嵌入式飞机主被动结构健康监测系统的制作方法

专利名称：嵌入式飞机主被动结构健康监测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于主被动Lamb波和压电阵列传感器技术的结构健康监测系 统，尤其涉及一种适于飞机机载的抗振、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于携带和安装、方 便飞机维护人员使用的嵌入式结构健康监测系统。
背景技术：
飞机的安全性是至关重要的问题。 一架飞机的失事带来的不仅是经济的损伤，还 会引起广泛的政治、社会影响。近年来，很多飞机失事的原因都是由于飞机主要承力结构出 现疲劳造成机体解体。结构健康监测技术能够在线的实现结构健康自诊断，保证结构的安 全和降低维修费用。它是采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的先进传感/驱 动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、 波传播特性等)，结合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模方法，提取结构损伤特 征参数，识别结构的状态，包括损伤，并对结构的不安全因素，在其早期就加以控制以消除 安全隐患或控制安全隐患的进一步发展。 铝合金是目前航空结构主要使用的材料，其主要的损伤模式是容易因为结构疲劳
而产生疲劳裂纹，进而扩展造成结构最终不能承受预定载荷而破坏；在当前的飞机结构发
展趋势中，复合材料因其具有轻质、抗疲劳的特性而得到了越来越广泛的应用，但是复合材
料结构受到冲击容易产生脱胶、分层、纤维断裂等能够给飞机带来毁灭性灾难的损伤；所以
需要对飞机结构进行在线的健康监测。在结构健康监测技术中，基于主动和被动Lamb波以
及压电阵列传感器的监测技术能够有效的在线监测金属结构的裂纹产生和扩展过程、复合
材料结构的上述损伤，国内外已有大量文献报道了相关技术的研究进展。 目前，国内外针对基于主被动Lamb波和压电传感器阵列的结构健康监测技术的
研究和应用都是在地面离线进行，使用的仪器设备庞大、连线关系复杂，用户使用不方便；
而适于机载的结构健康监测系统必须具有抗振、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于携带和
安装、方便飞机维护人员使用等特点；如果应用到大型飞机的结构健康监测中，每个主要承
力结构都需要布置压电阵列传感器，因此需要使用多套结构健康监测系统组成分布式监测
网络来完成大型飞机结构的健康监测，这时各个结构健康监测系统之间要能相互通讯，并
且能够和其它机载设备(如飞行环境参数测试设备，机械操作设备等)进行交互，以此联合
诊断飞机的健康状态，这种要求是目前地面结构健康监测设备无法达到的。 总的来说，只有将结构健康监测技术应用到飞机上，在飞机飞行过程中对其实施
在线健康监测才能正真起到结构健康监测的作用。 本发明就是在上述背景下提出的一种基于主被动Lamb波和压电阵列传感器技术 的，适于飞机机载的嵌入式结构健康监系统。

发明内容
1、技术问题本发明要解决的技术问题是提供了一种嵌入式飞机主被动结构健康监测系统，它是一种适于机载的系统，可以在飞机执行飞行任务时对其结构实施在线健康 监测；可以在线的对压电阵列传感器中的压电激励-传感网络进行多通道轮询扫查，完成 主动结构健康监测任务，如复合材料结构的脱胶、分层损伤的定位等；可以在线的被动接收 压电阵列传感器信号，完成被动结构健康监测任务，如结构冲击事件的监测、疲劳裂纹的产 生和扩展等。 2、技术方案为了解决上述的技术问题，本发明的嵌入式飞机主被动结构健康监 测系统包括软件模块、系统电源模块、控制器模块、高速存储器模块、传感信号采集模块、信 号放大模块、声发射触发模块、通道切换模块、数字管理模块、激励信号输出模块、功率放大 模块、信号转接模块。 所述的信号转接模块与系统外界信号源连接，即实现外界信号源和系统内部各模 块之间的信号交互转接作用，并对外界信号源之一的压电阵列传感器的输出\输入信号进 行转接；更进一步地，信号转接模块包括外部接口转接单元、压电阵列传感器转接单元、状 态控制指示转接单元和系统电源转接单元，其中，外部接口转接单元与控制器模块中的外 部接口控制单元连接；压电阵列传感器转接单元将外界压电阵列传感器的传感信号转接至 通道切换模块、将激励信号通过通道切换模块转接至外界压电阵列传感器；状态控制指示 转接单元受外界工作状态控制并与数字管理模块连接，同时也接受数字管理模块的控制； 系统电源转接单元受外界电源状态控制并与系统电源模块连接。 在主动监测工作状态下，所述的激励信号输出模块产生结构健康监测所需的激励 信号，该激励信号依次经过功率放大模块、通道切换模块、信号转接模块输出至外界压电阵 列传感器，同时外界压电阵列传感器的传感信号依次经过信号转接模、信号放大模块传输 至传感信号采集模块；在被动监测工作状态下，外界压电阵列传感器的传感信号依次经过 信号转接模、信号放大模块分别传输至声发射触发模块和传感信号采集模块，声发射触发 模块产生触发信号传输至传感信号采集模块；功率放大模块、通道切换模块、信号放大模块 和声发射触发模块受数字管理模块的控制，数字管理模块、传感信号采集模块和激励信号 输出模块与系统内部总线进行通讯并受控制器模块的控制； 所述的控制器模块包括外部接口控制单元、存储器控制单元、内部总线控制单元、
MCU和内存单元，其中，外部接口控制单元与信号转接模块连接，存储器控制单元与高速存
储器模块连接，内部总线控制单元与系统内部总线连接。 所述的系统电源模块为控制器模块和功率放大模块提供电源。 为阻止外界电磁干扰，提高系统的抗冲击、抗振动的能力，上述各模块集成的置于
可防止电磁干扰的嵌入式计算机整体式铝合金散热外壳内。 信号转接模块实际上起到外界信号和系统内部各模块交互的信号转接作用，包括 系统电源开关和电源输入、压电阵列传感器的信号转接以及系统与外部键盘、鼠标、触摸式 液晶屏、串并口、USB总线、以太网、CAN总线、1553B总线、下载存储器的信号转接；在不能使 用触摸式液晶屏的场合下，提供系统工作状态的控制、指示和损伤报警。系统电源转接单元 包含电源指示灯和电源通断按钮；状态控制指示转接单元包含主被动工作控制按钮、状态 指示灯。系统电源模块的输入接口直接与系统电源转接单元在系统机箱内部连接，电源开 关按钮和电源输入接口固定在机箱箱体壁上直接与系统电源转接单元连接；工作控制按钮 及状态指示灯固定在机箱壁上直接与状态控制指示转接单元连接；通道切换模块的接口直接与压电阵列传感器转接单元在系统机箱内部连接；粘贴在被监测结构上的压电阵列传感 器的输入/输出接口在系统机箱外部直接连接到压电阵列传感器转接单元上；控制器模块 的外部接口控制单元直接连接到外部接口转接单元与外界进行通讯；外部存储器可以通过 外部接口转接单元与控制器模块的下载存储器控制单元通讯，对存储在高速存储器模块中 数据进行高速下载和对系统的软件进行更新。 系统可以通过USB总线、以太网、CAN总线、1553B总线，实现系统数据与外部网络、 现场总线的交互，通过各网络、总线，其它系统可以获得本系统工作中采集的信号数据，也 可以对本系统的工作进行控制，多个系统可以组网，形成分布式结构健康监测系统，也可以 将系统嵌入到飞机的网络、总线中，与其它机载设备实现数据交互。 整个系统接受外部提供的直流或交流电源；系统电源模块将外部提供的电源转换 成系统内部除功率放大模块外的各模块所需电源，并提供给控制器模块，由控制器模块依 靠系统内部总线统一向各模块供电；系统电源模块将外部提供的电源转换成大电压直流电 源直接给功率放大模块供电。 控制器模块实际上为一个小型化嵌入式计算机，它包含了基本的MCU、固化内存、 内部总线控制单元、存储器控制单元、外部接口控制单元。控制器模块为传感信号采集模 块、数字管理模块、激励信号输出模块提供统一的嵌入式系统内部总线平台。控制器模块的 功能是处理系统和应用软件，发出所有的硬件控制指令，并且处理所有的数据结果。该模块 电源由系统电源模块提供。 高速存储器模块与控制器模块的存储器控制单元交互，系统的操作系统和软件模
块都安装存放在高速存储器模块中，系统工作时产生的数据也存入其中。 激励信号输出模块的功能是产生主动结构健康监测中的多种激励信号，它可以产
生窄带Lamb波、宽带Lamb波以及正弦波、方波等等常用的激励信号，也可以根据实际监测
的需要进行编程产生各种特殊的激励信号，其产生的信号频率范围较宽，产生信号的时钟
更新率可以到达50MHz，信号幅值可以从0到士10V连续可调，并且具备输出滤波功能，输出
信号的精度较高。该模块与控制器模块通过系统内部总线进行交互。该模块电源由系统内
部总线上的电源提供。 功率放大模块接受数字管理模块电源通断、输出通断控制。它的功能是提高激励 信号的功率，由于实际监测结构面积大，由激励信号输出模块产生的激励信号需要经过功 率放大模块提高激励信号功率才能输入压电激励-传感网络。功率放大模块的工作带宽能 够达到500KHz的-3dB带宽，输出电压至少可达士70V。该模块电源由系统电源模块提供。
通道切换模块接受数字管理模块的通道切换控制和电源输入，在主动监测时为大 面积结构健康监测中使用压电阵列传感器提供了稳定准确的通道切换功能。它接收功率放 大模块输出的高频大功率激励信号，输送给选定的作为激励的传感器，并且接收选定的作 为传感的传感器的传感信号，输出给信号放大模块。通道切换模块在被动监测时实现特定 传感器的选通，接收选定传感器的传感信号，输出给信号放大模块。利用该模块，主被动监 测得到了有机的兼容。 信号放大器模块的功能是放大压电元件的传感信号。工作带宽为0.2Hz到 500KHz，放大倍数可以根据实际监测的需求，通过程序来调整，接受来自数字管理模块的放 大倍数控制信号和电源输入。考虑到多路声发射信号的采集，它具备多路同时放大的能力。
传感信号采集模块的功能是对传感信号进行高速数据采集。它的采样率可以到达 10MHz，采样精度可达12位。它的高速高精度性能保证了传感信号的精度，从而提高了损伤 判别的准确性和实时性。考虑到多路声发射信号的采集，它具备多路独立同时采集的功能， 并且可以接受外部数字触发，该触发信号来自声发射触发模块。该模块与控制器模块通过 系统内部总线进行交互。该模块电源由系统内部总线上的电源提供。 声发射触发模块的功能是对声发射信号采集进行触发。它接受数字管理模块的触 发电平控制信号和电源输入，将该信号进行D/A转换，转换精度16位，并产生相应大小的直 流触发电平；触发电平0 IOV连续可调。在系统被动监测工作时，经过信号放大器模块放 大后的信号输入到该模块，通过比较，该模块产生数字触发信号输入到传感信号采集模块， 使其对多路信号进行同时采集。 数字管理模块的功能是驱动信号放大模块、通道切换模块、声发射触发模块、功率 放大器模块，改变它们的工作状态，实现对这四个模块的程控；它同时也接受状态控制指示 转接单元的控制信号以及向状态控制指示转接单元发出工作状态指示信号和损伤报警信 号。该模块与控制器模块通过系统内部总线进行交互。该模块电源由系统内部总线上的电 源提供。 高速存储器模块通过控制器模块的存储器控制单元与其交互。系统所有的系统和 应用软件都安装在高速存储器模块中。控制器模块从传感信号采集模块接收传感器信号数 据，并实时存储到高速存储器模块中。 系统使用的软件模块包含两个层次。第一层次是系统工作驱动层，它含有两个单 元，当使用触摸式液晶屏时，使用系统软件驱动工作单元，它实现触摸屏产生的命令和软件 程序的交互；不能使用触摸屏的场合下，使用系统硬件驱动工作单元，它实现用户状态控制 的命令和软件程序的交互。第二个层次是系统工作层，它实现所有的硬件驱动，信号处理和 损伤判别功能。 3、有益效果本发明的嵌入式飞机主被动结构健康监测系统包含了主被动监测所 需的软硬件，能够对飞机结构实现在线的健康监测(l)系统提供高效，稳定的通道切换， 便于实现用压电阵列传感器对结构进行大范围的主动健康监测，增大监测面积；(2)系统 提供准确的信号触发和传感器切换，可以实现监测区域可选的被动健康监测；(3)系统结 构紧凑、抗振、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于携带和安装、方便飞机维护人员，能够实 现机载；(4)系统软件集成了多种损伤监测方法，可自动提取结构损伤特征，并进行损伤判 别；(5)系统可扩展性好，可以很方便的配置、扩展结构健康监测软硬件；(6)系统具有标准 的机载设备接口 ，便于多套系统的组网和与其它机载系统的通讯。


图1是本发明的系统整体结构示意图； 图2是本发明的系统电源模块构结构图； 图3是本发明的激励信号输出模块结构图； 图4是本发明的功率放大模块结构图； 图5是本发明的通道切换模块结构图； 图6是本发明的信号放大模块结构图，其中(a)为有多个放大通道的结构图，(b)
图8是本发明的声发射触发模块结构图； 图9是本发明的数字管理模块结构图； 图10是本发明的软件模块结构图； 图11是本发明实施例的系统整体结构组成图，其中各代码含义如下 1控制器模块、高速存储器模块 2传感信号采集模块 3激励信号输出模块 4数字管理模块 5系统电源模块 6功率放大模块 7屏蔽电路 8通道切换模块 9信号放大模块 10声发射触发模块 ll信号转接模块 12嵌入计算机外壳与小型触摸屏显示器； 图12是本发明实施例的系统主动监测工作时各模块的状态迁移图； 图13是本发明实施例的系统被动监测工作时各模块的状态迁移图。
具体实施例方式
如图1所示，本实施例是一种基于PC/104-plus架构的嵌入式飞机主被动结构健 康监测系统，包括软件模块、系统电源模块、控制器模块、高速存储器模块、传感信号采集模 块、信号放大模块、声发射触发模块、通道切换模块、数字管理模块、激励信号输出模块、功 率放大模块、状态控制指示模块、信号转接模块。 如图2所示，整个系统接受外部提供的直流18 32V供电，系统电源模块将外 部提供的电源通过DC/DC转换成系统内部除功率放大模块外的各模块所需电源，包括 +5V/10A、 -5V/2A、 +12V/1A、 -12V/0. 3A，这部分电源提供给控制器模块，然后控制器模块通 过系统内部总线将电源送各个模块；系统电源模块将外部提供的直流18 32V电源通过 DC/DC转换成+80V/200mA、-80V/200mA的大电压直流电源直接给功率放大模块供电。系统 电源模块的满载输出功率可达75W，平均电源转换效率可达78X。考虑实际工程应用环境， 特别是机载环境的要求，该源模块具有抗冲击、抗振动、无风扇散热的特点，工作温度_25°C 到+75"，尺寸为100mmX100mmX20mm(长X宽X高)。 如图l所示，控制器模块为一个PC/104-plus单板计算机模块，它包含了基本的处 理器、固化内存、内部总线控制单元、存储器控制单元、外部接口控制单元。该模块为传感信 号采集模块、数字管理模块、激励信号输出模块提供统一的PC/104-plus总线平台。控制器 模块的功能是处理所有的系统和应用软件，发出所有的硬件控制指令，并且处理所有的数 据结果。本实施例考虑到实际工程应用环境，特别是机载环境的要求，该模块抗冲击、抗振动、无风扇散热，功耗不超过8瓦，工作温度-25。C到+70°C ，尺寸为96mmX 96mmX 15mm。
高速存储器模块为一张工业级高速CF卡，容量至少4G。整个系统的操作系统和 软件模块都安装在其中，系统工作时产生的数据也存入其中。操作使用Vxworks操作系统。 考虑到软件算法的实现，控制器模块中的固化内存至少需要256M以上。
如图3所示，激励信号输出模块包含数字部分的总线接口译码单元、可编程逻辑 单元、时钟单元，模拟部分的高精度D/A转换单元、低通滤波单元、输出驱动单元以及整个 电路的电源管理单元。它的功能是产生主动结构健康监测中的多种激励信号，它可以产生 窄带Lamb波、宽带Lamb波以及正弦波、方波等等常用的激励信号，也可以根据实际监测的 需要进行编程产生各种特殊的激励信号，其产生的信号频率范围较宽，产生信号的时钟更 新率可以到达50MHz，信号幅值可以从0到士10V连续可调，输出电流最大50mA，并且具备 输出滤波功能，输出信号的精度较高。由该模块产生的激励信送功率放大模块提高功率。 考虑到本实施例实际工程应用环境，特别是机载环境的要求，该模块具有抗冲击、抗振动特 点，功耗不超过2瓦，工作温度-20。C到+55"，尺寸为96mmX96mmX15mm。
如图4所示，功率放大模块接受数字管理模块电源通断、输出通断控制和该模 块提供的单元电源，并接受系统电源模块提供的士80V电源。单元电源是给电源通断控 制单元和输出通断控制单元的继电器及其驱动电路供电。功率放大模块的功能是提高 激励信号的功率，由于实际监测结构面积大，由激励信号输出模块产生的激励信号需要 经过功率放大模块提高激励信号功率才能输入压电激励-传感网络。功率放大模块一 共有两级第一级是电压放大级，第二级是电流放大级。电压放大级利用高速集成运算 功率放大器电路能够将激励信号输出模块输入的不超过士10V/50mA的电压信号放大至 士70V/50mA，电流放大级进行电压跟随并提升电流至200mA，最后输出信号最大电压/电流 为士70V/200mA，-3dB带宽可以达到500KHz。该模块具有抗冲击、抗振动、无风扇散热的特 点，工作温度-20。C到+55"，尺寸为100mmX100mmX15mm。 如图5所示，通道切换模块接受数字管理模块的通道切换控制和电源输入。在主 动监测时，压电阵列传感器中的每两个压电元件可以构成一个激励-传感通道，多个压电 元件就可以构成多个激励_传感通道形成激励_传感网络，该模块为大面积结构健康监测 中使用压电阵列传感器提供了稳定准确的通道切换功能。它接收功率放大模块输出的高 频大功率激励信号，输送给选定的激励元件，并且接收选定传感元件的传感信号，输出给信 号放大模块。考虑电路尺寸的限制，该模块可控制8 12个压电传感器，在需要控制更多 压电传感器的场合，可以使用多个相同模块做通道扩展。在被动监测时，压电阵列传感器 中的每个压电传感器都可以作为声发射信号传感器与常用的声发射系统探头功能相同，该 模块实现4个特定压电传感器的选通，接收选定压电传感器的传感信号，输出给信号放大 模块。该模块具有抗冲击、抗振动特点，功耗不超过2瓦，工作温度_251:到+601:，尺寸为 96mmX96mmX 15mm。 信号放大器模块的功能是放大压电元件的传感信号。工作带宽为0.2Hz到 500KHz，放大倍数可以根据实际监测的需求，通过程序来调整，接受来自数字管理模块的放 大倍数控制信号。它具备四路低噪声、同时放大的能力，如图6(a)所示。图6(b)是单个放 大通道的结构图，为了精简电路，采用三级简化电路结构电荷放大级将压电传感器的电荷 量传感信号转换成电压信号，该级的灵敏度可以控制；低通滤波级起到滤除高频杂波的作用，它的_3dB带宽在500KHz ;最后相位补偿放大倍数调整级用来补偿前两级造成的信号相 移，放大倍数可程控。该模块具有抗冲击、抗振动特点，功耗不超过2瓦，工作温度_25°〇到 +60"，尺寸为96mmX96mmX 15mm。 如图7所示，传感信号采集模块包括信号调理单元、DVV转换单元、总线接口译码 单元、内外部触发采集单元、可编程逻辑单元、时钟单元。它的功能是对传感信号进行高速 数据采集，接收信号放大模块的放大信号以及声发射触发模块的触发信号，通过系统内部 总线与控制器模块进行交互。它具有4通道独立同时采集的能力，采样率可以到达10MHz， 采样精度可达12位，量程± IOV。它的高速高精度性能保证了传感信号的精度，从而提高了 损伤判别的准确性和实时性。它可以接受外部数字触发，该触发信号来自声发射触发模块。 传感信号采集模块具有抗冲击、抗振动特点，功耗不超过5瓦，工作温度_201:到+551:，尺 寸为100mmX 100mmX 15mm。 如图8所示，声发射触发模块的功能是对声发射信号采集进行触发，它接受数字 管理模块的触发电平控制信号，将该信号进行D/A转换，转换精度可达16位，产生相应大小 的直流触发电平，并经过低通滤波单元去噪；触发电平0 10V连续可调，也由数字管理模 块提供的控制信号进行控制。该模块能同时接收4路放大后的传感信号输入，通过高速比 较器产生的数字触发信号输入到传感信号采集模块。该模块具有抗冲击、抗振动特点，功耗 不超过2瓦，工作温度-25。C到+60"，尺寸为96mmX96mmX15mm。 如图9所示，数字管理模块主要包括总线接口译码和逻辑控制驱动单元，其功能 是驱动信号放大模块、通道切换模块、声发射触发模块、功率放大器模块和状态控制指示 转接单元，改变它们的工作状态，实现程控；它同时也接受状态控制指示转接单元发出工 作状态控制信号。该模块与控制器模块通过系统内部总线进行交互。总线接口译码通过 PC/104-plus总线与控制器模块进行交互；逻辑控制驱动单元完成信号放大模块、通道切 换模块、声发射触发模块、功率放大器模块和状态控制指示转接单元的驱动输出和状态输 入；在通道切换模块驱动信号输出/输入单元、功率放大模块通断控制单元中，驱动信号的 驱动能力被提高，用于驱动各模块中的继电器开关(阵列)。该模块具有抗冲击、抗振动特 点，功耗不超过2瓦，工作温度-25。C到+60"，尺寸为96mmX96mmX15mm。
如图1所示，信号转接模块实际上起到外界信号和系统内部各模块交互的信号转 接作用，包括系统电源开关和电源输入、压电阵列传感器的信号转接以及系统与外部键盘、 鼠标、触摸式液晶屏、串并口、USB总线、以太网、CAN总线、1553B总线、下载存储器的信号转 接；在不能使用触摸式液晶屏的场合下，提供系统工作状态的控制、指示和损伤报警。系统 电源转接单元包含电源指示灯和电源通断按钮；状态控制指示转接单元包含主被动工作控 制按钮、状态指示灯。系统电源模块的输入接口直接与系统电源转接单元在系统机箱内部 连接，电源开关按钮和电源输入接口固定在机箱箱体壁上直接与系统电源转接单元连接； 工作控制按钮及状态指示灯固定在机箱壁上直接与状态控制指示转接单元连接；通道切换 模块的接口直接与压电阵列传感器转接单元在系统机箱内部连接；粘贴在被监测结构上的 压电阵列传感器的输入/输出接口在系统机箱外部直接连接到压电阵列传感器转接单元 上；控制器模块的外部接口控制单元直接连接到外部接口转接单元与外界进行通讯；外部 存储器可以通过外部接口转接单元与控制器模块的下载存储器控制单元通讯，对存储在高 速存储器模块中数据进行高速下载和对系统的软件进行更新。
如图10所示，为实现本实施例系统功能的软件模块结构。软件模块分为系统工作 驱动层和系统工作层两个层次。具体说明如下 (1)系统软件驱动工作它实现触摸屏产生的命令和软件程序的交互，相当于用 户操作界面。通过这个界面，用户可以实现系统所有的软硬件进行设置，完成主被动结构健 康监测任务。 (2)系统硬件驱动工作它实现用户状态控制的命令和软件程序的交互，即用户 点击信号转接模块中状态控制指示转接单元上的工作按钮，以此驱动系统软硬件完成相应 的结构健康监测任务。 系统初次工作时，必须使用系统软件驱动工作，设置最基本的硬件工作参数、建立 主被动传感器网络、选择信号处理方法、选择损伤判别方法。在保证系统软硬件配置完成 后，可只使用系统硬件驱动工作，脱离触摸屏。 (3)数据通讯模块实现系统数据与外部网络、现场总线的交互，通过各网络、总 线可以获得本系统工作中采集的信号数据，也可以对本系统的工作进行控制。这个功能使 得多个系统可以组网，形成分布式结构健康监测系统，也可以将其嵌入到网络、总线中，与 其它设备实现数据交互。 (4)软件管理模块该模块主要用于管理用户设置的传感器网络、处理用户的系 统操作错误、提供用户操作帮助。在传感器阵列信息管理中，用户可以定义传感器的个数、 传感器编号、传感器对应的作为激励元件时的开关编号、传感器对应的作为传感元件时开 关编号、传感器主被动工作模式。 (5)信号分析模块该模块为用户提供针对主被动结构健康监测系统处理的时频 域信号处理工具，包括时域分析、频域分析、小波变换的时频域分析。采集到的传感器信号 首先进过该模块进行处理提取特征参数以后，再进行损伤判别。
(6)任务控制模块该模块分为主动监测控制和被动监测控制两个单元。
(a)主动监测控制 在其中的硬件工作参数设置中，对主动监测中的各个模块的工作参数进行设置； 在其中的通道切换控制中，根据用户设置的传感器网络进行激励-传感多通道切换；用户 可以选择时间反转成像方法或者是相控阵成像方法对结构的损伤位置进行判别，最后输出 判别结果。
(b)被动监测控制 在其中的硬件工作参数设置中，对被动监测中的各个模块的工作参数进行设置； 在其中的通道切换控制中，根据用户设置的传感器网络选通固定的传感器通道；用户可以 选择时间反转定位方法或者是四点圆弧定位方法对结构的冲击位置和冲击能量进行评估， 最后输出损伤评估结果。 如图11所示，为本实施例的组成结构示意图。控制器模块、高速存储器模块、传感 信号采集模块、激励信号输出模块、数字管理模块和系统电源模块组成第一叠堆；控制器模 块、传感信号采集模块、激励信号输出模块、数字管理模块依靠PC/104-plus总线插槽和带 弹簧铜质螺柱连接，系统电源模块组成与数字管理模块依靠带弹簧铜质螺柱连接，以此实 现整体抗击外界振动，PC/104-plus总线针孔式插槽能够稳定的实现总线通讯信号的传递； 第一叠堆整体尺寸为100mmX100mmX80mm。功率放大模块、通道切换模块、信号放大模块、声发射触发模块组成第二叠堆，并在功率放大模块和通道切换模块之间加一块全铜的屏蔽 电路；每个模块依靠带弹簧铜质螺柱连接，以此实现整体抗击外界振动；第二叠堆整体尺 寸为lOOmmX 100mmX75mm。信号转接模块尺寸为200mmX 80mmX lOmrn。整体硬件集成在嵌 入计算机整体式铝合金散热外壳内，外壳表面带触摸屏功能的系统用户操作界面(触摸屏 显示器)，用于用户对本系统的操作和控制。整个系统尺寸为220mmX 120mmX lOOmm，功耗 不超过70W，工作温度-25 t:到+55 °C 。 操作人员点击电源开关按钮，信号转接模块中的系统电源转接单元将系统电源模 块与外部电源接通，系统上电工作，等待操作人员给定监测任务。操作人员将各软硬件参 数、传感器网络都设置好以后，可以进入如下两个工作任务 如图12所示，在主动监测时(1)操作人员点击信号转接模块中状态控制指示转 接单元上的主动监测工作按钮，发出工作状态控制信号传送到数字管理模块，数字管理模 块产生工作状态控制信号通过系统内部总线传送到控制器模块，软件模块对工作状态控制 信号进行判别，再由控制器模块发出硬件驱动命令，将系统配置成为主动监测工作状态； (2)控制器模块产生的通道控制信号通过系统内部总线传送到数字管理模块，由该模块产 生通道驱动信号控制通道切换模块进行通道切换；控制器模块产生的放大倍数控制信号 通过系统内部总线传送到数字管理模块，由该模块产生驱动信号控制信号放大模块放大倍 数；控制器模块产生的电源、输出通断控制信号通过系统内部总线传送到数字管理模块，由 该模块产生驱动信号控制功率放大模块的电源通断和输出通断；控制器模块产生的工作状 态信号通过系统内部总线传送到数字管理模块，由该模块产生驱动信号控制状态控制指示 转接单元向操作人员指示当前系统处于主动监测的工作状态；(3)控制器模块将数字量形 式的激励信号通过系统内部总线传送到激励信号输出模块，该模块通过D/A转换将激励信 号以模拟量形式输出到功率放大模块，功率放大模块将激励信号的功率提升后传输至通道 切换模块，通道切换模块再将激励信号输入到外界压电激励_传感网络中选定的激励压电 元件；外界压电激励_传感网络中选定的传感压电元件产生的模拟量形式的传感信号通过 通道切换模块传输至信号放大模块进行放大，放大后的传感信号经传感信号采集模块通过 A/D转换成为数字量后再通过系统内部总线传输至控制器模块，软件模块对采集的信号进 行处理，产生损伤报警命令；(4)控制器模块产生损伤报警信号通过系统内部总线传送到 数字管理模块，由该模块产生驱动信号控制状态控制指示转接单元向操作人员指示结构有 无损伤产生。 如图13所示，在被动监测时(1)操作人员点击信号转接模块中状态控制指示转 接单元上的被动监测使能按钮，发出工作状态控制信号传送到数字管理模块，数字管理模 块产生工作状态控制信号通过系统内部总线传送到控制器模块，软件模块对工作状态控制 信号进行判别，再由控制器模块发出硬件驱动命令，将系统配置成为被动监测工作状态； (2)控制器模块产生的通道控制信号通过系统内部总线传送到数字管理模块，由该模块产 生通道驱动信号控制通道切换模块选中压电阵列传感器中用于当前被动监测的压电传感 元件；控制器模块产生的放大倍数控制信号通过系统内部总线传送到数字管理模块，由该 模块产生驱动信号控制信号放大模块放大倍数；控制器模块产生的触发电平控制信号通过 系统内部总线传送到数字管理模块，由该模块产生触发电平驱动信号控制声发射触发模块 的触发电平大小；控制器模块产生的工作状态信号通过系统内部总线传送到数字管理模块，由该模块产生驱动信号控制状态控制指示转接单元向操作人员指示当前系统处于被动
监测的工作状态；(3)外界压电阵列传感器中选定的压电传感元件产生的模拟量形式的传 感信号通过通道切换模块传输至信号放大模块进行放大，放大后的传感信号同时传送到声 发射触发模块和传感信号采集模块；声发射触发模块产生采集触发信号传送到传感信号采 集模块，触发其对放大后的传感信号进行采集；传感信号采集模块通过A/D转换成为数字 量后再传输至控制器模块，软件模块对采集的信号进行处理，产生损伤报警命令；(4)控制 器模块产生的损伤报警信号通过系统内部总线传送到数字管理模块，由该模块产生驱动信 号控制状态控制指示转接单元向操作人员指示结构有无受到外界冲击和冲击程度。
权利要求
一种嵌入式飞机主被动结构健康监测系统，其特征在于，包括软件模块、系统电源模块、控制器模块、高速存储器模块、传感信号采集模块、信号放大模块、声发射触发模块、通道切换模块、数字管理模块、激励信号输出模块、功率放大模块和信号转接模块，其中所述的信号转接模块与系统外界信号源连接，即实现外界信号源和系统内部各模块之间的信号交互转接作用，并对外界信号源之一的压电阵列传感器的输出\输入信号进行转接；所述的控制器模块包括外部接口控制单元、存储器控制单元、内部总线控制单元、MCU和内存单元，其中，外部接口控制单元与信号转接模块连接，存储器控制单元与高速存储器模块连接，内部总线控制单元与系统内部总线连接；所述的系统电源模块为控制器模块和功率放大模块提供电源；在主动监测工作状态下，所述的激励信号输出模块产生结构健康监测所需的激励信号，该激励信号依次经过功率放大模块、通道切换模块、信号转接模块输出至外界压电阵列传感器，同时外界压电阵列传感器的传感信号依次经过信号转接模块、信号放大模块传输至传感信号采集模块；在被动监测工作状态下，外界压电阵列传感器的传感信号依次经过信号转接模块、信号放大模块分别传输至声发射触发模块和传感信号采集模块，声发射触发模块产生触发信号传输至传感信号采集模块；功率放大模块、通道切换模块、信号放大模块和声发射触发模块受数字管理模块的控制，数字管理模块、传感信号采集模块和激励信号输出模块与系统内部总线进行通讯并受控制器模块的控制。
2. 如权利要求1所述的嵌入式飞机主被动结构健康监测系统，其特征在于，信号转接 模块包括外部接口转接单元、压电阵列传感器转接单元、状态控制指示转接单元和系统电 源转接单元，其中，外部接口转接单元与控制器模块中的外部接口控制单元连接；压电阵列 传感器转接单元将外界压电阵列传感器的传感信号转接至通道切换模块、将激励信号通过 通道切换模块转接至外界压电阵列传感器；状态控制指示转接单元受外界工作状态控制并 与数字管理模块连接，同时也接受数字管理模块的控制；系统电源转接单元受外界电源状 态控制并与系统电源模块连接。
3. 如权利要求1或2所述的嵌入式飞机主被动结构健康监测系统，其特征在于，系统电 源转接单元包括电源指示灯和电源通断按钮；状态控制指示转接单元包括主被动工作控制 按钮和损伤指示灯，在不能使用触摸式液晶屏的场合下，提供系统工作状态的控制、指示和 损伤报警。
4. 如权利要求1所述的嵌入式飞机主被动结构健康监测系统，其特征在于，所述的软 件模块、系统电源模块、控制器模块、高速存储器模块、传感信号采集模块、信号放大模块、 声发射触发模块、通道切换模块、数字管理模块、激励信号输出模块、功率放大模块和信号 转接模块集成的置于可防止电磁干扰、抗冲击、抗振动的嵌入式计算机整体式铝合金散热 外壳内。
全文摘要
本发明公开了一种嵌入式飞机主被动结构健康监测系统，包括软件模块、系统电源模块、控制器模块、高速存储器模块、传感信号采集模块、信号放大模块、声发射触发模块、通道切换模块、数字管理模块、激励信号输出模块、功率放大模块和信号转接模块。系统能够对飞机结构实现在线的健康监测，系统结构紧凑、抗振、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于携带和安装、方便飞机维护人员，能够实现机载；集成了多种损伤监测方法，可自动提取结构损伤特征，并进行损伤判别；系统可扩展性好，可以很方便的配置、扩展结构健康监测软硬件；系统具有标准的机载设备接口，便于多套系统的组网和与其它机载系统的通讯。
文档编号G01M99/00GK101701880SQ200910184440
公开日2010年5月5日 申请日期2009年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者刘沛沛, 张炳良, 苏永振, 董晨华, 袁慎芳, 邱雷 申请人:南京航空航天大学