CN110068612A - 一种多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统 - Google Patents

Abstract

一种多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统。其包括检测平台、移动平台、监视平台、处理平台和控制平台，其中：检测平台、监视平台和处理平台安装在移动平台上；检测平台、移动平台和监视平台与处理平台连接，处理平台与控制平台连接。本发明将传统的敲击检测方法与振动理论相结合，避免了传统敲击检测方法中人为主观限制因素，可减小误差，使判断结果更准确；利用Levy法将传统的单点损伤检测拓展到区域性的损伤检测；利用ART法，将识别参数进行可视化处理，并得到损伤区域分布图。本发明可通过建立数据库，对比历史检测数据将其应用于复合材料健康管理中，并还可将其扩展到其它材料的无损检测领域；主要可面向航空公司、机场进行销售。

Description

一种多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统

技术领域

本发明属于人工智能技术领域，特别是涉及一种多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统。

背景技术

目前，飞机复合材料现场维修的检测方式有两种：小锤敲击法、手持式数字敲击仪检测法。

小锤敲击法：由检测人员利用小锤等工具敲击机身表面，通过仔细辨别敲击声音的差异来查找损伤缺陷。该方法虽然被普遍使用，但其严重依赖于操作人员的敲击方法和主观经验判断，且易造成漏判和错判，并且只能逐点对损伤缺陷进行排除，效率较低且存在较大的随机性，无法具体判断损伤程度以及确定损伤位置，难以满足现代工程管理的需要。

手持式数字敲击仪检测法：目前市场上研发了一种手持式数字敲击检测装置(例如日本三井公司生产的啄木鸟WP-632AM型敲击检测仪)，该装置的检测原理是对采集到的敲击材料表面产生的振动时域波形信号进行分析与处理，根据不同点的时域波形周期幅值出现的差异来判断损伤。该方法受外界环境影响较大，同样易造成错判，而且也是以逐点检测的方式进行，工作效率较低。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统。

为了达到上述目的，本发明提供的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统包括：检测平台、移动平台、监视平台、处理平台和控制平台，其中：检测平台、监视平台和处理平台安装在移动平台上；检测平台、移动平台和监视平台与处理平台连接，处理平台与控制平台连接。

所述的检测平台包括加速度/力传感器矩阵、电荷放大器、A/D转换器、激振器矩阵、功率放大器和开关矩阵；其中：加速度/力传感器矩阵依次通过电荷放大器和A/D转换器与处理平台连接，激振器矩阵依次通过功率放大器和开关矩阵与处理平台连接，激振器矩阵同时通过加速度/力传感器矩阵与飞机复合材料待测件表面接触。

所述的移动平台包括移动小车、安装在移动小车上的后轮驱动控制器及前轮转弯控制器；其中，移动小车包括底板、两个前轮、两个后轮、前轮转弯装置和后轮驱动装置；后轮驱动控制器分别与后轮驱动装置及处理平台相连接，前轮转弯控制器分别与前轮转弯装置和处理平台相连接。

所述的监视平台包括视频摄像头、图像压缩处理器、转向装置和转向控制器；其中：视频摄像头通过图像压缩处理器与处理平台连接，转向装置通过转向控制器与处理平台连接。

所述的处理平台包括系统处理器、WIFI收/发模块、SD存储器、以太网络接口和红外接收器；所述的控制平台包括上位机和手持式控制器；其中：系统处理器分别与A/D转换器、开关矩阵、后轮驱动控制器、前轮转弯控制器、转向控制器、图像压缩处理器和SD存储器连接，系统处理器分别通过WIFI收/发模块和以太网络接口与上位机连接，同时通过红外接收器与手持控制器连接。

所述的加速度/力传感器矩阵包括九个安装在移动小车底板底面上的加速度/力传感器，行数和列数均为3且等间距分布，并且九个加速度/力传感器的测量点在同一水平面上；所述的加速度/力传感器为压电式传感器；所述的激振器矩阵包括九个安装在移动小车底板表面上的电动式激振器，行数和列数均为3且呈等间距分布，并且电动式激振器的输出轴敲击点在同一水平面上，同时每个电动式激振器的输出轴向下穿过移动小车的底板后与相同位置的加速度/力传感器紧固连接。

所述的电荷放大器包括电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放和电源。

所述的功率放大器包括九个模块，独立为激振器矩阵中的各电动式激振器提供驱动电源；所述的开关矩阵包括九个继电器。

所述的视频摄像头安装在移动小车上底板的上方；所述的转向装置与视频摄像头为一体化结构。

所述的系统处理器采用树莓派模块。

本发明提供的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统将传统的敲击检测方法与振动理论相结合，避免了传统敲击检测方法中的人为主观限制因素，可减小误差，使判断结果更准确；利用Levy法将传统的单点损伤检测拓展到区域性的损伤检测；利用ART法，将识别参数进行可视化处理，并得到损伤区域分布图。本发明的研究成果可以通过建立数据库，对比历史检测数据将其应用于复合材料的健康管理中，并且还可以将其扩展到其它材料的无损检测领域；主要可面向航空公司、机场进行销售，本发明高效、精确的特点能大大节约人力资源，提高检查效率，一定程度上保证了飞机的安全运行。

附图说明

图1为本发明提供的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统结构框图。

图2为本发明提供的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统结构立体图。

图3为本发明提供的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统内部结构分解示意图。

图4为本发明提供的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统中敲击与采集装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统进行详细说明。

如图1-图4所示，本发明提供的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统包括：检测平台1、移动平台2、监视平台3、处理平台4和控制平台5，其中：检测平台1、监视平台3和处理平台4安装在移动平台2上；检测平台1、移动平台2和监视平台3与处理平台4连接，处理平台4与控制平台5连接。

所述的检测平台1包括加速度/力传感器矩阵6、电荷放大器7、A/D转换器8、激振器矩阵9、功率放大器10和开关矩阵11；其中：加速度/力传感器矩阵6依次通过电荷放大器7和A/D转换器8与处理平台4连接，激振器矩阵9依次通过功率放大器10和开关矩阵11与处理平台4连接，激振器矩阵9同时通过加速度/力传感器矩阵6与飞机复合材料待测件表面接触。

所述的移动平台2包括移动小车12、安装在移动小车12上的后轮驱动控制器13及前轮转弯控制器14；其中，移动小车12包括底板、两个前轮、两个后轮、前轮转弯装置和后轮驱动装置；后轮驱动控制器13分别与后轮驱动装置及处理平台4相连接，前轮转弯控制器14分别与前轮转弯装置和处理平台4相连接；后轮驱动控制器13、前轮转弯控制器14接收所述的处理平台4的控制指令，转化为具有一定功率的控制信号，传输至后轮驱动装置和前轮转弯装置，后轮驱动装置和前轮转弯装置接收后轮驱动控制器13和前轮转弯控制器14的控制信号，实现移动小车12的驱动和转弯功能。

所述的监视平台3包括视频摄像头15、图像压缩处理器16、转向装置17和转向控制器18；其中：视频摄像头15通过图像压缩处理器16与处理平台4连接，转向装置17通过转向控制器18与处理平台4连接。

所述的处理平台4包括系统处理器19、WIFI收/发模块20、SD存储器21、以太网络接口22和红外接收器23；所述的控制平台5包括上位机24和手持式控制器25；其中：系统处理器19分别与A/D转换器8、开关矩阵11、后轮驱动控制器13、前轮转弯控制器14、转向控制器18、图像压缩处理器16和SD存储器21连接，系统处理器19分别通过WIFI收/发模块20和以太网络接口22与上位机24连接，同时通过红外接收器23与手持控制器25连接。

所述的加速度/力传感器矩阵6包括九个安装在移动小车12底板底面上的加速度/力传感器，行数和列数均为3且等间距分布，并且九个加速度/力传感器的测量点在同一水平面上。

所述的加速度/力传感器为压电式传感器，压电式传感器同时输出测量点的加速度电荷信号和力电荷信号；压电式传感器是一种基于压电效应的自发电式和机电转换式传感器；传感器的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面会产生正比于所受外力或加速度的电荷输出。

所述的激振器矩阵9包括九个安装在移动小车12底板表面上的电动式激振器，布局与加速度/力传感器矩阵6的布局相同，行数和列数均为3且呈等间距分布，并且电动式激振器的输出轴敲击点在同一水平面上，同时每个电动式激振器的输出轴向下穿过移动小车12的底板后与相同位置的加速度/力传感器紧固连接，利用输出轴带动加速度/力传感器，以实现对飞机复合材料待测件表面的敲击、振动时域信号测量和采集功能；电动式激振器是一种电动变换器，其将电能转换为机械能，通过输出轴往返运动对飞机复合材料待测件提供敲击力。

所述的电荷放大器7包括电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放和电源；其接收加速度/力传感器矩阵6的加速度电荷信号和力电荷信号，经放大后转换为电压信号，由此将微弱的电荷信号转化为放大的电压信号，同时又能够将加速度/力传感器的高阻抗输出转换成低阻抗输出，且其输出电压与输入电荷量成正比，因而信噪比高，且频带宽、灵敏度也高。

所述的A/D转换器8将电荷放大器7输出的时间连续、幅值连续的加速度电压信号和力电压信号从模拟量转换为时间离散、幅值离散的数字信号，并传输至系统处理器19。

所述的功率放大器10包括九个模块，独立为激振器矩阵9中的各电动式激振器提供驱动电源；接收所述的开关矩阵11的控制信号，实现对激振器矩阵9中相应电动式激振器的通/断控制；同时，功率放大器10接收所述的系统处理器19的控制信号，调节相应模块的功率输出值，以实现对激振器矩阵9中相应电动式激振器敲击力度的控制；功率放大器10为在给定失真率条件下，能产生最大功率输出以驱动某一负载的放大器；功率放大器10能够将功率进行调整，进而调节敲击力度。

所述的开关矩阵11包括九个继电器；接收所述的系统处理器19的控制信号，产生和输出用于激振器矩阵9中相应电动式激振器的通/断控制信号；继电器能够在输入量(激励量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化，具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系。

所述的视频摄像头15安装在移动小车12上底板的上方，用于采集移动小车12周边区域的环境信息，并将实时视频信号传输至所述的图像压缩处理器16。

所述的转向装置17与视频摄像头15为一体化结构，为具有俯仰、倾斜、水平三个自由度的转动装置，用于实现视频摄像头15的三维转动，同时接收所述的转向控制器18的控制信号，实现三个自由度的独立转动功能。

所述的图像压缩处理器16接收所述的视频摄像头15的视频信号，并将视频信号压缩处理后转换成每秒输送一次的图像数据，以减少监视数据的容量，提高数据传输的效率。

所述的转向控制器18接收所述的系统处理器19的控制指令，并转化为具有一定功率的控制信号，然后传输至所述的转向装置17，使转向装置17处于工作状态。

所述的系统处理器19为处理平台4的核心部件，用于接收所述的WIFI收/发模块20转换的上位机24的控制指令；控制指令包括激振器矩阵9的敲击力度目标值、加速度/力传感器的时域信号输出指令、移动小车12上后轮和前轮的控制指令、视频摄像头15的图像输出指令、转向装置17的三自由度转动控制指令；根据上位机24发出的移动小车12的后轮和前轮控制指令生成并输出相应的控制电信号；接收所述的图像压缩处理器16输出的图像数据，经转换和处理，通过以太网络接口22传输至上位机24；根据所述的上位机24发出的转向装置17三自由度转动控制指令，生成和输出相应的控制电信号；根据相应算法，生成和输出所述的激振器矩阵9上相应电动式激振器的通/断控制信号；接收所述的A/D转换器8输出的加速度数字信号和力数字信号，经处理和转换后，传输至所述的WIFI收/发模块20；根据反馈的力数字信号、相应算法，生成和输出所述的激振器矩阵9上相应电动式激振器的敲击力度控制信号，直至调节至电动式激振器的力度目标值；将加速度数字信号经处理和转换后，传输至所述的SD存储器21，保存时域信号数据；接收手持式控制器25发出并通过红外接收器23传输的指令，实现相应的控制功能。系统处理器19采用树莓派模块，其为可以运行Windows操作系统的微型电脑，并可以连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口、以太网络输出接口和HDMI高清视频输出接口。

所述的WIFI收/发模块20通过WIFI天线接收上位机24的控制指令；控制指令包括所述的激振器矩阵9的敲击力度目标值、所述的加速度/力传感器的时域信号输出指令、所述的移动小车12的后轮和前轮控制指令、所述的视频摄像头15的图像输出指令、所述的转向装置17的三自由度转动控制指令；发送所述的加速度/力传感器的加速度信号和力信号至所述的上位机24。

所述的SD存储器21接收和保存经所述的系统处理器19转换的加速度/力传感器的加速度数据。

所述的以太网络接口22接收经系统处理器19转换的移动小车12周边区域的图像数据，并发送至所述的上位机24。

所述的红外接收器23接收所述的手持式控制器25的控制指令，经处理和转换后发送至所述的系统处理器19。

所述的上位机24接收所述的WIFI收/发模块20的加速度/力传感器的加速度信号和力信号，根据相应算法，将时域信号转换成频域信号，计算出飞机复合材料待测件的损伤指标和损伤程度，并在上位机24的人工交互界面上进行显示；设置激振器矩阵9的电动式激振器目标值，发送至所述的处理平台4；设置移动小车12的驱动与转弯的目标值，发送至所述的处理平台4；接收经处理平台4传送的移动小车12周边区域的图像数据，根据相应算法，还原成真实图像，并在上位机24的人工交互界面上进行显示。

所述的手持式控制器25由工作人员手持，用于对所述的检测平台1、移动平台2、监视平台3和处理平台4的现场操纵，并将控制指令发送至所述的红外接收器23。

所述的加速度/力传感器矩阵6采集的振动数据有两种传输方式，分别如下：(1)所述的WIFI收/发模块20和所述的上位机24的网络传输方式；(2)所述的SD存储器21的便携式传输方式。

所述的控制平台5具有两种方式工作方式，分别如下：(1)所述的WIFI收/发模块20、所述的以太网络接口22和所述的上位机24的网络控制方式；(2)所述的手持式控制器25的红外控制方式，实现对所述的检测平台1、移动平台2、监视平台3、处理平台4的控制。

Claims (10)

1.一种多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统，其特征在于：所述的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统包括：检测平台(1)、移动平台(2)、监视平台(3)、处理平台(4)和控制平台(5)，其中：检测平台(1)、监视平台(3)和处理平台(4)安装在移动平台(2)上；检测平台(1)、移动平台(2)和监视平台(3)与处理平台(4)连接，处理平台(4)与控制平台(5)连接。

2.根据权利要求1所述的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统，其特征在于：所述的检测平台(1)包括加速度/力传感器矩阵(6)、电荷放大器(7)、A/D转换器(8)、激振器矩阵(9)、功率放大器(10)和开关矩阵(11)；其中：加速度/力传感器矩阵(6)依次通过电荷放大器(7)和A/D转换器(8)与处理平台(4)连接，激振器矩阵(9)依次通过功率放大器(10)和开关矩阵(11)与处理平台(4)连接，激振器矩阵(9)同时通过加速度/力传感器矩阵(6)与飞机复合材料待测件表面接触。

3.根据权利要求1所述的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统，其特征在于：所述的移动平台(2)包括移动小车(12)、安装在移动小车(12)上的后轮驱动控制器(13)及前轮转弯控制器(14)；其中，移动小车(12)包括底板、两个前轮、两个后轮、前轮转弯装置和后轮驱动装置；后轮驱动控制器(13)分别与后轮驱动装置及处理平台(4)相连接，前轮转弯控制器(14)分别与前轮转弯装置和处理平台(4)相连接。

4.根据权利要求1所述的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统，其特征在于：所述的监视平台(3)包括视频摄像头(15)、图像压缩处理器(16)、转向装置(17)和转向控制器(18)；其中：视频摄像头(15)通过图像压缩处理器(16)与处理平台(4)连接，转向装置(17)通过转向控制器(18)与处理平台(4)连接。

5.根据权利要求1所述的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统，其特征在于：所述的处理平台(4)包括系统处理器(19)、WIFI收/发模块(20)、SD存储器(21)、以太网络接口(22)和红外接收器(23)；所述的控制平台(5)包括上位机(24)和手持式控制器(25)；其中：系统处理器(19)分别与A/D转换器(8)、开关矩阵(11)、后轮驱动控制器(13)、前轮转弯控制器(14)、转向控制器(18)、图像压缩处理器(16)和SD存储器(21)连接，系统处理器(19)分别通过WIFI收/发模块(20)和以太网络接口(22)与上位机(24)连接，同时通过红外接收器(23)与手持控制器(25)连接。

6.根据权利要求2或3所述的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统，其特征在于：所述的加速度/力传感器矩阵(6)包括九个安装在移动小车(12)底板底面上的加速度/力传感器，行数和列数均为3且等间距分布，并且九个加速度/力传感器的测量点在同一水平面上；所述的加速度/力传感器为压电式传感器；所述的激振器矩阵(9)包括九个安装在移动小车(12)底板表面上的电动式激振器，行数和列数均为3且呈等间距分布，并且电动式激振器的输出轴敲击点在同一水平面上，同时每个电动式激振器的输出轴向下穿过移动小车(12)的底板后与相同位置的加速度/力传感器紧固连接。

7.根据权利要求2所述的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统，其特征在于：所述的电荷放大器(7)包括电荷变换级、适调级、低通滤波器、高通滤波器、末级功放和电源。

8.根据权利要求2所述的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统，其特征在于：所述的功率放大器(10)包括九个模块，独立为激振器矩阵(9)中的各电动式激振器提供驱动电源；所述的开关矩阵(11)包括九个继电器。

9.根据权利要求4所述的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统，其特征在于：所述的视频摄像头(15)安装在移动小车(12)上底板的上方；所述的转向装置(17)与视频摄像头(15)为一体化结构。

10.根据权利要求4所述的多点敲击多点拾振式飞机复合材料检测系统，其特征在于：所述的系统处理器(19)采用树莓派模块。