[发明专利]用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置及其方法

说明书

本发明公开了一种用于旋转叶片全场动态变形的随动实时测量装置，在叶片的旋转中心附近固接与每片叶片相对的双目相机，在叶片上布置标志点，旋转过程中叶片与双目相机周向保持相对静止，为有效减小旋转气流干扰，双目相机处于开有玻璃窗口的密封壳体内，为提高图像处理速度，提前滤除因旋翼高速旋转引入的模糊背景干扰，标志点采用荧光光源物质布置，壳体玻璃窗口设置为与标志线荧光频率对应的带通滤光片，双目相机将只得到标志线的图像，通过图像采集及数据处理获得实时三维变形量。在桨毂上安装光电计数器，在机身正对位置安装小型激光发生器，每个旋转周期内当光电计数器旋转至激光发生器位置时触发计数，作为被测桨叶零相位位置信息。

技术领域

本发明涉及三维测量领域中的大尺寸空间变形测量问题，特别是涉及一种基于双目视觉的旋转叶片全相位动态全场变形的随动实时测量装置及方法。

背景技术

叶片的动态变形检测可以为工程人员提供叶片旋转过程中的变形规律，为叶片的设计及制造提供直接的数据依据。如直升机的旋翼、大型风力叶片或大型船用螺旋桨叶片的变形检测，对于大扭矩、高速旋转作用下叶片的材料性能验证、强度及振动分析具有重要意义，能辅助工程人员改进设计、验证所建变形模型的正确性。直升机旋翼在不同工作状态下，如悬停、拉升、前进、侧飞时，各叶片变形不同，且同一叶片在不同相位时变形差异也很大。

然而现阶段普遍采用的接触式传感器，如应变片，已经难以有效满足测量需求。首先，传感器测量的是综合变形量，所测数据由挥舞、摆振、扭转三个方向的变形量耦合而成，难以解耦成单独的三维变形量。其次，由于存在引线，传感器在高速旋转的叶片上难以布置，且容易造成引线纠缠。最后，传感器只能建立有限观测点，且无法实现叶片旋转过程中的360°全相位、全场变形的实时测量及数据记录。

为克服传统手段的局限性，新的测量方法也不断涌现。如2001年由清华大学和中国飞行试验研究院第一研究所开发的“直升机旋翼挥舞、摆振的激光动态测试系统”，采用在与旋翼同步旋转的悬臂结构上安装光学传感器的方法，实现了直升机旋翼桨叶挥舞及摆振角的动态测量，但却存在一定的问题。如(1)体积重量大，影响试验机操纵性能；(2)不能多飞行状态下测量，只能悬停测试；(3)在高速旋转中悬臂易产生变形，影响测量结果；(4)悬臂不宜过长，测量范围受限，无法实现被测桨叶的全场测量。(5)无法实现360°全相位、全场变形的实时测量。

2014年中国飞行试验研究院，提出了一种“基于PSD光学成像的机载旋翼运动测量方法”，在桨毂上固定安装基于PSD元件的光学测量单元，在旋翼桨叶选定剖面的上表面选定特征点，安装不同光波长的LED作为标志点，实现了旋翼桨叶变形参数测量，但该方法仍有一定的局限与不足。如(1)单一PSD模块只能测量单个标志点，且PSD测量范围受限，无法实现多测点全场实时测量；(2)标志点采用LED，需要安装及供电，安装布置复杂；(3) LED标志点发光无定向性，能量分散，导致PSD接受能量降低，光电位置信号较弱；(4) PSD易受温度影响，温度变化会影响PSD的暗电流和灵敏度，从而影响系统的准确度及灵敏度；(5)无法实现360°全相位、全场变形的实时测量。

为测量直升机旋翼在不同工作状态下，如悬停、拉升、前进、侧飞时，不同叶片在同一相位的变形量以及同一叶片在不同相位时的变形量，要求直升机旋翼桨叶变形测量技术应满足以下要求：

(1)体积小重量轻，可实现对不同型号直升机旋翼的方便测量，且不影响试验机性能；

(2)可同时测得挥舞、摆振、扭转方向的变形参数；

(3)可以实现被测桨叶旋转过程中360°全相位、全场变形的实时测量。

发明内容

本发明旨在解决旋转叶片360°全相位、全场动态变形实时测量问题，为叶片动态变形检测提供一种新的方法。