CN102288346A

CN102288346A - 一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统

Info

Publication number: CN102288346A
Application number: CN2011101921857A
Authority: CN
Inventors: 袁慎芳; 刘沛沛; 邱雷; 郑嘉楠; 杨伟博; 胡步青
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: CN102288346B

Abstract

本发明公布了一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，所述监测系统包括系统电源模块，信号接口模块，触发控制模块，中央处理模块，大容量板载高速存储器模块，无线射频模块，外部交互接口，以及n路压电传感器。该系统具有体积小，质量轻，功耗低等特点，该系统不需要信号调理及AD转换电路，通过电平比较以布尔量的形式记录传感器信号，能自动提取冲击到来时的多路有效压电传感器数据并对冲击区域及位置进行判断。可工作于主控和受控模式下，可利用组网实现大规模传感器阵列监测，监测数据和计算结果通过无线传输或外部总线，飞机机上现场总线，飞机光纤数据传输总线等发送。

Description

一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统

技术领域

本发明涉及一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，尤其涉及用于大型航空结构的实时冲击区域和冲击位置确定及记录的场合。系统具有体积小，质量轻，功耗低等特点，该系统不需要信号调理及AD转换电路，通过电平比较以布尔量的形式记录传感器信号，能自动提取冲击到来时的多路有效压电传感器数据并对冲击区域及位置进行判断，可工作于主控和受控模式下，可利用组网实现大规模传感器阵列监测，监测数据和计算结果通过无线传输或外部总线，飞机机上现场总线，飞机光纤数据传输总线等发送。

背景技术

复合材料以其比强度高、比刚度大、抗疲劳性能好及材料性能可设计等一系列优点，在航空、航天、汽车等工程领域得到了日益广泛的应用，尤其是在军用、民用飞机上已开始越来越多地使用先进复合材料结构。目前国际上最先进的第四代战机F22，其树脂基复合材料的用量已达到飞机结构重量的24％。在A380客机上，复合材料结构的重量已达整机重量的25％，而在波音787客机上则高达50％。总体而言，使用复合材料结构能够达到减轻机体结构重量，提高机体结构品质的目的。

然而，层合板复合材料在服役过程中不可避免的要承受各种能量物体的冲击，比如，冰雹的冲击、飞行器翼面与空中飞鸟的碰撞、飞行器受到枪击及工具经常在维护过程中掉落在飞行器表面等。这些冲击极易造成复合材料结构的内部分层、基体开裂和纤维断裂等损伤。这些内部损伤将使层合结构的力学性能严重退化，强度可削弱35％～40％，导致承载能力大大降低，对结构的整体破坏和失效形成潜在的威胁。而且这些损伤多发生在材料内部不易从表面发现，留下严重的隐患，使得具有损伤的复合材料结构具有突发性和灾难性失效的潜在能力，并且它在损伤、失效等方面的表现却是机理复杂，现象多样，判别困难。因此很有必要对复合材料结构进行全寿命的监测，以确保结构的稳定性和安全性。人们一般通过对飞行器的定期检查防止损伤程度的升级，但对飞行器定期检测和常规维护，需要花费很多的时间和费用，以美国的EF-111A为例，每年的检测工时大约需要8000多个小时。目前已有许多传统的已被广泛应用的无损检测技术，例如敲击、超声、X射线、电涡流射线、电位测量以及热应力场等方法。但是这些检测方法一般设备复杂、耗时耗力，特别是需要对损伤的位置有初步的了解，使用不方便，局限性大，不易做到服役环境下的实时在线监测，不适合未来大型航空、航天飞行器结构的健康监测与诊断。为此可采用被动结构健康监测与无损监测相结合的方法。利用被动结构健康监测方法实时在线获取冲击区域、位置等信息，再利用无损检测对通过被动结构监测获得的冲击区域进行进一步检测，能够大大缩短检测时间，降低维护成本。在被动结构健康监测中，为感受结构状态和环境的各类参数，有多种传感器件可用以监测，压电元件及其测量系统具有成本低、灵敏度高、频响宽、动态范围大等优点，已在健康监测研究中得到了广泛的应用。

但是针对大型航空结构的冲击监测，以采用24路压电元件监测冲击信号为例，按照传统高速数据采集测试方式进行监测信号采集，系统硬件采用商用的4通道高速模拟数据采集卡和4通道电荷放大调理器，那么完成该工程的实验至少需要6张数据采集卡和6台电荷调理器，外加集成此数量所需的带统一控制核心的处理器和机箱。大量应用功能独立、集成度不高的模块直接导致测试环境复杂度和测试系统调试难度的提高，以及系统体积和质量的庞大。然而，对于机载设备而言，要求其的添加不会给飞机造成过大的载重负担，而且飞机机体结构所需监测的面积很大，特别是像我国正处于研制阶段的民用大型客机C919，支持24路压电元件的监测系统是远远不够的，需要大规模的压电传感器阵列才能够满足要求。但是这样又进一步增加了监测系统的体积和质量。同时，大规模传感器阵列及飞机长时间的飞行产生的过多的冗余及无效的信息量也给系统存储器容量提出了严峻的挑战。故现有被动结构健康监测系统并不能够满足冲击监测机载设备的要求。

适用于机载的冲击监测系统必须具备体积小，质量轻，低功耗，安装和使用方便，监测区域大(支持传感器数量大)，同时能够实时响应冲击事件，并能够存储有效冲击信号和定位结果。本发明就是在此基础上提出一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统。

发明内容

技术问题：

本发明要解决的问题是开发一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，该系统采集通道多，监测范围广，可实现组网式监测，硬件资源开销少，系统集成度高，功耗低，适用于机载。该系统满足n路压电传感通道的连续数据采集，能判断冲击信号的到来，并依据定位最有效原则对多个通道采集到的数据进行筛选，保留有效通道的数据进行保存和传输。系统能采用信号处理计算方法得到冲击发生区域及位置。系统可工作于主控模式和受控模式。主控模式下，系统自身按照默认参数指导系统工作，监测数据和区域定位结果存于系统内部的存储卡中，待监测任务完成后通过无线或其他外部接口进行数据的上传。受控模式下，系统受外部设备或总线命令控制。系统最大限度保证监测的快速实时性。

技术方案

本发明是为了解决上述的技术问题，提供一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统。

一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，包括系统电源模块，信号接口模块，触发控制模块，中央处理模块，大容量板载高速存储器模块，无线射频模块，外部交互接口，以及n路压电传感器；外部监测信号通过信号接口模块输入触发控制模块，触发控制模块的输出端与中央处理模块的输入端连接，中央处理模块与大容量板载高速存储器模块双向通信，中央处理模块通过外部交互接口与外部进行数据交互，所述n路压电传感器布置于监测对象上，系统电源模块给上述模块提供电源，其中n为大于1的自然数。

优选地，中央处理模块通过无线射频模块与外部进行数据交互。

优选地，所述触发控制模块包括n个结构相同的高速电压比较器，其中n为大于1的自然数。

优选地，所述中央处理模块由可编程逻辑器件实现，包括逻辑控制模块、自检模块、区域定位模块、通讯模块以及由其内部资源构建的标准参数化模块；标准参数化模块包括n个数据缓存器模块和有效数据和区域定位结果存储器模块；当逻辑控制模块响应触发控制模块信号后，将n个传感器经触发控制模块后的数字布尔量信号存储于n个数据缓存器模块中；同时，逻辑控制模块根据区域定位模块提供的定位结果，将有效传感器对应的数据缓存器中的数字信号存储于有效数据和区域定位结果存储器模块中，并将区域定位模块提供的定位结果也一并存入该存储器模块中；自检模块为系统自身的检测模块，包括传感器检测和硬件检测；通讯模块为各通讯协议服务的，其中n为大于1的自然数。

优选地，所述无线射频模块，通过与无线接收器的通信进行数据和命令的传输。

优选地，所述与外部的交互接口，包括Can总线接口、1553b总线接口、1773光总线接口和串行数据总线接口。

本发明为尽量缩短两次冲击监测的时间间隔，即避免单线程的串行工作，使用可编程器件进行中央处理模块的构建，充发利用可编程器件的并行运行优势，逻辑控制、区域定位、自检、数据保存和数据传输将组成独立的并行工作任务，利用信号量等方式在任务间保持通信，最大限度的保证实时冲击监测。

有益效果

(1)系统具备大型航空结构被动监测的功能电路，可实现冲击区域等冲击信息的确定。

(2)系统采集传感器电信号转换后的数字布尔量信号，极大程度降低了数据的存储负担。

(3)系统自动选择离冲击源最近的若干个传感器，舍弃多余传感器产生的无效信号，降低不必要的存储器硬件资源和总线通讯资源。

(4)系统多任务并行的工作机制，大大缩减两次监测任务的时间间隔，提高冲击监测的实时性。

(5)系统体积小、质量轻、功耗低、适用于机载，便于以网络形式工作，能够完成大规模的传感器阵列监测。

(6)系统提供面向航空机载应用的通用数据传输接口，方便批量数据的下载，同时，支持无线方式的数据传输。

(7)系统工作于主控和受控模式下，既能以独立仪器承担监测任务，也能作为从设备参与更大型综合实验。

附图说明

图1是一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统的结构示意图；

图2是本发明电源分配示意图；

图3是触发控制模块电压比较器实现结构框图，(a)利用比较器芯片实现结构图，(b)利用现场可编程模拟器件实现结构图；

图4是逻辑控制模块构框图；

图5是可编程逻辑器件与外部大容量存储器卡的连接示意图；

图6是无线射频模块的组网示意图；

图7是本发明外部接口连接与接口芯片示意图；

图8是实施例一的整体结构图；

图9是系统组网工作结构示意图；

图10是实施例二的整体结构图。

具体实施方式

实施方式一：

如图1所示，本实施例的一种小型化数字式的大规模传感器阵列实时冲击监测系统，包括系统电源模块，信号接口模块，触发控制模块，中央处理模块，大容量板载高速存储器模块，无线射频模块以及系统与外部的交互接口，包括Can总线接口、1553b总线接口、1773光总线接口和RS232等串行数据总线接口。

如图2所示为整个系统的电源布置情况，系统可接受外部提供的直流航空电源28V供电，系统电源模块将外部提供的电源通过DC/DC转换成系统内部各模块所需电源，包括+1.2V，+3.3V、+5V，这部分电源分别提供给系统内部不同的功能电源输入端。除信号接口模块采用无源的连接方式外，其余模块的电源供给分别为：触发控制模块+5V，中央处理模块I/O供电+3.3V，内核供电+1.2V，高速存储器模块以及系统与外部的交互接口使用+5V电源。考虑系统的集成，+5V电源由DC/DC模块转换得到外，其余低压电源均通过小体积贴片的低压差稳压器实现。同时，系统也可支持5V电源的直接供电。由于系统功耗低的特点，也可以选用电池供电或者结合能量回收的方式对系统进行供电。

触发控制模块的功能是将压电元件产生的模拟电信号转换为数字信号，数字信号的高低电平由模块中设定的参考电压决定，该参考电压由+5V电压分压所得。当实际应用过程中，对参考电压进行调整，可以控制该系统所要监测冲击能量的等级。触发控制模块内部为n个单限电压比较器。将比较器输出结果作为数字布尔量处理。由于冲击信号通常频段处于0.2Hz到500KHz，故选择高速电压比较器芯片进行触发控制模块的构建，如图3(a)所示，或者也可以使用现场可编程模拟器件FPAA进行电压比较器的搭建，如图3(b)所示。

中央处理模块采用现场可编程门阵列器件FPGA实现，它主要包括：逻辑控制模块、自检模块、区域定位模块、通讯模块以及数据存储器模块。其中数据存储器采用FPGA自带的参数化模块库构建完成。

数据存储器包括n个数据缓存器和一个有效数据和区域定位结果存储器。n个数据缓存器用于记录每次冲击事件发生时所有传感器通路上一定时间范围内的数字布尔量信号，有效数据和区域定位结果存储器用于在每次冲击事件发生时，根据区域定位模块的定位结果，将有效传感器通路对应的数据缓存器内部数据和区域定位结果存储于其中。

区域定位模块通过对n个数据缓存器中的布尔量数据进行处理，得出离冲击位置最近的几个传感器通道号，并将处理结果实时输出给逻辑控制模块。

自检模块作为绝对独立的硬件线程在FPGA内部工作，通过模块中的定时器设置，等间隔地对整个系统进行自检测工作，检测内容包括传感器和硬件系统自身。若发现传感器失效，则将该传感器从阵列结构移除，如硬件系统自身出错，则终止工作，并发出警报。

图4所示为逻辑控制模块的结构框图，它包括有：时钟产生模块、触发判断模块、连续采集模块、信息转存模块、信息传输模块和事件处理模块组成。首先，信息传输模块获取外部响应的配置信息，进行初始化配置；触发判断模块对输入进FPGA的n路数字信号进行高电平检测，当出现高电平信号时，启动连续采集模块，以一定的采样率对数字信号进行采集，采集到的数字信号存储于FPGA内部构建的数据缓存器中。信息转存模块根据区域定位模块提供的定位信息对有效传感器对应数字信号及区域定位结果进行转存，并使用信息传输模块将其存储至外部大容量存储器中。时钟产生模块用于产生其余各模块所需的时钟信号。事件处理模块主要是对自检模块产生的结果及其余模块的反馈信号进行处理。

通讯模块为无线射频模块和外部交互接口服务，将需要传递的数据按照一定协议格式和时序发送给外部模块。

外部大容量高速数据存储器采用CF卡实现。CF卡功耗较低，容量相对较大，速度快，价格便宜。如图5所示，通过外部存储器控制模块内地址通路模块、控制命令产生模块和数据通路模块相互配合，为CF卡提供正确的地址、数据和控制命令，从而将采集得到的数据源源不断的保存入该器件中。

图6为无线射频模块的工作模式，该模块与外部控制中心提供的无线基站通信，在系统接收到相关指令时，无线射频模块将数据发送至基站，当监测结构庞大，使用若干冲击监测设备进行组网工作时，无线传输的方式可以规避系统与外部控制中心复杂连线的问题。通过基于IEEE802.15.4预先设计的网络通信协议将数据传递到基站，最终移交外部控制中心进行分析处理。

如图7所示为所设计系统与外部总线的通讯连接方式。包括有CAN总线的通信方式、 1553B的通信方式、1773的光通信方式和RS232串行的通信方式。当外部设计使用CAN总线通信模式时，系统采用内部的CAN控制器和CAN总线收发器将完成两者之间的命令和数据交互。当外部设计使用1553B总线通信模式时，系统内部采用1553B总线协议芯片完成系统与外部的交互。当外部设计使用1773光总线通信模式时，系统内部采用1773光总线控制芯片完成系统与外部的交互。

本实施例如图8所示。整体硬件集成在嵌入计算机整体式铝合金散热外壳内，各个模块以堆叠方式相互支撑。各个板卡从上往下堆叠次序依次为系统电源模块组成的1号板，触发控制模块和中央处理模块和大容量存储器组成的2号板，无线射频组成的3号板、由CAN控制器和收发器组成的4号板和1553B协议芯片、1773光总线控制芯片和串口通信芯片组成的5号板。其中，3、4、5号板卡为可选板卡，根据特定的应用场合进行合理的配置。压电传感器信号经由信号接口模块电路板，从设备机箱外侧引入。实际系统设备体积做到80mm*60mm*30mm。图9为系统以组网的形式完成大规模传感器阵列监测的结构示意图。

实施方式二：

实施方式二与实施方式一采用相同的设计原理，但是在具体的物理实现方面有所不同。实施方式二的电路制版采用柔性电路板制作，并将压电传感器集成进柔性电路板当中，形成自带处理电路的压电夹层的整体概念。将柔性板整体粘贴于被监测结构表面，省去了系统与压电传感器连线过程，增强了系统的可靠性。图10为实施方式二的整体结构示意图。

Claims

1.一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，其特征在于，包括系统电源模块，信号接口模块，触发控制模块，中央处理模块，大容量板载高速存储器模块，无线射频模块，外部交互接口，以及n路压电传感器；外部监测信号通过信号接口模块输入触发控制模块，触发控制模块的输出端与中央处理模块的输入端连接，中央处理模块与大容量板载高速存储器模块双向通信，中央处理模块通过外部交互接口与外部进行数据交互，所述n路压电传感器布置于监测对象上，系统电源模块给上述模块提供电源，其中n为大于1的自然数。

2.如权利要求1所述的一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，其特征在于，中央处理模块通过无线射频模块与外部进行数据交互。

3.如权利要求1所述的一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，其特征在于，所述触发控制模块包括n个结构相同的高速电压比较器，其中n为大于1的自然数。

4.如权利要求1所述的一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，其特征在于，所述中央处理模块由可编程逻辑器件实现，包括逻辑控制模块、自检模块、区域定位模块、通讯模块以及由其内部资源构建的标准参数化模块；标准参数化模块包括n个数据缓存器模块和有效数据和区域定位结果存储器模块；当逻辑控制模块响应触发控制模块信号后，将n个传感器经触发控制模块后的数字布尔量信号存储于n个数据缓存器模块中；同时，逻辑控制模块根据区域定位模块提供的定位结果，将有效传感器对应的数据缓存器中的数字信号存储于有效数据和区域定位结果存储器模块中，并将区域定位模块提供的定位结果也一并存入该存储器模块中；自检模块为系统自身的检测模块，包括传感器检测和硬件检测；通讯模块为各通讯协议服务的，其中n为大于1的自然数。

5.如权利要求1所述的一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，其特征在于，所述无线射频模块，通过与无线接收器的通信进行数据和命令的传输。

6.如权利要求1所述的一种小型化数字式的大规模传感器阵列冲击监测系统，其特征在于，所述与外部的交互接口，包括Can总线接口、1553b总线接口、1773光总线接口和串行数据总线接口。