CN101946175B - 监测运载工具结构的设备 - Google Patents
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Abstract
一种监测运载工具的结构的监测设备，包括电测量传感器、处理电路以及传输装置，处理电路连接到传感器以把传感器的测量值转换为监测数据，传输装置用于把监测数据传输给收集装置，其特征在于，处理电路：是小型化的，具有包含在40×40×40mm或更小尺寸的立方体内的较小尺寸；通过较短的有线电连接被连接到传感器，连接的长度小于200mm；包括装载的电池；以及包括用于把监测数据传输给临时放置在附近的移动收集装置的无线电装置。
Description
本发明的目的在于监测经受机械、振动和/或环境应力的金属结构的状态。其在自主机载电子系统中实施允许实时检测这些金属结构的裂缝的方法。更特别地，本发明应用于航运、海运和陆地运输领域。
运输工具，特别是飞机的结构在其使用时经受机械、环境和/或振动应力。这些结构尤其定期地被检查以评估新生的裂缝：一种是每次中途停靠时进行的快速检查，另一种是飞行2400小时后、在维护中进行的所谓C-check类型的深入检查。后一种检查耗时长并且成本高，这是因为需要拆下在常规时间不能进入的舱口盖以检查飞机的金属结构的状态。由于是定期进行的，所以这些检查不允许连续监测裂缝及其变化。在铁路领域，火车、尤其是高速火车的某些部分也存在类似情况。
开发了结构监测系统，来优化和减少这些维护并从而减少其成本和耗时。例如，例如傅科(Foucault)电流传感器被用来检测金属结构上的裂缝，如文献US-A-6 952 095、GB-A-2 400 445、GB-A-2 396 427所示。
为了解释来自这些传感器的信息，实现了多个电子界面。其中之一解释来自传感器的阻抗、更特别地是相位。该界面被用来形成待检查的表面的二维图像，如文献US-A-5 006 800所述。该方法的缺点在于其体积庞大及其耗电较多。因此，该方法不能机载并且不实时给出结果。
其它界面解释来自传感器的电导率，并且在维护期间也被使用。因此，不能连续监测裂缝。
还开发了使用声音传感器的其它系统来连续研究结构的状态，如专利WO 2006 111679所述。这些方法通常能耗很高。因此设备需要与飞机装载的电网接通。该设备体积还十分庞大。
最后，还存在记录飞机受到的应力的数量的机载系统，如文献EP-A-1018 641所述。这些应力(起飞、降落、涡流、受到的推力……)被逻辑门系统计数并随后存储在存储器中。随后，在维护时列出清单，且由此允许在操作者检查时引导操作者。然而，后几种方法并不直接给出结构的状态。
在本发明中，提出的解决方案包括使用由电池供电的无线传输自主系统，该系统尤其具有很小的尺寸以便在运输装置中可不受尺寸限制地放置在希望放置的地方，该系统实时进行对结构状态的诊断。由该自主系统实施的方法包括通过将模拟电路与数字电路相组合的机载电子构造来分析来自传感器的信号。由于处理算法得到简化，因此其可以被装载于微控制器中且诊断可以实时进行。算法尤其研究来自传感器的阻抗并且给出裂缝变化的状态。其它功能确定裂缝出现的原因及其变化。
相对于当前的系统，使用该系统的优点在于：
-模块化电子平台(其层可互换)，允许监测裂缝和/或环境的应力，
-借助无线通信自主机载电子设备来连续监测裂缝，从而允许更好地监测裂缝的变化，
-更深入了解裂缝的出现(在记录结构状态的同时记录环境数据)，
-更深入了解裂缝的变化(相关的环境数据)，
-根据幅度测量，实时(无需使用经PC(个人计算机)的后处理而立即)了解结构的状态(诊断)，
-根据相位测量，实时了解传感器的状态(脱离或未脱离)，
-根据无线电连接，轻松收集信息，
-减少维护成本和时间，由此在非计划的维护时避免拆除某些壁板，
-设备能耗较小，从而允许设备使用时间较长(目标寿命在1到2年)，
-设备体积较小(三维集成)，从而允许被放在难以进入的位置，
-自主运行，无需连接到电网，从而便于其使用。
本发明的目的因此在于一种监测运载工具的结构的监测设备，包括电测量传感器、处理电路以及传输装置，所述处理电路连接到传感器，用于把传感器的测量值转换为监测数据，所述传输装置用于把监测数据传输给收集装置，其特征在于，所述处理电路
-是小型化的，具有包含在40×40×40mm或更小尺寸的立方体内的较小尺寸，
-通过较短的有线电连接来与传感器连接，连接的长度小于200mm，
-包括内置的电池，
-以及包括用于把监测数据传输给临时放置在附近的移动收集装置的无线电装置。
本发明因此允许克服在现有系统中存在的局限性，即，
-能耗
-体积庞大，和由此的限制进入，
-存在庞大的有线连接(直到50m)，
-数据的查询和解释仅在维护期间进行，而非实时进行，
-不连续监测结构。
通过阅读随后的描述并查对其附图将更好地理解本发明。附图仅作为示例给出而绝非限制本发明。附图示出：
-图1a至1c：根据本发明的监测设备、传感器的变型以及它们在特别运载工具内的布置；
-图2和3：分别与由本发明的传感器发出的信号的幅度和相位成正比的电压特征；
-图4和5：由根据本发明的传感器进行的测量之间的相关性，一方面是裂缝的尺寸和另一方面是临界尺寸的到达时间；
-图6：由本发明的处理电路实施的裂缝监测算法的一个示例。
图1a示出装载了根据本发明的多个监测设备的运输装置1(在此为飞机)，所述监测设备实现为集成的电子平台或节点的形式。每个无线且小尺寸、自主的节点均被布置在已知为敏感的位置。平台的整体(传感器加上电子电路)监测结构1。
图1b上，各装置包括连接到传感器4的处理电路3。电路3把由传感器4产生的测量信号转换成监测数据。收集装置5(例如是由结构1的设备2附近的操作员6携带)优选地在运载工具停靠不动时，提取用于维护目的的监测数据，从而例如检验结构1的状态或促成对某些零件的更换。
根据本发明，设备2是微型化的。在一个示例中，其包括处理电路3，处理电路3的尺寸包含在边长为40mm的立方体内。根据电子技术的发展以及更紧凑的布线还可期待更大程度的微型化。该微型设备2还包括传感器4。在一个优选示例中，传感器4由两个一对的相同的传感器7和8构成，其中之一被用来放置在结构1的待监测的位置，另一个作为测试的传感器被用来放置在结构1的上述位置附近被认为完好的位置。两传感器的接线被连接到有线电连接9和10的长度上，连接9和10将每个传感器连接至电路3。在一个示例中，挠性的和双重的连接9和10的长度介于50mm和200mm之间。连接9和10可以固定地或者通过可拆卸的连接器来连接到传感器7和8以及连接到电路3。在一个示例中，连接9和10的每个都具有四条导线。然而，不是必须设置两个传感器。实际上，可例如通过在现场或工厂提供对测量传感器的响应的校准，可省去作为基准的测试传感器。
每个传感器由线圈构成，所述线圈在此处优选地通过在镀金属的挠性载体上刻上螺线(比如11)来实现，该载体例如由双面镀金属的聚四氟乙烯涂层制成。由于载体为双面，因此，设置在线圈两侧或者借助通孔而设置在同一表面上的两个连接12和13，被连接到有线连线9的导电支线。可以在连接12中设置功率匹配的电阻14。连接13优选地为接地，当存在两个传感器时尤其为两个传感器7和8共用。在变型中，即图1c，一个或更多个传感器具有中心孔T，以便能够围绕铆钉安装。
在线圈11和电阻14之间的中间点连接有连接15，用于发送传感器的激励信号，并且因此发送传感器的测量值。测量的原理如下。交流信号由电路3产生且经过电阻14发出，该信号在结构1中放置传感器7的位置发生变化。如果结构完好，即如果不存在裂缝，则信号的幅度将对应于数值已知的电感线圈和电阻的存在。相反，如果线圈11下面的区域开裂，即如果存在裂缝，则傅柯电流的流动受扰。在这些条件下，传感器和源之间的互感减小，而电阻增大。
测量传感器7附近的测试传感器8的存在允许免于校准，同时还允许不受温度的影响。所测得的信号因此是由传感器7和8分别测得的信号的幅度之比或差值。此外，如果传感器7或8中的一个与结构1脱离，则对测量相位的比较允许立即检测到。实际上，对于两者之一，如果没有与结构的互感，注入传感器7和8中的信号就不再同步，由此产生相位偏移。
图1b示出电路3保留的三维集成以及示出节点的四个不同的层，其整体形成立方体。各层实现特别的功能：无线电传输，把来自传感器的信号转换成两个成比例的电压，由微控制器进行数据处理和存储器中的数据存储以及位于每个层上的部件供电所需的直流电压(DC/DC，直流/直流)转换和节点的自主供电。层是可互换的并且可以根据目标应用(例如机械和/或环境的应力)进行调整。
电路3因此示意性地在一层上包括微处理器16，微处理器16经由数据、地址和命令总线17连接到：存储监测数据的存储器18，存储程序20的程序存储器19，在可能的情况下能够调快或调慢微处理器节奏的时钟H/h，以及第一层与其它层的通信接口21。
优选地，接口21包括贯穿的连接插脚，用于使电路3的不同层彼此连接。因此，优选地，所述不同层的位置在立方体电路3中是可互换的。
电路3的第二层22，该层本身和其它层一样也被连接到接口21，优选地，其在以下意义上是下方的层：该层被用作容纳能在介于-60℃和+85℃的温度之间工作的电池或(优选地)电池组，且被固定在距离待监测的结构不远的结构上。
第三层23是微处理器16-20的层与传感器7和8之间通过连接9和10通信的层。在该层23中，执行的电子功能是：把阻抗转换成两个成比例的电压，以及优选地对连接到传感器的注入电极进行正弦激励。
第四层24作为与装置5的无线电连接。
在优选的应用中，不同的部件(存储器、正弦信号发生器、调节、无线电)通过两种串行接口进行通信：优选的SPI(Serial PeripheralInterface，串行外设接口)接口和UART(通用异步接收/发送装置)。以下表1示出立方体内各功能的位置：
表1
| 功能 | 从底层开始的1到4的层编号 |
| 无线电 | 4 |
| 调节 | 3 |
| 数字模拟转换和模拟数字转换 | 2 |
| 微控制器 | 2 |
| 存储器(例如1兆字节) | 2 |
| 供电、电压转换 | 1 |
| 传感器7、8 | 外部 |
在程序20中，将任务25到29安排为子程序。任务25是测量由传感器7(需要时还有8)发出的信号的幅度的一项任务，用于了解裂缝的长度和深度。对裂缝长度的测量将在后面说明。此外，由注入电极注入的信号的频率变化还允许了解裂缝在金属中的深度。频率越高，例如介于100KHz和1000KHz之间，进入金属中的信号就越少。此外，由传感器给出的不同频率的响应允许了解裂缝的深度。
测量两个传感器的信号之间的相位的任务26允许保证设备与结构1始终接触良好。
任务27是处理器16的休眠任务。例如，在测量之后的几十分钟(例如一小时)以内，微处理器停止所有功能。在这种情况下，优选地，微处理器的节奏调节的时钟H/h从较快节奏H过渡到较慢节奏h，以使休眠期本身的计算不会有损于设备的续航能力。使用以上述指出的量值，对于容易获得的电池组，已经估算续航时长可以为三年。该续航能力接近现有技术中存在的超额消耗，该超额消耗本身迫使需要接通补充电源线，这加重了运载工具的成本和重量。
任务28代表操作系统，即微处理器16的定序器。
任务29表示当操作员6靠近电路2时启动的操作。因此收集装置5在操作员6的要求下发出指令，该指令被层24的天线30接收，天线30本身以装置5为目的地发射在存储器18中存储的数据。
每次测量之间的时间间隔可以通过微型计算机(PC)接口在任务27中来配置。测量值随后被电路3中包含的算法25-26分析，并且以数字表示的结构状态被保存在存储器18中。由时钟H/h产生的与测量相关的时间也被保存。立即得知对结构的诊断。数据随后通过无线电被收集到个人电子助理5(PDA)上或便携式微型计算机上。每当必要时，尤其是每当维护时，数据显示在列表式的编辑程序中。由此知道裂缝的变化。
附加的功能允许同时获得环境状况并把其保存在存储器中。因此，通过比较这些数据(结构状态和天气数据)，可识别裂缝的发展条件。而且，在系统中可集成裂缝长度的临界阈值。算法自动计算对该长度的达到时间的估算。该计算建立在基于所记录的经过每个等级所用的时间的线性回归之上。因此，可以为维护拟定计划，或者在必要时(在分析裂缝长度的情况下)推迟维护。
本发明将由航空、海运和铁路公司使用，以实现对其运输队(飞机、直升机、火车、船舶……)的维护。其允许精确地获知结构何时存在缺陷(出现裂缝)以及缺陷的发展变化。其因此使维护最优化：可以提前或推迟更换零件，从而避免非计划内的维护。此外，其限制了维护的成本和时间，因为使用者只需下载数据和对运载工具(飞机)进行部分监测。此外，改进了对裂缝发展的监测，并且可以识别其起因(温度、压力、湿度、起飞的变化……)。
优选地，传感器的整体构成网络，并且节点通过无线电连接(例如紫蜂(Zigbee)类型的无线电连接，以限制能耗)相互通信。在维护飞机时，以连续方式分析和记录的数据被地面的采集中心点通过无线电定期(例如每两个月或每四个月)收集。所述数据直接给出所测试的结构的状态。
为了限制设备的能耗并且鉴于裂缝的平均扩展时间，对于100000小时的飞行，在优选的配置中，默认值被确定为每小时一次测量，其余时间设备处于休眠状态。采集到新的测量值之后，所获得的数据序列由在微控制器16-20中的算法来处理。
图2和图3示出调节后得到特征曲线输出。幅度曲线的变化一开始是下降，随后以根据所检测到的裂缝尺寸而更陡峭或更平坦的斜率上升。图6示出的算法基于该斜率。该算法确定结构的状态(该变量被命名为：裂缝_状态(crack_state))，以及由此得到的分等级(在此编号为0到8)的裂缝长度。
傅科电流传感器的敏感表面为线圈11的表面。在优选的配置中，为直径等于20mm的圆圈。该尺寸限制了待监测的裂缝的最大长度。敏感表面的直径还确定了不同等级的数值。此处，敏感表面被细分为8个部分，即2.5mm长。图6中描述的算法可以容易地适用于其它敏感表面以及许多不同等级。
下表2是表示幅度特征的电压斜率的说明。
| 7 | X | + | |
| 8 | X | + |
表2
算法主要使用由两个传感器7和8构成的电桥的不平衡阻抗的幅度。例如，在180KHz处100mV的差值表明有长度为5mm的裂缝。在此使用相位是为了知道传感器是否被正确地附接在结构上。第一次测量在完好的即无裂缝的结构上进行，以作为基准。来自测量的两个电压在时刻n被存储在变量Mag_n和Phase_n中。对于随后的测量，前面的测量被存储在表征时刻n-1的变量Mag_n-1以及Phase_n-1中。新的值被存储与时刻n有关的变量中。算法计算出这两个值的幅度的差值(dif_mag)，即对这两个值之间的差和符号进行计算。如算法所示，根据该差值的或正(Δ↑)或负(Δ↓)的符号以及或更陡峭或更平坦的斜率(大、小或很小)，表征结构的状态在编号为0到8的不同状态中变化。由图6的算法如此提出的时间监测因此允许考虑到以下事实：对于裂缝，信号一开始减小，之后增大，从而具有相反的变化。
例如，为从状态0过渡到状态1，幅度差必须大于固定的大阈值Δ↓。
测量的精度约为50mV，这正是为什么所有小于50mV的测得的两个传感器之间的幅度差(在算法中被命名为A)将在算法中不予考虑。如果传感器与结构附接不良，也就是说相位值和幅度值超过固定的阈值，则会自动记录报警消息。
算法因此实时实现了对结构状态的分析，并且随后将该状态的值存储在存储器中。从中得出裂缝的最大长度。还记录有关时间，这允许精确地监测裂缝的变化。
设备还具有采集环境参数(温度、湿度)以及压力和振动的功能。该功能在使用者希望对被测结构的不同状态与所记录的环境参数进行对比的情况下激活。因此，可以识别裂缝出现和变化的条件。
Claims (11)
1.一种监测运载工具的结构的监测设备，包括电测量传感器、处理电路以及传输装置，所述处理电路连接到所述传感器，用于把所述传感器的测量值转换为监测数据，所述传输装置用于把所述监测数据传输给收集装置，其特征在于，所述处理电路
-是小型化的，具有包含在40×40×40mm或更小尺寸的立方体内的较小尺寸，
-通过较短的有线电连接被连接到所述传感器，连接的长度小于200mm，
-包括内置的电池，
-以及包括用于把所述监测数据传输给临时放置在附近的移动收集装置的无线电装置；
其中，所述传感器是傅科电流传感器，并且包括被放置在所述结构上待监测位置处的第一测量传感器以及被放置在所述结构上完好位置处的第二测试传感器，用于利用由这两个传感器产生的信号之间的相位差来测量所述两个传感器与待监测的所述结构的完整附接；
其中，所述傅科电流传感器是由挠性电路承载的螺线线圈，所述挠性电路双面镀金属、通过双重挠性有线连接连接到所述处理电路，所述双重挠性有线连接被放置在待监测位置处，所述傅科电流传感器与安装在所述待监测位置附近被认为是完好的位置处的另一基准传感器相关联，以及，所述处理电路测量由一个传感器发出的所述信号相对于另一传感器的差值；
其中，所述傅科电流传感器具有给定的表面尺寸，以及，所述处理电路包括用于量化所述测量值的装置，以便测量裂缝尺寸的变化，
所述处理电路包括用于测量所述裂缝的深度并且频率介于100KHz和1000KHz之间的正弦信号发生器，以及被配置成使该频率在测量过程中改变以便查探所述裂缝的所述深度，以及
所述处理电路包括用于测量时间的电路以便存储与测量相对应的时间，以及包括程序存储器，存储有尽管测量的所述信号的幅度有一开始减小、之后增大的相反变化仍能推断裂缝变化的程序。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述处理电路包括：在所述运载工具停靠不动时，所述传感器的由所述收集装置激活的发送功能。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述挠性电路的尺寸为25×50mm。
4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述双重挠性有线连接具有介于5至20cm之间的长度。
5.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述处理电路包括用于存储所述测量值和/或所述监测数据的存储器。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述处理电路按照分层结构来组织，所述分层结构中的各层可互换并且彼此相连，包括进行供电的第一层，所述第一层上面设置有进行数字处理的第二层，所述第二层自身上面设置有把来自所述传感器的所述信号转换成两个成比例的电压的第三层，所述第二层把所述两个成比例的电压转换成数字值，第三层自身上面设置有进行无线电发射接收的第四层。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述各层通过贯穿的连接器彼此相连。
8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述第一层设置在待监测的所述结构附近的所述处理电路的底部，所述第四层设置在所述电路的上部。
9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述处理电路能耗较低，并且为此被配置成实现彼此间隔几十分钟的测量并且在测量之间引入休眠。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述处理电路包括能够在-60℃和+85℃的温度之间工作的电池组。
11.根据权利要求1至2之一所述的设备，其特征在于，所述传感器在中心具有孔以便围绕铆钉来布置。
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