直升機旋翼錐體頻閃燈校準技術研究

張建國，侯秀波，杜德森，徐慶玉，李田甜

（航空工業哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150066）

0 引言

直升機旋翼槳葉的揮舞軌跡被形象地稱為“旋翼錐體”，是直升機旋翼系統的重要參數［1］，它集中反映了直升機所有槳葉動態參數和氣動參數的一致性，是槳葉空氣動力和飛行控制等綜合作用的最終體現［2］，槳葉的不平衡是直升機振動的主要來源之一［3］。直升機旋翼錐體頻閃燈（本文簡稱頻閃燈）是直升機相位動平衡測量系統（一般由轉速和振動傳感器、相位動平衡儀、頻閃燈等三部分組成且相對獨立工作）的主要組成部分［4-5］，主要用于對單層直升機旋翼等多槳葉旋轉時椎體平面性的測試檢查［6］，從而能初步判斷是否由于槳葉的不平衡引起直升機令人不舒適的振動。此類頻閃燈的工作原理是基于頻閃效應，在外部信號（工作時信號由主軸的轉速磁傳感器通過相位動平衡儀間接提供）激勵下，頻閃燈以對應的旋翼轉動頻率閃動，此時，人眼觀察到的旋翼（槳葉）將是靜止不動的，可以籍此觀察各槳葉的振動狀態和運動軌跡等。直升機旋翼錐體頻閃燈因其使用方便，環境適應性好，可視程度高等優點，多年來一直在生產試驗和維護現場使用。

直升機旋翼錐體頻閃燈屬于專用測試設備，無法歸類于轉速表等通用計量器具進行校準，沒有適用的國家檢定規程或校準規范可以參照。實際工作中，會遇到頻閃燈閃爍頻率不隨輸入的激勵頻率閃動的狀況（頻閃燈自身故障），因此有必要對其定期校準。

本文通過研究脈沖頻率法校準直升機旋翼錐體頻閃燈的閃爍頻率計量特性，給出了一種可以用通用計量標準設備對頻閃燈進行準確校準的實用方法，使頻閃燈的量值溯源更可靠，并且符合《國防科技工業專用測試設備計量管理辦法》第十四條關于溯源性的要求。

1 直升機旋翼錐體頻閃燈校準現狀

因頻閃燈的校準沒有國家檢定規程或校準規范可以參照，僅有少量相關校準方法研究。目前，一般基于自制的轉速裝置實現對頻閃燈的校準［7-8］。

圖1 為頻閃燈主要生產廠家之一CHADWICK HELMUTH 公司配套生產的一個測試用轉臺Model 11，此轉臺可以在900 r/min 和1 800 r/min 兩個轉速下，定性的觀察頻閃燈鎖定狀態［8］。

圖1 測試轉臺Model 11Fig.1 Test turntable Model 11

檢查直升機相位動平衡設備工作狀態時按圖2方式連接，轉臺通過相位動平衡儀與頻閃燈連接，當轉臺開始轉動時，相位動平衡儀得到轉臺的轉動速度信號并以此驅動頻閃燈閃亮，若可以觀察到清晰穩定的單定像，且定像標志方向（代表相位角）符合說明書技術要求。這種方式可以檢查整套直升機相位動平衡設備的工作狀態，但不適用對頻閃燈進行校準。

圖2 Model 11轉臺測試直升機相位動平衡設備連接示意圖Fig.2 Connection diagram for testing helicopter phase dynamic balance equipment using turntable Model 11

圖3 中的HBD 型直升機動平衡仿真試驗器是國內自主研發制造的相位動平衡設備校準裝置。仿真實驗器由大小兩個轉盤組成，大小轉盤通過皮帶連接，轉臺驅動電機的轉速可以在60～800 r/min調節，小轉盤的轉速是大轉盤的5倍。對頻閃燈可以在60～4 000 r/min進行校準，其中，800 r/min 以下用大轉盤直接校準，800～4 000 r/min 用小轉盤校準，轉速數據顯示的是大轉盤的實時數據。

圖3 HBD型直升機動平衡仿真試驗器Fig.3 HBD Helicopter dynamic balance simulation tester

圖4是使用直升機動平衡仿真試驗器校準頻閃燈時的接線方式，由信號發生器為被校頻閃燈提供驅動信號，調節直升機動平衡仿真試驗器轉盤的轉動速度，直至通過被校頻閃燈可以觀察到反光貼清晰穩定的單定像，此時直升機動平衡仿真試驗器顯示的轉速值即為頻閃燈的實際轉速。

圖4 動平衡仿真試驗器校準連接示意圖Fig.4 Connection diagram of calibration using dynamic balance simulator

使用直升機動平衡仿真試驗器校準頻閃燈可以基本滿足頻閃燈使用單位的技術要求，存在的問題主要集中在兩個方面：一是校準點無法覆蓋被校設備的工作范圍。頻閃燈的實際工作范圍可以達到120～12 000 r/min（即2～200 Hz），直升機動平衡仿真試驗器受電機轉速及人眼觀察能力的限制只能實現300～4 000 r/min范圍內的轉速校準。二是校準結果的不確定度較大。從校準過程來看，直升機動平衡仿真試驗器校準頻閃燈的不確定度來源主要有：直升機動平衡仿真試驗器不準引入的不確定度；測量重復性引入的不確定度；測量分辨力引入的不確定度以及人眼視覺影響引入的不確定度等。其中，測量分辨力引入的不確定度因大小轉盤分辨力不同，需要分別考慮，經過計算驗證，直升機動平衡仿真試驗器校準頻閃燈的相對不確定度一般都在10-3以上。

近年來，隨著傳感器技術的不斷發展，將校準精度較低的特殊參數轉化為校準精度較高的電學通用參數進行校準成為計量研究的一個熱門方向。應用光電轉換技術，實現脈沖頻率法校準頻閃燈，可以大幅度提升頻閃燈的校準精度，切實提高重要設備的校準保障能力。

2 校準方法

2.1 脈沖頻率法原理[9-11]

頻閃燈的工作原理是通過頻閃效應，利用人眼的視覺暫留，對轉速直接測量。由此可知，頻閃燈測量轉速的準確度與閃爍頻率的準確度直接相關。因此若校準時可以直接測量頻閃燈的閃爍頻率的準確度，將會大幅度提升測量精度，同時還可以有效減少頻閃效應讀數時引入的不確定度。

用脈沖頻率法校準頻閃燈，須引入光電轉換元件——光電傳感器。按照圖5接線，通過信號發生器驅動，產生與驅動頻率一致的頻閃光，將其作為光源對準光電傳感器，利用光電轉換元件，將接收到的頻閃光轉換成電脈沖信號，輸入到通用計數器進行脈沖頻率的測量。校準過程無需利用頻閃效應測量轉速，直接讀取通用計數器的測量值并計算頻閃燈的示值誤差。

圖5 脈沖頻率法校準頻閃燈連接示意圖Fig.5 Connection diagram for calibrating strobe using pulse frequency method

用脈沖頻率法校準頻閃燈的不確定度來源主要有：通用計數器頻率測量不準引入的不確定度；通用計數器顯示分辨力引入的不確定度以及測量重復性引入的不確定度。

2.2 校準實施

實施頻閃燈的校準，首先應了解驅動其閃爍的信號特征。實際使用中，頻閃燈與相位平衡儀配套使用，其驅動輸入信號頻率是相位平衡儀通過轉速傳感器得到的旋翼轉速信號在跟蹤狀態下從頻閃燈的驅動端口輸出設置的槳葉數量的乘積。圖6是當相位平衡儀的轉速信號為360 r/min（6 Hz），槳葉數量為1 片時頻閃燈的驅動信號。可以看到，頻閃燈驅動信號是占空比為50%的方波，幅度在1Vp-p值以上，上升時間3～4 ms。

圖6 頻閃燈的驅動信號Fig.6 Drive signal of strobe

以135M-12 型頻閃燈為例對脈沖頻率法的校準進行說明。其說明書中給出的測量允許誤差為±2%，量程范圍為120～12 000 r/min，由函數發生器提供驅動頻率，驅動信號為方波，峰峰值幅度為1 V。光電傳感器由直流穩壓電源提供驅動，供電電壓為5 V，信號輸出端與示波器或通用計數器連接。當頻閃燈閃爍并對準光電傳感器時，由光電傳感器轉換頻閃燈閃爍頻率得到脈沖信號，與光電傳感器連接的示波器顯示連續的脈沖波形。圖7 為頻閃燈驅動頻率為40 Hz 時，示波器顯示的脈沖信號波形。

圖7 頻閃燈40 Hz閃爍頻率時脈沖波形Fig.7 Pulse waveform of strobe at 40 Hz flicker frequency

圖7 及圖8 中，光電傳感器得到的頻閃燈閃爍頻率波形非常好，有很好的上升沿（4 μs以下）和基線長度，脈沖幅值峰峰值可達500 mV 左右，完全能夠滿足通用計數器測量的觸發靈敏度要求，可以保證通用計數器應該穩定的測量頻率值。此外，因測量脈沖來自普通光源，光線較為分散，為保證頻閃燈閃爍頻率的測量，可將頻閃燈盡量對正并靠近光電傳感器，也可以嘗試降低環境亮度，同時設置通用計數器100 kHz低通濾波開啟。

圖8 頻閃燈閃爍脈沖波形細節圖Fig.8 Details of strobe flicker pulse waveform

圖8 中的頻率波形是在一個高電平上疊加的，經測量，該電平值約為0.5 V。因此在通用計數器上測量頻閃燈閃爍頻率時，需要將觸發電平提升至0.5 V才能獲得正確的頻率測量數據。

當頻閃燈的驅動頻率增大時，如圖9，當頻閃燈的驅動頻率分別為100、200 Hz 時，示波器顯示的頻閃燈閃爍脈沖信號的波形狀態。由圖9 可知，雖然頻閃燈驅動頻率在增大，但脈沖信號的上升時間依然保持在4 μs 以下，保持了一個陡峭的上升沿，同時幅值也保持在450 mV 以上，通用計數器可以很好的測量得到信號的頻率值。

圖9 不同頻率的頻閃脈沖信號Fig.9 Stroboscopic pulse signals of different frequencies

當驅動頻率小于2 Hz 時，由于頻閃燈的閃爍頻率過低，環境對脈沖信號的干擾明顯增加，使通用計數器的測量顯示誤差顯著增大，且易產生數據跳變；驅動頻率大于200 Hz 時，頻閃燈的閃爍亮度急劇下降，脈沖信號的幅值也相應大幅度降低，這顯著影響通用計數器的測量顯示，經過試驗并結合使用實際情況，確定該方法可以保證結果準確性的頻率（轉速）校準范圍為2～200 Hz（120～12 000 r/min）。

此外，對頻閃燈的校準除閃爍速度的校準外還包括驅動靈敏度的校準、燈聚焦狀態的校準及調整，其中燈聚焦狀態的校準及調整是針對頻閃燈的光學特性的有效校準項目（不在本文討論）。

3 不同方法測量數據的對比

為驗證脈沖頻率法校準頻閃燈的準確性和可靠性，采用直升機動平衡仿真試驗器和通用計數器分別作為標準設備，對同一頻閃燈進行校準，對比兩種方法的測量結果。測量用到的被校設備和計量標準器具信息見表1。

表1 被校設備及計量標準器具信息[4,7,12]Tab.1 Information on calibrated equipment and measuring standards[4,7,12]

根據實際情況，在120～12 000 r/min（即2～200 Hz）內選取9 個頻率點，用同一個函數發生器為被校頻閃燈提供驅動信號。分別用直升機動平衡仿真試驗器和通用計數器進行校準。校準的示值誤差結果見表2。

表2 不同方法校準頻閃燈的測量誤差Tab.2 Measurement errors of strobe calibration by different methods

從表2的數據可以看出，脈沖頻率法校準頻閃燈相比于動平衡仿真實驗器校準，其可測量的轉速范圍可以提升至120～12 000 r/min（即2～200 Hz），能夠完全覆蓋135M-12 頻閃燈的頻閃工作范圍。事實上，脈沖頻率法校準頻閃燈的校準范圍取決于通用計數器的測量范圍，這就為今后校準更大工作范圍的頻閃類設備提供有效的技術支撐。

此外，脈沖頻率法校準的示值誤差可以達到10-6量級，遠高于動平衡仿真試驗器的校準結果。這是因為通用計數器進行頻率測量時的分辨力很高，測量200 Hz頻率時，也可以分辨到1 μHz，而動平衡仿真試驗器的轉速顯示分辨力只有1 r/min，甚至在小轉盤讀數時轉速的分辨力是5 r/min。

綜上所述，脈沖頻率法校準頻閃燈不僅可以覆蓋頻閃燈工作范圍，而且可以大幅度提高校準精度，另外因通用計數器可以溯源至時間頻率的計量基準，所以脈沖頻率法校準頻閃燈可以保證頻閃燈量值溯源的準確可靠。

4 不確定度評定示例[13-14]

對脈沖頻率法校準頻閃燈的測量結果不確定度進行評定時，數學模型見公式（1）。

式中：Δf為被校頻閃燈的示值誤差；為頻率實測平均值；f0為頻閃燈標稱值。

用脈沖頻率法校準頻閃燈的不確定度來源主要有：通用計數器頻率測量不準引入的不確定度；通用計數器顯示分辨力引入的不確定度以及測量重復性引入的不確定度。

當選取頻閃儀6、60、200 Hz 三個閃爍頻率點進行測量時，對其測量結果分別進行不確定度計算。

4.1 測量重復性引入的不確定度

對頻閃燈的三個閃爍頻率點分別測量10 次，得到的測量值見表3。

表3 頻閃燈不同頻率下重復性測量值Tab.3 Repeatability of strobe at different frequencies

表3 中的測量數據，按公式（2）計算得到重復性引入的不確定度分量u1。

4.2 通用計數器頻率測量不準引入的不確定度

從通用計數器的說明書可知，通用計數器SP3386 晶振準確度A = 1 × 10-7，通用計數器各頻率點最大允許誤差引入的不確定度u2按B 類方法評定，均勻分布取包含因子k=，按公式（3）計算。

4.3 通用計數器顯示分辨力引入的不確定度

使用的通用計數器在各頻率下的測量分辨力fδ分別為10 nHz、100 nHz、1 μHz，通用計數器顯示分辨力引入的不確定度分量u3按公式（4）計算。

4.4 合成標準不確定度及擴展不確定度

經過計算，在選取的3個頻率點上，被校頻閃燈測量不確定度分量見表4。

表4 被校頻閃燈測量不確定度分量Tab.4 Uncertainty components of calibrated strobe Hz

由于不確定度的各分量獨立不相關，則合成標準不確定度可用方和根法計算。根據JJF1033-2023《計量標準考核規范》［15］，當檢定或校準結果的重復性引入的不確定度分量大于被檢定或校準儀器的分辨力所引入的不確定度分量時，此時重復性中已經包含分辨力對檢定或校準結果的影響，故不應當再考慮分辨力所引入的不確定度分量。所以頻閃燈校準結果的合成標準不確定度是由測量重復性引入的不確定度u1和通用計數器頻率測量不準引入的不確定度u2構成的。得到合成標準不確定度后，取包含因子k= 2，可以得到相對擴展不確定度。計算結果見表5。

表5 測量不確定度的合成及擴展Tab.5 Combination and expansion of measurement uncertainty

5 結論

從本文上述的數據對比和驗證中可以看出，采用脈沖頻率法校準頻閃燈比采用仿真試驗器進行校準可校準的頻率（轉速）范圍更大，完全可以覆蓋被校頻閃燈的能力范圍，而測量結果的準確度大幅度提高，示值誤差達到10-6量級，比原來小了3個數量級，不確定度也減小了，同時脈沖頻率法用通用計數器作為測量標準，將頻閃燈的溯源直接與時間頻率基準連通，使頻閃燈的量值傳遞和量值溯源更可靠和有效，同時具有一定推廣價值。

此外，通過本文的研究也表明，利用傳感器件可將校準精度低且不易提升的特性參數轉化成校準精度高的通用參數，其研究方向是一種可以有效提升計量能力的思路，值得計量同仁根據實際需要開展相關研究工作。