扭矩監(jiān)測已經(jīng)并將繼續(xù)是工業(yè)，農(nóng)業(yè)和航空領域的持續(xù)挑戰(zhàn)。扭矩測量可用作機械系統(tǒng)健康狀況的指標，適用于測試和p

無人機轉(zhuǎn)子飛行試驗應用的無線轉(zhuǎn)矩監(jiān)測

抽象

扭矩監(jiān)測已經(jīng)并將繼續(xù)是工業(yè)，農(nóng)業(yè)和航空領域的持續(xù)挑戰(zhàn)。扭矩測量可用作機械系統(tǒng)健康狀況的指標，適用于測試和生產(chǎn)運行資產(chǎn)。最近采用的無線技術提供了方便的扭矩測量。此處介紹的工作代表了LORDMicroStrain?傳感系統(tǒng)與無人機（UAV）軍事飛行測試界合作的努力。

介紹

傳動系統(tǒng)中的扭矩監(jiān)測歷來被用作預測系統(tǒng)退化的手段，以及現(xiàn)有機械系統(tǒng)的維護間隔。通過機械滑環(huán)布置所需的應變片橋式蓮座線，并利用導電刷將信號從滑環(huán)的一側(cè)傳遞到另一側(cè)，可以將電信號和電力從固定框架傳遞到旋轉(zhuǎn)框架，從而，實現(xiàn)相對復雜的軸扭矩監(jiān)測測量系統(tǒng)?；h(huán)的概念圖如圖1所示。

機械滑環(huán)很復雜; 有些人表現(xiàn)出不可靠的特征; 大多數(shù)都是維護密集型的，這些都需要硬連線，安裝需要很多工時，增加了飛行系統(tǒng)的停機時間，并增加了平臺的重量。一個特定的不希望的方面是由滑環(huán)組件傳遞的信號輸出易受由電刷的電阻變化產(chǎn)生的感應噪聲的影響。由于其可變電阻，刷材料將導致傳輸電壓值的差異。這種變化是由于刷對環(huán)界面中不同材料的導電性1。大多數(shù)商用現(xiàn)貨滑環(huán)產(chǎn)品都有相關的噪聲指標作為其規(guī)格的一部分。另外，由于滑環(huán)軸承磨損產(chǎn)生的碎屑，幾個海軍貝爾H-1主旋翼齒輪箱已被拆除?；h(huán)癲癇發(fā)作導致飛行試驗期間Piasecki H-16的丟失2。

由于這些原因，許多旋翼飛機平臺放棄了主旋翼和尾旋翼的應變/扭矩測量，而是選擇監(jiān)測發(fā)動機的扭矩。由于主旋翼和尾旋翼之間的耦合相互作用以及與機動相關的功率要求，除了懸停之外，對于操縱都難以估計主旋翼和尾旋翼功率。直接測量主轉(zhuǎn)子/尾槳比將為調(diào)查和事件重建帶來顯著優(yōu)勢。

非接觸式系統(tǒng)對于機械滑環(huán)的優(yōu)點，因為許多設計利用沒有相對運動的部件，并且不會干擾測試部件的平衡 - 這是高速應用中特別關注的問題。使用光學方法，在線耦合和磁場測量存在若干非接觸和/或無線扭矩測量裝置。雖然這些技術對于某些應用具有優(yōu)點，但是許多技術需要在所研究的組件附近的固定參考系以安裝相應的接收器設備，或者使用定制（或顯著改進的）軸。在許多飛機安裝中，為儀器分配的空間有限; 定制/改裝部件帶有適航性問題，

最近，LORD MicroStrain開發(fā)并測試了一種用于工業(yè)和軍事航空航天應用的無線扭矩監(jiān)測系統(tǒng)。Aptly命名為Torque-Link?，由雙3.0 V可更換鋰離子原電池供電，連續(xù)工作為40+，可根據(jù)應用和使用模式延長至數(shù)月。

雖然無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）在航空航天和飛行測試社區(qū)中越來越受歡迎，但它們主要用于健康使用和監(jiān)測系統(tǒng)（HUMS）的容量中。當前的HUMS系統(tǒng)使用到傳感器和數(shù)據(jù)收集源的固定線路連接3。

最初的LORD產(chǎn)品Torque-Link?LXRS?原型設計用于MQ-8B“Fire Scout”VTUAV平臺尾槳驅(qū)動軸。美國海軍航空系統(tǒng)司令部（NAVAIR）要求LORD支持在他們之前的滑環(huán)儀表在試飛期間失敗后測量Fire Scout武器化計劃的尾旋翼傳動軸扭矩。預計LORD的替代設計將取代機械滑環(huán)進行地面測試。

當在飛機發(fā)動機進氣口附近發(fā)射火箭時，釋放的熱火箭廢氣會在發(fā)動機的壓縮機級中引起不希望的和意外的響應。先前的測試已經(jīng)證實，在發(fā)動機激增和恢復時，旋翼飛機在武器氣體攝?。ˋGI）事件期間容易受到顯著的尾槳扭轉(zhuǎn)響應的影響4。這種扭轉(zhuǎn)響應可能使傳動軸“振動”，從而對尾槳驅(qū)動軸和齒輪箱造成損壞。了解尾槳傳動軸對此扭轉(zhuǎn)脈沖的扭矩響應是NAVAIR評估尾槳驅(qū)動系統(tǒng)疲勞損壞所需的。

系統(tǒng)組件

LORD MicroStrain Torque-Link?由兩個半殼組件組成，這兩個半殼組件夾緊在無人機的生產(chǎn)尾槳傳動軸上。組件的一半支持電源和接線; 另一半支持電子傳感器封裝和應變片蓮座線。系統(tǒng)通過兩個半殼的夾緊力固定在鋁制驅(qū)動軸上，緊固件均采用安全接線，采用尼龍貼片鎖定技術，或安裝有樂泰固定（圖2）。鋼制Helicoil安裝在殼體連接緊固件孔中，以進一步緊固件強度。

圖2

為了滿足NAVAIR的適航要求，在Torque-Link?上進行了應力分析，外殼和緊固件在測試過程中能夠承受速度和預期扭矩的離心載荷。還對驅(qū)動軸進行了應力分析，以解決與操作期間的重量和離心載荷相關的彎曲應力。將特定檢查說明插入飛行間隙進行地面測試，以檢查軸上的裝配保持情況。由于該應用中尾部旋翼驅(qū)動軸的單件式配置，軸上的單元的動態(tài)平衡被認為對于該測試來說太昂貴。Torque-Link?裝配平衡通過分析確定，完全符合應用所需的動態(tài)平衡。

Torque-Link?采用LORD MicroStrain SG-Link?-OEMLXRS?進行傳感器測量。傳感器包通過IEEE 802.15.4協(xié)議無線傳輸數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)由無線傳感器數(shù)據(jù)聚合器（WSDA?）單元接收。根據(jù)WSDA?的配置，它可以以用戶控制的方式運行或運行。對于此應用，它被用作由具有膝上型計算機和LORD MicroStrainNodeCommander?軟件的用戶控制的無線基站。這個概念如圖3所示。

圖3

系統(tǒng)校準

靜態(tài)校準臺設置用于導出無線數(shù)據(jù)的斜率和偏移系數(shù)。試驗臺利用了支撐床中的無人機的實際扭矩軸，使得扭矩軸的一部分可以自由地懸臂伸出大約70英寸.Torque-Link?和應變儀花環(huán)安裝在軸上。扭矩軸的末端裝有力矩臂夾具，如圖4所示。

圖4

從力矩臂懸掛質(zhì)量以獲得已知的扭矩值，然后將其與無線傳輸?shù)膽儍x值相關聯(lián)以獲得校準系數(shù)。使用全應變儀橋接器進行測量，該橋梁彎曲載荷并且補償了溫度影響。校準方案利用了正扭矩和負扭矩（用戶定義的正號符號約定）以及預期的地面試驗和飛行載荷的測試點。

故意將Torque-Link?采樣率設置為高，捕獲驅(qū)動軸的第一個扭轉(zhuǎn)模式。由于成本和進度限制，沒有為該測試創(chuàng)建尾槳驅(qū)動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子動力學模型。由于增加了尾槳變速箱和加載的尾槳系統(tǒng)慣性，軸的扭轉(zhuǎn)模式被確定為比尾旋翼驅(qū)動系統(tǒng)的模式高的頻率。

系統(tǒng)設置

Torque-Link?系統(tǒng)安裝在尾槳驅(qū)動軸上。它的放置方式是不干擾無人機尾翼結構，并且為了無線信號傳播而位于后部結構檢修板附近。內(nèi)部飛機結構的性質(zhì)很難促進RF通信，反而導致多徑問題，降低無線信號強度3。在這種情況下，如果證明RF傳播不充分，可以移除檢修面板進行地面測試。

圖5示出了通過左側(cè)尾翼檢修面板觀察在NAVAIR飛行測試車輛上完成的無線扭矩監(jiān)測節(jié)點安裝。

圖5

地面測試

MQ-8B武器計劃包括幾項不同的測試。選擇地面測試作為最終飛行測試的風險降低。地面測試的最終目標是：A）確定飛機是否受到AGI的影響，B）測量尾槳驅(qū)動軸上產(chǎn)生的扭矩脈沖。無人機連接到Patuxent River Naval Air Station的地面試驗臺。Torque-Link?配置為測量窗口的數(shù)據(jù)記錄，持續(xù)時間約為3分鐘。使用板載500Hz抗混疊濾波器以每秒2048個樣本收集數(shù)據(jù)，并將其存儲在節(jié)點存儲器中。在數(shù)據(jù)收集窗口結束時，測量數(shù)據(jù)被無線傳輸?shù)交尽?/p>

地面測試以總共六個測試點達到高潮，在操作期間和射擊彈藥期間成功地從尾部旋翼驅(qū)動軸收集無線扭矩數(shù)據(jù)。應用平均濾波器的收集數(shù)據(jù)的一個例子如圖6所示，并顯示收集的數(shù)據(jù)中沒有明顯的扭轉(zhuǎn)脈沖。

圖6

圖7顯示了典型的扭矩曲線，顯示了Torque-Link?捕獲的啟動，地面空轉(zhuǎn)和飛行功率。圖7中的動態(tài)負載與失效前滑環(huán)收集的動態(tài)負載相當，并收集了數(shù)據(jù)在之前的飛行測試中。

圖7

由于點火脈沖的瞬態(tài)特性，F(xiàn)FT數(shù)據(jù)在瀑布圖中隨時間繪制，以顯示系統(tǒng)在點火事件周圍的離散點處的頻域響應。FFT如圖8所示。

圖8

飛行測試

盡管地面測試的初步開發(fā)概念，NAVAIR對硬件的設計和性能表示滿意，并開始利用Torque-Link?系統(tǒng)在MQ-8B上進行飛行中數(shù)據(jù)采集。討論了幾種可能的數(shù)據(jù)收集方法。對于真正的數(shù)據(jù)收集，無線網(wǎng)絡可以使用WSDA?-RGBD進行GPS定時，網(wǎng)絡同步，無線數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)存儲。另一種選擇是與飛行試驗飛行器并行飛行第二架飛機。這款“追逐”飛機將配備一臺帶有LORDMicroStrain?基站和筆記本電腦的操作員。從距離飛行測試車輛相對較短的距離，操作員可以將命令傳遞到無線節(jié)點以進行數(shù)據(jù)收集，數(shù)據(jù)下載和喚醒/睡眠操作。第三種選擇是“武裝”無線節(jié)點以在地面上收集數(shù)據(jù)，在收集數(shù)據(jù)時飛行測試點，并在飛行器返回時從節(jié)點無線下載數(shù)據(jù)。該方法具有基于無線節(jié)點的內(nèi)部存儲器和用戶選擇的數(shù)據(jù)采樣率的時間限制，但是考慮到測試事件的亞秒瞬態(tài)特性，存儲器限制被認為是可接受的折衷。LORDMicroStrain?基站天線能夠喚醒Torque-Link?節(jié)點并從大約20英尺內(nèi)的追蹤飛機收集數(shù)據(jù)。該方法具有基于無線節(jié)點的內(nèi)部存儲器和用戶選擇的數(shù)據(jù)采樣率的時間限制，但是考慮到測試事件的亞秒瞬態(tài)特性，存儲器限制被認為是可接受的折衷。LORDMicroStrain?基站天線能夠喚醒Torque-Link?節(jié)點并從大約20英尺內(nèi)的追蹤飛機收集數(shù)據(jù)。該方法具有基于無線節(jié)點的內(nèi)部存儲器和用戶選擇的數(shù)據(jù)采樣率的時間限制，但是考慮到測試事件的亞秒瞬態(tài)特性，存儲器限制被認為是可接受的折衷。LORDMicroStrain?基站天線能夠喚醒Torque-Link?節(jié)點并從大約20英尺內(nèi)的追蹤飛機收集數(shù)據(jù)。
NAVAIR已完成MQ-8B和Torque-Link?LXRS?系統(tǒng)的飛行武器測試，提供了寶貴的尾部扭矩數(shù)據(jù)，同時減少了對車輛重量和平衡以及軸動態(tài)平衡的影響。

結論

使用LORDMicroStrain?Torque-Link?LXRS?收集的數(shù)據(jù)成功實現(xiàn)了在MQ-8B武器計劃AGI測試的地面測試部分期間提供尾部扭矩數(shù)據(jù)的目標。Torque-Link?在飛行測試期間進一步提供數(shù)據(jù)，允許NAVAIR工程師決定繼續(xù)測試，同時確保飛機的安全性。使用Torque-Link?收集的數(shù)據(jù)進行的數(shù)據(jù)分析顯示，在火箭發(fā)射/ AGI觀測窗口期間沒有發(fā)生瞬態(tài)加載。同樣，在同一時間窗口內(nèi)沒有檢測到機載飛機健康監(jiān)測和反饋儀器的振動瞬變。先前的機械滑環(huán)數(shù)據(jù)也與無線收集的數(shù)據(jù)相關。雖然假設動態(tài)事件將會發(fā)生，然后見證該事件是有益的，在這種情況下，我們沒有檢測到瞬態(tài)振動事件。因此，我們得出結論，火箭火災和氣體攝入事件屬于這些測試標準和條件，不會在該旋翼飛機的尾槳驅(qū)動系統(tǒng)上引起扭轉(zhuǎn)負載瞬態(tài)。

Torque-Link?設計緊湊輕巧，減少了對機身和傳動軸的影響。MQ-8B測試飛機上的其他儀表證實，Torque-Link?不會影響軸的平衡，這被認為是該應用中的一個重要問題。

LORD MicroStrain的技術允許工程師在不需要線束或安裝裝置的情況下對飛機進行檢測。LORD MicroStrain無線系統(tǒng)的可擴展性還允許在使用傳統(tǒng)有線方式難以捕獲的位置同時進行時間同步應變，振動，溫度和腐蝕測量。

該項目中展示的無線技術為用戶提供了傳統(tǒng)儀器和測量技術的低成本，快速周轉(zhuǎn)的替代方案。系統(tǒng)復雜性的顯著風險降低是顯而易見的，因為在這種情況下，用戶更換了失敗的滑環(huán)裝置用于其數(shù)據(jù)收集，降低的飛機儀表重量和減輕的平衡問題。

NAVAIR公開發(fā)布2014-53發(fā)布聲明A - 批準公開發(fā)布; 

參考

“材料應用指南：滑環(huán)材料應用建議”。http://www.uea-inc.com/products/slip-rings/materials-application-guide。
“Piasecki PV-15 Transporter / YH-16”。http://www.aviastar.org/helicopters_eng/piasecki_h-16.php。
 Ketcham，R.，Herbst，J.，Phan，N。，“無線傳感器數(shù)據(jù)聚合系統(tǒng)和HUMS的集成”，美國直升機協(xié)會第69屆年度論壇，鳳凰城，亞利桑那州，2013年
 Clark，G.，Chesser， A.“AH-1Z火箭氣體吞噬：用最少的資源擴展信封。