直升机旋翼锥体频闪灯校准技术研究

张建国，侯秀波，杜德森，徐庆玉，李田甜

（航空工业哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150066）

0 引言

直升机旋翼桨叶的挥舞轨迹被形象地称为“旋翼锥体”，是直升机旋翼系统的重要参数［1］，它集中反映了直升机所有桨叶动态参数和气动参数的一致性，是桨叶空气动力和飞行控制等综合作用的最终体现［2］，桨叶的不平衡是直升机振动的主要来源之一［3］。直升机旋翼锥体频闪灯（本文简称频闪灯）是直升机相位动平衡测量系统（一般由转速和振动传感器、相位动平衡仪、频闪灯等三部分组成且相对独立工作）的主要组成部分［4-5］，主要用于对单层直升机旋翼等多桨叶旋转时椎体平面性的测试检查［6］，从而能初步判断是否由于桨叶的不平衡引起直升机令人不舒适的振动。此类频闪灯的工作原理是基于频闪效应，在外部信号（工作时信号由主轴的转速磁传感器通过相位动平衡仪间接提供）激励下，频闪灯以对应的旋翼转动频率闪动，此时，人眼观察到的旋翼（桨叶）将是静止不动的，可以籍此观察各桨叶的振动状态和运动轨迹等。直升机旋翼锥体频闪灯因其使用方便，环境适应性好，可视程度高等优点，多年来一直在生产试验和维护现场使用。

直升机旋翼锥体频闪灯属于专用测试设备，无法归类于转速表等通用计量器具进行校准，没有适用的国家检定规程或校准规范可以参照。实际工作中，会遇到频闪灯闪烁频率不随输入的激励频率闪动的状况（频闪灯自身故障），因此有必要对其定期校准。

本文通过研究脉冲频率法校准直升机旋翼锥体频闪灯的闪烁频率计量特性，给出了一种可以用通用计量标准设备对频闪灯进行准确校准的实用方法，使频闪灯的量值溯源更可靠，并且符合《国防科技工业专用测试设备计量管理办法》第十四条关于溯源性的要求。

1 直升机旋翼锥体频闪灯校准现状

因频闪灯的校准没有国家检定规程或校准规范可以参照，仅有少量相关校准方法研究。目前，一般基于自制的转速装置实现对频闪灯的校准［7-8］。

图1 为频闪灯主要生产厂家之一CHADWICK HELMUTH 公司配套生产的一个测试用转台Model 11，此转台可以在900 r/min 和1 800 r/min 两个转速下，定性的观察频闪灯锁定状态［8］。

图1 测试转台Model 11Fig.1 Test turntable Model 11

检查直升机相位动平衡设备工作状态时按图2方式连接，转台通过相位动平衡仪与频闪灯连接，当转台开始转动时，相位动平衡仪得到转台的转动速度信号并以此驱动频闪灯闪亮，若可以观察到清晰稳定的单定像，且定像标志方向（代表相位角）符合说明书技术要求。这种方式可以检查整套直升机相位动平衡设备的工作状态，但不适用对频闪灯进行校准。

图2 Model 11转台测试直升机相位动平衡设备连接示意图Fig.2 Connection diagram for testing helicopter phase dynamic balance equipment using turntable Model 11

图3 中的HBD 型直升机动平衡仿真试验器是国内自主研发制造的相位动平衡设备校准装置。仿真实验器由大小两个转盘组成，大小转盘通过皮带连接，转台驱动电机的转速可以在60～800 r/min调节，小转盘的转速是大转盘的5倍。对频闪灯可以在60～4 000 r/min进行校准，其中，800 r/min 以下用大转盘直接校准，800～4 000 r/min 用小转盘校准，转速数据显示的是大转盘的实时数据。

图3 HBD型直升机动平衡仿真试验器Fig.3 HBD Helicopter dynamic balance simulation tester

图4是使用直升机动平衡仿真试验器校准频闪灯时的接线方式，由信号发生器为被校频闪灯提供驱动信号，调节直升机动平衡仿真试验器转盘的转动速度，直至通过被校频闪灯可以观察到反光贴清晰稳定的单定像，此时直升机动平衡仿真试验器显示的转速值即为频闪灯的实际转速。

图4 动平衡仿真试验器校准连接示意图Fig.4 Connection diagram of calibration using dynamic balance simulator

使用直升机动平衡仿真试验器校准频闪灯可以基本满足频闪灯使用单位的技术要求，存在的问题主要集中在两个方面：一是校准点无法覆盖被校设备的工作范围。频闪灯的实际工作范围可以达到120～12 000 r/min（即2～200 Hz），直升机动平衡仿真试验器受电机转速及人眼观察能力的限制只能实现300～4 000 r/min范围内的转速校准。二是校准结果的不确定度较大。从校准过程来看，直升机动平衡仿真试验器校准频闪灯的不确定度来源主要有：直升机动平衡仿真试验器不准引入的不确定度；测量重复性引入的不确定度；测量分辨力引入的不确定度以及人眼视觉影响引入的不确定度等。其中，测量分辨力引入的不确定度因大小转盘分辨力不同，需要分别考虑，经过计算验证，直升机动平衡仿真试验器校准频闪灯的相对不确定度一般都在10-3以上。

近年来，随着传感器技术的不断发展，将校准精度较低的特殊参数转化为校准精度较高的电学通用参数进行校准成为计量研究的一个热门方向。应用光电转换技术，实现脉冲频率法校准频闪灯，可以大幅度提升频闪灯的校准精度，切实提高重要设备的校准保障能力。

2 校准方法

2.1 脉冲频率法原理[9-11]

频闪灯的工作原理是通过频闪效应，利用人眼的视觉暂留，对转速直接测量。由此可知，频闪灯测量转速的准确度与闪烁频率的准确度直接相关。因此若校准时可以直接测量频闪灯的闪烁频率的准确度，将会大幅度提升测量精度，同时还可以有效减少频闪效应读数时引入的不确定度。

用脉冲频率法校准频闪灯，须引入光电转换元件——光电传感器。按照图5接线，通过信号发生器驱动，产生与驱动频率一致的频闪光，将其作为光源对准光电传感器，利用光电转换元件，将接收到的频闪光转换成电脉冲信号，输入到通用计数器进行脉冲频率的测量。校准过程无需利用频闪效应测量转速，直接读取通用计数器的测量值并计算频闪灯的示值误差。

图5 脉冲频率法校准频闪灯连接示意图Fig.5 Connection diagram for calibrating strobe using pulse frequency method

用脉冲频率法校准频闪灯的不确定度来源主要有：通用计数器频率测量不准引入的不确定度；通用计数器显示分辨力引入的不确定度以及测量重复性引入的不确定度。

2.2 校准实施

实施频闪灯的校准，首先应了解驱动其闪烁的信号特征。实际使用中，频闪灯与相位平衡仪配套使用，其驱动输入信号频率是相位平衡仪通过转速传感器得到的旋翼转速信号在跟踪状态下从频闪灯的驱动端口输出设置的桨叶数量的乘积。图6是当相位平衡仪的转速信号为360 r/min（6 Hz），桨叶数量为1 片时频闪灯的驱动信号。可以看到，频闪灯驱动信号是占空比为50%的方波，幅度在1Vp-p值以上，上升时间3～4 ms。

图6 频闪灯的驱动信号Fig.6 Drive signal of strobe

以135M-12 型频闪灯为例对脉冲频率法的校准进行说明。其说明书中给出的测量允许误差为±2%，量程范围为120～12 000 r/min，由函数发生器提供驱动频率，驱动信号为方波，峰峰值幅度为1 V。光电传感器由直流稳压电源提供驱动，供电电压为5 V，信号输出端与示波器或通用计数器连接。当频闪灯闪烁并对准光电传感器时，由光电传感器转换频闪灯闪烁频率得到脉冲信号，与光电传感器连接的示波器显示连续的脉冲波形。图7 为频闪灯驱动频率为40 Hz 时，示波器显示的脉冲信号波形。

图7 频闪灯40 Hz闪烁频率时脉冲波形Fig.7 Pulse waveform of strobe at 40 Hz flicker frequency

图7 及图8 中，光电传感器得到的频闪灯闪烁频率波形非常好，有很好的上升沿（4 μs以下）和基线长度，脉冲幅值峰峰值可达500 mV 左右，完全能够满足通用计数器测量的触发灵敏度要求，可以保证通用计数器应该稳定的测量频率值。此外，因测量脉冲来自普通光源，光线较为分散，为保证频闪灯闪烁频率的测量，可将频闪灯尽量对正并靠近光电传感器，也可以尝试降低环境亮度，同时设置通用计数器100 kHz低通滤波开启。

图8 频闪灯闪烁脉冲波形细节图Fig.8 Details of strobe flicker pulse waveform

图8 中的频率波形是在一个高电平上叠加的，经测量，该电平值约为0.5 V。因此在通用计数器上测量频闪灯闪烁频率时，需要将触发电平提升至0.5 V才能获得正确的频率测量数据。

当频闪灯的驱动频率增大时，如图9，当频闪灯的驱动频率分别为100、200 Hz 时，示波器显示的频闪灯闪烁脉冲信号的波形状态。由图9 可知，虽然频闪灯驱动频率在增大，但脉冲信号的上升时间依然保持在4 μs 以下，保持了一个陡峭的上升沿，同时幅值也保持在450 mV 以上，通用计数器可以很好的测量得到信号的频率值。

图9 不同频率的频闪脉冲信号Fig.9 Stroboscopic pulse signals of different frequencies

当驱动频率小于2 Hz 时，由于频闪灯的闪烁频率过低，环境对脉冲信号的干扰明显增加，使通用计数器的测量显示误差显著增大，且易产生数据跳变；驱动频率大于200 Hz 时，频闪灯的闪烁亮度急剧下降，脉冲信号的幅值也相应大幅度降低，这显著影响通用计数器的测量显示，经过试验并结合使用实际情况，确定该方法可以保证结果准确性的频率（转速）校准范围为2～200 Hz（120～12 000 r/min）。

此外，对频闪灯的校准除闪烁速度的校准外还包括驱动灵敏度的校准、灯聚焦状态的校准及调整，其中灯聚焦状态的校准及调整是针对频闪灯的光学特性的有效校准项目（不在本文讨论）。

3 不同方法测量数据的对比

为验证脉冲频率法校准频闪灯的准确性和可靠性，采用直升机动平衡仿真试验器和通用计数器分别作为标准设备，对同一频闪灯进行校准，对比两种方法的测量结果。测量用到的被校设备和计量标准器具信息见表1。

表1 被校设备及计量标准器具信息[4,7,12]Tab.1 Information on calibrated equipment and measuring standards[4,7,12]

根据实际情况，在120～12 000 r/min（即2～200 Hz）内选取9 个频率点，用同一个函数发生器为被校频闪灯提供驱动信号。分别用直升机动平衡仿真试验器和通用计数器进行校准。校准的示值误差结果见表2。

表2 不同方法校准频闪灯的测量误差Tab.2 Measurement errors of strobe calibration by different methods

从表2的数据可以看出，脉冲频率法校准频闪灯相比于动平衡仿真实验器校准，其可测量的转速范围可以提升至120～12 000 r/min（即2～200 Hz），能够完全覆盖135M-12 频闪灯的频闪工作范围。事实上，脉冲频率法校准频闪灯的校准范围取决于通用计数器的测量范围，这就为今后校准更大工作范围的频闪类设备提供有效的技术支撑。

此外，脉冲频率法校准的示值误差可以达到10-6量级，远高于动平衡仿真试验器的校准结果。这是因为通用计数器进行频率测量时的分辨力很高，测量200 Hz频率时，也可以分辨到1 μHz，而动平衡仿真试验器的转速显示分辨力只有1 r/min，甚至在小转盘读数时转速的分辨力是5 r/min。

综上所述，脉冲频率法校准频闪灯不仅可以覆盖频闪灯工作范围，而且可以大幅度提高校准精度，另外因通用计数器可以溯源至时间频率的计量基准，所以脉冲频率法校准频闪灯可以保证频闪灯量值溯源的准确可靠。

4 不确定度评定示例[13-14]

对脉冲频率法校准频闪灯的测量结果不确定度进行评定时，数学模型见公式（1）。

式中：Δf为被校频闪灯的示值误差；为频率实测平均值；f0为频闪灯标称值。

用脉冲频率法校准频闪灯的不确定度来源主要有：通用计数器频率测量不准引入的不确定度；通用计数器显示分辨力引入的不确定度以及测量重复性引入的不确定度。

当选取频闪仪6、60、200 Hz 三个闪烁频率点进行测量时，对其测量结果分别进行不确定度计算。

4.1 测量重复性引入的不确定度

对频闪灯的三个闪烁频率点分别测量10 次，得到的测量值见表3。

表3 频闪灯不同频率下重复性测量值Tab.3 Repeatability of strobe at different frequencies

表3 中的测量数据，按公式（2）计算得到重复性引入的不确定度分量u1。

4.2 通用计数器频率测量不准引入的不确定度

从通用计数器的说明书可知，通用计数器SP3386 晶振准确度A = 1 × 10-7，通用计数器各频率点最大允许误差引入的不确定度u2按B 类方法评定，均匀分布取包含因子k=，按公式（3）计算。

4.3 通用计数器显示分辨力引入的不确定度

使用的通用计数器在各频率下的测量分辨力fδ分别为10 nHz、100 nHz、1 μHz，通用计数器显示分辨力引入的不确定度分量u3按公式（4）计算。

4.4 合成标准不确定度及扩展不确定度

经过计算，在选取的3个频率点上，被校频闪灯测量不确定度分量见表4。

表4 被校频闪灯测量不确定度分量Tab.4 Uncertainty components of calibrated strobe Hz

由于不确定度的各分量独立不相关，则合成标准不确定度可用方和根法计算。根据JJF1033-2023《计量标准考核规范》［15］，当检定或校准结果的重复性引入的不确定度分量大于被检定或校准仪器的分辨力所引入的不确定度分量时，此时重复性中已经包含分辨力对检定或校准结果的影响，故不应当再考虑分辨力所引入的不确定度分量。所以频闪灯校准结果的合成标准不确定度是由测量重复性引入的不确定度u1和通用计数器频率测量不准引入的不确定度u2构成的。得到合成标准不确定度后，取包含因子k= 2，可以得到相对扩展不确定度。计算结果见表5。

表5 测量不确定度的合成及扩展Tab.5 Combination and expansion of measurement uncertainty

5 结论

从本文上述的数据对比和验证中可以看出，采用脉冲频率法校准频闪灯比采用仿真试验器进行校准可校准的频率（转速）范围更大，完全可以覆盖被校频闪灯的能力范围，而测量结果的准确度大幅度提高，示值误差达到10-6量级，比原来小了3个数量级，不确定度也减小了，同时脉冲频率法用通用计数器作为测量标准，将频闪灯的溯源直接与时间频率基准连通，使频闪灯的量值传递和量值溯源更可靠和有效，同时具有一定推广价值。

此外，通过本文的研究也表明，利用传感器件可将校准精度低且不易提升的特性参数转化成校准精度高的通用参数，其研究方向是一种可以有效提升计量能力的思路，值得计量同仁根据实际需要开展相关研究工作。