CN104914324A - 电磁效应测试 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电磁效应测试。一种装置包括电路板、在电路板上的Rogowski线圈、在电路板上的永久性数据存储装置以及在电路板上的控制电路，控制电路用于收集表示由线圈感测到的电流的值并且将这些值存储在永久性存储器中。

Description

电磁效应测试
背景技术
雷击是飞机、发电、石化行业的关注点。这些行业中的某些结构很容易受到雷击。非常热的大电流闪电通道会附着到这些结构并且造成物理损伤。
可以进行实验室测试以研究雷电对结构的影响。例如，将诸如Rogowski线圈的多个传感器附连到结构，并且每个传感器被线连接到电源和示波器。接着将雷电波形施加到该结构，并且当波形被施加时，由传感器获取的测量值流传输到示波器。这些测量值揭示雷击电流通过结构的路径。数据在流传输期间会被损坏。期望减少数据损坏。
发明内容
根据此处的实施例，一种装置包括电路板、在电路板上的Rogowski线圈、在电路板上的永久性数据存储装置以及在电路板上的控制电路，该控制电路用于收集表示由线圈感测到的电流的值，并且将这些值存储在永久性存储器上。优选地，该装置包括用于与计算机无线通信的无线发射器，并且该计算机被进一步编程以处理收集到的信息，从而绘制在EME事件期间流过结构的EME电流的路径。根据本公开的另一方面，实施例提供了一种用于分析电磁效应(EME)事件期间的结构的系统，该系统包括被固定到结构的多个装置。优选地，系统进一步包括计算机，该计算机被编程以查询装置从而收集关于EME事件期间流过结构的电流的信息，该装置在EME事件已经结束之后被查询。
根据此处的另一实施例，一种电流感测装置包括电磁效应(EME)电流传感器以及控制电路，该控制电路用于缓存来自电流传感器的值，使用这些值检测EME事件，并且根据在EME事件之前紧挨着的第一时段和在EME事件之后紧接着的时段期间缓存的那些值来构造完整的电流波形。有利地，电流传感器包括Rogowski线圈，并且进一步包括永久性数据存储装置，其中控制器将完整电流波形存储在永久性数据存储装置中并且基于请求而输出完整波形。
根据此处的另一实施例，一种方法借助紧固件将多个电路板固定到结构。每个电路板包括围绕紧固件之一的Rogowski线圈。该方法进一步包括从线圈收集传感器测量值并且将测量值存储在电路板上；以及使结构经受EME事件，同时继续从线圈收集额外的传感器测量值并且将额外的传感器测量值存储在电路板上。在EME事件结束之后，从电路板获取存储的测量值。
这些特征和功能可以在各种实施例中独立地被实现，或者可以在其他实施例中被组合。实施例的进一步的细节可以参照以下描述和附图得知。
附图说明
图1是EME电流感测装置的示图。
图2是用于感测结构中的EME电流的系统的示图。
图3是复合结构的示图。
图4是感测结构中EME电流的方法的示图。
图5是EME电流感测装置的示图。
图6是由图5的EME电流感测装置的控制器所执行的某些功能的示图。
图7是从在检测到的EME事件之前和之后的时间段期间存储的值所构建的电流波形的示图。
具体实施方式
参照图1，其示出了用于感测电磁效应(EME)电流的装置110。电流感测装置110包括电路板120和在电路板120上的Rogowski线圈130。Rogowski线圈130围绕金属芯(例如，紧固件)并且用作电流传感器。Rogowski线圈130响应于流过芯的EME电流而产生瞬态脉冲。
电流感测装置110进一步包括在电路板120上的控制电路140和永久性数据存储装置150。控制电路140收集表示由Rogowski线圈130感测的电流的值。例如，控制电路140包括用于对由Rogowski线圈130产生的瞬态脉冲进行积分的模拟积分器、用于将来自积分器的模拟值转换到数字值的模数(A/D)转换器、以及用于将数字值存储在永久性数据存储装置150中的控制器。永久性数据存储装置150可以包括随机存取存储器。
控制电路140和数据存储装置150可以由铁磁屏蔽件保护以避免EME。铁磁屏蔽件可以包围控制电路140和数据存储装置150。
多个这些EME电流感测装置110可以被用于感测流过结构的EME电流。例如，多个感测装置110可以被用于研究雷击对结构的影响。
参照图2，其示出用于感测在EME事件期间流过结构200的EME电流的系统210。该系统210包括固定到结构200的多个220EME电流感测装置110。这些感测装置110中的一些可以被固定到结构200的上表面，并且这些感测装置110中的一些可以被固定到结构200的下表面。对于具有固定在一起的(多个)零件的结构200，这些感测装置110中的一些可以被夹在零件之间。可以通过将紧固件330插入穿过电路板120中的孔并且穿过Rogowski线圈130，以此将感测装置110固定到结构200。
考虑图3中所示的结构200的示例。结构200包括第一复合零件310和第二复合零件320，它们通过金属紧固件330(图3中仅示出单个紧固件330)固定在一起。零件310和320可以由复合材料制成，例如碳纤维增强塑料(CFRP)。可以通过将电路板120夹紧在零件310和320之间，使紧固件330延伸穿过Rogowski线圈130，以此将感测装置110固定到图3的结构200。控制电路140和数据存储装置150位于电路板120的末端。当结构200经受EME事件时，电流可能流过紧固件330。例如，如果雷电附着到紧固件330的头部，则电流可能以箭头的方向流过紧固件330。或者，如果EME电流沿着复合零件310的表面流动并且接着到达紧固件330，则电流可能以箭头的方向流过紧固件330。Rogowski线圈130感测流过紧固件330的电流。
在某些实施例中，系统210可以进一步包括EME电流的人造源。例如，人造源可以包括电流产生器。在其他实施例中，EME电流的源可以是自然的。例如，该结构可以被放置在暴露于雷电的环境中。当以千安计的EME电流被施加到结构200时，EME事件发生。
系统210进一步包括基站，该基站包括计算机230，该计算机被编程以查询感测装置110，从而获取关于在EME事件期间流过结构200的EME电流的信息。该查询可以在EME事件已经发生之后进行。当被查询时，每个感测装置110可以提供其缓存的数字值和/或附加的信息(例如，完整的电流波形)。基站计算机230和电流感测装置110之间的通信可以是有线的或者无线的。
基站计算机230可以被编程以处理收集到的信息，从而绘制流过结构200的电流的路径。电流进入结构200的入口点可以是电流被施加到结构200的点。入口点可以是或可以不是紧固件。电流离开结构200的出口点可以由接地方式确定。在入口点和出口点之间，感测装置110提供在每个紧固件中的电流的测量值。借助这些已知的点和测量值，可以生成结构200中的电流的3D图。3D图揭示EME电流如何经由紧固件从表面到表面传递。
电流测量值可以包含时间戳。时间戳指示相对于EME事件的检测，测量值是何时得到的。借助这些时间戳，3D图还可以指示在每个紧固件处电流的上升时间。
参照图4，其示出使用系统210来绘制在EME事件期间穿过结构200的电流的流动的方法。在方框410处，将多个220EME电流感测装置110固定到结构200。在方框420处，电流感测开始，其中电流感测装置110开始感测电流并且存储表示感测到的电流的值。例如，当电流感测装置110通电时，电流感测可以开始。
在方框430处，使结构200经受EME事件。在EME事件期间，电流检测装置110继续存储表示感测到的电流的值。
可以在实验室或野外使结构200经受EME事件。作为野外测试的示例，具有附连的电流感测装置110的结构200可以在气象气球中被发送至雷电风暴。如果雷电在风暴期间附着到结构200，则感测装置110将感测在结构200中流过的电流并且存储表示电流的值。
作为在实验室中测试的示例，将多个感测装置110固定到飞机机翼的实体模拟(mock up)内部的不同位置。接着通过将波形注入到机翼来模拟雷击。
在方框440处，在EME事件已经结束之后，从感测装置110获取存储的值。例如，基站计算机230轮询电流感测装置110，并且作为响应，装置110将存储的信息发送到基站计算机230。
因为EME事件已经平息(settle)，所以EME事件不会损坏发送到基站计算机230的信息。除了在测试期间不损坏信息之外，昂贵的示波器也不必被使用。不使用示波器使得能够使用更多数目的传感器(因为它们不受使用中的示波器的数量限制)。
此外，感测装置110和基站计算机230之间的通信可以是无线的，从而消除了导线并且减小了安装/建立时间。除了减少昂贵的测试设备之外，测试程序也被流线化(streamlined)。
参照图5，其示出了电流感测装置510的示例。装置510包括多层印刷电路板520。可以在印刷电路板520上形成Rogowski线圈530，如受让人的美国专利7,532,000中所描述的。对于6层印刷电路板520的示例，层2-5被用于生成形成Rogowski线圈530的环路。这些环路可以是对称的。印刷电路板520的层1和层6可以被用作地平面，以减小噪声。不需要针对Rogowski线圈530的铁磁屏蔽件。
控制电路540也被安装在印刷电路板520上。控制电路540包括靠近Rogowski线圈530的积分放大电路542。积分放大电路542可以利用在受让人的美国专利7,532,000中所描述的无源积分器。无源积分器包括可变电阻器和电容器。
在替换中，积分放大电路542可以利用有源积分器。有源积分器可以包括运算放大器。
控制电路540进一步包括模数(A/D)转换器546，用于将积分放大电路542的输出从模拟值转换到数字值。该控制电路540进一步包括控制器544。在图6中示出由控制器544执行的某些功能。
再参照图6。在电流感测的开始，控制器544复位积分放大电路542(方框610)。在积分时段结束时，控制器544读取来自A/D转换器546的数字值(方框620)。该数字值表示由Rogowski线圈530感测到的电流。接着，控制器544在数据存储装置550中缓存数字值(方框630)。控制电路540可以进一步包括时间基准548(例如，系统时钟)，控制器544可以使用该时间基准将时间戳添加到每个缓存的值。
控制器544还分析每个缓存的值，以检测EME事件的发生(方框640)。该检测可以例如通过将缓存的数字值与阈值进行比较来执行。该阈值可以是例如至少约50微秒的阈值时间段(P0)，在该时间段中，发生电流值的连续上升E，如图7所示。控制器544在数据存储装置550中缓存额外的值，直到阈值被超过(即，重复方框610-640)。当阈值被超过时，控制器544引用(refer to)时间基准460，用于检测到的EME事件的时间。
再参照图7。在检测到EME事件之后，控制器544继续缓存额外的值，持续在EME事件已经被检测到之后的第一时间段(P1)(方框650)。第一时间段(P1)开始于EME事件被检测到的时间tEME，并且在时间t1处结束。在第一时间段(P1)结束之后，控制器544根据缓存的值构造完整的电流波形(方框660)。控制器544可以丢弃在时间t0之前缓存的所有值，并且保持在从时间t0到时间tEME的第二时间段(P0)期间缓存的所有值。因此，该第二时间段(P0)在EME事件被检测到的前一刻发生。作为一个示例，第二时间段(P0)具有至少约50微秒的持续时间，并且第二时间段(P1)具有不超过300-450微秒的持续时间。
接着，控制器544组合在两个时间段期间存储的值，以基于在这两个时间段期间存储的这些值构造完整的电流波形W。完整的电流波形W也被存储在数据存储装置550中。
完整的电流波形W提供关于由于雷击或其他EME事件而流过紧固件的电流的有价值的信息。例如，完整波形的前边缘E揭示了紧固件中的电流的上升时间。在单个紧固件中的上升时间可以提供关于由EME事件引起的电压的信息。在不同的紧固件中的上升时间的比较可以提供关于电流如何流过结构的信息(例如，电流是被分散开还是被延迟)。
接着，控制器544基于请求输出波形(方框670)。例如，控制器544等待来自基站计算机的查询。一旦查询被接收到时，控制器544将完整波形发送到基站计算机。
电流感测装置510可以进一步包括无线电系统560，用于与基站计算机的无线通信。无线电系统560可以遵循协议，例如RFID、蓝牙、WiFi、Zigbee或者其他无线协议。
电流感测装置510可以从外部源接收操作电力。电流感测装置510还可以包括用于备用电源的电池(未示出)。
因此，数据采集、数据存储以及无线传输都在相对小的单个印刷电路板520上执行。印刷电路板520可以具有仅几英寸的长度。
将积分放大电路542放置得靠近Rogowski线圈530，这也降低了瞬态脉冲的噪声。与之相比，经由导线发送到远程位置的脉冲将更暴露于EME事件。
以上描述的感测装置110和510可以在每一电路板120和520上仅具有单个Rogowski线圈。然而，此处的感测装置并不受此限制。某些实施例可以包括多个Rogowski线圈，用于感测流过多个紧固件的电流。可以为每个Rogowski线圈提供专用控制电路。
感测装置110和510不限制于感测流过紧固件的电流。感测装置可以感测流过柱、导线或者能够适配在Rogowski线圈内的任何其他物体的电流。

Claims (13)

1.一种装置，其包括：
电路板；
在所述电路板上的Rogowski线圈；
在所述电路板上的永久性数据存储装置；以及
在所述电路板上的控制电路，用于收集表示由所述线圈感测的电流的值并且将所述值存储在所述永久性存储器中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路板是多层印刷电路板；并且其中所述Rogowski线圈在所述电路板的多个层中形成。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制电路包括响应于所述线圈的模拟积分器。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括覆盖所述数据存储装置和所述控制电路的铁磁屏蔽件。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述电路板具有几英寸的长度。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制电路包括控制器，所述控制器被配置为使用表示由所述线圈感测到的电流的值来检测电磁效应事件即EME事件，并且在检测到所述EME事件之后将该值存储持续第一时间段。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述控制电路被进一步配置为基于在所述EME事件之前紧挨着的第二时间段期间存储的那些值和在所述EME事件之后紧接着的第一时间段期间存储的那些值来构建电流波形。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一时间段是至少50微秒，并且所述第二时间段在300微秒和450微秒之间。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述控制电路被配置为响应于接收到外部查询而发送所述电流波形。
10.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括用于发送所述完整电流波形的无线发射器。
11.一种方法，其包括：
使用紧固件将多个电路板固定到结构，每个电路板包括围绕所述紧固件之一的Rogowski线圈；
从所述线圈收集传感器测量值并且将所述测量值存储在所述电路板上；
使所述结构经受电磁效应事件即EME事件，同时继续从所述线圈收集额外的传感器测量值并且将所述额外的传感器测量值存储在所述电路板上；以及
在所述EME事件已经结束之后，从所述电路板获取所存储的测量值。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括使用表示由所述线圈感测到的电流的测量值来检测所述EME事件，并且根据所述测量值构造电流波形，其中每个波形是根据在检测到的EME事件之后紧接着的第一时间段和在检测到的EME事件之前紧挨着的第二时间段期间缓存的那些测量值来构造的。
13.根据权利要求12所述的方法，其中在所述EME事件已经结束之后输出所述波形。
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