基于二極管陣列數(shù)字化的微小型超低功耗沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于二極管陣列數(shù)字化的微小型超低功耗沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，屬于飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]飛行器在服役的過程中不可避免的要承受各種能量的沖擊，例如飛機(jī)起飛時(shí)的碎石碰撞、飛行過程中飛鳥撞擊、停飛維護(hù)時(shí)工具的掉落砸傷等，又例如航天器在進(jìn)入外層空間后受到的軌道碎片等太空垃圾的撞擊。近年來，隨著航空工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)已經(jīng)逐漸成為飛行器的重要承力結(jié)構(gòu)，然后復(fù)合材料結(jié)構(gòu)遭受沖擊后容易在其內(nèi)部產(chǎn)生表面不可見的損傷，這些損傷會(huì)隨著結(jié)構(gòu)的服役而逐漸擴(kuò)展，給飛機(jī)的正常運(yùn)行帶來安全隱患。所以，對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)實(shí)施沖擊監(jiān)測(cè)對(duì)提高飛行器結(jié)構(gòu)的安全性和維護(hù)效率非常重要。
[0003]飛行器結(jié)構(gòu)的沖擊是一種隨機(jī)的瞬態(tài)事件，必須在沖擊發(fā)生的時(shí)刻對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)。所以沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)必須作為一種機(jī)載設(shè)備，被安裝在飛行器上，實(shí)施在線實(shí)時(shí)不間斷的沖擊監(jiān)測(cè)。然而，目前常規(guī)的沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為了獲取沖擊響應(yīng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確的沖擊定位與評(píng)估，包含由信號(hào)放大器、濾波器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成的模擬電路以及支持復(fù)雜監(jiān)測(cè)算法的微處理器及外圍器件組成的數(shù)字電路，再加之在大尺度結(jié)構(gòu)大面積監(jiān)測(cè)時(shí)，由于所需通道數(shù)多，導(dǎo)致系統(tǒng)整體的體積大、重量大和功耗大，并且可靠性難保證，所以很難達(dá)到機(jī)載低功耗、小體積和高可靠性的要求。
[0004]針對(duì)上述這些問題，一種小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)被提出，該系統(tǒng)使用高速電壓比較器陣列替代常規(guī)沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，并采用可編程邏輯門陣列替代微處理器及外圍器件組成的數(shù)字電路。高速電壓比較器能夠直接將模擬量形式的沖擊響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為沖擊數(shù)字序列?？删幊踢壿嬮T陣列采集數(shù)字序列并通過基于數(shù)字序列的沖擊區(qū)域定位算法實(shí)現(xiàn)沖擊事件的記錄和沖擊區(qū)域定位。該系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕、能夠?qū)崿F(xiàn)在線實(shí)時(shí)沖擊監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，為沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的機(jī)載化提供了一個(gè)可行且有效的實(shí)現(xiàn)方案。
[0005]但上述小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)沖擊響應(yīng)信號(hào)數(shù)字化時(shí)采用的高速電壓比較器陣列是有源陣列，陣列中的每一個(gè)比較器都是用一個(gè)比較器芯片來實(shí)現(xiàn)的，而比較器芯片往往體積大、功耗高，在一定程度上增加了整個(gè)沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體積和功耗，不利于實(shí)現(xiàn)微小型和超低功耗。
[0006]此外，真實(shí)飛行器在飛行過程中會(huì)受到的氣動(dòng)噪聲與發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲等干擾，而這種低頻和高頻振動(dòng)將會(huì)干擾壓電元件對(duì)沖擊響應(yīng)信號(hào)的采集，導(dǎo)致獲取的數(shù)字序列無法正確地表征沖擊的信息，從而降低對(duì)真實(shí)沖擊判斷的準(zhǔn)確性。所以需要在沖擊響應(yīng)信號(hào)數(shù)字化之前要先經(jīng)過信號(hào)調(diào)理將低頻噪聲和高頻噪聲信號(hào)濾除，從根本上消除低頻噪聲和高頻噪聲對(duì)沖擊響應(yīng)信號(hào)的干擾。上述小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)沒有考慮這方面的干擾問題。
[0007]另外，沖擊的發(fā)生是一個(gè)隨機(jī)事件，不僅僅是在飛行的過程中需要對(duì)沖擊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即使在飛機(jī)落地?cái)嚯娡ｏw或是維護(hù)時(shí)，也會(huì)有沖擊事件的發(fā)生，因此，沖擊監(jiān)測(cè)是一個(gè)在線實(shí)時(shí)不間斷的過程。此時(shí)，要求沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自供電，從而最大可能的監(jiān)測(cè)出結(jié)構(gòu)遭受到的所有沖擊，為及時(shí)的維護(hù)提供保障。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明為克服上述小型化數(shù)字式的大規(guī)模傳感器陣列沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的問題，提出了一種基于二極管陣列數(shù)字化的微小型超低功耗沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)適于機(jī)載使用，具有支持傳感器數(shù)目多、微小體積、超輕質(zhì)量、超低功耗、可自供電、可用于組網(wǎng)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)的在線實(shí)時(shí)不間斷的沖擊監(jiān)測(cè)，從而提高飛行器結(jié)構(gòu)的安全性和維護(hù)效率。
[0009]本發(fā)明為解決其技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
一種基于二極管陣列數(shù)字化的微小型超低功耗沖擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括微小型傳感器陣列接口、無源帶通濾波陣列、二極管陣列、數(shù)字轉(zhuǎn)換及管理模塊、機(jī)載總線通訊模塊、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、自供電模塊和微小型通訊接口，其中微小型傳感器陣列接口、無源帶通濾波陣列、二極管陣列和數(shù)字轉(zhuǎn)換及管理模塊順序連接，數(shù)字轉(zhuǎn)換及管理模塊和機(jī)載總線通訊模塊雙向連接，數(shù)字轉(zhuǎn)換及管理模塊和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊雙向連接，機(jī)載總線通訊模塊和微小型通訊接口雙向連接，機(jī)載總線通訊模塊、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)字轉(zhuǎn)換及管理模塊分別與自供電模塊連接，自供電模塊和微小型通訊接口連接。
[0010]所述二極管陣列由#二極管單元組成，其中/7為大于等于1的自然數(shù)，每個(gè)二極管單元由無源瞬態(tài)抑制二極管或無源穩(wěn)壓二極管電路實(shí)現(xiàn)。
[0011]所述無源帶通濾波陣列由#帶通濾波單元組成，每個(gè)帶通濾波單元是由一個(gè)m階高通電路和一個(gè)4介低通電路組成，其中，和巧卩為大于等于1的自然數(shù)。
[0012]所述4介高通電路是由也個(gè)電容和?個(gè)電阻串聯(lián)組成的無源濾波器，也個(gè)電阻的一端統(tǒng)一接地，所述4介低通電路是由也個(gè)電阻和也個(gè)電電容串聯(lián)組成的無源濾波器，?t電容的一端統(tǒng)一接地，其中，巧卩為大于等于1的自然數(shù)。
[0013]所述自供電模塊由電源保護(hù)單元、一級(jí)調(diào)理單元、充電管理單元、航空可充電電池、電源切換單元、二級(jí)調(diào)理單元和3個(gè)線性轉(zhuǎn)換單元組成，其中電源保護(hù)單元、一級(jí)調(diào)理單元、充電管理單元、航空可充電電池、電源切換單元和二級(jí)調(diào)理單元順序連接，一級(jí)調(diào)理單元和電源切換單元順序連接，第一線性轉(zhuǎn)換單元、第二線性轉(zhuǎn)換單元和第三線性轉(zhuǎn)換單元分別與二級(jí)調(diào)理單元連接。
[0014]本發(fā)明有益效果如下:
(1)本發(fā)明的系統(tǒng)具有支持傳感器數(shù)目多、微小體積、超輕質(zhì)量、超低功耗、可自供電、可組網(wǎng)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)。
[0015](2)本發(fā)明的系統(tǒng)適于機(jī)載使用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大尺度飛行器結(jié)構(gòu)的在線實(shí)時(shí)不間斷的沖擊監(jiān)測(cè)，從而提高飛行器結(jié)構(gòu)的安全性和維護(hù)效率。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的硬件架構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明無源帶通濾波陣列示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明二極管陣列示意圖。
[0019]圖4是本發(fā)明系統(tǒng)自供電模塊示意圖。
[0020]圖5是本發(fā)明系統(tǒng)硬件集成結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022]本發(fā)明的系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由微小型傳感器陣列接口、無源帶通濾波陣列、二極管陣列、數(shù)字轉(zhuǎn)換及管理模塊、機(jī)載總線通訊模塊、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、自供電模塊和微小型通訊接口組成。微小型傳感器陣列接口、無源帶通濾波陣列、二極管陣列和數(shù)字轉(zhuǎn)換及管理模塊順序連接