CN110146319A - 一种面向立方星搭载的结构健康监测实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向立方星搭载的结构健康监测实验装置及方法，作为卫星载荷仅占用0.6U的空间，依据卫星载荷底座设计外形，占用很小的卫星空间；每层子系统的壳体为铝材质，整个装置的质量不到600g。实验装置在工作状态下的功耗仅为500mW，平均工作电流仅为100mA，十分节省卫星的能耗。同时各部件的安装通过多个螺栓连接，有利于散热。每次实验的测量数据小，不需要占用星载计算机大量的存储空间，完成一次完整的测量过程及与卫星的通讯约需要12s，不需要占用星载计算机的大量工作时间。通过对比两组连接工况，能够实现该结构健康监测方法的长期在轨验证实验。

Description

一种面向立方星搭载的结构健康监测实验装置及方法

技术领域

本发明属于基于机电阻抗的结构健康监测技术领域，，涉及一种面向立方星搭载的结构健康监测实验装置及方法

背景技术

螺栓连接广泛应用于航天器与航天运载器中，随着空天飞机、可重复使用运载器等的发展，航天结构对安全性与可靠性的要求日益提高。然而航天结构在长期服役过程中，由于受到外部变化的载荷作用，螺栓容易产生松动，并导致结构失效，很可能造成十分严重的事故。目前螺栓松动监测方法有，机电阻抗方法、导波方法等，其中机电阻抗方法具有对局部区域的结构状态变化十分敏感的优点，是一种有效的螺栓连接结构健康监测的有效技术手段。

Liang等人最早提出了智能结构阻抗分析方法，奠定了利用PZT的阻抗分析法的基础，随后学者利用机电阻抗方法完成了不同结构及损伤类型的机电阻抗监测的地面验证实验。2010年北京工业大学吴斌等提出利用机电阻抗方法检测法兰中的螺栓松动情况(吴斌，佟啸腾，刘增华等.基于机电阻抗技术的管道法兰结构健康监测实验研究[J].实验力学，2010，25(5):516-521.)。在此基础上，刘增华等开发了无线智能机电传感器(发明专利CN201110412647.1，刘增华,于洪涛,蔡小明等.用于结构健康监测的无线智能机电阻抗传感器[J].仪表技术与传感器,2013(08):11-14.)，用于在地面现场进行基于机电阻抗的损伤监测。

上述工作均面向地面设备的损伤或者螺栓松动监测，然而航天结构服役在太空中，太空环境存在微重力、辐射、高低温交替变化等恶劣因素，因此基于机电阻抗的航天结构螺栓预紧力监测方法必须进行太空实验验证。2016年，美国的新墨西哥州立大学在NASA的资助下，完成了机电阻抗方法与导波方法的亚轨道实验，但是在轨时间短，并未经历在太空环境下航天器中的长期服役过程。由于立方星成本低，入轨快，可以在轨道中长时间服役，能方便的进行新技术实验，是在太空中验证基于机电阻抗的螺栓松动监测技术的有效途径。但是立方星的体积小，承载重量小，能够提供的电流小、电压低，功耗十分有限，且散热困难，极大限制了是上述试验的实施。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种面向立方星搭载的结构健康监测实验装置及方法，实现基于机电阻抗的健康监测系统在太空环境长时间服役的实验验证。

技术方案

一种面向立方星搭载的结构健康监测实验装置，包括阻抗测量电路6；其特征在于还包括铝制壳体、两个Π型的铝板和压电片；所述铝制壳体包括上部的实验件层壳体1、下部的阻抗测量层壳体2和实验件层壳体上的顶层盖板3；阻抗测量层壳体2的底板上设有支撑台，阻抗测量电路6通过电路板装配螺钉7与阻抗测量板支撑台10上的阻抗测量板安装螺纹孔紧密连接；两个Π型的铝板25中心凹槽两边铝板上设有多个被测实验件螺栓装配孔18，两个Π型的铝板中心凹槽相对，由被测螺栓通过被测实验件螺栓装配孔相互紧密连接，四角通过螺栓与实验件层壳体1紧密连接，顶层盖板3通过固定长螺钉5穿过实验件层壳体1上的安装通孔16与阻抗测量层壳体2的阻抗测量层内部螺柱固定孔8紧密连接；Π型的铝板25上设有两个压电片14，压电感应电流通过导线穿过排线孔15与阻抗测量电路6连接，作为测量通道一和测量通道二的输入；所述阻抗测量层壳体2的四角设有与载荷底板的安装螺纹孔4。

所述实验件层壳体1和阻抗测量层壳体2结合部的壳体壁为阶梯形状。

所述实验件分为两个零件，两个零件通过多个螺栓相连，每个零件为π型，连接后组成两个螺栓连接梁，两个螺栓连接梁所用的螺栓连接数目不同，每个螺栓的预紧力一致，一个连接梁采用4个螺栓，为无损伤连接梁，另外一个连接梁采用2个螺栓，为有松动损伤连接梁。

一种所述面向立方星搭载的结构健康监测实验装置的安装方法，其特征在于：铝制外壳通过安装孔4与卫星提供的底座固定连接，被测实验件子系统通过被测实验件安装螺钉12安装在铝制壳体1内，阻抗测量子系统通过电路板装配螺钉7安装在底层铝制壳体2内的支撑台10上，两层及顶层盖板依次叠放，上层外壳底部设置限位卡块25，避免两层间的切向移动，然后通过长螺钉5、通孔16及安装螺纹孔8连接在一起；所述被测实验件子系统中，实验件整体通过四个M3安装螺钉12固定在该层的支撑台12的螺纹孔17上；实验件是由两个Π型铝板和两组M6螺栓13连接而成，形成两个螺栓连接梁，每个Π型件有四个螺栓安装孔18；每个梁上靠近螺栓区域粘贴有一个PZT-5H型压电片14，用作试件机械阻抗特性的传感器；压电片通过排线孔15连接至阻抗测量电路板测量接口19；上述实验件的两个螺栓连接梁几何尺寸及材料完全一致，每个螺栓预紧力相同，但是数目不同，一组通过4个螺栓连接，另外一组通过2个螺栓连接，以此可以对比不同螺栓连接工况导致的阻抗变化情况，从而在太空环境中进行验证。

一种利用所述面向立方星搭载的结构健康监测实验装置的阻抗测量验证方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：每个固定周期，卫星向实验装置的阻抗测量电路板发出指令进行阻抗测量；

步骤2：阻抗测量模块进行温度测量，并通过通讯模块利用CAN总线将数据上传到卫星计算机存储。

步骤3：微处理器模块控制多通道选择开关，将测量通道转换到校准通道，随后控制阻抗测量模块测量定值电阻进行校准；

步骤4：微处理器模块控制多通道选择开关，将测量通道转换到无损伤螺栓连接梁处，控制阻抗测量模块进行阻抗测量。随后微处理器模块通过通讯模块利用CAN总线将数据上传到卫星计算机存储；

步骤5：微处理器模块控制多通道选择开关，将测量通道转换到有损伤螺栓连接梁处，控制阻抗测量模块进行阻抗测量。随后微处理器模块通过通讯模块利用CAN总线将数据上传到卫星计算机存储；

步骤6：卫星计算机依据指令将测量数据下传到地面，地面人员可以对相同温度下的有损伤和无损伤实验件的阻抗测量结果进行对比，验证阻抗测量的有效性，如果存在规律性差异，则表明实验装置成功；同时可以查看不同温度下测量得到的阻抗数据，对温度影响进行补偿，验证温度补偿方法的有效性。

有益效果

本发明提出的一种面向立方星搭载的结构健康监测实验装置及方法，作为卫星载荷仅占用0.6U的空间，依据卫星载荷底座设计外形，占用很小的卫星空间；每层子系统的壳体为铝材质，整个装置的质量不到600g。实验装置在工作状态下的功耗仅为500mW，平均工作电流仅为100mA，十分节省卫星的能耗。同时各部件的安装通过多个螺栓连接，有利于散热。每次实验的测量数据小，不需要占用星载计算机大量的存储空间，完成一次完整的测量过程及与卫星的通讯约需要12s，不需要占用星载计算机的大量工作时间。通过对比两组连接工况，能够实现该结构健康监测方法的长期在轨验证实验。

附图说明

图1在轨实验系统总体结构图

图2阻抗测量层

图3阻抗测量层壳体

图4实验件层

图5实验件层壳体

图6Π型实验件

图7阻抗测量印制电路板

图8层间限位卡块

图9矩形连接器针脚设置示意图

图10阻抗测量工作流程图

图11系统电气原理图

图1～图5中的b图为相应实施例的图示

其中，1-实验件层壳体，2-阻抗测量层壳体，3-顶层盖板，4-与载荷底板的安装螺纹孔，5-固定长螺钉，6-阻抗测量电路板，7-电路板装配螺钉，8-阻抗测量层内部螺柱固定孔，9-阻抗测量板安装螺纹孔，10-阻抗测量板支撑台，11-矩形连接器安装孔，12-被测实验件安装螺钉，13-搭接梁连接螺栓，14-压电片PZT-5H，15-排线孔，16-安装通孔，17-被测实验件安装螺纹孔，18-被测实验件螺栓装配孔，19-阻抗测量板测量接口，20-阻抗测量板电源与通信接口，21-矩形连接器针脚1，22-矩形连接器针脚5，23-矩形连接器针脚6，24-矩形连接器针脚9,25-层间限位卡块。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

总体结构设计与安装：

实验装置包括阻抗测量电路6；其特征在于还包括铝制壳体、两个Π型的铝板和压电片；所述铝制壳体包括上部的实验件层壳体1、下部的阻抗测量层壳体2和实验件层壳体上的顶层盖板3；阻抗测量层壳体2的底板上设有支撑台，阻抗测量电路6通过电路板装配螺钉7与阻抗测量板支撑台10上的阻抗测量板安装螺纹孔紧密连接；两个Π型的铝板25中心凹槽两边铝板上设有多个被测实验件螺栓装配孔18，两个Π型的铝板中心凹槽相对，由被测螺栓通过被测实验件螺栓装配孔相互紧密连接，四角通过螺栓与实验件层壳体1紧密连接，顶层盖板3通过固定长螺钉5穿过实验件层壳体1上的安装通孔16与阻抗测量层壳体2的阻抗测量层内部螺柱固定孔8紧密连接；Π型的铝板25上设有两个压电片14，压电感应电流通过导线穿过排线孔15与阻抗测量电路6连接，作为测量通道一和测量通道二的输入；所述阻抗测量层壳体2的四角设有与载荷底板的安装螺纹孔4。

所述实验件层壳体1和阻抗测量层壳体2结合部的壳体壁为阶梯形状。

所述实验件分为两个零件，两个零件通过多个螺栓相连，每个零件为π型，连接后组成两个螺栓连接梁，两个螺栓连接梁所用的螺栓连接数目不同，每个螺栓的预紧力一致，一个连接梁采用4个螺栓，为无损伤连接梁，另外一个连接梁采用2个螺栓，为有松动损伤连接梁。

根据立方星对搭载载荷的要求，结构健康监测系统采用铝制外壳以在立方星上进行安装固定，并放置阻抗测量元件及被测实验件，外壳体积为0.6U(10cm×10cm×6cm)，壳体壁厚为2.5mm，在满足支撑强度的情况下同时满足可加工性要求。总体结构上分为两层，铝制壳体1内安装被测实验件子系统；底层铝制壳体2内安装阻抗测量子系。两层及顶层盖板依次叠放，上层外壳底部设置限位卡块25，避免两层间的切向移动，然后通过长螺钉5、通孔16及安装螺纹孔8连接在一起，最后由安装孔4与卫星提供的底座装配在一起，结构整个系统重量不超过600g。

阻抗测量子系统设计及安装：

结构阻抗测量子系统主要实现机电阻抗的测量，包含阻抗测量模块、微处理器模块、通讯模块，以及电源管理模块，均焊接在阻抗测量电路板6中。阻抗测量电路板6通过六个螺钉7及螺纹孔9安装在铝壳体2的支撑台10上。支撑台10和螺钉7除了固定作用之外，在太空的真空环境下增强电路板向壳体的散热能力。

在阻抗测量模块中，使用AD5933芯片进行阻抗测量，配有16MHz的无源晶振，测量电阻前需要用定值电阻进行校准，同时该芯片可以进行温度测量。AD5933芯片测量端口连接多通道开关的集成芯片ADG408，该芯片用于选择测量通道，通道分别连接至被测结构的压电片。在微处理器模块中，处理器芯片采用小体积低功耗的STM32F103C8T6，外部晶振采用6MHz无源晶振，以避免对卫星通讯过程中信号的干扰。处理器通过IIC通讯控制AD5933芯片进行环境温度测量、阻抗测量，同时控制多通道开关的集成芯片来进行测量通道选择。通讯模块采用高速CAN收发器JTA1050，利用CAN总线接收卫星发出的指令以及将测量数据传输至卫星上的存储空间。在电源管理模块中，使用ASM1117-3.3稳压元件输出3.3V电压为电路中的处理器STM32F103C8T6、阻抗测量芯片AD5933等元件供电。

被测实验件子系统设计及安装：

被测实验件子系统中，实验件整体通过四个M3安装螺钉12固定在该层的支撑台12的螺纹孔17上。实验件是由两个Π型铝板和两组M6螺栓13连接而成，形成两个螺栓连接梁，每个Π型件有四个螺栓安装孔18；每个梁上靠近螺栓区域粘贴有一个PZT-5H型压电片14，用作试件机械阻抗特性的传感器。压电片通过排线孔15连接至阻抗测量电路板测量接口19。上述实验件的两个螺栓连接梁几何尺寸及材料完全一致，每个螺栓预紧力相同，但是数目不同，一组通过4个螺栓连接，另外一组通过2个螺栓连接，以此可以对比不同螺栓连接工况导致的阻抗变化情况，从而在太空环境中进行验证系统的可行性。

卫星与结构健康监测系统的通讯连接与供电：

先将两个子系统的部件完成电气连接，电气部分结构阻抗测量子系统通过九针矩形连接器J30J-9ZK将和立方星进行电源与通讯连接。采用CAN总线进行通讯连接，采用双点双线的方式，即设置两组CANH和CANL信号线，来提高信号稳定度。电源供电采用5V直流电源。由于卫星的所有载荷共享4A的电流，为了防止电流输入过大，采用双点双线的方式连接，即接入两组电源正极和地线，来提高电路板的耐压能力。

阻抗测量层壳体2的侧壁上有安装孔11，安装J30J-9ZK九针矩形连接器。卫星通过矩形连接器与阻抗测量电路板6的电源与通信接口20相连，以进行通讯连接及并提供5V直流电压。矩形连接器采用两组电源和两组CAN通讯接线，其中1、6针脚为5V直流电压，2、7针脚为GND线，3、8针脚为CANH，4、9针脚为CANL，针脚5接向装置的外壳。卫星通过双点双线的方式提供5V直流电压，即接入两组电源正极和地线，来提高电路板的耐压能力。5V电压为多通道开关集成芯片ADG408、高速CAN收发器JTA1050、稳压元件ASM1117-.3.3供电。同时CAN通讯也采用双点双线，即设置两组CANH和CANL信号线，来提高信号稳定度，数据最终通过卫星向地面发送。

在轨测量及步骤：

1卫星在轨的阻抗测量时，卫星定期(每四个小时)通过CAN总线向阻抗测量电路板发出指令

2电路板首先通过芯片AD5933获取环境温度信息，并将温度信息存储到计算机

3微处理器模块控制多通道开关集成芯片ADG408切换至校准通道的3KΩ定值电阻，AD5933进行阻抗测量前的校准环节，

4微处理器模块利用ADG408切换至无损伤螺栓连接梁处进行阻抗测量。此时AD5933连接至梁上的压电片PZT-5H上，测量500个频率点，每测一个频率点，微处理器根据测量数据计算出的阻抗实部信息，计算结果通过CAN总线传输至卫星计算机并存储。

5利用ADG408切换至无损伤螺栓连接梁处PZT-5H压电传感器按相同流程进行阻抗测量，并利用CAN总线将测量数据上传至卫星计算机并存储。

6卫星计算机依据指令将测量数据下传到地面，地面人员可以对相同温度下的有损伤和无损伤实验件的阻抗测量结果进行对比，验证阻抗测量的有效性，如果存在规律性差异，则表明实验装置成功。同时可以查看不同温度下测量得到的阻抗数据，对温度影响进行补偿，验证温度补偿方法的有效性。上述实验过程的测量数据仅为8kb，不需要占用星载计算机大量的存储空间，从阻抗测量电路板收到测量指令到测量完成并发送数据完毕的工作时间约为12s，不需要占用星载计算机的大量工作时间。

Claims (5)

1.一种面向立方星搭载的结构健康监测实验装置，包括阻抗测量电路(6)；其特征在于还包括铝制壳体、两个Π型的铝板和压电片；所述铝制壳体包括上部的实验件层壳体(1)、下部的阻抗测量层壳体(2)和实验件层壳体上的顶层盖板(3)；阻抗测量层壳体(2)的底板上设有支撑台，阻抗测量电路(6)通过电路板装配螺钉(7)与阻抗测量板支撑台(10)上的阻抗测量板安装螺纹孔紧密连接；两个Π型的铝板(25中心凹槽两边铝板上设有多个被测实验件螺栓装配孔(18)，两个Π型的铝板中心凹槽相对，由被测螺栓通过被测实验件螺栓装配孔相互紧密连接，四角通过螺栓与实验件层壳体(1)紧密连接，顶层盖板(3)通过固定长螺钉(5)穿过实验件层壳体(1)上的安装通孔(16)与阻抗测量层壳体(2)的阻抗测量层内部螺柱固定孔(8)紧密连接；Π型的铝板(25)上设有两个压电片(14)，压电感应电流通过导线穿过排线孔(15)与阻抗测量电路(6)连接，作为测量通道一和测量通道二的输入；所述阻抗测量层壳体(2)的四角设有与载荷底板的安装螺纹孔(4)。

2.根据权利要求1所述面向立方星搭载的结构健康监测实验装置，其特征在于：所述实验件层壳体(1)和阻抗测量层壳体(2)结合部的壳体壁为阶梯形状。

3.根据权利要求1所述面向立方星搭载的结构健康监测实验装置，其特征在于：所述实验件分为两个零件，两个零件通过多个螺栓相连，每个零件为π型，连接后组成两个螺栓连接梁，两个螺栓连接梁所用的螺栓连接数目不同，每个螺栓的预紧力一致，一个连接梁采用(4)个螺栓，为无损伤连接梁，另外一个连接梁采用(2)个螺栓，为有松动损伤连接梁。

4.一种权利要求1～3所述任一项面向立方星搭载的结构健康监测实验装置的安装方法，其特征在于：铝制外壳通过安装孔(4)与卫星提供的底座固定连接，被测实验件子系统通过被测实验件安装螺钉(12)安装在铝制壳体(1)内，阻抗测量子系统通过电路板装配螺钉(7)安装在底层铝制壳体(2)内的支撑台(10)上，两层及顶层盖板依次叠放，上层外壳底部设置限位卡块(25)，避免两层间的切向移动，然后通过长螺钉(5)、通孔(16)及安装螺纹孔(8)连接在一起；所述被测实验件子系统中，实验件整体通过四个M3安装螺钉(12)固定在该层的支撑台(12)的螺纹孔(17)上；实验件是由两个Π型铝板和两组M6螺栓(13)连接而成，形成两个螺栓连接梁，每个Π型件有四个螺栓安装孔(18)；每个梁上靠近螺栓区域粘贴有一个PZT-5H型压电片(14)，用作试件机械阻抗特性的传感器；压电片通过排线孔(15)连接至阻抗测量电路板测量接口(19)；上述实验件的两个螺栓连接梁几何尺寸及材料完全一致，每个螺栓预紧力相同，但是数目不同，一组通过四个螺栓连接，另外一组通过两个螺栓连接，以此可以对比不同螺栓连接工况导致的阻抗变化情况，从而在太空环境中进行验证。

5.一种利用权利要求1～3所述任一项面向立方星搭载的结构健康监测实验装置的阻抗测量验证方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：每个固定周期，卫星向实验装置的阻抗测量电路板发出指令进行阻抗测量；

步骤2：阻抗测量模块进行温度测量，并通过通讯模块利用CAN总线将数据上传到卫星计算机存储。

步骤3：微处理器模块控制多通道选择开关，将测量通道转换到校准通道，随后控制阻抗测量模块测量定值电阻进行校准；

步骤4：微处理器模块控制多通道选择开关，将测量通道转换到无损伤螺栓连接梁处，控制阻抗测量模块进行阻抗测量。随后微处理器模块通过通讯模块利用CAN总线将数据上传到卫星计算机存储；

步骤5：微处理器模块控制多通道选择开关，将测量通道转换到有损伤螺栓连接梁处，控制阻抗测量模块进行阻抗测量。随后微处理器模块通过通讯模块利用CAN总线将数据上传到卫星计算机存储；

步骤6：卫星计算机依据指令将测量数据下传到地面，地面人员可以对相同温度下的有损伤和无损伤实验件的阻抗测量结果进行对比，验证阻抗测量的有效性，如果存在规律性差异，则表明实验装置成功；同时可以查看不同温度下测量得到的阻抗数据，对温度影响进行补偿，验证温度补偿方法的有效性。