飛機結構疲勞部件的監測系統的製作方法
2023-08-07 14:22:56 1
飛機結構疲勞部件的監測系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種飛機結構疲勞部件的監測系統。該系統包括：貼裝在疲勞部件表面的智能塗層傳感器和應變計，智能塗層傳感器的個數和應變計的個數根據疲勞部件的監測需求設定；各個智能塗層傳感器和各個應變計依次串聯；與智能塗層傳感器和應變計均相連的測量裝置；測量裝置為智能塗層傳感器和應變計提供電源和恆定電流，以及用於在系統上電後採集智能塗層傳感器和應變計各自的電壓值，根據採集的電壓值識別智能塗層傳感器和應變計，根據識別結果記錄各個智能塗層傳感器和應變計的電壓值，並根據記錄的電壓值生成疲勞部件的監測結果。本發明能夠實現在空間和重量限制下，同時進行應變歷程記錄和裂紋損傷的監控。
【專利說明】飛機結構疲勞部件的監測系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及裂紋監測領域，具體而言，涉及飛機結構疲勞部件的監測系統。
【背景技術】
[0002]由於使用環境、使用年限等問題，飛機的各個結構部件在服役期可能會出現裂紋損傷而影響飛行安全。這些損傷都必須在出現前被捕捉和修復，而重要部位的損傷在修理後還必須監控其發展狀況。一般地，相關技術在飛機結構關鍵部位安裝應變計，使用常規的應變記錄裝置記錄飛機結構關鍵部位在使用過程中的應變歷程，在疲勞損傷理論的基礎上，可以根據記錄的應變歷程來判斷飛機結構關鍵部位的使用狀況。對於特別重要的結構關鍵部位，除了記錄使用過程中的應變歷程，還需要使用智能塗層傳感器和相對應的記錄裝置對裂紋損傷進行直接監控，在裂紋損傷的發展初期能夠及時報警。
[0003]由於使用不同的傳感器(例如:應變計和智能塗層傳感器)，在對目前飛機結構疲勞關鍵部位進行應變歷程記錄和損傷監控時，需要使用兩種不同的設備和兩套測量電纜。在某些特別的重要部位，由於空間和重量的限制，不允許安裝兩套設備，因此難以同時進行應變歷程記錄和裂紋損傷的監控。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種飛機結構疲勞部件的監測系統，以解決上述的問題。
[0005]在本發明的實施例中提供了一種飛機結構疲勞部件的監測系統，包括:貼裝在疲勞部件表面的智能塗層傳感器和應變計，智能塗層傳感器的個數和應變計的個數根據疲勞部件的監測需求設定；各個智能塗層傳感器和各個應變計依次串聯；與智能塗層傳感器和應變計均相連的測量裝置；測量裝置為智能塗層傳感器和應變計提供電源和恆定電流，以及用於在系統上電後採集智能塗層傳感器和應變計各自的電壓值，根據採集的電壓值識別智能塗層傳感器和應變計，根據識別結果記錄各個智能塗層傳感器和應變計的電壓值，並根據記錄的電壓值生成疲勞部件的監測結果。
[0006]本發明實施例的上述系統將智能塗層傳感器和應變計串聯形成電流迴路，並通過測量裝置採集各個智能塗層傳感器和應變計的電壓值，可以同時對疲勞部件的應變與裂紋損傷信號進行監測，該方式不需要為智能塗層傳感器和應變計各自配置單獨的測量裝置，因此能夠實現在空間和重量限制下，同時進行應變歷程記錄和裂紋損傷的監控，增強了疲勞部件監測的可靠性，進而提升了飛機的安全性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0007]圖1示出了本發明實施例提供的飛機結構疲勞部件的監測系統的結構框圖；
[0008]圖2示出了本發明實施例提供的飛機結構疲勞部件的監測系統的電路示意圖；
[0009]圖3示出了本發明實施例提供的自適應測量電路的示意圖；
[0010]圖4示出了本發明實施例提供的壓差放大模塊的具體電路示意圖；[0011]圖5示出了本發明實施例提供的飛機結構疲勞部件的監測系統中傳感器的連接示意圖。
【具體實施方式】
[0012]下面通過具體的實施例子並結合附圖對本發明做進一步的詳細描述。
[0013]本發明實施例提供了飛機結構疲勞部件的監測系統，用以實現對結構的應變與裂紋損傷信號同時進行自適應測量，尤其是對軍用飛機結構疲勞關鍵部位同時進行應變歷程記錄和裂紋損傷監控的測量記錄。下面通過實施例進行描述。
[0014]參見圖1所示的飛機結構疲勞部件的監測系統的結構框圖，其中包括:
[0015]貼裝在疲勞部件表面的智能塗層傳感器和應變計，其中，智能塗層傳感器的個數和應變計的個數根據疲勞部件的監測需求設定；各個智能塗層傳感器和各個應變計依次串聯，圖1中以兩個智能塗層傳感器(即智能塗層傳感器12a和智能塗層傳感器12b)和兩個應變計(即應變計14a和應變計14b)為例進行說明，兩個智能塗層傳感器和兩個應變計只要串聯即可，相互間的順序沒有限制；
[0016]與智能塗層傳感器和應變計均相連的測量裝置20 ;測量裝置20為智能塗層傳感器和應變計提供電源和恆定電流，以及用於在系統上電後採集智能塗層傳感器和應變計各自的電壓值，根據採集的電壓值識別智能塗層傳感器和應變計，根據識別結果記錄各個智能塗層傳感器和應變計的電壓值，並根據記錄的電壓值生成疲勞部件的監測結果。
[0017]本實施例的系統將智能塗層傳感器和應變計串聯形成電流迴路，並通過測量裝置採集各個智能塗層傳感器和應變計的電壓值，可以同時對疲勞部件的應變與裂紋損傷信號進行監測，該方式不需要為智能塗層傳感器和應變計各自配置單獨的測量裝置，因此能夠實現在空間和重量限制下，同時進行應變歷程記錄和裂紋損傷的監控，增強了疲勞部件監測的可靠性，進而提升了飛機的安全性。
[0018]在具體實現時，上述測量裝置20可以包括以下模塊:
[0019](1)與智能塗層傳感器和應變計形成電流迴路的恆流源模塊和電源提供模塊；
[0020](2)與每個智能塗層傳感器和應變計兩端的測量引線相連的壓差放大模塊，用於根據設置的放大倍數對測量引線間的壓差進行放大；
[0021 ] (3)每個壓差放大模塊連接有一個數據採集模塊，用於根據設置的採集頻率採集壓差放大模塊輸出的數據；其中，該壓差放大模塊的初始放大倍數為1 ;
[0022](4)數據記錄模塊，用於記錄數據採集模塊採集的數據；
[0023](5)器件識別模塊，用於在系統上電後，根據數據記錄模塊記錄的智能塗層傳感器和應變計各自的電壓值，識別各個智能塗層傳感器和應變計；
[0024](6)壓差放大控制模塊，用於根據器件識別模塊的識別結果設置壓差放大模塊的放大倍數和數據採集模塊的採集頻率。
[0025]其中，上述壓差放大模塊可以為兩級儀表運算放大器，其內阻大於電阻閾值，即儘量採用內阻較大的儀表運算放大器，以忽略測量引線的電阻。
[0026]另外，為了測量智能塗層傳感器和應變計形成的電流迴路的電流是否恆定，上述智能塗層傳感器和應變計還串聯有一個參考電阻，該參考電阻的兩端與測量裝置相連，以使測量裝置通過採集參考電阻兩端的電壓來自動消除恆流源模塊的電流微小波動對測量精度的影響。
[0027]基於上述實現方式，如圖2所示的飛機結構疲勞部件的監測系統的電路示意圖，其中，本發明實施例利用應變計和智能塗層傳感器從本質上均是電阻的特性，圖2中以電阻表示應變計和智能塗層傳感器。圖2中將應變計和智能塗層傳感器串聯起來，和測量裝置形成電流迴路，每個傳感器的兩端有測量引線和測量裝置(即圖中的壓差放大模塊和數據採集模塊)相連。圖2中虛線部分為壓差放大模塊，實線方框為數據採集模塊。Rg代表應變計電阻的初始阻值，Λ Rg代表應變計電阻的阻值變化值。民代表智能塗層傳感器的初始阻值，代表智能塗層傳感器的阻值變化值。將若干兩種傳感器(即應變計和智能塗層傳感器)通過一條電流迴路串聯在一起，迴路上由恆流源保持電流恆定，通過測量各傳感器上的壓降來獲取傳感器電阻值及其變化量。壓差放大模塊選用輸入電阻較高的儀表運算放大器構成，在高輸入阻抗下，可認為測量導線上通過的電流可忽略，即測量導線阻值的變化對測量結果無影響，而由於恆流源的作用，連接各傳感器的導線電阻也對測量無影響。為實時採集電流源上的電流，在電流迴路中串入一個參考電阻RMf。同時可以看出，將各傳感器通過一條電流迴路串聯在一起後，每個傳感器由兩根測量導線引入測試系統，與採用三線法的惠斯特電橋相比，每個傳感器少用一根導線。
[0028]設定參考電阻阻值正好與應變計阻值相同，(智能塗層傳感器型號較多，且沒有統一電阻值，故不適用此方法)，由此得到:
[0029]Vg-Vref=I ARg ( 1)
[0030]式(1)中，\為應變計上壓降，而VMf為參考電阻上壓降。I為測量迴路上電流值，為:
[0031]I=Vref/Rref (2)
[0032]式(2)中，Rref為已 知，1#可測得。於是，式(1)可化為:
^ 務 ΚΙ:,—。
[0033]Rg(4)
AR V-VrefΚε = ~[ = j——i
Rg Kef
[0034]式(4)中，K為電阻應變計靈敏係數，ε為應變。
[0035]同樣的，可以得到智能塗層傳感器的測量值:
[0036]輯+尺=%^(5；
Kef
[0037]式(5)中，民是智能塗層傳感器的初始阻值，是智能塗層傳感器的阻值變化值。由式(4)和(5)可知，電流串聯測量電路可以將兩種傳感器串聯在同一電流迴路裡進行測量。
[0038]通常用於結構應變歷程監控的應變計的阻值為350 Ω，而智能塗層傳感器的阻值一般為0.3 Ω左右，當恆流源產生的恆定電流通過測量串聯迴路流經串聯迴路中的應變計和智能塗層傳感器傳感器，在應變計和智能塗層傳感器兩端產生的電壓是數量級的差別，根據這特點，本實施例還提供了一種應變計與智能塗層傳感器的自適應測量電路，如圖3所示的自適應測量電路的示意圖，其中，該電路由電源模塊(相當於上述電源提供模塊)、恆流源模塊和壓差放大模塊組成，恆流源主要為傳感器(相當於上述應變計和智能塗層傳感器)和參考電阻提供穩定的恆定電流，電源模塊為電路各部分提供所需恆壓源，壓差放大模塊採用兩級儀表運放實現對傳感器信號的提取，自適應測量電路根據傳感器兩端的壓降大小自動判斷傳感器類型，再根據各個傳感器的類型調整壓差放大模塊的信號放大倍數。
[0039]其中，上述壓差放大模塊的具體電路示意圖如圖4所示，其為二級儀表運放電路，各個電阻的物理意義與圖2中的相同，圖4中的PORT為接口板，用以連接各個引線。
[0040]本實施例的測量裝置20可以以ARM嵌入式平臺為核心構建，採用上述圖3所示的應變計和智能塗層傳感器的自適應測量電路。LAN (Local Area Network,區域網)接口實現設備與地面維護計算機之間的數據傳輸。飛機在空中飛行時，測量裝置可以與飛機上的28伏直流電(VDC)源連接，採用飛機上的28伏直流電(VDC)進行供電；飛機在地面時，測量裝置可以與地面上的28伏直流電源連接，採用地面的28伏直流電進行供電。
[0041]為了及時進行報警，上述測量裝置20還包括:器件阻值變化計算模塊，用於根據記錄的電壓值計算對應的智能塗層傳感器或應變計的阻值變化值；報警模塊，用於當器件阻值變化計算模塊計算出的智能塗層傳感器或應變計的阻值變化值大於對應的閾值時，進行報警。
[0042]參見圖5所示的飛機結構疲勞部件的監測系統中傳感器的連接示意圖。該圖以某型飛機某一疲勞部位的結構健康監控需要安裝4個智能塗層傳感器和2個應變計為例進行說明。其中，粗實線表示電流迴路，細實線表示測量引線，小的矩形方框表示應變計，橢圓表示智能塗層傳感器，虛線區域為損傷區域。將這6個傳感器按照工藝要求貼裝在結構表面後，用串聯的方式和測量裝置相連。6個傳感器串聯的順序不影響測量結果，測量裝置在開機後將自動區分應變計和智能塗層傳感器。對於應變計，測量裝置將按照320Hz的頻率採集並記錄數據；對於智能塗層傳感器，測量裝置將按照1Hz的頻率採集並記錄數據。如果智能塗層傳感器探測到裂紋損傷，測量裝置將進行報警。
[0043]以上實施例提供的系統，可以使用一種裝置(即測量裝置)和一套測量電纜對飛機結構疲勞關鍵部位的應變信號和裂紋損傷信號同時進行監測。在傳感器比較集中的結構監控區域，可以減少測量引線的數量，而相關應變監測系統或智能塗層監測系統中，每增加一個傳感器需要三根引線，上述實施例的系統每增加一個傳感器只需要增加一到兩根引線。
[0044]上述系統除了外場飛機結構疲勞關鍵部位的應變歷程記錄和裂紋損傷監控之外，還適用於試驗室環境中飛機結構的應變歷程記錄和裂紋損傷監控。
[0045]顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本發明的各模塊或各步驟可以用通用的計算裝置來實現，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執行的程序代碼來實現，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執行，或者將它們分別製作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟製作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本發明不限制於任何特定的硬體和軟體結合。
[0046]以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種飛機結構疲勞部件的監測系統，其特徵在於，包括:貼裝在疲勞部件表面的智能塗層傳感器和應變計，所述智能塗層傳感器的個數和所述應變計的個數根據所述疲勞部件的監測需求設定；各個所述智能塗層傳感器和各個所述應變計依次串聯；與所述智能塗層傳感器和所述應變計均相連的測量裝置；所述測量裝置為所述智能塗層傳感器和所述應變計提供電源和恆定電流，以及用於在所述系統上電後採集所述智能塗層傳感器和所述應變計各自的電壓值，根據採集的所述電壓值識別所述智能塗層傳感器和所述應變計，根據識別結果記錄各個所述智能塗層傳感器和所述應變計的電壓值，並根據記錄的所述電壓值生成所述疲勞部件的監測結果。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述測量裝置包括:與所述智能塗層傳感器和所述應變計形成電流迴路的恆流源模塊和電源提供模塊；與每個所述智能塗層傳感器和所述應變計兩端的測量引線相連的壓差放大模塊，用於根據設置的放大倍數對所述測量引線間的壓差進行放大；每個所述壓差放大模塊連接有一個數據採集模塊，用於根據設置的採集頻率採集所述壓差放大模塊輸出的數據；其中，所述壓差放大模塊的初始放大倍數為1 ;數據記錄模塊，用於記錄所述數據採集模塊採集的數據；器件識別模塊，用於在所述系統上電後，根據所述數據記錄模塊記錄的所述智能塗層傳感器和所述應變計各自的電壓值，識別各個所述智能塗層傳感器和所述應變計；壓差放大控制模塊，用於根據所述器件識別模塊的識別結果設置所述壓差放大模塊的放大倍數和所述數據採集模塊的採集頻率。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述壓差放大模塊為兩級儀表運算放大器，其內阻大於電阻閾值。
4.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述智能塗層傳感器和所述應變計還串聯有一個參考電阻，所述參考電阻的兩端與所述測量裝置相連，所述測量裝置通過採集所述參考電阻兩端的電壓自動消除所述恆流源模塊的電流波動對測量精度的影響。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述測量裝置還包括:器件阻值變化計算模塊，用於根據記錄的所述電壓值計算對應的所述智能塗層傳感器或所述應變計的阻值變化值；報警模塊，用於當所述器件阻值變化計算模塊計算出的所述智能塗層傳感器或所述應變計的阻值變化值大於對應的閾值時，進行報警。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，飛機在空中飛行時，所述測量裝置與所述飛機上的28伏直流電源相連；飛機在地面時，所述測量裝置與地面的28伏直流電源相連。
【文檔編號】G01N33/00GK103640713SQ201310693825
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】張移山, 王智, 蔡佳昆, 王磊, 薛軍 申請人:中國人民解放軍空軍裝備研究院航空裝備研究所