CN102590788A - 多余物时差定位方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多余物时差定位方法及系统。通过预先在圆台状舱段上设置固定压电换能器接收多余物信号，再通过信号处理装置使用时差定位法确定多余物信号的信号源位置。采用本发明所提供的多余物时差定位方法及系统进行多余物定位，可以帮助检测人员确定多余物在舱段中的具体位置，方便活动多余物的清楚，而且还可以帮助区分舱段中某些活动部件信号，减少活动多余物信号分析时间。

Description

多余物时差定位方法及其系统

技术领域

本发明涉及无损检测领域，特别是指一种定位方法及其系统。

背景技术

航空航天系统对于产品的可靠性有很高的要求，严格预防和控制产品内部的多余物。对于电子电路和元器件、继电器等小型器件，采用颗粒碰撞噪声检测方法(PIND)检测多余物，检测灵敏度高，但该方法采用单压电换能器检测，振动激励装置功率低，仅能检测质量不大于500g的小型产品，并且对于大型产品内多余物的检测只能分段、分区域检测。对于弹上仪器，采用摇动条件下压电换能器采集活动多余物信号，根据信号波形特征识别活动多余物位移信号，或采用目视或振动或摇动条件下耳听的方法。对于大型圆台状舱段产品，均采用目视或振动或摇动条件下耳听的方法检测活动多余物。但该种方法受人的视觉和听觉及外部环境的影响大，仅能检测较大活动多余物，灵敏度低，活动多余物漏检高，不能对活动多余物进行较准确的定位。现有技术中也存在采用多换能器的区域定位的方法，该方法简单直观，但定位粗糙，多余物查找清除困难。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种多余物时差定位方法及其系统。该多余物时差定位方法及其系统能够用于航天领域金属柱状舱段内活动多余物的检测和定位。

基于上述目的本发明提供的多余物时差定位方法，应用于舱体的多余物检测，包括以下步骤：

在舱段面上至少三个固定位置接收多余物在舱内产生的混响信号，可选的，信号接收装置至少有四个。

在所述固定位置以预设的触发值为基准进行计时。

依据所述接收混响信号的固定位置处发送来的时间记录以及在舱段面上接收所述混响信号固定的位置，将接收信号位置的点展开到同一平面，利用时差定位法计算确定出所述声波信号的信号源位置。

同时，本发明提出一种应用于舱体的多余物时差定位系统，其特征在于，包括至少三个信号接收装置和信号处理装置；所述信号接收装置分散布设于舱体表面，用于接收舱段面震动的声波信号并记录接收信号的时间；所述信号处理装置与信号接收装置相连接，依据所述信号接收装置发送来的时间记录以及所述信号接收装置在舱段面上固定的位置，利用时差定位法计算确定出所述声波信号的信号源位置。

可选的，所述信号接收装置为固定于舱段上的压电换能器，所述压电换能器有四个以上，分别位于圆台状舱段的两个端面上，每个端面上固定有两个压电换能器，呈十字交叉状排布；接收信号时，所述信号接收装置按照预先设定的信号触发值为基准，接收到的信号强度达到所述基准时开始计时。可选的，所述触发值为信号的上升沿触发值。

接收到所述信号接收装置所发出的信息之后，所述信号处理装置按照时差定位的方法确定信号源的位置。

从上面所述可以看出，本发明提供的多余物时差定位方法及其系统，采用多通道检测技术，首次将时差定位技术应用于多余物检测，实现了对多余物的三维定位，具有较高的精确度。采用该方法和模块进行多余物的定位，可以检测尺寸更大产品内的活动多余物，还可以对活动多余物混响信号源进行定位。且采用该方法和模块不依赖人的感官，减少了检测人员身体条件的客观限制，灵敏度高，保证了产品性能可靠性；检测准确，对于较小活动的多余物也能够检测到。采用本发明所提供的多余物时差定位方法及其系统对活动信号源的定位，不仅可以帮助检测人员确定活动多余物在舱段中的具体位置，方便活动多余物的清除，而且还可以帮助区分舱段中某些活动部件信号，减少活动多余物信号分析时间。

此外，本发明采用多通道多换能器检测技术，不仅可以实现对舱段的一次性全舱段检测，还可以对活动多余物信号发生源进行定位，是目前为止多通道信号分析中定位最准确的技术。

附图说明

图1为本发明实施例的多余物定位方法流程图；

图2为本发明实施例的换能器阵列示意图；

图3为本发明实施例的信号到达时间确定示意图；

图4为本发明实施例换能器阵列平面展开示意图；

图5为本发明实施例定位原理示意图；

图6为本发明实施例的多余物定位系统组成结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

活动多余物在舱段中位移时将发生二个过程：滑动过程、撞击过程，该过程是滑动过程与撞击过程的一个随机组合过程。在舱体壁的滑动和撞击中舱段壳体材料中将传播弹性应力波和声形成的混响信号。采用压电换能器拾取混响信号，通过测量不同压电换能器接收信号的时间差，结合舱段声速及压电换能器的间距及几何分布，就可以对信号源进行定位。

采用本发明所提供的测量方法，需提前测量确定舱段材料的声速。所述声速的测量方法为：使用两个压电换能器固定在舱段面上，间隔一定的距离，在换能器间采用落球法制造信号，测量两个压电换能器间时间差，根据压电换能器与信号源的位置差，计算材料声速。舱段材料的声速确定之后，即可根据本发明所提供的多余物时差定位方法来确定多余物的位置。具体如下述实施例。

图1为本发明实施例所提供的多余物时差定位方法流程图。具体处理流程如下：

步骤11：为准备步骤，在舱段内的至少三个固定位置设置信号接收装置。

步骤12：接收多余物在舱内碰撞舱面产生的混响信号。

步骤13：以预设的触发电平为基准进行计时。

步骤14：依据所述在舱段内接收混响信号的固定位置(即信号接收装置)发送来的时间记录以及混响信号接收的位置，利用时差定位法来计算并确定多余物的位置。

本发明实施例步骤11所述的换能器按照图2所示的方式设置。本实施例在所述接收混响信号的固定位置处设置有信号接收装置。作为一个实施例，所述信号接收装置为压电换能器。

图2包括圆台状舱段1，压电换能器2。在本实施例中，压电换能器2设有四个，其编号分别为1#、2#、3#、4#，按照图中所示，固定在圆台状舱段1的两个端面，每个端面固定两个，成十字交叉状布置，固定之后，进行灵敏度调试。本实施例中，每个压电换能器2的中心频率为150Hz，带宽50kHz-500kHz。多余物在舱段内活动的时候会导致舱段材料的振动，产生声波，该声波能够被固定在圆台舱段1上的四个压电换能器2检测到。由于圆台状舱段1外观尺寸一定，四个压电换能器2的位置固定后，通过精确测量舱段材料的声速，再计算出各压电换能器2所接收到的声波的时差，即可计算确定活动多余物信号发生源在舱段的位置。信号定位的轴向偏差小于±150mm，满足活动多余物查找的精度要求。

步骤12所述的接收信号示意图如图3所示。

在步骤13中为确定信号到达，本实施例提前预设一个信号上升沿幅值作为所述的触发值，该上升沿幅值的触发值可以依据试验或者操作人员的经验设定，信号上升沿幅值在本实施例中设置值为5-6dB，以设置的触发值为基准，在四个接收混响信号的固定位置处同步检测，当所接收到的信号幅值达到触发值的时候分别开始计时，通过所述接收混响信号的固定位置所记录的时间即可得到信号接收的时间差。此外，步骤13中所述触发值也可以通过其他方式设置，例如信号下降沿幅值作为所述的触发值等。

步骤14的具体实施如图4、图5所示。本实施例中信号接收装置为四个，计算时将所述接收信号的固定位置的点展开到同一平面，其平面展开图如图3所示。根据圆台状舱段1的开口位置，在舱段两个端面以十字交叉的方式分别固定两个压电换能器2。将压电换能器2的位置信息按照图2所建立的坐标轴进行输入。在本实施例中，将四个换能器设置为两个端面十字交叉排布，在实际操作中，可根据舱段的情况、换能器安装的简易程度等条件采用其它排布方式。

步骤14中所述的时差定位法，其原理如图5所示。时差定位的原理为：四个接收混响信号的固定位置点分别为S1、S2、S3、S4，这四个点的坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)。在点P上有一信号源，其坐标为(x，y)，距离S1点的距离为R。信号源距离S1、S2、S3、S4的距离差用ΔS₁、ΔS₂、ΔS₃和ΔS₄表示。则ΔS₁和ΔS₂可用下述方程式计算：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔS}}_1={\mathrm{PS}}_2-{\mathrm{PS}}_1={\mathrm{\ΔT}}_{1}c\\ {\mathrm{\ΔS}}_2={\mathrm{PS}}_3-{\mathrm{PS}}_1={\mathrm{\ΔT}}_{2}c\end{array}\right.---\left(1\right)$

在公式1中，c为信号在介质中传播的速度，即舱段材料振动时产生的声速。ΔT₁、ΔT₂，为信号到达S2、S1以及到达S3、S1的时间差，在图4中分别体现为曲线3、曲线4。

从图4所示的距离关系可以得到如下的方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2=R^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2={(R+{\mathrm{\ΔS}}_1)}^2\\ {(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2={(R+{\mathrm{\ΔS}}_2)}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

通过求解方程1、方程2构成的方程组，可以找到曲线3和曲线4的交点，从而可以计算出信号源的位置。

虽然在实际操作中可以设置三个接收混响信号的固定位置，但由于对任意三角形探头阵列面多余物信号源定位，求解方程1和方程2有时会得到曲线3和曲线4的两个交点，即会得到一个真实的信号源和一个伪信号源。为了求解出唯一的多余物信号源，本实施例求解方程1、方程2之后，还需在S1、S2、S3、S4中选取其它三个点，例如，选取S1、S2、S4三点，组成下述方程组：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔS}}_1={\mathrm{PS}}_2-{\mathrm{PS}}_1={\mathrm{\ΔT}}_{1}c\\ {\mathrm{\ΔS}}_2={\mathrm{PS}}_4-{\mathrm{PS}}_1={\mathrm{\ΔT}}_{2}c\end{array}\right.---\left(3\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2=R^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2={(R+{\mathrm{\ΔS}}_1)}^2\\ {(x-x_4)}^2+{(y-y_4)}^2={(R+{\mathrm{\ΔS}}_4)}^2\end{array}\right.---\left(4\right)$

通过求解方程3、方程4构成的方程组，可以再次得到ΔT1，ΔT2的交点，两次求解方程的所计算出的共同交点即是多余物信号源所在的位置。

从上面所述可以看出，本发明提供的多余物时差定位方法及其系统，采用多通道检测技术，将时差定位技术应用于多余物检测，实现了对多余物的三维定位，具有较高的精确度。相对于现有技术，本发明所提供的多余物时差定位方法可以检测尺寸更大产品内的活动多余物，还可以对活动多余物混响信号源进行定位。同时，该方法能够通过相关方程准确地计算出多余物的位置，减少了波形和特征分析的难度和工作量，有效区分活动部件引起的信号和多余物信号，大大方便了多余物的查找。

上述实施例在舱段上设置四个接收混响信号的固定位置，在其它实施例中，也可以根据舱段的表面情况，设置其它数目的压电换能器，且所述接收混响信号的固定位置其分布也可以根据舱段的状况采用另外的布置。

依据上述多余物时差定位方法，本发明进一步提出一种多余物时差定位系统，依据图1所示的方法进行多余物的定位。所述时差定位系统如图6所示，包括信号接收装置61和信号处理装置62。所述信号接收装置5为设置在舱段上四个固定位置处的压电换能器，用于接收混响信号。作为一个实施例，所述压电换能器，分别位于舱段两个端面上，成十字交叉状排布。所述信号处理装置6接收并处理信号接收装置所收到的信号，并按照上述方法所述的原理进行处理，计算出信号源的位置。由于本发明所提供的系统采用了多通道检测技术，使可检测产品的尺寸及质量有了较大提高。采用高灵敏度的压电换能器采集活动多余物混响信号，检测灵敏度有了很大的提高，减少了检测人员身体条件的客观限制，保证了产品可靠性。

从上面所述可以看出，本发明所提供的多余物时差定位系统和方法，可以有效查找出多余物信号源在舱段中的位置，对比现有技术所采用的单压电换能器检测，采用多通道多换能器检测技术，不仅可以实现对舱段的一次性全舱段检测，还可以对活动多余物信号发生源进行定位。时差定位也是多通道信号分析中定位最准确的技术，通过实验测量该系统的定位误差，结果显示，定位点误差小于150mm，该误差能够达到多余物定位的精度要求。对活动多余物信号源进行定位，不仅可以帮助检测人员确定活动多余物在舱段中的具体位置，方便活动多余物的清除，而且还可以帮助区分舱段中某些活动部件信号，减少活动多余物信号分析时间。本发明不仅可以应用与圆台形状的舱体，还可以应用于例如圆柱、圆锥等其他形状的舱体检测。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种应用于舱体的多余物时差定位系统，其特征在于，包括至少三个信号接收装置和信号处理装置；所述信号接收装置分散布设于舱体表面，用于接收舱段面震动的声波信号并记录接收信号的时间；所述信号处理装置与信号接收装置相连接，依据所述信号接收装置发送来的时间记录以及所述信号接收装置在舱段面上固定的位置，利用时差定位法计算确定出所述声波信号的信号源位置。

2.根据权利要求1所述的多余物时差定位系统，其特征在于，所述信号接收装置为固定于舱段上的压电换能器。

3.根据权利要求1所述的多余物时差定位系统，其特征在于，所述信号接收装置包括至少四个压电换能器。

4.根据权利要求3所述的多余物时差定位系统，其特征在于，所述信号接收装置分别位于圆台状舱段的两个端面上，每个端面上固定有两个压电换能器，呈十字交叉状排布。

5.根据权利要求1所述的多余物时差定位系统，其特征在于，所述信号处理装置按照时差定位的方法确定信号源的位置。

6.根据权利要求1所述的多余物时差定位系统，其特征在于，所述信号接收装置按照预先设定的信号触发值为基准，接收到的信号强度达到所述基准时开始计时。

7.根据权利要求6所述的多余物时差定位系统，其特征在于，所述以预设的触发值为基准进行计时包括按照预先设定的信号上升沿触发值为基准，接收到的信号强度达到所述基准时开始计时。

8.一种应用于舱体的多余物时差定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

在舱段面上至少三个固定位置接收多余物在舱内产生的混响信号；

在所述固定位置以预设的触发值为基准进行计时；

依据所述接收混响信号的固定位置处发送来的时间记录以及在舱段面上接收所述混响信号固定的位置利用时差定位法计算确定出所述声波信号的信号源位置。

9.根据权利要求8所述的多余物时差定位方法，其特征在于，所述以预设的触发值为基准进行计时包括按照预先设定的信号上升沿触发值为基准，接收到的信号强度达到所述基准时开始计时。

10.根据权利要求8所述的多余物时差定位方法，其特征在于，依据所述接收混响信号的固定位置处发送来的时间记录以及在舱段面上接收所述混响信号固定的位置计算确定出所述声波信号的信号源位置，包括将接收信号位置的点展开到同一平面，并采用时差定位法进行多余物定位。

11.根据权利要求7所述的多余物时差定位方法，其特征在于，在舱段面上接收混响信号的固定位置至少有四个。

12.根据权利要求11所述的多余物时差定位方法，其特征在于，采用时差定位法计算的步骤为：

设各接收混响信号的固定位置所在的点为S1、S2、S3、S4，其坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)、(x3，y3)、(x4，y4)，选取其中三点S1、S2、S3进行第一次计算，设信号远的坐标为P(x，y)其所依据的方程为

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔS}}_1={\mathrm{PS}}_2-{\mathrm{PS}}_1={\mathrm{\ΔT}}_{1}c\\ {\mathrm{\ΔS}}_2={\mathrm{PS}}_3-{\mathrm{PS}}_1={\mathrm{\ΔT}}_{2}c\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{x}^2+y^2=R^2\\ {(x-x_2)}^2+{(y-y_2)}^2={(R+{\mathrm{\ΔS}}_1)}^2\\ {(x-x_3)}^2+{(y-y_3)}^2={(R+{\mathrm{\ΔS}}_2)}^2\end{array}\right.---\left(2\right)$

求ΔT₁和ΔT₂的交点；

再选取其中另外任意三点，将对应坐标值代入上述两个方程，再次求解ΔT₁和ΔT₂的交点，两次求解重合的点即是多余物信号源所在的位置；

其中，所述ΔS₁、ΔS₂为信号源距点S1、S2的距离，ΔT₁、ΔT₂为信号到达所述S1、S2以及到达所述S3、S4的时间差；c为舱段材料的声速，为多余物定位之前测量并设定的参数，R为P与S1的距离。

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