基于声传感器的航天器结构健康检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种新型航天器结构健康检测方法，同时具有碰撞定位、泄漏定位和 损伤评估的功能，属于结构健康检测领域。
【背景技术】
[0002] 由于航天器在发射入轨和运行过程中将受到振动、真空、高低温交变、微流星及空 间碎片、原子氧、太阳福射及宇宙射线的相互作用，因此，舱体和密封结构可能产生松动、变 形、表面氧化、腐蚀、损伤甚至穿孔等现象进而引发泄漏事故，该将给飞行任务和航天员的 生命安全带来严重的威胁甚至造成惨重后果。
[0003] 目前，国内外已经对航天器结构健康检测做了一定的研究工作，研制有一些专 用的设备。其中，美国、欧洲的研究工作较为深入，而国内起步较晚，技术亟待提高。（1) NASA与美国思创公司联合研制了一种超声检漏仪（例如参见G. Studor, "Ultrasonic Detectors in Space,"in CTRL Systems, Inc.,2002,p.3 和 A. Hoover,"Maryland Company Expanding Technology in Space-NASA Won' t Leave Earth Without the CT化UL101，"in CT化Systems，Inc.，2002，p. 1.)，用超声探测器在可疑的部位进行探 索，如果有泄漏存在，超声探测器能够检测到泄漏产生的超声波，并将超声波转化为人 耳能听到的声音并传到耳机中，操作者通过耳机中的声音来判断是否有泄漏存在。（2) 美国Invocon公司于2002年开发了一种用于碎片撞击检测和泄漏检测的检漏系统 (例女曰参见[3]Kevin D. Champaigne, Jonathan Sumners. Wireless impact and leak detection and location systems for the ISS and shuttle wing leading edge[C]. IEEE Aerospace Conference Proceedings Proceedings. 2005:1-7 和 Kevin Champaigne and Eric Krug. Wireless Instrumentation System for Plasma Measurements on the International Space Station[C]. AIAA Paper 2002-0937, AIAA Aerospace Sciences Meeting&Exhibit, 4化h, 2002)，当航天器在遇到由太空碎片和微流星撞击引起的紧急泄 漏事件发生时，该系统不仅能够检测因为气体泄漏产生的声音，而且能够对泄漏位置进行 =角测量。（3) 2003年，欧洲宇航局巧SA)利用嵌入式和表贴式光纤光栅传感器在可重 复发射利用的航天器上开展温度和应变的结构健康监测试验验证（例如参见Martin A R,Fernando G F, Hale K F. Impact damage detection in filament wound tubes using embedded optical fiber sensors. Smart Materials and Structures)。
[0004] 综上所述，目前国外使用的方法具有明显局限性，其一，该些方法只能单独实现碰 撞定位、泄漏定位或损伤评估等，无法同时实现上述功能；其二，该些方法或因为灵敏度差、 或因为操作复杂等均没有得到广泛应用。因此，本领域急需一种检测新方法，满足航天器结 构健康检测的需求。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种航天器结构的健康检测方法，具有碰撞定位、泄漏定 位和损伤评估的功能，可适用于航天器在轨结构健康检测，也可适用环模设备、天然气储罐 等大型容器结构健康检测。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
[0007] 一种航天器结构健康检测方法，使用两个超声阵列传感器、两个多路信号切换器 和一台信号发生与采集分析仪来进行，两个超声阵列传感器分别包含由同一块压电陶瓷材 料制作的8X8六十四个阵元，每个阵元包括两种工作模式即主动发射工作和被动接收模 式，通过禪合剂固定在航天器舱体内表面，多路信号切换器可编程控制多路信号的切换，信 号发生与采集分析仪用来发射信号激励超声传感器、并采集超声传感器响应信号，进行信 号处理；包括如下步骤：
[000引 1)将两个超声阵列传感器通过禪合剂固定在航天器舱体内表面，获取阵列A和阵 列B的中屯、间距L，阵元间距D，建立直角坐标系，获得阵列A的中屯、坐标（XI，yi)，阵列B的 中屯、坐标（X2, y2);
[0009] 2)选取传感器阵列A和阵列B中的任意S个阵元，S个阵元不能在同一阵列内， 实时检测它们接收到的泄漏声发射信号，W 3MB/S W上的采样率分别采集长度为8KB的信 号，其有效电平依次记为Ui、&、&，取U = max扣1，&，&)，若S个阵元同时接收到幅值10U W上的脉冲信号，判断为有碰撞或应力事件发生，此时跳到步骤3);若=个阵元同时接收 到幅值10U W上持续信号，判断为有泄漏事件发生，此时跳到步骤4);如果经过一段时间检 测后，没有出现幅值10U W上的信号时，则固巧Ij步骤5);
[0010] 3)分别记录上述S个处于被动接收模式的阵元的信号幅值增强到10U时的时刻 Vt2、t3,设波速为V，根据下式计算碰撞或应力事件的位置（X"Yi)
[0011]
【主权项】
1. 一种航天器结构健康检测方法，使用两个超声阵列传感器、两个多路信号切换器和 一台信号发生与采集分析仪来进行，两个超声阵列传感器分别包含由同一块压电陶瓷材料 制作的8X8六十四个阵元，每个阵元包括两种工作模式即主动发射工作和被动接收模式， 通过禪合剂固定在航天器舱体内表面，多路信号切换器可编程控制多路信号的切换，信号 发生与采集分析仪用来发射信号激励超声传感器、并采集超声传感器响应信号，进行信号 处理；包括如下步骤： 1) 将两个超声阵列传感器通过禪合剂固定在航天器舱体内表面，获取阵列A和阵列B 的中屯、间距L阵元间距D，建立直角坐标系，获得阵列A的中屯、坐标（XI，yi)，阵列B的中屯、 坐标咕，y2); 2) 选取传感器阵列A和阵列B中的任意S个阵元，S个阵元不能在同一阵列内，实时检 测它们接收到的泄漏声发射信号，W 3MB/S W上的采样率分别采集长度为8KB的信号，其有 效电平依次记为Ul、U2、U3，取U = max(Ul，U2，U3)，若ミ个阵元同时接收到幅值10UW上的脉 冲信号，判断为有碰撞或应力事件发生，此时跳到步骤3);若=个阵元同时接收到幅值10U W上持续信号，判断为有泄漏事件发生，此时跳到步骤4);如果经过一段时间检测后，没有 出现幅值10U W上的信号时，则跳到步骤5); 3) 分别记录上述S个处于被动接收模式的阵元的信号幅值增强到10U时的时刻ti、t2、 t3,设波速为V，根据下式计算碰撞或应力事件的位置（XI，yi)
? 4) 将阵列A中六十四个阵元全部设置为被动接收模式，同步采集阵列A中六十四个阵 元接收到的信号，根据波束形成算法计算出阵列A对泄漏声源的定向角度0 1，相同地，将阵 列B中六十四个阵元全部设置为被动接收模式，同步采集阵列B中六十四个阵元接收到的 信号，根据波束形成算法计算出阵列B对泄漏声源的定向角度0 2,根据下式计算泄漏声源 的位置（X。;
5) 将阵列B面对阵列A的一排阵元全部设置成被动接收模式，同时将阵列A中面对阵 列B的一排阵元依次设置成主动发射模式，阵列B分别记录阵列A中每次开启主动发射模 式的阵元的发射信号，共记录8次，得到将信号有效值储存为一 8X8的阵列，其中，元素Uu 代表阵列B中阵元j接收到阵列A中阵元i发射的信号，若存在一个元素Umn的值小于矩 阵所有元素平均值的S分之一，则认为阵列B中阵元n与阵列A中阵元m之间连线上有损 伤，否则没有损伤发生。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，阵元间距D小于8mm。
3. 如权利要求1所述的方法，其中，W 3MB/S W上的采样率分别采集长度为8KB的信 号。
4. 如权利要求1-3任一项所述的方法，其中，波速V根据航天器材料确定。
【专利摘要】本发明公开了一种航天器结构健康检测方法，该方法通过航天器上设置的各传感器同步采集声发射信号，经过放大及滤波处理，将信号传输到信号采集分析仪中。信号采集分析仪对信号进行处理，首先判断是否发生碰撞，若发生碰撞便对碰撞点进行定位，同时启动泄漏检测与定位模块对泄漏进行检测和定位，随后启动损伤检测模块根据碰撞、泄漏定位结果，对附近的结构损伤程度进行检测。本发明无需对航天器舱体结构进行任何改动，也不需要宇航员到舱外操作，就能对传感器周围4m2范围实现实时监测，不需要逐点扫描舱体表面，提高了结果健康检测的效率，保证了信号的一致性，提高了定位精度。
【IPC分类】G01N29-04
【公开号】CN104597126
【申请号】CN201510005961
【发明人】綦磊, 孟冬辉, 闫荣鑫, 孙立臣, 王勇, 孙伟, 邵容平, 赵月帅
【申请人】北京卫星环境工程研究所
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月7日