器的预埋位置及应变测量范围，定制了串接FBG 传感器（FBG1 和FBG2），各传感器的编号、中心波长配置及间距如图5 所示，通过波分复用技术区分各个传感器。

图5 FBG 传感器中心波长及间距Fig. 5 Center wavelength and distance of FBG sensors

CFRP 螺旋桨桨叶的叶面和叶背的铺层形式一致，单边铺层角度由叶面向内为[0°2/ 45°2/ 0°2/45°2/0°2]，其中“X°2”表示纤维铺设方向为X°角，连续铺设2 层；其铺层编号依次为1～10，FBG 传感器预埋在桨叶铺层的第8 层和第9 层之间。

2.3 CFRP 螺旋桨的制备

预埋FBG 传感器的CFRP 螺旋桨采用模压成型工艺制备，成型后的预埋FBG 传感器的CFRP螺旋桨如图6 所示。

图6 预埋FBG 传感器的CFRP 螺旋桨Fig. 6 CFRP propeller with embedded FBG sensors

3 水下动应变测试

3.1 CFRP 螺旋桨水下应变测试系统

CFRP 螺旋桨水下动应变测试在武汉理工大学船模水池进行，通过拖曳水车带动螺旋桨旋转和前进，因此根据拖曳水车结构，设计CFRP 螺旋桨水下应变测试系统。测试系统结构如图7 所示，主要包括拖曳水车、预埋光纤光栅的CFRP 螺旋桨、光纤滑环、转子固定端、定子固定端、定子固定支架和光纤光栅波长解调仪。CFRP 螺旋桨安装在拖曳水车转轴上，螺旋桨的尾端安装有光纤滑环，光纤滑环的转子安装在转子固定端，通过螺纹连接螺旋桨尾端，滑环转子随螺旋桨一起旋转。定子固定端用于安装光纤滑环定子，通过固定支架与拖曳水车相连，同时将光纤牵引至光纤光栅解调仪，解调仪放置在水池岸边。

根据图7 所示的测试系统示意图，在拖曳水车上按顺序将预埋FBG 传感器的CFRP 螺旋桨、转子固定端、光纤滑环、定子固定端以及固定支架安装于拖曳水车上，并将预埋的FBG 传感器与光纤滑环转子端光纤熔焊为一体，将定子端光纤连接解调仪，检测安装过程中光纤信号是否正常。其中，由于光纤滑环为单通道滑环，本试验选择了其中一条串接FBG 传感器（FBG2）与光纤滑环连接，并将其信号传输至解调仪上。

图7 CFRP 螺旋桨水下动应变测试系统示意图Fig. 7 Scheme of CFRP propeller underwater strain measurement system

在搭建水下应变测试系统的过程中，要保证转子固定端、光纤滑环、定子固定端三者之间的同轴度，因为光纤滑环在测试时转子端与螺旋桨同轴、同转速，若转子固定端和定子固定端安装配合偏差过大，易导致滑环在工作时损坏。因此在搭建测试系统时需对定子固定端进行位置和角度调整，同时检测光纤信号是否良好，确认无误后方可进行测试。搭建完成的CFRP 螺旋桨水下动应变测试系统如图8 所示。

图8 CFRP 螺旋桨水下动应变在线测试系统Fig. 8 CFRP propeller underwater strain measurement system

3.2 CFRP 螺旋桨水下动应变在线测试

螺旋桨在水下运行时，其转速和进速是影响水动力性能的2 个重要参数，因此本文设置了转速和进速分别变化的2 类工况，研究CFRP 螺旋桨在水下运行时的动应变特征。测试现场如图9所示。

图9 CFRP 螺旋桨水下动应变在线测试Fig. 9 CFRP propeller underwater strain online measurement

具体工况设置为：

1） 测试工况1。螺旋桨进速为0 m/s，转速为50，100，150，······，400 r/min，以50 r/min 的间隔依次增加，共8 种不同转速。在每种转速工况稳定后，采集预埋的FBG 传感器的数据，FBG 波长解调仪的采样频率为2 kHz。

2） 测试工况2。螺旋桨转速为427 r/min，该工况数据采集分2 个阶段：进速为0.0，0.2，0.4，······，1.6 m/s，以0.2 m/s 的间隔依次增加，共9 种进速，在每种进速工况稳定后，采集预埋的FBG 传感器数据和CFRP 螺旋桨的水动力数据；当进速为1.8，2.0，2.2，2.4，2.6 和2.8 m/s 时，由于测试系统存在噪声干扰，此时仅采集CFRP 螺旋桨的水动力数据。

3.3 试验结果与分析

3.3.1 测试工况1

图10(a)～图10(b) 为 测 试 工 况1 中 在50 和400 r/min 转速下预埋FBG 传感器的应变时域曲线，该曲线呈现明显的周期性，使用傅立叶变换，选用汉宁窗获得动应变的频谱图，如图10(c)～图10(d)所示，其中APF为螺旋桨转动的轴频，其值为转速除以60，r为转速。工况1 中其他转速下的应变时域图及频谱图与50 和400 r/min 转速的类似，此处不再赘述。

图10 不同转速下预埋FBG 传感器的应变曲线Fig. 10 Embedded FBG sensors strain curves with different rotation speed

由图10 中的动应变频谱图可以看出测试结果的信噪比较高，在特定频率处有明显峰值。表2统计了各FBG 传感器在各转速下的应变特征频率及峰值。

表2 不同转速下CFRP 螺旋桨应变特征频率与峰值Table 2 Frequency and amplitude of strain with different speeds

表2 中的结果表明，各个FBG 传感器的应变峰值均出现在2 倍的APF处。经分析，可能是测试系统支架的影响导致来流不均匀、螺旋桨及轴存在不对中导致的。对FBG 传感器的动应变峰值进行分析，在各转速下，3 个FBG 传感器的应变峰值的大小关系一致，即FBG2-2 的应变峰值最大，FBG2-3 的应变幅值最小。说明FBG2-2 传感器处的应变和变形最大，FBG2-3 传感器处的应变和变形最小。表明螺旋桨在水下运行时，桨叶不同位置的应变和变形不同，取决于螺旋桨的结构力学特征。

3.3.2 测试工况2

图11 为螺旋桨转速r=427 r/min，螺旋桨进速v为0.2 和1.6 m/s 时，FBG 传感器的应变时域曲线和频谱图。工况2 中其他进速下的应变时域图及频谱图与0.2 和1.6 m/s 进速的类似，此处不再赘述。表3 统计了各个FBG 传感器在各进速下的应变特征频率及峰值。

表3 不同进速下CFRP 螺旋桨应变特征频率与峰值Table 3 Frequencies and amplitude of strain with different velocities

图11 不同进速下预埋FBG 传感器的应变曲线Fig. 11 Embedded FBG sensors strain with different velocity

表3 的结果表明，当转速一定时，在各种进速下，3 个FBG 传感器的动应变特征频率保持14.2 Hz不变，仍然是2 倍的APF。3 个FBG 传感器采集的动应变幅值仍然为FBG2-2 的应变幅值最大，FBG2-3 的应变幅值最小，与工况1 的测试结果一致。

测试工况2 中，当进速为0.0～1.6 m/s 时，同时采集FBG 传感器的动应变数据和螺旋桨的水动力数据；当进速大于1.6 m/s 后，仅采集螺旋桨的水动力数据；绘制CFRP 螺旋桨在进速0.0～2.8 m/s的敞水特性曲线，如图12 所示。图中，KT为推力系数，KQ为扭矩系数，η 为螺旋桨效率。

图12 CFRP 螺旋桨的敞水特性曲线（n=427 r/min）Fig. 12 Open water character of CFRP propeller (n=427 r/min)

图13 为CFRP 螺旋桨敞水特性与相同型值金属螺旋桨敞水特性的比较，两者趋势基本一致，表明预埋FBG 传感器的CFRP 螺旋桨达到其基本性能，也证明了FBG 传感器的动应变测试可行可靠。

图13 CFRP 螺旋桨与金属螺旋桨敞水特性比较Fig. 13 Comparison of open water character between CFRP propeller and metal propeller

4 结 语

本文利用FBG 传感的技术优势，提出将FBG传感器预埋于CFRP 螺旋桨，搭建了基于FBG 传感器的CFRP 螺旋桨水下动应变在线测试系统，设置了2 类测试工况：进速为0 m/s，转速从50～400 r/min 依次增加；转速保持427 r/min 不变，进速从0.0～1.6 m/s 依次增加。通过FBG 传感器采集上述2 类工况下CFRP 螺旋桨的动应变数据，并进行时域和频域分析。结果表明：CFRP 螺旋桨上各测点的动应变特征频率一致，主要为2 倍轴频，可能是螺旋桨测试系统的不均匀因素造成的；各测点的动应变峰值取决于测点位置，即螺旋桨的结构力学特征。

本文实现了CFRP 螺旋桨在水下运转状态下的动应变在线测试，验证了螺旋桨水下动应变测试的可行性，克服了螺旋桨水下在线测试的难题，测试结果合理可靠，可为CFRP 螺旋桨的理论设计和分析提供重要的实证依据，对研究其水动力性能具有重要意义。