CN110789732A - 一种直升机尾桁结构健康监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于直升机健康状态与使用检测技术领域，公开了一种直升机尾桁结构健康监测系统及方法，包括：主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块和数据采集模块；主控制器模块的信号输出端与波形发生模块的信号输入端连接，波形发生模块的信号输出端与通道控制模块的选择开关输入端连接，通道控制模块的信号输出端与数据采集模块的信号输入端连接，数据采集模块的信号输出端与通道控制模块的信号输入端连接，通道控制模块的选择开关输出端与波形采集模块的信号输入端连接，波形采集模块的信号输出端与主控制器模块的信号输入端连接，实现尾桁结构的在线或离线的状态监测，减少事故，提高飞行的安全性。

Description

一种直升机尾桁结构健康监测系统及方法

技术领域

本发明属于直升机健康状态与使用检测技术领域，尤其涉及一种直升机尾桁结构健康监测系统及方法。

背景技术

常规构型直升机尾桁位于机身和斜梁之间，是机身和斜梁之间的重要承力结构。在主旋翼下洗流循环振动载荷和尾传动链路旋转振动载荷的共同作用下，直升机尾桁结构主要损伤模式体现为疲劳裂纹损伤，疲劳损伤多发生在材料内部且不易从表面发现，容易留下严重的隐患，关键部位的小损伤在受到较大的载荷或者极端恶劣的飞行状态时会发生突然性的扩展，以至结构的承载特性瞬间失效，因此及早或及时发现关键结构部位的早期损伤，使结构的健康情况始终处于被监测的状态，可为飞机的安全、经济使用和及时维护提供重要依据。

国内直升机尾桁结构健康监测主要还是依赖于定期检查，通过目视、CT扫描、电涡流、X射线、光谱分析等手段对尾桁结构健康状态进行判定，不能实时监测尾桁结构的健康状态，存在检测盲区，维护费用较高。

发明内容

针对上述缺点，本发明的目的在于提供一种直升机尾桁结构健康监测系统及方法，通过直升机尾桁结构健康监测系统构建传感器网络实现尾桁结构的在线或离线的状态监测，以及对结构损伤的诊断和定位，及时告警可能出现的故障隐患，减少事故，提高飞行的安全性。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种直升机尾桁结构健康监测系统，所述系统包括：主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块和数据采集模块；

其中，所述主控制器模块的信号输出端与所述波形发生模块的信号输入端连接，所述波形发生模块的信号输出端与所述通道控制模块的选择开关输入端连接，所述通道控制模块的信号输出端与所述数据采集模块的信号输入端连接，所述数据采集模块的信号输出端与所述通道控制模块的信号输入端连接，所述通道控制模块的选择开关输出端与所述波形采集模块的信号输入端连接，所述波形采集模块的信号输出端于所述主控制器模块的信号输入端连接。

本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：

(1)数据采集模块包含多个压电传感器，所述多个压电传感器分别布置在直升机尾桁上。

(2)所述通道控制模块为压电传感器选择电路，包含设置在每个压电传感器上的输入选择开关和输出选择开关。

(3)所述系统还包括：测温模块，所述测温模块的温度信号输出端与所述主控制器模块的温度信号输入端连接，且所述测温模块用于获取直升机尾桁的温度。

(4)所述通道控制模块通过电缆与数据采集模块中的多个压电传感器连接。

(5)所述主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块采用PC104总线叠插式结构集成。

技术方案二：

一种直升机尾桁结构健康监测方法，所述方法应用于如技术方案一所述的监测系统，主控制器向波形发生模块发送波形发生请求指令，指示波形发生模块产生对应的输出波形；并向通道控制模块发送通道选择指令，指示通道控制模块按照预设规则进行开关选择；

波形发生模块根据所述波形发生请求指令产生对应的输出波形，并对所述输出波形进行放大处理，得到放大处理后的输出波形；

通道控制模块根据所述通道选择指令，将放大处理后的输出波形发送给对应第一压电传感器；所述第一压电传感器为多个压电传感器中的任意一个传感器；

所述通道控制模块接收第二压电传感器发送的电信号，并发送给波形采集模块；所述第二压电传感器为多个压电传感器中的任意一个传感器；

波形采集模块对所述电信号进行放大并采集，得到放大并采集后的电信号，将所述放大并采集后的电信号发送给主控制器模块；

主控制模块根据所述放大并采集后的电信号以及波形发生模块产生的输出波形，确定直升机尾桁结构健康监测结果，所述直升机尾桁结构健康监测结果为直升机尾桁结构是否发生损伤。

本发明技术方案二的特点和进一步的改进为：

(1)主控制模块根据所述放大并采集后的电信号以及波形发生模块产生的输出波形，确定直升机尾桁结构健康监测结果，具体为：

若所述放大并采集后的电信号以及波形发生模块产生的输出波形相同，则所述直升机尾桁结构无损伤，否则，所述直升机尾桁结构有损伤。

(2)假设数据采集模块包含N个压电传感器，并依次编号为1到N，所述预设规则为：

通道控制模块选择向第i个压电传感器发送放大处理后的输出波形，并选择接收第i+1个压电传感器发送的电信号；i为正整数，且i小于N；

当i＝N时，通道控制模块选择向第N个压电传感器发送放大处理后的输出波形，并选择接收第1个压电传感器发送的电信号。

本发明技术方案主要通过直升机尾桁结构健康监测系统构建传感器网络实现尾桁结构的在线或离线的状态监测，以及对结构损伤的诊断和定位，及时告警可能出现的故障隐患，减少事故，提高飞行的安全性。同时减少损伤检测和隔离时间，提高维修性，并显著减少预防性维修，有助于实现基于状态的维修和两级维修体制。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种直升机尾桁结构健康监测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种直升机尾桁结构健康监测系统的电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块采用PC104总线叠插式结构集成结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

直升机尾桁结构健康监测系统通过多个激励传感器通道与接收传感器进行特定的交互，然后采用一种预先设定的诊断波形，激发固定在结构件上的传感器发出Lamb波，对尾桁结构进行主动式扫查，同时，其它接收传感器进行回波测量记录，之后通过分析实现对结构件的状态评估以及损伤定位等，本系统由主控制器、信号发生模块、通道控制模块、波形采集模块、PZT传感器(压电传感器)以及配套线缆组成。其系统结构如图1所示，设计原理图如图2所示。

(1)所述系统中PZT传感器用于接收设备激励信号转换为Lamb波以及接收结构中Lamb波的传播信号；所述激励信号为波形发生模块的输出波；

(2)所述系统中波形发生模块用于产生测试所需的激励波形，如高斯窗、汉宁窗、海明窗的调制窄带波；

(3)所述系统中的波形采集模块用于将压电传感器产生的波形信号进行放大调理，满足波形采集模块的输入幅值要求，避免波形失真；

所述系统中波形采集模块还用于采集波形在结构中传递后传感器接收的波形，将波形进行保存处理；

(4)所述系统中通道控制模块用于实现开关切换，用于将激励信号加载到某一指定的PZT传感器，同时将回采通道指定到某一具体的PZT传感器；

(5)所述系统中主控制器用于对以上各模块的控制以及通过诊断成像算法对信号进行处理确定损伤发生的位置。

具体的，

(1)系统总线架构采用PC104总线架构，能够满足航电设备体积和重量方面的要求；

(2)系统物理结构采用PC104总线叠插式结构，结构示意图如图3所示，可堆叠式结构设计结合PC104总线模块的总线结构特征，每块PC104功能板卡安装固定于机械加工的铝合金框架中，采用热设计技术、抗振动冲击设计技术、三防技术、电磁兼容技术等，具有可靠的抗强振动，独特的电磁兼容、环境防护设计；内部采用PC104总线结构，采用导冷散热模式，具有优良的散热性能，有效的小型化、轻量化设计，快速可靠的连接。为加强系统的抗冲击振动性能，内部板卡采用楔形锁紧的加固板卡结构设计，同时通过楔形锁紧结构将模块上的热量直接导到机箱壳体上；

(3)PZT传感器最大电压输入：50～70V，温度范围：－40℃+120℃连续操作，压力范围：－0.8％至+0.11％，最大应变：ε＜0.1％和/或50V爆炸波的频率范围；

(4)主控制器采用PC104总线模块，具备通用IO接口，网络接口，RS422通讯接口以及SATA接口，可扩展连接固态硬盘；

(5)任意波形发生模块输出频率范围为10－700KHz的任意波，输出波形通道2通道，转换精度16位；

(6)波形采集模块可采集输出频率范围为10－700KHz的任意波；

(7)波形输出放大器集成在波形发生模块内部，可将任意波形发生模块输出的幅值为±5V的任意波放大为±40V的波形信号；

(8)通道控制模块内部的开关控制电路采用继电器设计为传感器组形成一个多选一的通道，即从任意波形输出通道到16个传感器组16选1，同时从波形采集模块采集到16个传感器组16选1；

(9)电源模块设计为外部给设备提供电源为18～36V的宽范围电压供电。自身供电±12V、±5V为PC104总线电源，±48V为任意波形发生器后端放大电路所需的供电电源。

所述系统可实现尾桁结构的在线或离线的状态监测，采集存储数据分析一体化，独立运行软硬件，不依赖其它机载仪器装备，与机载监测系统有通讯接口，能够对结构损伤进行诊断和定位，可上传监测报警信息，体积小、重量轻、抗冲击振动性能优异，设备结构模块化，方便根据监测需求进行组成，方便设备维护管理，有助于减少损伤检测和隔离时间，降低事故发生率，提高飞行的安全性。

以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种直升机尾桁结构健康监测系统，其特征在于，所述系统包括：主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块和数据采集模块；

其中，所述主控制器模块的信号输出端与所述波形发生模块的信号输入端连接，所述波形发生模块的信号输出端与所述通道控制模块的选择开关输入端连接，所述通道控制模块的信号输出端与所述数据采集模块的信号输入端连接，所述数据采集模块的信号输出端与所述通道控制模块的信号输入端连接，所述通道控制模块的选择开关输出端与所述波形采集模块的信号输入端连接，所述波形采集模块的信号输出端于所述主控制器模块的信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种直升机尾桁结构健康监测系统，其特征在于，数据采集模块包含多个压电传感器，所述多个压电传感器分别布置在直升机尾桁上。

3.根据权利要求1所述的一种直升机尾桁结构健康监测系统，其特征在于，所述通道控制模块为压电传感器选择电路，包含设置在每个压电传感器上的输入选择开关和输出选择开关。

4.根据权利要求1所述的一种直升机尾桁结构健康监测系统，其特征在于，所述系统还包括：测温模块，所述测温模块的温度信号输出端与所述主控制器模块的温度信号输入端连接，且所述测温模块用于获取直升机尾桁的温度。

5.根据权利要求2所述的一种直升机尾桁结构健康监测系统，其特征在于，

所述通道控制模块通过电缆与数据采集模块中的多个压电传感器连接。

6.根据权利要求1所述的一种直升机尾桁结构健康监测系统，其特征在于，所述主控制器模块、波形发生模块、通道控制模块、波形采集模块采用PC104总线叠插式结构集成。

7.一种直升机尾桁结构健康监测方法，所述方法应用于如权利要求1－4中任一项所述的监测系统，其特征在于，

主控制器向波形发生模块发送波形发生请求指令，指示波形发生模块产生对应的输出波形；并向通道控制模块发送通道选择指令，指示通道控制模块按照预设规则进行开关选择；

波形发生模块根据所述波形发生请求指令产生对应的输出波形，并对所述输出波形进行放大处理，得到放大处理后的输出波形；

通道控制模块根据所述通道选择指令，将放大处理后的输出波形发送给对应第一压电传感器；所述第一压电传感器为多个压电传感器中的任意一个传感器；

所述通道控制模块接收第二压电传感器发送的电信号，并发送给波形采集模块；所述第二压电传感器为多个压电传感器中的任意一个传感器；

波形采集模块对所述电信号进行放大并采集，得到放大并采集后的电信号，将所述放大并采集后的电信号发送给主控制器模块；

主控制模块根据所述放大并采集后的电信号以及波形发生模块产生的输出波形，确定直升机尾桁结构健康监测结果，所述直升机尾桁结构健康监测结果为直升机尾桁结构是否发生损伤。

8.根据权利要求7所述的一种直升机尾桁结构健康监测方法，其特征在于，主控制模块根据所述放大并采集后的电信号以及波形发生模块产生的输出波形，确定直升机尾桁结构健康监测结果，具体为：

若所述放大并采集后的电信号以及波形发生模块产生的输出波形相同，则所述直升机尾桁结构无损伤，否则，所述直升机尾桁结构有损伤。

9.根据权利要求7所述的一种直升机尾桁结构健康监测方法，其特征在于，假设数据采集模块包含N个压电传感器，并依次编号为1到N，所述预设规则为：

通道控制模块选择向第i个压电传感器发送放大处理后的输出波形，并选择接收第i+1个压电传感器发送的电信号；i为正整数，且i小于N；

当i＝N时，通道控制模块选择向第N个压电传感器发送放大处理后的输出波形，并选择接收第1个压电传感器发送的电信号。

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