CN117699046A - 基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及直升机旋翼检测技术领域。本发明提供一种基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***和方法。该***包括：动平衡分析仪、成像***、位置敏感探测器；成像***，用于将桨叶叶尖的边缘成像于位置敏感探测器的感光面上；位置敏感探测器用于根据桨叶叶尖划过其感光面从而输出电流信号，并根据电流信号确定桨叶叶尖在感光面上的成像位置；以及用于根据桨叶叶尖划过其感光面从而产生脉冲信号，并根据脉冲信号确定桨叶叶尖在感光面上的划过时间；动平衡分析仪，用于根据桨叶叶尖在感光面上的成像位置以及划过时间，对直升机旋翼椎体进行检测。本发明提供的***，不仅提高了检测效率，也提高了检测精度。

Description

基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***和方法

技术领域

本发明涉及直升机旋翼检测技术领域，尤其涉及一种基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***和方法。

背景技术

直升机的日常维护工作之一是检测旋翼椎体，检测的项目包括：共锥度及桨叶的摆振幅度。共锥度即各桨叶是否处于同一锥面上，其检测一般用各桨叶叶尖垂直高度来标识；桨叶的摆振幅度，即各桨叶相对理想位置是否存在超前或者落后。桨叶的摆振幅度有用长度单位来标识的，也有用角度单位来标识的。如果各桨叶不处在同一锥面上，由于各桨叶升力不同，其空气动力学效应会引起直升机的振动，各桨叶的摆振同样也跟直升机振动相关。这不仅降低了乘员的舒适感，更带来了安全风险。

目前旋翼椎体的检测方法有频闪灯和通用轨迹设备，利用频闪灯或通用轨迹设备作为直升机动平衡分析仪的组件来对直升机的旋翼椎体进行检测。其中频闪灯检测法需首先在各桨叶上安装带桨叶序号的反光靶标，通过动平衡分析仪提供的转速信号，在各桨叶通过频闪灯对准的闪光方向时产生闪光，使得所有桨叶靶标在空中形成一字排开的稳定图像，通过人眼观察各靶标高低，然后通过调节相应桨叶的变距拉杆来调整桨叶的共锥度。然而，频闪灯不能检测桨叶摆振幅度。通用轨迹设备是一款利用三角法测量旋翼轨迹的设备。该设备虽然可以同时测量桨叶的共锥度和摆振幅度，但是，利用通用轨迹设备测量桨叶的共锥度之前，首先必须保证通用轨迹设备的两个光电探测器分别与转轴轴线形成的夹角相等，如果不相等，则会影响测定结果，因此，导致对两个光电探测器的安装几何位置要求较高。

发明内容

本发明提供一种基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***和方法，用以解决现有技术中频闪灯方案需要安装靶标以及不能检测摆振的缺点，以及通用轨迹设备对传感器安装几何位置要求较高的问题。

本发明提供一种基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***，包括：

动平衡分析仪、旋翼椎体传感装置；所述旋翼椎体传感装置包括：成像***、位置敏感探测器；

所述成像***，用于将桨叶叶尖的边缘成像于位置敏感探测器的感光面上；

所述位置敏感探测器，用于根据桨叶叶尖划过其感光面从而输出电流信号，并根据电流信号确定桨叶叶尖在感光面上的成像位置；以及用于根据桨叶叶尖划过其感光面从而产生脉冲信号，并根据脉冲信号确定桨叶叶尖在感光面上的划过时间；所述旋翼椎体传感装置以预设角度安放，使得所述成像***光轴和旋翼旋转轴相交，且桨叶旋转时，桨叶叶尖边缘通过所述成像***所成之像落在所述位置敏感探测器中心位置；

所述动平衡分析仪，用于根据所述桨叶叶尖在感光面上的成像位置以及划过时间，对直升机旋翼椎体进行检测。

本发明还提供的一种根据如上基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***的检测方法，包括：

分别获取直升机的每个桨叶叶尖通过成像***后，在位置敏感探测器的感光面上的划过时间以及成像位置；

根据桨叶叶尖在所述感光面上的成像位置，确定每个桨叶叶尖的垂直高度；

根据所有桨叶叶尖的垂直高度，确定直升机桨叶的共锥度；

根据桨叶叶尖在所述感光面的划过时间，确定相邻两片桨叶之间的张角；

根据所述相邻两片桨叶之间的张角，确定直升机桨叶的摆振；

根据所述直升机桨叶的共锥度和摆振，对直升机旋翼椎体进行检测。

根据本发明提供的检测方法，所述根据桨叶叶尖在所述感光面上的成像位置，确定每个桨叶叶尖的垂直高度包括：根据如下公式确定每个桨叶叶尖的垂直高度：其中，S为桨叶叶尖通过成像***在所述感光面上的成像位置距离感光面边缘的距离；d为成像***与感光面之间的距离；L为成像***与桨叶叶尖之间的水平距离；为成像***与水平方向之间的夹角。

根据本发明提供的检测方法，所述根据桨叶叶尖在所述感光面的划过时间，确定相邻两片桨叶之间的张角包括：

根据桨叶叶尖划过所述位置敏感探测器后形成的脉冲信号，确定桨叶叶尖划过所述位置敏感探测器的划过时间；

对所述划过时间进行差分，得到相邻两桨叶所张角度经过所述位置敏感探测器的时间；

根据经过所述位置敏感探测器的时间以及桨叶的转速，确定相邻两片桨叶之间的张角。

根据本发明提供的检测方法，根据所有桨叶叶尖的垂直高度，确定直升机桨叶的共锥度包括：

根据所有桨叶叶尖的垂直高度，确定桨叶叶尖垂直高度平均值；

根据每个桨叶叶尖的垂直高度与所述桨叶叶尖垂直高度平均值，确定直升机桨叶的共锥度。

根据本发明提供的检测方法，所述根据所述相邻两片桨叶之间的张角，确定直升机桨叶的摆振包括：

根据相邻两片桨叶之间的张角与该相邻两片桨叶之间的理论张角，确定直升机桨叶的摆振。

根据本发明提供的检测方法，所述根据所述直升机桨叶的共锥度和摆振，对直升机旋翼椎体进行检测包括：

分别获取多圈直升机桨叶的共锥度和摆振；

对所述多圈直升机桨叶的共锥度和摆振进行平均，根据平均结果，对直升机旋翼椎体进行检测。

本发明提供的基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***和方法，通过将旋翼椎体传感装置以预设角度安放后，通过获取桨叶叶尖在感光面上的成像位置来确定每个桨叶叶尖的垂直高度，并通过获取桨叶叶尖在所述感光面的划过时间来确定相邻两片桨叶之间的张角，最终通过所有桨叶叶尖的垂直高度以及相邻两片桨叶之间的张角来检测直升机旋翼椎体，该方法一方面避免了需要同时将两个传感器以预设角度安装的繁琐，更避免了由于两个传感器的安装角度不相同而造成的测量误差，从而提高了测量精度；另一方面，避免了安装频闪灯才能测量共锥度的繁琐，提高了测量效率。同时，通过本发明提供的***，可以同时测量出桨叶的共锥度和摆振幅度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***结构示意图；

图2为本发明提供的旋翼椎体传感装置与直升机桨叶的几何关系示意；

图附图标记：1-旋翼椎体传感装置；2-动平衡分析仪；3-转速传感器；4-直升机旋转轴；5-桨叶；11-成像***；12-位置敏感探测器；31-成像***光轴。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

图1为本发明提供的基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***结构示意图，图2为本发明提供的旋翼椎体传感装置与直升机桨叶的几何关系示意图。如图1、图2所示，该***包括：旋翼椎体传感装置1、动平衡分析仪2、转速传感器3。其中，所述旋翼椎体传感装置1包括：成像***11、位置敏感探测器12。

所述成像***11，用于将桨叶叶尖的边缘成像于位置敏感探测器12的感光面上；所述位置敏感探测器12，用于根据桨叶叶尖划过其感光面从而输出电流信号，并根据电流信号确定桨叶叶尖在感光面上的成像位置；以及用于根据桨叶叶尖划过其感光面从而产生脉冲信号，并根据脉冲信号确定桨叶叶尖在感光面上的划过时间；所述旋翼椎体传感装置1以预设角度安放，使得所述成像***11光轴和旋翼旋转轴相交，且桨叶旋转时，桨叶叶尖边缘通过所述成像***11所成之像落在所述位置敏感探测器12的中心位置；所述动平衡分析仪2，用于根据所述桨叶叶尖在感光面上的成像位置以及划过时间，对直升机旋翼椎体进行检测。

具体地，一方面，所述动平衡分析仪2能够通过旋翼椎体传感装置1输出的信息计算出桨叶叶尖的垂直高度；另一方面，动平衡分析仪2能够旋翼椎体传感装置1输出的信息计算出桨叶叶尖划过所述位置传感器的时刻；所述转速传感器3在桨叶每旋转一圈时，向所述动平衡分析仪2发送一个表征信号；动平衡分析仪2根据所述表征信号，最终确定各桨叶对应的共锥度以及摆振结果。

下面对利用该***对直升机旋翼椎体进行检测的方法进行详细介绍，该方法包括：

步骤101：分别获取直升机的每个桨叶叶尖通过成像***后，在位置敏感探测器的感光面上的划过时间以及成像位置。

具体地，桨叶叶尖在感光面上的成像位置是位置敏感探测器自身计算获取得到的，不同的传感器有不同的计算方式，本发明对此不做限制，只要成像***能够将桨叶叶尖成像于感光面上，位置敏感探测器即可计算出成像位置。本发明实施例计算成像位置的方式为：

具体地，所述位置敏感探测器12进行光电转换后，输出至少两路电信号并经配套电路进行信号放大后通过同轴电缆回传给所述动平衡分析仪2；所述动平衡分析仪2对回传的电信号进行量化采集获得至少两路数字信号序列；通过所述至少两路数字信号序列计算出光斑重心位置；通过该光斑重心位置，计算出所桨叶叶尖边沿在感光面上的成像位置。

步骤102：根据桨叶叶尖在所述感光面上的成像位置，确定每个桨叶叶尖的垂直高度。

具体地，动平衡分析仪2根据桨叶叶尖边沿在感光面上的成像位置、位置敏感探测器到成像***光心距离，以及所述成像***和桨叶叶尖在水平方向距离，通过三角形几何关系计算出桨叶叶尖到成像***的垂直方向高度。

请参阅图2，下面对该三角形几何关系进行详细介绍：

本发明实施例默认直升机旋转轴4垂直于地面，桨叶5的旋转面大致处于水平面附近。其中成像***11以和水平方向成角度α上仰安放，而且使成像***光轴31向下后方延伸大致和直升机旋转轴4相交。上仰角α的值根据如下条件确定：桨叶5旋转通过成像***光轴31时，桨叶叶尖边缘通过成像***11所成之像落在所述位置敏感探测器12中心位置附近。本实施例位置敏感探测器12采用一维位置敏感探测器。

本实施例中成像***11采用一个小孔，其光心位置处于O点。通过小孔成像原理使得桨叶叶尖边缘C点通过小孔O点后，在位置敏感探测器12的感光面上成像于A点。且小孔光心O点到一维位置敏感探测器的中点A点的连线，垂直于该探测器的感光面E₁E₂。

本实施例采用一个基于硅材料的峰值响应波长在960nm的一维位置敏感探测器，感光面E₁E₂长度为6mm。通过在上述小孔上覆盖红外滤光片，滤除可见光，保留近红外波段透过,可以使得该一维位置敏感探测器接收到的红外光主要来自天空的近红外光，一般来说桨叶下表面反射的杂散光中的近红外光基本可以忽略不计。

通过选择合适的视场，一维位置敏感探测器感光面的上端点E ₁到A点区域将被照亮成为亮区，而一维位置敏感探测器感光面的下端点E ₂到A点区域将因为被桨叶遮挡而成为暗区。亮区的中心位置可以通过一维位置敏感探测器的计算公式得到，也可以通过校准来进一步确定入射光中心位置和一维位置敏感探测器输出的两路电流的关系，并储存在主机中建立查找表。成像***11的小孔光心O点到一维位置敏感探测器12的感光面E₁E₂距离d应该设计为远大于一维位置敏感探测器长度，比如d=15cm。则在桨叶叶尖边缘C点在一维位置敏感探测器所成之像位置A从上端点E ₁到下端点E ₂变化时，直线OC和感光面E ₁ E ₂所成夹角近似为直角，误差小于1.2度。

从旋翼椎体传感装置的成像***11的光心O点到桨叶叶尖边缘的水平距离L一般有数米距离，以L=3m为例。基于前述直线OC和感光面E ₁ E ₂所成夹角近似为直角的前提，则当桨叶叶尖边缘C点在感光面E ₁ E ₂上所成之像从上端点E ₁到下端点E ₂变化时，其对应的桨叶叶尖边缘C点的垂直高度h的变化范围△h可以通过三角形ABO、A′B′O以及A′B′C的关系计算得到为：其中，S为桨叶叶尖C点通过成像***在所述感光面上的成像位置距离感光面边缘的距离；d为成像***与感光面之间的距离；L为成像***与桨叶叶尖C点之间的水平距离；为成像***与水平方向之间的夹角。

步骤103：根据所有桨叶叶尖的高度，确定直升机桨叶的共锥度。

具体地，要确定直升机桨叶的共锥度，必须确定直升机所有桨叶叶尖的垂直高度。然后对所有桨叶叶尖的垂直高度进行平均，得到一个平均值，最后将每个桨叶叶尖的垂直高度与所述桨叶叶尖垂直高度平均值进行减法运算，根据差值结果来确定直升机桨叶的共锥度。

步骤104：根据桨叶叶尖在所述感光面的划过时间，确定相邻两片桨叶之间的张角。

下面对如何确定相邻两片桨叶之间的张角进行详细说明，具体包括以下步骤：

首先，根据桨叶叶尖划过所述位置敏感探测器后形成的脉冲信号，确定桨叶叶尖划过所述位置敏感探测器的划过时间；其次，对所述划过时间进行差分，得到相邻两桨叶所张角度经过所述位置敏感探测器的时间；最后，根据经过所述位置敏感探测器的时间以及桨叶的转速，确定相邻两片桨叶之间的张角。

具体地，所述位置敏感探测器进行光电转换后，输出至少两路电信号经配套电路进行信号放大后通过同轴电缆回传给所述动平衡分析仪；动平衡分析仪对所述回传的电信号进行量化采集获得至少两路数字信号序列。直升机桨叶尖划划过位置敏感探测器的探测区域时，位置敏感探测器输出电流信号是脉冲信号，该脉冲信号经放大和量化采集后成为数字信号序列；因此基于所述数字信号序列，可以将所述脉冲信号的峰值时刻，或者上升沿斜率最大值时刻，或者上升沿达到峰值幅度一半的时刻，作为所述桨叶叶尖划过所述成像***光轴的时刻，并以该时刻作为桨叶叶尖划过所述位置敏感探测器的划过时间。

旋翼椎体传感装置根据所述至少两路数字信号序列，计算出桨叶叶尖划过所述位置敏感探测器的时刻，形成一路时刻序列，其记录的是桨叶掠过所述传感器光轴位置的时刻；将该时刻序列进行差分，得到的是前后两桨叶所张角度经过所述位置敏感探测器的时间，根据转速可以计算得到前后两桨叶所张角度大小，将该前后两桨叶所张角度减去上它两应该形成的理论张角（即旋翼上桨叶等角度分布时，两片相邻桨叶之间的张角），即为摆振。

步骤105：根据所述相邻两片桨叶之间的张角，确定直升机桨叶的摆振。

步骤106：根据所述直升机桨叶的共锥度和摆振，对直升机旋翼椎体进行检测。

本发明提供的基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测方法，通过将旋翼椎体传感装置以预设角度安放后，通过获取桨叶叶尖在感光面上的成像位置来确定每个桨叶叶尖的垂直高度，并通过获取桨叶叶尖在所述感光面的划过时间来确定相邻两片桨叶之间的张角，最终通过所有桨叶叶尖的垂直高度以及相邻两片桨叶之间的张角来检测直升机旋翼椎体，该方法一方面避免了需要同时将两个传感器以预设角度安装的繁琐，更避免了由于两个传感器的安装角度不相同而造成的测量误差，从而提高了测量精度；另一方面，避免了安装频闪灯才能测量共锥度的繁琐，提高了测量效率。同时，通过本发明提供的***，可以同时测量出桨叶的共锥度和摆振幅度。

进一步地，对直升机旋翼椎体进行检测包括：分别获取多圈直升机桨叶的共锥度和摆振；对所述多圈直升机桨叶的共锥度和摆振进行平均，根据平均结果，对直升机旋翼椎体进行检测。

具体地，通过转速传感器3获取多圈直升机桨叶的共锥度和摆振，通过对所述多圈直升机桨叶的共锥度和摆振进行平均，并根据平均结果，对直升机旋翼椎体进行检测，可以提高检测的精度和效率。

根据前述参数，即一维位置敏感探测器长E₁E₂=6mm，小孔光心到一维位置敏感探测器距离d=15cm，小孔光心到桨叶叶尖边缘的水平距离L=3m，假设α=45°，可以计算得到桨叶叶尖边缘C的高度h的变化范围△h=±12cm。一般来说，该范围已超出满足直升机旋翼椎体测试需求。需要注意的是，一维位置敏感探测器计算光斑重心位置的移动距离，和桨叶叶尖边缘在一维位置敏感探测器所成之像移动的距离之间有一个二分之一的关系，即A点移动6mm，光斑重心仅移动3mm。而根据该一维位置敏感探测器的线性精度为0.1%，可知可以实现对高度h测量精度可达0.24mm，也满足一般直升机旋翼椎体检测的需求，其一般为0.1英寸，即2.54mm。

由于桨叶叶尖边缘一般不是非常尖锐的形状，而是方形或者圆弧形，因此当桨叶划过时，其叶尖边缘可以等效为固定长度的弦长远大于0.1英寸，而桨叶的摆振精度一般要求为0.1英寸，因此对量化采集的时间精度由摆振精度需求确定。以桨叶长度为6.5m，转速为5.1Hz的直升机为例，可以算出其采样时间精度需求至少为12μs，则采样频率可以设置为100kHz。目前普通的一维位置敏感探测器的响应频率可以满足***需求。

上述的一维位置敏感探测器输出的两路电信号经过放大后通过同轴电缆送回动平衡分析仪，然后进行量化采集。根据桨叶划过旋翼椎体传感器产生的信号波形峰值位置来定位各桨叶位置，将其减去理想位置（旋翼各桨叶等角度分布），即可计算得到摆振。根据波形峰值位置时，一维位置敏感探测器的光斑重心位置，结合上述公式的几何关系，容易计算得出旋翼的共锥度。旋翼每旋转一周，转速传感器回传给动平衡分析仪主机一个脉冲信号，可以以此区分出各桨叶的摆振和共锥度。最终显示到分析仪软件显示界面。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***，其特征在于，包括： 动平衡分析仪、旋翼椎体传感装置；所述旋翼椎体传感装置包括：成像***、位置敏感探测器；

所述成像***，用于将桨叶叶尖的边缘成像于位置敏感探测器的感光面上；

所述位置敏感探测器，用于根据桨叶叶尖划过其感光面从而输出电流信号，并根据电流信号确定桨叶叶尖在感光面上的成像位置；以及用于根据桨叶叶尖划过其感光面从而产生脉冲信号，并根据脉冲信号确定桨叶叶尖在感光面上的划过时间；所述旋翼椎体传感装置以预设角度安放，使得所述成像***光轴和旋翼旋转轴相交，且桨叶旋转时，桨叶叶尖边缘通过所述成像***所成之像落在所述位置敏感探测器中心位置；

所述动平衡分析仪，用于根据所述桨叶叶尖在感光面上的成像位置以及划过时间，对直升机旋翼椎体进行检测。

2.根据权利要求1所述的基于位置敏感探测器的直升机旋翼椎体检测***的检测方法，其特征在于，包括：

分别获取直升机的每个桨叶叶尖通过成像***后，在位置敏感探测器的感光面上的划过时间以及成像位置；

根据桨叶叶尖在所述感光面上的成像位置，确定每个桨叶叶尖的垂直高度；

根据所有桨叶叶尖的垂直高度，确定直升机桨叶的共锥度；

根据桨叶叶尖在所述感光面的划过时间，确定相邻两片桨叶之间的张角；

根据所述相邻两片桨叶之间的张角，确定直升机桨叶的摆振；

根据所述直升机桨叶的共锥度和摆振，对直升机旋翼椎体进行检测。

3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述根据桨叶叶尖在所述感光面上的成像位置，确定每个桨叶叶尖的垂直高度包括：根据如下公式确定每个桨叶叶尖的垂直高度：

其中，S为桨叶叶尖通过成像***在所述感光面上的成像位置距离感光面边缘的距离；d为成像***与感光面之间的距离；L为成像***与桨叶叶尖之间的水平距离；为成像***与水平方向之间的夹角。

4.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述根据桨叶叶尖在所述感光面的划过时间，确定相邻两片桨叶之间的张角包括：

根据桨叶叶尖划过所述位置敏感探测器后形成的脉冲信号，确定桨叶叶尖划过所述位置敏感探测器的划过时间；

对所述划过时间进行差分，得到相邻两桨叶所张角度经过所述位置敏感探测器的时间；

根据经过所述位置敏感探测器的时间以及桨叶的转速，确定相邻两片桨叶之间的张角。

5.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，根据所有桨叶叶尖的垂直高度，确定直升机桨叶的共锥度包括：

根据所有桨叶叶尖的垂直高度，确定桨叶叶尖垂直高度平均值；

根据每个桨叶叶尖的垂直高度与所述桨叶叶尖垂直高度平均值，确定直升机桨叶的共锥度。

6.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，所述根据所述相邻两片桨叶之间的张角，确定直升机桨叶的摆振包括：

根据相邻两片桨叶之间的张角与该相邻两片桨叶之间的理论张角，确定直升机桨叶的摆振。

7.根据权利要求2-6任一所述的方法，其特征在于，所述根据所述直升机桨叶的共锥度和摆振，对直升机旋翼椎体进行检测包括：

分别获取多圈直升机桨叶的共锥度和摆振；

对所述多圈直升机桨叶的共锥度和摆振进行平均，根据平均结果，对直升机旋翼椎体进行检测。