结构健康监视的制作方法

结构健康监视
相关申请的交叉引用
1.本技术要求具有提交日2018年12月31日的美国临时申请号62/787,096和具有提交日2019年4月8日的美国非临时申请号16/377,336的权利，这两篇申请通过引用如同完全阐述一样并入本技术。


背景技术：

2.许多设备需要机械完整性以实现其功能和可靠性。因此，使测试机构就位以监视这些设备的机械健康是有益的。用于监视设备的机械健康的当前测试机构并不理想，因为它们通常在设备外部且并非针对特定类型的设备而设计，而且昂贵。此外，这些监视系统通常不时地手动操作，而与设备本身不同步。内置(built-in)测试是有用的，因为它们使设备能够测试其自身。尽管内置测试在电子和软件中是常见的，但是它们很少在机械中找到。因此，希望具有适合于与可能经历机械缺陷和磨损的各种设备一起使用的低成本内置测试设计。


技术实现要素：

3.公开了一种系统，包括设备和被配置为监视该设备的机械健康的监视单元。这里描述的监视单元可以是低成本的，并且适于与较小和相对便宜的设备一起使用。监视单元可以包括至少一个致动器、至少一个传感器和至少一个处理资源。所述至少一个致动器可以被配置为使所述设备振动，并且所述至少一个传感器可以被配置为检测所述设备的输出。在实施例中，至少一个致动器和至少一个传感器可以包括单个单元。所述至少一个处理资源可以被配置为处理由所述至少一个传感器检测到的所述输出。所述至少一个处理资源可进一步可以被配置为通过将所述设备的所检测到的输出与所述设备的健康指纹(fingerprint)进行比较来评估设备的机械健康，其中所述健康指纹是正被测试的特定设备在其没有机械缺陷时的输出。监视单元可以与设备集成，因此充当设备的内置测试。
附图说明
4.图1a-1c是处于各种状态的压电换能器的图示；
5.图2是根据本公开的监视系统的实施例的图示；
6.图3是根据本公开的监视系统的实施例的图示；
7.图4是根据本公开的监视系统的实施例的图示；
8.图5是示出根据本公开的监视单元的组件的框图；
9.图6是当前状态下的设备的输出与该设备的健康指纹的比较的图形表示；
10.图7a是根据实施例的显示设备上的不健康视觉指示；
11.图7b是根据实施例的显示设备上的健康视觉指示；
12.图8是根据本公开的用于监视设备的机械健康的方法的流程图；以及
13.图9是根据本公开的用于确定特定设备的健康指纹的方法的流程图。
具体实施方式
14.在此将参考附图更全面地描述用于检测设备的机械缺陷的存在或不存在的不同监视单元和方法的示例。这些示例不是相互排斥的，并且在一个示例中发现的特征可以与在一个或多个其他示例中发现的特征组合以实现附加的实现方式。因此，将理解，附图中所示的示例仅出于说明性目的而提供，并且它们不旨在以任何方式限制本公开。相同的数字始终表示相同的元件。
15.本文描述了用于监视设备的机械健康的方法和装置。根据本公开的系统可以包括待测试的设备和监视单元。监视单元可包括被配置为使设备振动的至少一个致动器、被配置为检测设备的输出的至少一个传感器、以及被配置为处理由至少一个传感器检测到的输出的至少一个处理资源。所述至少一个处理资源可进一步被配置为通过将所述设备的所检测到的输出与所述设备的健康指纹进行比较来评估所述设备的机械健康，其中所述健康指纹是正被测试的特定设备在其没有机械缺陷时的输出。
16.在实施例中，所述至少一个处理资源可耦合到所述设备。在另一实施例中，所述至少一个处理资源是与所述设备集成的专用处理器。在替代实施例中，至少一个处理资源203在设备外部。在另一实施例中，至少一个处理资源203可以是位于设备外部的外部处理器(未示出)。
17.在实施例中，监视单元还可以包括刺激源，该刺激源被配置为向至少一个致动器提供刺激信号。在另一实施例中，该刺激源可以向至少一个致动器提供正弦电压。附加地或替代地，刺激源可以提供脉冲输入、阶跃输入、线性啁啾函数、非线性啁啾函数、去收缩(desecrate)正弦扫描或实现期望带宽的任何其他致动。
18.在实施例中，至少一个致动器可以包括压电换能器。或者，至少一个致动器可以包括静电致动器、电磁致动器或磁阻致动器。然而，如本领域普通技术人员将理解的，该列表意在是说明性的而非穷举的，并且至少一个致动器可以包括各种其他致动器类型。在实施例中，至少一个传感器可以包括压电换能器。
19.在实施例中，至少一个致动器和至少一个传感器可以包括单个单元。例如，至少一个致动器和至少一个传感器可以包括单个压电换能器。
20.在实施例中，处理资源可被配置为通过应用将设备的输出与特定设备的健康指纹进行比较的算法来评估设备的机械健康。健康指纹可以是当特定设备没有机械缺陷时的该设备的输出。附加地或替代地，健康指纹可以是待测试的特定设备的传递函数矩阵(即，由频域中的输入归一化的输出)。在进一步的实施例中，算法可以产生合格-失败(pass-fail)结果。失败结果可以指示设备具有一个或多个机械缺陷的可能性很高。在更进一步的实施例中，监视单元可以进一步包括显示设备，其被配置为显示合格-失败结果。
21.在实施例中，监视单元可以被配置为在加电期间进入运行模式和/或在使用期间周期性地进入运行模式。附加地或替代地，在实施例中，监视单元被配置为当由输入进行命令时进入运行模式。在实施例中，优化至少一个致动器和至少一个传感器的位置。例如，在实施例中，至少一个致动器和至少一个传感器设置在设备上，使得设备的最准确输出被检测。此外，至少一个致动器可被设置成使得该至少一个致动器未能感测到机械缺陷的可能性降低。
22.根据本公开的方法可包括：激活被配置为使设备振动的至少一个致动器；经由至
少一个传感器检测设备的输出；经由至少一个处理资源处理由所述至少一个传感器所检测到的输出；以及经由所述至少一个处理资源基于所检测到的输出来评估所述设备的机械健康。
23.在实施例中，激活至少一个致动器可以包括经由刺激源向该至少一个致动器提供刺激信号。在另一实施例中，激活至少一个致动器可以包括经由刺激源提供正弦电压。附加地或替代地，激活至少一个致动器可以包括经由刺激源提供脉冲输入、阶跃输入、线性啁啾函数、非线性啁啾函数、去收缩正弦扫描或实现期望带宽的任何其他致动。在实施例中，确定机械缺陷的存在或不存在可包括经由至少一个处理资源应用将设备的输出与特定设备的健康指纹进行比较的算法，其中健康指纹是当设备没有机械缺陷时的该设备的输出。在进一步的实施例中，该算法可以包括将当前状态中的设备的振幅变化、阻尼变化、峰值分裂、频移和相移中的至少一者与该设备的健康指纹进行比较。
24.在实施例中，该方法还包括从存储器中检索该算法和该设备的健康指纹。在实施例中，该算法可以产生合格-失败结果。在另一实施例中，该方法还包括在显示设备上显示合格-失败结果。
25.一种用于确定待测试的特定设备的健康指纹的方法，可以包括当所述设备没有机械缺陷时对所述设备执行以下步骤：激活被配置为使所述设备振动的至少一个致动器；经由至少一个传感器检测所述设备的输出；经由至少一个处理资源处理由所述至少一个传感器检测到的所述输出；以及经由所述处理资源将所述输出建立为所述特定设备的健康指纹。健康设备的输出可以由用户使用一个或多个输入设备手动地建立为健康指纹。该方法还可包括将设备的健康指纹存储在存储器中，使得其可被检索并与当前状态下设备的检测的输出进行比较。这样，健康指纹可以是特定设备的唯一签名。这允许监视单元200被配置为与各种设备一起使用。根据本公开的系统使用谐振检查来评估设备的机械健康。谐振检查通过分析设备的整体谐振来操作。设备的谐振频率部分地由设备的尺寸和刚度确定。这样，设备的尺寸和/或刚度的变化将改变其谐振频率。设备的刚度受到设备的(一种或多种)材料的弹性特性以及机械缺陷的存在的影响。这样，设备的材料的弹性特性的变化和机械缺陷的存在将影响设备的谐振频率。因此，通过设备的谐振频率，可检测设备的(一种或多种)材料的弹性性质的变化和机械缺陷的存在。因此，谐振检查使用设备的谐振频率来监视设备的机械完整性。谐振检查可能对裂纹、碎片、孔、孔隙、超出公差的尺寸、残余应力以及接合、焊接和钎焊故障敏感。
26.通常，谐振检查涉及将致动器和传感器耦合到待测试的设备。致动器激励该单元，使其振动。然后，传感器测量振动的振幅和/或相位。输出数据可用于评估设备的机械完整性。
27.参考图1a-1c，在谐振检查中使用的致动器和传感器可以包括压电换能器10。压电换能器10通常由通过粘合剂保持在一起的压电元件11和金属板12组成。压电元件11可以包括压电材料。压电元件11的第一侧可以包含用于电传导的电极。与压电元件11的第一侧相对的第二侧也可以包含用于电传导的电极。
28.参照图1a和1b，当交流电压施加到压电陶瓷元件11时，压电陶瓷元件11由于泊松效应而可以径向膨胀和收缩，分别如图1a和1b所示。另一方面，金属板12不发生膨胀，从而导致压电变换器10整体弯曲。另外，如果将压电陶瓷元件11直接附着在表面，则效果也相
同。例如，如果压电陶瓷元件11被附着到塑料壳体，则该壳体可以用作与金属板相同的目的。参考图1c，交流电压输入，例如交流ac电压输入，可以被施加到压电换能器10。当压电换能器10被附着到封闭表面时，该表面可以以相同的频率振动。
29.如果表面在没有电压输入施加到压电换能器10的同时进行振动，则振动可能由于压电效应而使压电换能器10膨胀和收缩。结果，在压电换能器10的电极上可以产生交变电压电势。这样，压电换能器10也可以用作传感器。
30.参考图2、3和4，示出了包括设备130和用于监视该设备130的机械健康的监视单元200的系统100。设备130可以是各种机械设备，包括较小且相对便宜的机械设备。例如，该设备可以是医疗设备，例如iv泵，或者是家用设备，例如微波炉。
31.用于监视设备130的机械健康的监视单元200可包括至少一个致动器110、至少一个传感器111和至少一个处理资源203。在实施例中，至少一个致动器110和至少一个传感器111可以是分离的单元，如图2所示。或者，至少一个致动器110和至少一个传感器111可以包括单个单元110/111，如图3所示。
32.在实施例中，至少一个致动器110、至少一个传感器111和至少一个处理资源203可以位于整个设备中，如图2和3所示。例如，监视单元200可以包括耦合到设备130的多个致动器和传感器单元110/111和至少一个处理单元203。在实施例中，至少一个处理单元203被封闭在监视盒205中。可替代地，至少一个致动器110、至少一个传感器111和至少一个处理资源203可以被封闭在监视盒205中，如图4所示。
33.在实施例中，至少一个处理资源203可以耦合到设备，如图2、3和4所示。在另一实施例中，至少一个处理资源203是与设备130集成的专用处理器。在替代实施例中，至少一个处理资源203在设备(未示出)外部。例如，至少一个处理资源203可以是位于设备(未示出)外部的外部处理器。
34.在实施例中，至少一个致动器110可以包括压电换能器。可替代地，至少一个致动器可以包括静电致动器、电磁致动器或磁阻致动器。然而，如本领域普通技术人员将理解的，该列表意在是说明性的而非穷举的，并且至少一个致动器可以包括各种其他致动器类型。
35.在实施例中，至少一个传感器111可以是压电换能器。在实施例中，至少一个致动器110和至少一个传感器111两者都可以是压电换能器。在进一步的实施例中，至少一个致动器110和至少一个传感器111可以是单个压电换能器单元110/111。单个压电换能器单元110/111可以包括如关于图1a-1c所描述的压电换能器10。
36.至少一个致动器110可以被配置为当致动器被激活时使设备130振动。至少一个传感器111可以耦合到设备130并且被配置为测量设备130的输出。例如，至少一个传感器111可以测量设备130的输出的振幅。附加地或替代地，至少一个传感器111可以测量设备130的输出的频率变化。
37.在实施例中，至少一个致动器110可以包括多个致动器，并且至少一个传感器111可以包括多个传感器。致动器的数量和传感器的数量可以针对设备130的尺寸和形状进行优化。此外，至少一个致动器110和至少一个传感器111的位置可以针对设备130的尺寸和形状进行优化。例如，在实施例中，至少一个致动器110和至少一个传感器111设置在设备130上，使得设备130的最准确输出被检测。此外，至少一个致动器110可设置成使得至少一个致
动器110未能感测到机械缺陷的可能性降低。
38.监视单元200可以包括刺激源(未示出)。刺激源可以耦合到至少一个致动器110并且被配置为向至少一个致动器110供应刺激信号。在实施例中，刺激源可以向至少一个致动器110提供正弦电压。附加地或替代地，刺激源可以提供脉冲输入、阶跃输入、线性啁啾函数、非线性啁啾函数、去收缩正弦扫描或实现期望带宽的任何其他致动。
39.至少一个处理资源203可以被配置为发送信号以激活至少一个致动器110。例如，至少一个处理资源203可以向刺激源发送信号以向至少一个致动器110提供刺激信号，从而激活至少一个致动器110。至少一个致动器110和/或刺激源可以与至少一个处理资源203有线通信。
40.由至少一个传感器111检测到的测量结果可以被传送到至少一个处理资源203。在实施例中，至少一个传感器111可以与至少一个处理资源203有线通信。
41.至少一个致动器110可以经由导线连接到至少一个处理资源203，并且至少一个传感器111可以经由单独的导线连接到至少一个处理资源203，如图2所示。在至少一个传感器和至少一个换能器包括单个单元110/111的实施例中，单个单元110/111可以经由单个导线连接到至少一个处理资源203，如图3所示。
42.参考图5，监视单元200可包括存储器202。此外，监视单元200可以可选地包括显示设备204。
43.至少一个处理资源203可以被配置为处理设备130的输出。至少一个处理资源203可进一步被配置为通过当前状态中的设备130的输出评估设备130的机械健康。在实施例中，处理资源203可被配置为应用将当前状态中的设备130的输出与设备130的健康指纹进行比较的算法，以评估机械缺陷的存在的可能性。健康指纹可以是当系统没有机械缺陷时的设备130的输出。例如，当设备没有机械缺陷并且没有经历任何磨损时，可以在设备的生产之后立即取得设备的健康指纹。
44.在实施例中，可以从存储器202检索算法。类似地，可以从存储器202检索特定设备的健康指纹。另外，存储器202可以存储所获取的设备130的输出数据。
45.参考图6，在实施例中，算法可以包括将当前状态中的设备130的振幅变化501、阻尼变化502、峰值分裂503、频移504和相移505中的至少一者与特定设备130的健康指纹进行比较。
46.在实施例中，该算法产生合格-失败结果。例如，算法可以被配置为产生单个结果，然后将该结果与预定阈值进行比较。如果算法的单个结果大于或小于预定阈值，则产生“不健康”结果。相反，如果算法的单个结果在可接受的范围内，则产生“健康”结果。处理资源203可进一步被配置为提供指示设备130的健康的输出。例如，如果产生了不健康结果，则处理资源203可被进一步配置成产生设备处于不健康状态并且设备130可能具有一个或多个机械缺陷的视觉和/或音频指示。附加地或替代地，如果产生健康结果，那么处理资源203可进一步被配置为产生设备130处于健康状态的视觉和/或音频指示。
47.参考图7a和7b，在实施例中，显示设备204被配置为显示算法的合格-失败结果。例如，当产生不健康结果时，显示设备204可以提供设备130是不健康状态的视觉和/或音频指示。例如，图7a中所示的视觉指示可以显示在显示设备204上。附加地或替代地，当产生健康结果时，显示设备可以提供设备130是健康状态的视觉和/或音频指示。例如，图7b中所示的
视觉指示可以显示在显示设备204上。
48.当监视单元200处于运行模式时，处理资源203将信号发送到至少一个致动器110和/或刺激源以激活至少一个致动器110。处理资源203然后接收由至少一个传感器111检测到的输出，处理该输出，并且基于设备130在当前状态下的输出来评估设备130的机械健康。监视单元200可自动进入运行模式。例如，监视单元200可以在启动期间自动进入运行模式。附加地或替代地，监视单元200可以在某些时间段自动进入运行模式。例如，监视单元200可以在设备130每小时使用时进入运行模式。附加地或替代地，当由输入进行命令时，监视单元200可以根据需要进入运行模式。例如，用户可以使用一个或多个输入设备(未示出)来手动地命令监视设备200进入运行模式。参考图8，示出了根据本公开的实施例的用于监视系统的机械健康的方法800。当监视单元200处于运行模式时，方法800可在以上描述的系统100的实施例上执行。在步骤801，激活耦合到设备130的至少一个致动器110。至少一个致动器110的激活可以引起设备130振动。至少一个致动器110可以经由刺激源由刺激信号激活。在实施例中，至少一个致动器110经由刺激源提供的正弦电压激活。附加地或替代地，至少一个致动器110可以经由刺激源提供的脉冲输入、阶跃输入、线性啁啾函数、非线性啁啾函数、去收缩正弦扫描或实现期望带宽的任何其他致动来激活。在步骤802，经由耦合到设备130的至少一个传感器111检测设备130的输出。在步骤803，经由处理资源230处理设备130的所检测到的输出。在步骤804，处理资源203从存储器202检索设备130的健康指纹和算法。在步骤805，处理资源203通过应用从存储器202检索的算法来评估设备130的机械健康。
49.在实施例中，算法包括将设备130的输出与设备130的健康指纹进行比较。在另一实施例中，算法包括将设备130的输出的振幅变化、阻尼变化、峰值分裂、频移和相移中的至少一者与特定设备130的健康指纹进行比较。
50.在实施例中，该算法可以被配置为产生合格-失败结果。例如，算法可以被配置为产生单个结果，然后将该结果与预定阈值进行比较。如果算法的单个结果大于或小于预定阈值，则产生“不健康”结果。相反，如果算法的单个结果在可接受的范围内，则产生“健康”结果。
51.方法800还可以包括提供指示设备130的健康的输出。例如，如果产生了不健康结果，则处理资源203可被进一步配置成产生设备130是不健康状态的视觉和/或音频指示。附加地或替代地，如果产生健康结果，那么处理资源203可进一步被配置为产生设备130是不健康状态的视觉和/或音频指示。提供指示设备130的健康的输出可以包括在显示设备204上显示视觉指示。
52.方法800可进一步包括将设备130的输出数据存储在存储器202上。
53.如上所述，监视单元200可自动进入运行模式。例如，监视单元200可以在启动期间自动进入运行模式。附加地或替代地，监视单元200可以在某些时间段自动进入运行模式。例如，监视单元200可以在设备130每小时使用时进入运行模式。附加地或替代地，当由输入进行命令时，监视单元200可以根据需要进入运行模式。例如，用户可以使用一个或多个输入设备(未示出)来手动地命令监视设备200进入运行模式。
54.参考图9，示出了用于确定设备130的健康指纹的方法900。方法900由包括健康设备的系统执行。例如，方法900可以在系统生产之后立即在系统上执行。在步骤901，激活耦合到健康设备130的至少一个致动器110。至少一个致动器110的激活可使健康设备130振
动。至少一个致动器110可以经由刺激源激活。在实施例中，至少一个致动器110经由刺激源提供的正弦电压激活。附加地或替代地，至少一个致动器110可以经由刺激源提供的脉冲输入、阶跃输入、线性啁啾函数、非线性啁啾函数、去收缩正弦扫描或实现期望带宽的任何其他致动来激活。在步骤902，经由耦合到健康设备130的至少一个传感器111检测设备130的输出。在步骤903，经由处理资源230处理设备130的输出。在步骤904，健康设备130的输出被建立为健康指纹。健康设备130的输出可以由用户使用一个或多个输入设备(未示出)手动地建立为健康指纹。
55.在实施例中，方法900还包括将设备130的健康指纹存储在存储器202中，使得可以检索该健康指纹并将其与设备130的所检测到的输出进行比较。
56.这样，健康指纹可以是特定设备的唯一签名。这允许监视单元200被配置为与各种设备一起使用。
57.本文提供的方法或流程图可以在并入非暂时性计算机可读存储介质中以由通用计算机或处理器执行的计算机程序、软件或固件中实现。非暂时性计算机可读存储介质的示例包括只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、寄存器、高速缓冲存储器、半导体存储器设备、诸如内部硬盘和可移除盘的磁介质、磁光介质和诸如cd-rom盘和数字多功能盘(dvd)的光介质。
58.尽管以上以特定的组合描述了特征和元素，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元素可以单独使用或与其它特征和元素任意组合使用。