CN1424566A - 数字化微型化大型结构寿命实时监测监控系统 - Google Patents
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Abstract
一种涉及数字化微型化大型结构寿命实时监测监控系统，由多路传感器(1)连于微信号放大器(2)输入端其输出端与由模数转换器(8)，数据处理器(9)，无线通信模块(10)所组成的数字信号处理模块(3)相连。计算机(7)与无线通信模块(6)相连，计算机(7)与数字信号处理模块(3)通过各自的无线通信模块中的发射天线和接收天线进行信号联系。本监测系统可应用于飞机的单机寿命监控，实时提供飞机结构的受载历程及符合本机实际损伤的真实剩余寿命，确定新的检修期，实行按需检修，增加监控飞机的使用安全可靠性，确保在相同安全度的条件下，延长飞机的实际可靠使用期，提高飞机的经济性。可以用于大型结构试验。本系统还可以广泛应用于船舶、桥梁、火车、汽车等关键结构和机械设备的技术状况的监控以及剩余寿命监测，提高安全可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种数字化微型化大型结构寿命实时监测监控系统
背景技术
在现代化大型复杂结构设计中，安全使用寿命指标和经济性指标极其重要。目前结构寿命确定由理论分析预测与不同级别的实验验证相结合进行。疲劳断裂理论经过数十年的发展，已经能够很好预测较为简单的试样疲劳寿命，但是对实际结构寿命的预测则远远没有解决。实际结构承载历程、服役环境和关键部位实际应力应变的不可预测的变化是最主要的因素。即使在实验室进行部件或全机试验，也只能在标准设计载荷谱下进行，不可能模拟每台机械的实际使用历史。这些因素致使实际结构的寿命难以确定。结构或被冒险使用，或限制于十分保守的使用寿命要求，以致经济性和安全性的矛盾无法解决。
在结构的所有破坏形式中，疲劳破坏有其突发性，因此是一种极其危险的破坏形式。同时，疲劳强度问题比静强度复杂得多，而疲劳的理论分析又远不及静强度的理论分析成熟，所以飞机结构的疲劳实验更加重要。目前，飞机的结构试验主要有全机试验、全机上的部件试验、支架上的部件试验等。其中，前两项试验由于具有各部件之间连接真实，传力真实的优点，有助于发现飞机结构的疲劳薄弱点，确定危险部位；有助于确定各部位的寿命或破损安全特性，从而确定飞机的安全寿命或制定检查维修条例。但是，在飞机的疲劳实验中有一个非常关键的问题，即载荷谱的设计与实施问题。目前现有的设计及试验都是采用标准谱进行加载。然而，实际载荷等外界作用是千变万化的，因此在实验室里，不管全机试验或部件试验都无法反映每部分的真实受载历程。正是基于这一原因，即使是最好的寿命预测算法和设计理论也无法保证结构的安全。同时，确定飞机的服役寿命，仅靠预测机群寿命是不够的，因为群机寿命不能确保各种工况下每架飞机的安全，也不利于挖掘大部飞机的使用潜力，对每架飞机都进行疲劳试验是耗资巨大也不现实的事情。因此，研究一种可以实时监控单机载荷，及时反映每架飞机的实际损伤状况的技术是非常必要的。
机械故障诊断技术被用于许多重要机械设备，但因疲劳破坏的复杂性、局部性和突然性，单纯的故障诊断技术很难用于疲劳寿命监控。此外一般故障需要的专门设备和信息处理技术不宜广泛实施。
迄今与此有关的发明创造，有专利申请号为02107835.1的“预测旋转机器寿命的装置及其预测和确定维修时间的方法”，主要用来预测旋转机器的使用寿命预期值。专利号为8710117.1的“切削颤振在线测量仪”，能在线监测制造系统加工状态，识别切削信号中的周期分量，检测切削颤振的发生。应用于切削颤振性能的定量评定与切削颤振的检测。专利号为93114993.2的“一种主轴安装型扭矩遥测刀柄，”主要是对回转刀具磨损，破损情况进行在线监测。专利号为94115452.1“提升机钢丝绳张力在线检测装置，”是在线监测提升机钢丝绳张力，为提升机安全、合理、经济运行提供保证。专利号为90106449.1的“管线钢硫化物应力腐蚀裂开敏感性控测仪”，是一种含硫油气集输系统的安全检测装置，能测出硫化物应力腐蚀裂开的敏感程度。专利号为“98121336.7的“采用负载预测的系统优化装置”，是采用负载预测用于系统优化的控制装置。可见上述现有技术，基本上都是针对某种具体产品的监测技术，专业性较强，各自都存在着一定的局限性，不适用于对大型结构的疲劳损伤及寿命预测进行在线监测和监控。另外，在飞机的疲劳试验方面，目前更多的研究集中在试验载荷的优化设计方面，通过某种数学方法对载荷进行优化以减小试验误差，或者提出一种新的理论进行疲劳损伤的研究及寿命预测。但由于缺乏实时性，这些都没有在根本上解决飞机载荷谱的设计和实施问题。另外，在机械领域，尽管可以对某些大型结构进行实时监测，但还没有一种直观、简便的仪器可以真实地反映结构的疲劳操作实行情况，实时在线提供结构的受载情况及其剩余寿命信息。
发明内容
将先进的疲劳断裂理论分析技术和局部应力应变实时监测技术相结合，将微数字信息提取处理技术、芯片集成技术、遥控遥测等先进技术相结合，对关键结构应力应变历程进行实时监控、并结合结构分析和寿命分析技术进行实时寿命累积预测，从而实现实际结构的安全、经济运行。三维疲劳断裂理论和智能微测控技术的最新发展为实现这一目标提供了必要条件。
本发明的目的就是基于上述技术背景和指导思想，研制一种数字化微型化大型结构寿命实时监测监控系统，以便能够实时测量飞机或其他机械结构的动力学参数，并实时记录结构受载的真实历程，还利用基于三维疲劳断裂的寿命预测算法，分析并计算出结构的损伤程度，预测结构的剩余寿命，通过液晶显示或无线输出结果，很直观、方便地掌握结构现有技术状况，为结构的检修以及安全保障提供重要的参考信息，而且由于实现了实时监测，所记录载荷真实的反映了结构的受载情况，可以从根本上解决疲劳试验载荷谱的可靠性问题。为实现上述目的，本实时监测监控系统由多路传感器连于微信号放大器的输入端，微信号放大器输出端连于由模数转换器，数据处理器和无线通信模块所组成的数字信号处理模块(DSP)，数字信号处理模块还分别连于液晶显示器和键盘模块，计算机与数字信号处理模块通过各自的无线通信模块的发射天线和接收天线进行信号联接。
本监测监控系统结合软件实现。
本监测、监控系统的技术特点是：
1、实现了对关键结构疲劳寿命的在线实时监控，能够在线实时反映结构的载荷历程及其对安全寿命状态的作用，采用的寿命预测算法基于先进的三维疲劳断裂统一理论，较其它算法具有更高的可信度；
2、本系统实现了微型化、数字化，可与结构集成为一体而不影响结构的本身性能，实用性强；
3、数据与控制指令可以进行无线传输，方便操作。
本系统可以应用于飞机的单机寿命监控，实时提供该机的受载历程及符合本机实际损伤的真实剩余寿命，确定新的检修期，实行按需检修，增加监控飞机的使用可靠性，确保在相同安全度的条件下，延长飞机的实际可靠使用期，提高飞机的经济性。
本系统可以用于大型结构试验。
本系统还可以广泛应用于船舶、桥梁、汽车等关键结构的技术状况的监控以及剩余寿命预测，提高安全可靠性。
附图说明
图1是数字化微型化大型结构寿命实时监测监控系统组成框图。
图2的图(a)、图(b)是图1的具体实施例原理图。
图3是本发明的软件系统程序流程框图。
图1中框图标号名称：1、多路传感器，2、微信号放大器，3、数字信号处理模块，4、液晶显示器，5、键盘模块，6、无线通信模块，7、计算机(PC)，8、模数转换器，9、数据处理器，10、无线通信模块。
图2中的图(a)及图(b)的符号名称：U11——数据处理器，U12——液晶显示器，U13——键盘模块，U14——无线发射/接收模块，U15——存储器，U16——电压转换模块，U17——微信号放大模块。
图3中的框图名称见图3中各方框图名称。
具体实施方式
由附图1与附图2可知，本数字化微型化大型结构寿命实时监测监控系统的组成是，多路传感器1连于信号放大器2的输入端，其输出端连于由模数转换器8，数据处理器9，无线通信号模块10所组成的数字信号处理模块3，液晶显示器4和键盘模块5分别与数字信号处理模块相连，计算机7通过无线通信模块6的接收天线与数字信号处理模块3的发射天线进行信号联系。图2的图(a)和图(b)是具体实施原理图，由图2(b)中的电压转换模块U16(模数转换器)通过RS连于发射/接收模块U14(无线通信模块)的SC1R、PDO、SC1T三个接口分别连于图2(a)中数据处理器U11中相应接口26、25、21；图2(b)中的存储器U15的SP1C、SP1S、SP1O、SP11分别连于图2(a)中数据处理器U11的相应接口35、33、30、32四个接口；图2(b)中的微信号放大模块U17(微信号放大器)的输入端VXIN+、VXIN-分别与多路传感器1的输出相连，微信号放大模块U17的输出结果ADCXX接至图2(a)的数据处理器U11的相应接口，具体接入如下表所示：
| x | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| A0 | PE0 | PE2 | PE4 | PE6 | PA2 | PF0 | PC0 |
| A1 | PE1 | PE3 | PE5 | PE7 | PA3 | PF1 | PC1 |
图2(a)液晶显示器U12和键盘U13直接连于数据处理器U11，图2(a)右下图为计算机接口。图3是软件系统程序流程图。此软件系统与数字信号处理模块(3)中的数据处理器相配合实现本监控系统的工作。其工作原理如下：
多路传感器的实时测量结构的应力或应变参数，经微信号放大器放大后，将模拟信号输送至DSP数字处理模块3，DSP数字处理模块3由三部分组成；第一部分模数转换部，模拟信号转换为数字信号；第二部分是数据处理与寿命预测软件部分，主要有两项功能，一是将收集到的数据进行处理和记录，将结构的受载历程实时记录下来；另一项功能是进行计算，所采用算法基于先进的三维疲劳断裂统一理论，完成数据处理和计算，自动分析结构的疲劳寿命累积，得到当前状态下的结构剩余寿命，液晶显示模块显示结果，一目了然；另外，还可以利用DSP模块中的无线通讯功能，在＜100米的距离内实现与PC机的无线数据传输与遥控，得到并存储DSP数字模块检测到的数据，发出或修改指令遥控工作；监测DSP的工作状态。键盘的主要功能是人机接口，实现DSP数字模块复位以及原始数据的输入。该模块具有watchDog监控功能，能够实时自动监控结构寿命的工作状态，如果出现死机可自动复位。
本监测监控系统可应用于飞机的单机寿命监控，实时提供该机的受载历程及符合本机实际损伤的真实剩余寿命，确定新的检修期，实行按需检修，增加监控飞机的使用可靠性，确保在相同安全度的条件下，延长飞机的实际可靠使用期，提高飞机的经济性。可以用于大型结构试验，也可广泛应用于船舶、桥梁、汽车等关键结构和机械设备的技术状况的监控以及剩余寿命监测，提高安全可靠性。
Claims (2)
1、一种数字化微型化大型结构寿命实时监测监控系统，其特征在于多路传感器(1)连于微信号放大器(2)输入端，微信号放大器(2)的输出端连于数字信号处理模块(3)，计算机(7)与无线通信模块(6)相连，计算机(7)与数字信号处理模块(3)通过各自的无线通信模块的发射天线和接收天线进行信号联接。
2、依据权利要求1所述的数字化微型化大型结构寿命实时监测监控系统，其特征在于数字信号处理模块(3)由模数转换器(8)连于数据处理器(9)连于无线通信模块(10)所组成。
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