專利名稱：嵌入式飛機主被動結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于主被動Lamb波和壓電陣列傳感器技術的結構健康監(jiān)測系 統(tǒng)，尤其涉及一種適于飛機機載的抗振、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于攜帶和安裝、方 便飛機維護人員使用的嵌入式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
飛機的安全性是至關重要的問題。 一架飛機的失事帶來的不僅是經(jīng)濟的損傷，還 會引起廣泛的政治、社會影響。近年來，很多飛機失事的原因都是由于飛機主要承力結構出 現(xiàn)疲勞造成機體解體。結構健康監(jiān)測技術能夠在線的實現(xiàn)結構健康自診斷，保證結構的安 全和降低維修費用。它是采用智能材料結構的新概念，利用集成在結構中的先進傳感/驅 動元件網(wǎng)絡，在線實時地獲取與結構健康狀況相關的信息(如應力、應變、溫度、振動模態(tài)、 波傳播特性等)，結合先進的信號信息處理方法和材料結構力學建模方法，提取結構損傷特 征參數(shù)，識別結構的狀態(tài)，包括損傷，并對結構的不安全因素，在其早期就加以控制以消除 安全隱患或控制安全隱患的進一步發(fā)展。 鋁合金是目前航空結構主要使用的材料，其主要的損傷模式是容易因為結構疲勞
而產(chǎn)生疲勞裂紋，進而擴展造成結構最終不能承受預定載荷而破壞；在當前的飛機結構發(fā)
展趨勢中，復合材料因其具有輕質、抗疲勞的特性而得到了越來越廣泛的應用，但是復合材
料結構受到?jīng)_擊容易產(chǎn)生脫膠、分層、纖維斷裂等能夠給飛機帶來毀滅性災難的損傷；所以
需要對飛機結構進行在線的健康監(jiān)測。在結構健康監(jiān)測技術中，基于主動和被動Lamb波以
及壓電陣列傳感器的監(jiān)測技術能夠有效的在線監(jiān)測金屬結構的裂紋產(chǎn)生和擴展過程、復合
材料結構的上述損傷，國內(nèi)外已有大量文獻報道了相關技術的研究進展。 目前，國內(nèi)外針對基于主被動Lamb波和壓電傳感器陣列的結構健康監(jiān)測技術的
研究和應用都是在地面離線進行，使用的儀器設備龐大、連線關系復雜，用戶使用不方便；
而適于機載的結構健康監(jiān)測系統(tǒng)必須具有抗振、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于攜帶和
安裝、方便飛機維護人員使用等特點；如果應用到大型飛機的結構健康監(jiān)測中，每個主要承
力結構都需要布置壓電陣列傳感器，因此需要使用多套結構健康監(jiān)測系統(tǒng)組成分布式監(jiān)測
網(wǎng)絡來完成大型飛機結構的健康監(jiān)測，這時各個結構健康監(jiān)測系統(tǒng)之間要能相互通訊，并
且能夠和其它機載設備(如飛行環(huán)境參數(shù)測試設備，機械操作設備等)進行交互，以此聯(lián)合
診斷飛機的健康狀態(tài)，這種要求是目前地面結構健康監(jiān)測設備無法達到的。 總的來說，只有將結構健康監(jiān)測技術應用到飛機上，在飛機飛行過程中對其實施
在線健康監(jiān)測才能正真起到結構健康監(jiān)測的作用。 本發(fā)明就是在上述背景下提出的一種基于主被動Lamb波和壓電陣列傳感器技術 的，適于飛機機載的嵌入式結構健康監(jiān)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
1、技術問題本發(fā)明要解決的技術問題是提供了一種嵌入式飛機主被動結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，它是一種適于機載的系統(tǒng)，可以在飛機執(zhí)行飛行任務時對其結構實施在線健康 監(jiān)測；可以在線的對壓電陣列傳感器中的壓電激勵-傳感網(wǎng)絡進行多通道輪詢掃查，完成 主動結構健康監(jiān)測任務，如復合材料結構的脫膠、分層損傷的定位等；可以在線的被動接收 壓電陣列傳感器信號，完成被動結構健康監(jiān)測任務，如結構沖擊事件的監(jiān)測、疲勞裂紋的產(chǎn) 生和擴展等。 2、技術方案為了解決上述的技術問題，本發(fā)明的嵌入式飛機主被動結構健康監(jiān) 測系統(tǒng)包括軟件模塊、系統(tǒng)電源模塊、控制器模塊、高速存儲器模塊、傳感信號采集模塊、信 號放大模塊、聲發(fā)射觸發(fā)模塊、通道切換模塊、數(shù)字管理模塊、激勵信號輸出模塊、功率放大 模塊、信號轉接模塊。 所述的信號轉接模塊與系統(tǒng)外界信號源連接，即實現(xiàn)外界信號源和系統(tǒng)內(nèi)部各模 塊之間的信號交互轉接作用，并對外界信號源之一的壓電陣列傳感器的輸出\輸入信號進 行轉接；更進一步地，信號轉接模塊包括外部接口轉接單元、壓電陣列傳感器轉接單元、狀 態(tài)控制指示轉接單元和系統(tǒng)電源轉接單元，其中，外部接口轉接單元與控制器模塊中的外 部接口控制單元連接；壓電陣列傳感器轉接單元將外界壓電陣列傳感器的傳感信號轉接至 通道切換模塊、將激勵信號通過通道切換模塊轉接至外界壓電陣列傳感器；狀態(tài)控制指示 轉接單元受外界工作狀態(tài)控制并與數(shù)字管理模塊連接，同時也接受數(shù)字管理模塊的控制； 系統(tǒng)電源轉接單元受外界電源狀態(tài)控制并與系統(tǒng)電源模塊連接。 在主動監(jiān)測工作狀態(tài)下，所述的激勵信號輸出模塊產(chǎn)生結構健康監(jiān)測所需的激勵 信號，該激勵信號依次經(jīng)過功率放大模塊、通道切換模塊、信號轉接模塊輸出至外界壓電陣 列傳感器，同時外界壓電陣列傳感器的傳感信號依次經(jīng)過信號轉接模、信號放大模塊傳輸 至傳感信號采集模塊；在被動監(jiān)測工作狀態(tài)下，外界壓電陣列傳感器的傳感信號依次經(jīng)過 信號轉接模、信號放大模塊分別傳輸至聲發(fā)射觸發(fā)模塊和傳感信號采集模塊，聲發(fā)射觸發(fā) 模塊產(chǎn)生觸發(fā)信號傳輸至傳感信號采集模塊；功率放大模塊、通道切換模塊、信號放大模塊 和聲發(fā)射觸發(fā)模塊受數(shù)字管理模塊的控制，數(shù)字管理模塊、傳感信號采集模塊和激勵信號 輸出模塊與系統(tǒng)內(nèi)部總線進行通訊并受控制器模塊的控制； 所述的控制器模塊包括外部接口控制單元、存儲器控制單元、內(nèi)部總線控制單元、
MCU和內(nèi)存單元，其中，外部接口控制單元與信號轉接模塊連接，存儲器控制單元與高速存
儲器模塊連接，內(nèi)部總線控制單元與系統(tǒng)內(nèi)部總線連接。 所述的系統(tǒng)電源模塊為控制器模塊和功率放大模塊提供電源。 為阻止外界電磁干擾，提高系統(tǒng)的抗沖擊、抗振動的能力，上述各模塊集成的置于
可防止電磁干擾的嵌入式計算機整體式鋁合金散熱外殼內(nèi)。 信號轉接模塊實際上起到外界信號和系統(tǒng)內(nèi)部各模塊交互的信號轉接作用，包括 系統(tǒng)電源開關和電源輸入、壓電陣列傳感器的信號轉接以及系統(tǒng)與外部鍵盤、鼠標、觸摸式 液晶屏、串并口、USB總線、以太網(wǎng)、CAN總線、1553B總線、下載存儲器的信號轉接；在不能使 用觸摸式液晶屏的場合下，提供系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制、指示和損傷報警。系統(tǒng)電源轉接單元 包含電源指示燈和電源通斷按鈕；狀態(tài)控制指示轉接單元包含主被動工作控制按鈕、狀態(tài) 指示燈。系統(tǒng)電源模塊的輸入接口直接與系統(tǒng)電源轉接單元在系統(tǒng)機箱內(nèi)部連接，電源開 關按鈕和電源輸入接口固定在機箱箱體壁上直接與系統(tǒng)電源轉接單元連接；工作控制按鈕 及狀態(tài)指示燈固定在機箱壁上直接與狀態(tài)控制指示轉接單元連接；通道切換模塊的接口直接與壓電陣列傳感器轉接單元在系統(tǒng)機箱內(nèi)部連接；粘貼在被監(jiān)測結構上的壓電陣列傳感 器的輸入/輸出接口在系統(tǒng)機箱外部直接連接到壓電陣列傳感器轉接單元上；控制器模塊 的外部接口控制單元直接連接到外部接口轉接單元與外界進行通訊；外部存儲器可以通過 外部接口轉接單元與控制器模塊的下載存儲器控制單元通訊，對存儲在高速存儲器模塊中 數(shù)據(jù)進行高速下載和對系統(tǒng)的軟件進行更新。 系統(tǒng)可以通過USB總線、以太網(wǎng)、CAN總線、1553B總線，實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與外部網(wǎng)絡、 現(xiàn)場總線的交互，通過各網(wǎng)絡、總線，其它系統(tǒng)可以獲得本系統(tǒng)工作中采集的信號數(shù)據(jù)，也 可以對本系統(tǒng)的工作進行控制，多個系統(tǒng)可以組網(wǎng)，形成分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，也可以 將系統(tǒng)嵌入到飛機的網(wǎng)絡、總線中，與其它機載設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。 整個系統(tǒng)接受外部提供的直流或交流電源；系統(tǒng)電源模塊將外部提供的電源轉換 成系統(tǒng)內(nèi)部除功率放大模塊外的各模塊所需電源，并提供給控制器模塊，由控制器模塊依 靠系統(tǒng)內(nèi)部總線統(tǒng)一向各模塊供電；系統(tǒng)電源模塊將外部提供的電源轉換成大電壓直流電 源直接給功率放大模塊供電。 控制器模塊實際上為一個小型化嵌入式計算機，它包含了基本的MCU、固化內(nèi)存、 內(nèi)部總線控制單元、存儲器控制單元、外部接口控制單元。控制器模塊為傳感信號采集模 塊、數(shù)字管理模塊、激勵信號輸出模塊提供統(tǒng)一的嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部總線平臺。控制器模塊的 功能是處理系統(tǒng)和應用軟件，發(fā)出所有的硬件控制指令，并且處理所有的數(shù)據(jù)結果。該模塊 電源由系統(tǒng)電源模塊提供。 高速存儲器模塊與控制器模塊的存儲器控制單元交互，系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和軟件模
塊都安裝存放在高速存儲器模塊中，系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也存入其中。 激勵信號輸出模塊的功能是產(chǎn)生主動結構健康監(jiān)測中的多種激勵信號，它可以產(chǎn)
生窄帶Lamb波、寬帶Lamb波以及正弦波、方波等等常用的激勵信號，也可以根據(jù)實際監(jiān)測
的需要進行編程產(chǎn)生各種特殊的激勵信號，其產(chǎn)生的信號頻率范圍較寬，產(chǎn)生信號的時鐘
更新率可以到達50MHz，信號幅值可以從0到士10V連續(xù)可調(diào)，并且具備輸出濾波功能，輸出
信號的精度較高。該模塊與控制器模塊通過系統(tǒng)內(nèi)部總線進行交互。該模塊電源由系統(tǒng)內(nèi)
部總線上的電源提供。 功率放大模塊接受數(shù)字管理模塊電源通斷、輸出通斷控制。它的功能是提高激勵 信號的功率，由于實際監(jiān)測結構面積大，由激勵信號輸出模塊產(chǎn)生的激勵信號需要經(jīng)過功 率放大模塊提高激勵信號功率才能輸入壓電激勵-傳感網(wǎng)絡。功率放大模塊的工作帶寬能 夠達到500KHz的-3dB帶寬，輸出電壓至少可達士70V。該模塊電源由系統(tǒng)電源模塊提供。
通道切換模塊接受數(shù)字管理模塊的通道切換控制和電源輸入，在主動監(jiān)測時為大 面積結構健康監(jiān)測中使用壓電陣列傳感器提供了穩(wěn)定準確的通道切換功能。它接收功率放 大模塊輸出的高頻大功率激勵信號，輸送給選定的作為激勵的傳感器，并且接收選定的作 為傳感的傳感器的傳感信號，輸出給信號放大模塊。通道切換模塊在被動監(jiān)測時實現(xiàn)特定 傳感器的選通，接收選定傳感器的傳感信號，輸出給信號放大模塊。利用該模塊，主被動監(jiān) 測得到了有機的兼容。 信號放大器模塊的功能是放大壓電元件的傳感信號。工作帶寬為0.2Hz到 500KHz，放大倍數(shù)可以根據(jù)實際監(jiān)測的需求，通過程序來調(diào)整，接受來自數(shù)字管理模塊的放 大倍數(shù)控制信號和電源輸入。考慮到多路聲發(fā)射信號的采集，它具備多路同時放大的能力。
傳感信號采集模塊的功能是對傳感信號進行高速數(shù)據(jù)采集。它的采樣率可以到達 10MHz，采樣精度可達12位。它的高速高精度性能保證了傳感信號的精度，從而提高了損傷 判別的準確性和實時性?？紤]到多路聲發(fā)射信號的采集，它具備多路獨立同時采集的功能， 并且可以接受外部數(shù)字觸發(fā)，該觸發(fā)信號來自聲發(fā)射觸發(fā)模塊。該模塊與控制器模塊通過 系統(tǒng)內(nèi)部總線進行交互。該模塊電源由系統(tǒng)內(nèi)部總線上的電源提供。 聲發(fā)射觸發(fā)模塊的功能是對聲發(fā)射信號采集進行觸發(fā)。它接受數(shù)字管理模塊的觸 發(fā)電平控制信號和電源輸入，將該信號進行D/A轉換，轉換精度16位，并產(chǎn)生相應大小的直 流觸發(fā)電平；觸發(fā)電平0 IOV連續(xù)可調(diào)。在系統(tǒng)被動監(jiān)測工作時，經(jīng)過信號放大器模塊放 大后的信號輸入到該模塊，通過比較，該模塊產(chǎn)生數(shù)字觸發(fā)信號輸入到傳感信號采集模塊， 使其對多路信號進行同時采集。 數(shù)字管理模塊的功能是驅動信號放大模塊、通道切換模塊、聲發(fā)射觸發(fā)模塊、功率 放大器模塊，改變它們的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對這四個模塊的程控；它同時也接受狀態(tài)控制指示 轉接單元的控制信號以及向狀態(tài)控制指示轉接單元發(fā)出工作狀態(tài)指示信號和損傷報警信 號。該模塊與控制器模塊通過系統(tǒng)內(nèi)部總線進行交互。該模塊電源由系統(tǒng)內(nèi)部總線上的電 源提供。 高速存儲器模塊通過控制器模塊的存儲器控制單元與其交互。系統(tǒng)所有的系統(tǒng)和 應用軟件都安裝在高速存儲器模塊中?？刂破髂K從傳感信號采集模塊接收傳感器信號數(shù) 據(jù)，并實時存儲到高速存儲器模塊中。 系統(tǒng)使用的軟件模塊包含兩個層次。第一層次是系統(tǒng)工作驅動層，它含有兩個單 元，當使用觸摸式液晶屏時，使用系統(tǒng)軟件驅動工作單元，它實現(xiàn)觸摸屏產(chǎn)生的命令和軟件 程序的交互；不能使用觸摸屏的場合下，使用系統(tǒng)硬件驅動工作單元，它實現(xiàn)用戶狀態(tài)控制 的命令和軟件程序的交互。第二個層次是系統(tǒng)工作層，它實現(xiàn)所有的硬件驅動，信號處理和 損傷判別功能。 3、有益效果本發(fā)明的嵌入式飛機主被動結構健康監(jiān)測系統(tǒng)包含了主被動監(jiān)測所 需的軟硬件，能夠對飛機結構實現(xiàn)在線的健康監(jiān)測(l)系統(tǒng)提供高效，穩(wěn)定的通道切換， 便于實現(xiàn)用壓電陣列傳感器對結構進行大范圍的主動健康監(jiān)測，增大監(jiān)測面積；(2)系統(tǒng) 提供準確的信號觸發(fā)和傳感器切換，可以實現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域可選的被動健康監(jiān)測；(3)系統(tǒng)結 構緊湊、抗振、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于攜帶和安裝、方便飛機維護人員，能夠實 現(xiàn)機載；(4)系統(tǒng)軟件集成了多種損傷監(jiān)測方法，可自動提取結構損傷特征，并進行損傷判 別；(5)系統(tǒng)可擴展性好，可以很方便的配置、擴展結構健康監(jiān)測軟硬件；(6)系統(tǒng)具有標準 的機載設備接口 ，便于多套系統(tǒng)的組網(wǎng)和與其它機載系統(tǒng)的通訊。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)整體結構示意圖； 圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)電源模塊構結構圖； 圖3是本發(fā)明的激勵信號輸出模塊結構圖； 圖4是本發(fā)明的功率放大模塊結構圖； 圖5是本發(fā)明的通道切換模塊結構圖； 圖6是本發(fā)明的信號放大模塊結構圖，其中(a)為有多個放大通道的結構圖，(b)
圖8是本發(fā)明的聲發(fā)射觸發(fā)模塊結構圖； 圖9是本發(fā)明的數(shù)字管理模塊結構圖； 圖10是本發(fā)明的軟件模塊結構圖； 圖11是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)整體結構組成圖，其中各代碼含義如下 1控制器模塊、高速存儲器模塊 2傳感信號采集模塊 3激勵信號輸出模塊 4數(shù)字管理模塊 5系統(tǒng)電源模塊 6功率放大模塊 7屏蔽電路 8通道切換模塊 9信號放大模塊 10聲發(fā)射觸發(fā)模塊 ll信號轉接模塊 12嵌入計算機外殼與小型觸摸屏顯示器； 圖12是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)主動監(jiān)測工作時各模塊的狀態(tài)遷移圖； 圖13是本發(fā)明實施例的系統(tǒng)被動監(jiān)測工作時各模塊的狀態(tài)遷移圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本實施例是一種基于PC/104-plus架構的嵌入式飛機主被動結構健 康監(jiān)測系統(tǒng)，包括軟件模塊、系統(tǒng)電源模塊、控制器模塊、高速存儲器模塊、傳感信號采集模 塊、信號放大模塊、聲發(fā)射觸發(fā)模塊、通道切換模塊、數(shù)字管理模塊、激勵信號輸出模塊、功 率放大模塊、狀態(tài)控制指示模塊、信號轉接模塊。 如圖2所示，整個系統(tǒng)接受外部提供的直流18 32V供電，系統(tǒng)電源模塊將外 部提供的電源通過DC/DC轉換成系統(tǒng)內(nèi)部除功率放大模塊外的各模塊所需電源，包括 +5V/10A、 -5V/2A、 +12V/1A、 -12V/0. 3A，這部分電源提供給控制器模塊，然后控制器模塊通 過系統(tǒng)內(nèi)部總線將電源送各個模塊；系統(tǒng)電源模塊將外部提供的直流18 32V電源通過 DC/DC轉換成+80V/200mA、-80V/200mA的大電壓直流電源直接給功率放大模塊供電。系統(tǒng) 電源模塊的滿載輸出功率可達75W，平均電源轉換效率可達78X?？紤]實際工程應用環(huán)境， 特別是機載環(huán)境的要求，該源模塊具有抗沖擊、抗振動、無風扇散熱的特點，工作溫度_25°C 到+75"，尺寸為100mmX100mmX20mm(長X寬X高)。 如圖l所示，控制器模塊為一個PC/104-plus單板計算機模塊，它包含了基本的處 理器、固化內(nèi)存、內(nèi)部總線控制單元、存儲器控制單元、外部接口控制單元。該模塊為傳感信 號采集模塊、數(shù)字管理模塊、激勵信號輸出模塊提供統(tǒng)一的PC/104-plus總線平臺?？刂破?模塊的功能是處理所有的系統(tǒng)和應用軟件，發(fā)出所有的硬件控制指令，并且處理所有的數(shù) 據(jù)結果。本實施例考慮到實際工程應用環(huán)境，特別是機載環(huán)境的要求，該模塊抗沖擊、抗振動、無風扇散熱，功耗不超過8瓦，工作溫度-25。C到+70°C ，尺寸為96mmX 96mmX 15mm。
高速存儲器模塊為一張工業(yè)級高速CF卡，容量至少4G。整個系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和 軟件模塊都安裝在其中，系統(tǒng)工作時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)也存入其中。操作使用Vxworks操作系統(tǒng)。 考慮到軟件算法的實現(xiàn)，控制器模塊中的固化內(nèi)存至少需要256M以上。
如圖3所示，激勵信號輸出模塊包含數(shù)字部分的總線接口譯碼單元、可編程邏輯 單元、時鐘單元，模擬部分的高精度D/A轉換單元、低通濾波單元、輸出驅動單元以及整個 電路的電源管理單元。它的功能是產(chǎn)生主動結構健康監(jiān)測中的多種激勵信號，它可以產(chǎn)生 窄帶Lamb波、寬帶Lamb波以及正弦波、方波等等常用的激勵信號，也可以根據(jù)實際監(jiān)測的 需要進行編程產(chǎn)生各種特殊的激勵信號，其產(chǎn)生的信號頻率范圍較寬，產(chǎn)生信號的時鐘更 新率可以到達50MHz，信號幅值可以從0到士10V連續(xù)可調(diào)，輸出電流最大50mA，并且具備 輸出濾波功能，輸出信號的精度較高。由該模塊產(chǎn)生的激勵信送功率放大模塊提高功率。 考慮到本實施例實際工程應用環(huán)境，特別是機載環(huán)境的要求，該模塊具有抗沖擊、抗振動特 點，功耗不超過2瓦，工作溫度-20。C到+55"，尺寸為96mmX96mmX15mm。
如圖4所示，功率放大模塊接受數(shù)字管理模塊電源通斷、輸出通斷控制和該模 塊提供的單元電源，并接受系統(tǒng)電源模塊提供的士80V電源。單元電源是給電源通斷控 制單元和輸出通斷控制單元的繼電器及其驅動電路供電。功率放大模塊的功能是提高 激勵信號的功率，由于實際監(jiān)測結構面積大，由激勵信號輸出模塊產(chǎn)生的激勵信號需要 經(jīng)過功率放大模塊提高激勵信號功率才能輸入壓電激勵-傳感網(wǎng)絡。功率放大模塊一 共有兩級第一級是電壓放大級，第二級是電流放大級。電壓放大級利用高速集成運算 功率放大器電路能夠將激勵信號輸出模塊輸入的不超過士10V/50mA的電壓信號放大至 士70V/50mA，電流放大級進行電壓跟隨并提升電流至200mA，最后輸出信號最大電壓/電流 為士70V/200mA，-3dB帶寬可以達到500KHz。該模塊具有抗沖擊、抗振動、無風扇散熱的特 點，工作溫度-20。C到+55"，尺寸為100mmX100mmX15mm。 如圖5所示，通道切換模塊接受數(shù)字管理模塊的通道切換控制和電源輸入。在主 動監(jiān)測時，壓電陣列傳感器中的每兩個壓電元件可以構成一個激勵-傳感通道，多個壓電 元件就可以構成多個激勵_傳感通道形成激勵_傳感網(wǎng)絡，該模塊為大面積結構健康監(jiān)測 中使用壓電陣列傳感器提供了穩(wěn)定準確的通道切換功能。它接收功率放大模塊輸出的高 頻大功率激勵信號，輸送給選定的激勵元件，并且接收選定傳感元件的傳感信號，輸出給信 號放大模塊?？紤]電路尺寸的限制，該模塊可控制8 12個壓電傳感器，在需要控制更多 壓電傳感器的場合，可以使用多個相同模塊做通道擴展。在被動監(jiān)測時，壓電陣列傳感器 中的每個壓電傳感器都可以作為聲發(fā)射信號傳感器與常用的聲發(fā)射系統(tǒng)探頭功能相同，該 模塊實現(xiàn)4個特定壓電傳感器的選通，接收選定壓電傳感器的傳感信號，輸出給信號放大 模塊。該模塊具有抗沖擊、抗振動特點，功耗不超過2瓦，工作溫度_251:到+601:，尺寸為 96mmX96mmX 15mm。 信號放大器模塊的功能是放大壓電元件的傳感信號。工作帶寬為0.2Hz到 500KHz，放大倍數(shù)可以根據(jù)實際監(jiān)測的需求，通過程序來調(diào)整，接受來自數(shù)字管理模塊的放 大倍數(shù)控制信號。它具備四路低噪聲、同時放大的能力，如圖6(a)所示。圖6(b)是單個放 大通道的結構圖，為了精簡電路，采用三級簡化電路結構電荷放大級將壓電傳感器的電荷 量傳感信號轉換成電壓信號，該級的靈敏度可以控制；低通濾波級起到濾除高頻雜波的作用，它的_3dB帶寬在500KHz ;最后相位補償放大倍數(shù)調(diào)整級用來補償前兩級造成的信號相 移，放大倍數(shù)可程控。該模塊具有抗沖擊、抗振動特點，功耗不超過2瓦，工作溫度_25°〇到 +60"，尺寸為96mmX96mmX 15mm。 如圖7所示，傳感信號采集模塊包括信號調(diào)理單元、DVV轉換單元、總線接口譯碼 單元、內(nèi)外部觸發(fā)采集單元、可編程邏輯單元、時鐘單元。它的功能是對傳感信號進行高速 數(shù)據(jù)采集，接收信號放大模塊的放大信號以及聲發(fā)射觸發(fā)模塊的觸發(fā)信號，通過系統(tǒng)內(nèi)部 總線與控制器模塊進行交互。它具有4通道獨立同時采集的能力，采樣率可以到達10MHz， 采樣精度可達12位，量程± IOV。它的高速高精度性能保證了傳感信號的精度，從而提高了 損傷判別的準確性和實時性。它可以接受外部數(shù)字觸發(fā)，該觸發(fā)信號來自聲發(fā)射觸發(fā)模塊。 傳感信號采集模塊具有抗沖擊、抗振動特點，功耗不超過5瓦，工作溫度_201:到+551:，尺 寸為100mmX 100mmX 15mm。 如圖8所示，聲發(fā)射觸發(fā)模塊的功能是對聲發(fā)射信號采集進行觸發(fā)，它接受數(shù)字 管理模塊的觸發(fā)電平控制信號，將該信號進行D/A轉換，轉換精度可達16位，產(chǎn)生相應大小 的直流觸發(fā)電平，并經(jīng)過低通濾波單元去噪；觸發(fā)電平0 10V連續(xù)可調(diào)，也由數(shù)字管理模 塊提供的控制信號進行控制。該模塊能同時接收4路放大后的傳感信號輸入，通過高速比 較器產(chǎn)生的數(shù)字觸發(fā)信號輸入到傳感信號采集模塊。該模塊具有抗沖擊、抗振動特點，功耗 不超過2瓦，工作溫度-25。C到+60"，尺寸為96mmX96mmX15mm。 如圖9所示，數(shù)字管理模塊主要包括總線接口譯碼和邏輯控制驅動單元，其功能 是驅動信號放大模塊、通道切換模塊、聲發(fā)射觸發(fā)模塊、功率放大器模塊和狀態(tài)控制指示 轉接單元，改變它們的工作狀態(tài)，實現(xiàn)程控；它同時也接受狀態(tài)控制指示轉接單元發(fā)出工 作狀態(tài)控制信號。該模塊與控制器模塊通過系統(tǒng)內(nèi)部總線進行交互?？偩€接口譯碼通過 PC/104-plus總線與控制器模塊進行交互；邏輯控制驅動單元完成信號放大模塊、通道切 換模塊、聲發(fā)射觸發(fā)模塊、功率放大器模塊和狀態(tài)控制指示轉接單元的驅動輸出和狀態(tài)輸 入；在通道切換模塊驅動信號輸出/輸入單元、功率放大模塊通斷控制單元中，驅動信號的 驅動能力被提高，用于驅動各模塊中的繼電器開關(陣列)。該模塊具有抗沖擊、抗振動特 點，功耗不超過2瓦，工作溫度-25。C到+60"，尺寸為96mmX96mmX15mm。
如圖1所示，信號轉接模塊實際上起到外界信號和系統(tǒng)內(nèi)部各模塊交互的信號轉 接作用，包括系統(tǒng)電源開關和電源輸入、壓電陣列傳感器的信號轉接以及系統(tǒng)與外部鍵盤、 鼠標、觸摸式液晶屏、串并口、USB總線、以太網(wǎng)、CAN總線、1553B總線、下載存儲器的信號轉 接；在不能使用觸摸式液晶屏的場合下，提供系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制、指示和損傷報警。系統(tǒng) 電源轉接單元包含電源指示燈和電源通斷按鈕；狀態(tài)控制指示轉接單元包含主被動工作控 制按鈕、狀態(tài)指示燈。系統(tǒng)電源模塊的輸入接口直接與系統(tǒng)電源轉接單元在系統(tǒng)機箱內(nèi)部 連接，電源開關按鈕和電源輸入接口固定在機箱箱體壁上直接與系統(tǒng)電源轉接單元連接； 工作控制按鈕及狀態(tài)指示燈固定在機箱壁上直接與狀態(tài)控制指示轉接單元連接；通道切換 模塊的接口直接與壓電陣列傳感器轉接單元在系統(tǒng)機箱內(nèi)部連接；粘貼在被監(jiān)測結構上的 壓電陣列傳感器的輸入/輸出接口在系統(tǒng)機箱外部直接連接到壓電陣列傳感器轉接單元 上；控制器模塊的外部接口控制單元直接連接到外部接口轉接單元與外界進行通訊；外部 存儲器可以通過外部接口轉接單元與控制器模塊的下載存儲器控制單元通訊，對存儲在高 速存儲器模塊中數(shù)據(jù)進行高速下載和對系統(tǒng)的軟件進行更新。
如圖10所示，為實現(xiàn)本實施例系統(tǒng)功能的軟件模塊結構。軟件模塊分為系統(tǒng)工作 驅動層和系統(tǒng)工作層兩個層次。具體說明如下 (1)系統(tǒng)軟件驅動工作它實現(xiàn)觸摸屏產(chǎn)生的命令和軟件程序的交互，相當于用 戶操作界面。通過這個界面，用戶可以實現(xiàn)系統(tǒng)所有的軟硬件進行設置，完成主被動結構健 康監(jiān)測任務。 (2)系統(tǒng)硬件驅動工作它實現(xiàn)用戶狀態(tài)控制的命令和軟件程序的交互，即用戶 點擊信號轉接模塊中狀態(tài)控制指示轉接單元上的工作按鈕，以此驅動系統(tǒng)軟硬件完成相應 的結構健康監(jiān)測任務。 系統(tǒng)初次工作時，必須使用系統(tǒng)軟件驅動工作，設置最基本的硬件工作參數(shù)、建立 主被動傳感器網(wǎng)絡、選擇信號處理方法、選擇損傷判別方法。在保證系統(tǒng)軟硬件配置完成 后，可只使用系統(tǒng)硬件驅動工作，脫離觸摸屏。 (3)數(shù)據(jù)通訊模塊實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與外部網(wǎng)絡、現(xiàn)場總線的交互，通過各網(wǎng)絡、總 線可以獲得本系統(tǒng)工作中采集的信號數(shù)據(jù)，也可以對本系統(tǒng)的工作進行控制。這個功能使 得多個系統(tǒng)可以組網(wǎng)，形成分布式結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，也可以將其嵌入到網(wǎng)絡、總線中，與 其它設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。 (4)軟件管理模塊該模塊主要用于管理用戶設置的傳感器網(wǎng)絡、處理用戶的系 統(tǒng)操作錯誤、提供用戶操作幫助。在傳感器陣列信息管理中，用戶可以定義傳感器的個數(shù)、 傳感器編號、傳感器對應的作為激勵元件時的開關編號、傳感器對應的作為傳感元件時開 關編號、傳感器主被動工作模式。 (5)信號分析模塊該模塊為用戶提供針對主被動結構健康監(jiān)測系統(tǒng)處理的時頻 域信號處理工具，包括時域分析、頻域分析、小波變換的時頻域分析。采集到的傳感器信號 首先進過該模塊進行處理提取特征參數(shù)以后，再進行損傷判別。
(6)任務控制模塊該模塊分為主動監(jiān)測控制和被動監(jiān)測控制兩個單元。
(a)主動監(jiān)測控制 在其中的硬件工作參數(shù)設置中，對主動監(jiān)測中的各個模塊的工作參數(shù)進行設置； 在其中的通道切換控制中，根據(jù)用戶設置的傳感器網(wǎng)絡進行激勵-傳感多通道切換；用戶 可以選擇時間反轉成像方法或者是相控陣成像方法對結構的損傷位置進行判別，最后輸出 判別結果。
(b)被動監(jiān)測控制 在其中的硬件工作參數(shù)設置中，對被動監(jiān)測中的各個模塊的工作參數(shù)進行設置； 在其中的通道切換控制中，根據(jù)用戶設置的傳感器網(wǎng)絡選通固定的傳感器通道；用戶可以 選擇時間反轉定位方法或者是四點圓弧定位方法對結構的沖擊位置和沖擊能量進行評估， 最后輸出損傷評估結果。 如圖11所示，為本實施例的組成結構示意圖。控制器模塊、高速存儲器模塊、傳感 信號采集模塊、激勵信號輸出模塊、數(shù)字管理模塊和系統(tǒng)電源模塊組成第一疊堆；控制器模 塊、傳感信號采集模塊、激勵信號輸出模塊、數(shù)字管理模塊依靠PC/104-plus總線插槽和帶 彈簧銅質螺柱連接，系統(tǒng)電源模塊組成與數(shù)字管理模塊依靠帶彈簧銅質螺柱連接，以此實 現(xiàn)整體抗擊外界振動，PC/104-plus總線針孔式插槽能夠穩(wěn)定的實現(xiàn)總線通訊信號的傳遞； 第一疊堆整體尺寸為100mmX100mmX80mm。功率放大模塊、通道切換模塊、信號放大模塊、聲發(fā)射觸發(fā)模塊組成第二疊堆，并在功率放大模塊和通道切換模塊之間加一塊全銅的屏蔽 電路；每個模塊依靠帶彈簧銅質螺柱連接，以此實現(xiàn)整體抗擊外界振動；第二疊堆整體尺 寸為lOOmmX 100mmX75mm。信號轉接模塊尺寸為200mmX 80mmX lOmrn。整體硬件集成在嵌 入計算機整體式鋁合金散熱外殼內(nèi)，外殼表面帶觸摸屏功能的系統(tǒng)用戶操作界面(觸摸屏 顯示器)，用于用戶對本系統(tǒng)的操作和控制。整個系統(tǒng)尺寸為220mmX 120mmX lOOmm，功耗 不超過70W，工作溫度-25 t:到+55 °C 。 操作人員點擊電源開關按鈕，信號轉接模塊中的系統(tǒng)電源轉接單元將系統(tǒng)電源模 塊與外部電源接通，系統(tǒng)上電工作，等待操作人員給定監(jiān)測任務。操作人員將各軟硬件參 數(shù)、傳感器網(wǎng)絡都設置好以后，可以進入如下兩個工作任務 如圖12所示，在主動監(jiān)測時(1)操作人員點擊信號轉接模塊中狀態(tài)控制指示轉 接單元上的主動監(jiān)測工作按鈕，發(fā)出工作狀態(tài)控制信號傳送到數(shù)字管理模塊，數(shù)字管理模 塊產(chǎn)生工作狀態(tài)控制信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到控制器模塊，軟件模塊對工作狀態(tài)控制 信號進行判別，再由控制器模塊發(fā)出硬件驅動命令，將系統(tǒng)配置成為主動監(jiān)測工作狀態(tài)； (2)控制器模塊產(chǎn)生的通道控制信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到數(shù)字管理模塊，由該模塊產(chǎn) 生通道驅動信號控制通道切換模塊進行通道切換；控制器模塊產(chǎn)生的放大倍數(shù)控制信號 通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到數(shù)字管理模塊，由該模塊產(chǎn)生驅動信號控制信號放大模塊放大倍 數(shù)；控制器模塊產(chǎn)生的電源、輸出通斷控制信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到數(shù)字管理模塊，由 該模塊產(chǎn)生驅動信號控制功率放大模塊的電源通斷和輸出通斷；控制器模塊產(chǎn)生的工作狀 態(tài)信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到數(shù)字管理模塊，由該模塊產(chǎn)生驅動信號控制狀態(tài)控制指示 轉接單元向操作人員指示當前系統(tǒng)處于主動監(jiān)測的工作狀態(tài)；(3)控制器模塊將數(shù)字量形 式的激勵信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到激勵信號輸出模塊，該模塊通過D/A轉換將激勵信 號以模擬量形式輸出到功率放大模塊，功率放大模塊將激勵信號的功率提升后傳輸至通道 切換模塊，通道切換模塊再將激勵信號輸入到外界壓電激勵_傳感網(wǎng)絡中選定的激勵壓電 元件；外界壓電激勵_傳感網(wǎng)絡中選定的傳感壓電元件產(chǎn)生的模擬量形式的傳感信號通過 通道切換模塊傳輸至信號放大模塊進行放大，放大后的傳感信號經(jīng)傳感信號采集模塊通過 A/D轉換成為數(shù)字量后再通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳輸至控制器模塊，軟件模塊對采集的信號進 行處理，產(chǎn)生損傷報警命令；(4)控制器模塊產(chǎn)生損傷報警信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到 數(shù)字管理模塊，由該模塊產(chǎn)生驅動信號控制狀態(tài)控制指示轉接單元向操作人員指示結構有 無損傷產(chǎn)生。 如圖13所示，在被動監(jiān)測時(1)操作人員點擊信號轉接模塊中狀態(tài)控制指示轉 接單元上的被動監(jiān)測使能按鈕，發(fā)出工作狀態(tài)控制信號傳送到數(shù)字管理模塊，數(shù)字管理模 塊產(chǎn)生工作狀態(tài)控制信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到控制器模塊，軟件模塊對工作狀態(tài)控制 信號進行判別，再由控制器模塊發(fā)出硬件驅動命令，將系統(tǒng)配置成為被動監(jiān)測工作狀態(tài)； (2)控制器模塊產(chǎn)生的通道控制信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到數(shù)字管理模塊，由該模塊產(chǎn) 生通道驅動信號控制通道切換模塊選中壓電陣列傳感器中用于當前被動監(jiān)測的壓電傳感 元件；控制器模塊產(chǎn)生的放大倍數(shù)控制信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到數(shù)字管理模塊，由該 模塊產(chǎn)生驅動信號控制信號放大模塊放大倍數(shù)；控制器模塊產(chǎn)生的觸發(fā)電平控制信號通過 系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到數(shù)字管理模塊，由該模塊產(chǎn)生觸發(fā)電平驅動信號控制聲發(fā)射觸發(fā)模塊 的觸發(fā)電平大??；控制器模塊產(chǎn)生的工作狀態(tài)信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到數(shù)字管理模塊，由該模塊產(chǎn)生驅動信號控制狀態(tài)控制指示轉接單元向操作人員指示當前系統(tǒng)處于被動
監(jiān)測的工作狀態(tài)；(3)外界壓電陣列傳感器中選定的壓電傳感元件產(chǎn)生的模擬量形式的傳 感信號通過通道切換模塊傳輸至信號放大模塊進行放大，放大后的傳感信號同時傳送到聲 發(fā)射觸發(fā)模塊和傳感信號采集模塊；聲發(fā)射觸發(fā)模塊產(chǎn)生采集觸發(fā)信號傳送到傳感信號采 集模塊，觸發(fā)其對放大后的傳感信號進行采集；傳感信號采集模塊通過A/D轉換成為數(shù)字 量后再傳輸至控制器模塊，軟件模塊對采集的信號進行處理，產(chǎn)生損傷報警命令；(4)控制 器模塊產(chǎn)生的損傷報警信號通過系統(tǒng)內(nèi)部總線傳送到數(shù)字管理模塊，由該模塊產(chǎn)生驅動信 號控制狀態(tài)控制指示轉接單元向操作人員指示結構有無受到外界沖擊和沖擊程度。
權利要求
一種嵌入式飛機主被動結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，包括軟件模塊、系統(tǒng)電源模塊、控制器模塊、高速存儲器模塊、傳感信號采集模塊、信號放大模塊、聲發(fā)射觸發(fā)模塊、通道切換模塊、數(shù)字管理模塊、激勵信號輸出模塊、功率放大模塊和信號轉接模塊，其中所述的信號轉接模塊與系統(tǒng)外界信號源連接，即實現(xiàn)外界信號源和系統(tǒng)內(nèi)部各模塊之間的信號交互轉接作用，并對外界信號源之一的壓電陣列傳感器的輸出\輸入信號進行轉接；所述的控制器模塊包括外部接口控制單元、存儲器控制單元、內(nèi)部總線控制單元、MCU和內(nèi)存單元，其中，外部接口控制單元與信號轉接模塊連接，存儲器控制單元與高速存儲器模塊連接，內(nèi)部總線控制單元與系統(tǒng)內(nèi)部總線連接；所述的系統(tǒng)電源模塊為控制器模塊和功率放大模塊提供電源；在主動監(jiān)測工作狀態(tài)下，所述的激勵信號輸出模塊產(chǎn)生結構健康監(jiān)測所需的激勵信號，該激勵信號依次經(jīng)過功率放大模塊、通道切換模塊、信號轉接模塊輸出至外界壓電陣列傳感器，同時外界壓電陣列傳感器的傳感信號依次經(jīng)過信號轉接模塊、信號放大模塊傳輸至傳感信號采集模塊；在被動監(jiān)測工作狀態(tài)下，外界壓電陣列傳感器的傳感信號依次經(jīng)過信號轉接模塊、信號放大模塊分別傳輸至聲發(fā)射觸發(fā)模塊和傳感信號采集模塊，聲發(fā)射觸發(fā)模塊產(chǎn)生觸發(fā)信號傳輸至傳感信號采集模塊；功率放大模塊、通道切換模塊、信號放大模塊和聲發(fā)射觸發(fā)模塊受數(shù)字管理模塊的控制，數(shù)字管理模塊、傳感信號采集模塊和激勵信號輸出模塊與系統(tǒng)內(nèi)部總線進行通訊并受控制器模塊的控制。
2. 如權利要求1所述的嵌入式飛機主被動結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，信號轉接 模塊包括外部接口轉接單元、壓電陣列傳感器轉接單元、狀態(tài)控制指示轉接單元和系統(tǒng)電 源轉接單元，其中，外部接口轉接單元與控制器模塊中的外部接口控制單元連接；壓電陣列 傳感器轉接單元將外界壓電陣列傳感器的傳感信號轉接至通道切換模塊、將激勵信號通過 通道切換模塊轉接至外界壓電陣列傳感器；狀態(tài)控制指示轉接單元受外界工作狀態(tài)控制并 與數(shù)字管理模塊連接，同時也接受數(shù)字管理模塊的控制；系統(tǒng)電源轉接單元受外界電源狀 態(tài)控制并與系統(tǒng)電源模塊連接。
3. 如權利要求1或2所述的嵌入式飛機主被動結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)電 源轉接單元包括電源指示燈和電源通斷按鈕；狀態(tài)控制指示轉接單元包括主被動工作控制 按鈕和損傷指示燈，在不能使用觸摸式液晶屏的場合下，提供系統(tǒng)工作狀態(tài)的控制、指示和 損傷報警。
4. 如權利要求1所述的嵌入式飛機主被動結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述的軟 件模塊、系統(tǒng)電源模塊、控制器模塊、高速存儲器模塊、傳感信號采集模塊、信號放大模塊、 聲發(fā)射觸發(fā)模塊、通道切換模塊、數(shù)字管理模塊、激勵信號輸出模塊、功率放大模塊和信號 轉接模塊集成的置于可防止電磁干擾、抗沖擊、抗振動的嵌入式計算機整體式鋁合金散熱 外殼內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種嵌入式飛機主被動結構健康監(jiān)測系統(tǒng)，包括軟件模塊、系統(tǒng)電源模塊、控制器模塊、高速存儲器模塊、傳感信號采集模塊、信號放大模塊、聲發(fā)射觸發(fā)模塊、通道切換模塊、數(shù)字管理模塊、激勵信號輸出模塊、功率放大模塊和信號轉接模塊。系統(tǒng)能夠對飛機結構實現(xiàn)在線的健康監(jiān)測，系統(tǒng)結構緊湊、抗振、抗電磁干擾、體積小、重量輕、便于攜帶和安裝、方便飛機維護人員，能夠實現(xiàn)機載；集成了多種損傷監(jiān)測方法，可自動提取結構損傷特征，并進行損傷判別；系統(tǒng)可擴展性好，可以很方便的配置、擴展結構健康監(jiān)測軟硬件；系統(tǒng)具有標準的機載設備接口，便于多套系統(tǒng)的組網(wǎng)和與其它機載系統(tǒng)的通訊。
文檔編號G01M99/00GK101701880SQ200910184440
公開日2010年5月5日 申請日期2009年8月5日 優(yōu)先權日2009年8月5日
發(fā)明者劉沛沛, 張炳良, 蘇永振, 董晨華, 袁慎芳, 邱雷 申請人:南京航空航天大學