专利名称：监测运载工具结构的设备的制作方法
监测运载工具结构的设备本发明的目的在于监测经受机械、振动和/或环境应力的金属结构的状态。其在 自主机载电子系统中实施允许实时检测这些金属结构的裂缝的方法。更特别地，本发明应 用于航运、海运和陆地运输领域。运输工具，特别是飞机的结构在其使用时经受机械、环境和/或振动应力。这些结 构尤其定期地被检查以评估新生的裂缝一种是每次中途停靠时进行的快速检查，另一种 是飞行2400小时后、在维护中进行的所谓C-check类型的深入检查。后一种检查耗时长 并且成本高，这是因为需要拆下在常规时间不能进入的舱口盖以检查飞机的金属结构的状 态。由于是定期进行的，所以这些检查不允许连续监测裂缝及其变化。在铁路领域，火车、 尤其是高速火车的某些部分也存在类似情况。开发了结构监测系统，来优化和减少这些维护并从而减少其成本和耗时。例如， 例如傅科(Foucault)电流传感器被用来检测金属结构上的裂缝，如文献US-A-6 952 095、 GB-A-2 400 445、GB-A-2 396 427 所示。为了解释来自这些传感器的信息，实现了多个电子界面。其中之一解释来自传感 器的阻抗、更特别地是相位。该界面被用来形成待检查的表面的二维图像，如文献US-A-5 006 800所述。该方法的缺点在于其体积庞大及其耗电较多。因此，该方法不能机载并且不 实时给出结果。其它界面解释来自传感器的电导率，并且在维护期间也被使用。因此，不能连续监 测裂缝。还开发了使用声音传感器的其它系统来连续研究结构的状态，如专利WO 2006 111679所述。这些方法通常能耗很高。因此设备需要与飞机装载的电网接通。该设备体积 还十分庞大。最后，还存在记录飞机受到的应力的数量的机载系统，如文献EP-A-1018 641所 述。这些应力(起飞、降落、涡流、受到的推力……)被逻辑门系统计数并随后存储在存储 器中。随后，在维护时列出清单，且由此允许在操作者检查时引导操作者。然而，后几种方 法并不直接给出结构的状态。在本发明中，提出的解决方案包括使用由电池供电的无线传输自主系统，该系统 尤其具有很小的尺寸以便在运输装置中可不受尺寸限制地放置在希望放置的地方，该系统 实时进行对结构状态的诊断。由该自主系统实施的方法包括通过将模拟电路与数字电路相 组合的机载电子构造来分析来自传感器的信号。由于处理算法得到简化，因此其可以被装 载于微控制器中且诊断可以实时进行。算法尤其研究来自传感器的阻抗并且给出裂缝变化 的状态。其它功能确定裂缝出现的原因及其变化。相对于当前的系统，使用该系统的优点在于-模块化电子平台(其层可互换)，允许监测裂缝和/或环境的应力，-借助无线通信自主机载电子设备来连续监测裂缝，从而允许更好地监测裂缝的 变化，-更深入了解裂缝的出现(在记录结构状态的同时记录环境数据)，
-更深入了解裂缝的变化(相关的环境数据)，_根据幅度测量，实时(无需使用经PC (个人计算机)的后处理而立即)了解结构 的状态(诊断)，-根据相位测量，实时了解传感器的状态(脱离或未脱离)，_根据无线电连接，轻松收集信息，-减少维护成本和时间，由此在非计划的维护时避免拆除某些壁板，-设备能耗较小，从而允许设备使用时间较长(目标寿命在1到2年)，-设备体积较小(三维集成)，从而允许被放在难以进入的位置，-自主运行，无需连接到电网，从而便于其使用。本发明的目的因此在于一种监测运载工具的结构的监测设备，包括电测量传感 器、处理电路以及传输装置，所述处理电路连接到传感器，用于把传感器的测量值转换为监 测数据，所述传输装置用于把监测数据传输给收集装置，其特征在于，所述处理电路-是小型化的，具有包含在40X 40 X 40mm或更小尺寸的立方体内的较小尺寸，-通过较短的有线电连接来与传感器连接，连接的长度小于200mm，-包括内置的电池，-以及包括用于把监测数据传输给临时放置在附近的移动收集装置的无线电装置。本发明因此允许克服在现有系统中存在的局限性，即，-能耗-体积庞大，和由此的限制进入，-存在庞大的有线连接(直到50m)，-数据的查询和解释仅在维护期间进行，而非实时进行，-不连续监测结构。通过阅读随后的描述并查对其附图
将更好地理解本发明。附图仅作为示例给出而 绝非限制本发明。附图示出-图Ia至Ic根据本发明的监测设备、传感器的变型以及它们在特别运载工具内 的布置；-图2和3分别与由本发明的传感器发出的信号的幅度和相位成正比的电压特 征；-图4和5由根据本发明的传感器进行的测量之间的相关性，一方面是裂缝的尺 寸和另一方面是临界尺寸的到达时间；-图6由本发明的处理电路实施的裂缝监测算法的一个示例。图Ia示出装载了根据本发明的多个监测设备的运输装置1(在此为飞机)，所述监 测设备实现为集成的电子平台或节点的形式。每个无线且小尺寸、自主的节点均被布置在 已知为敏感的位置。平台的整体(传感器加上电子电路)监测结构1。图Ib上，各装置包括连接到传感器4的处理电路3。电路3把由传感器4产生的 测量信号转换成监测数据。收集装置5 (例如是由结构1的设备2附近的操作员6携带) 优选地在运载工具停靠不动时，提取用于维护目的的监测数据，从而例如检验结构1的状 态或促成对某些零件的更换。
根据本发明，设备2是微型化的。在一个示例中，其包括处理电路3，处理电路3的 尺寸包含在边长为40mm的立方体内。根据电子技术的发展以及更紧凑的布线还可期待更 大程度的微型化。该微型设备2还包括传感器4。在一个优选示例中，传感器4由两个一对 的相同的传感器7和8构成，其中之一被用来放置在结构1的待监测的位置，另一个作为测 试的传感器被用来放置在结构1的上述位置附近被认为完好的位置。两传感器的接线被连 接到有线电连接9和10的长度上，连接9和10将每个传感器连接至电路3。在一个示例 中，挠性的和双重的连接9和10的长度介于50mm和200mm之间。连接9和10可以固定地 或者通过可拆卸的连接器来连接到传感器7和8以及连接到电路3。在一个示例中，连接9 和10的每个都具有四条导线。然而，不是必须设置两个传感器。实际上，可例如通过在现 场或工厂提供对测量传感器的响应的校准，可省去作为基准的测试传感器。每个传感器由线圈构成，所述线圈在此处优选地通过在镀金属的挠性载体上刻上 螺线(比如11)来实现，该载体例如由双面镀金属的聚四氟乙烯涂层制成。由于载体为双 面，因此，设置在线圈两侧或者借助通孔而设置在同一表面上的两个连接12和13，被连接 到有线连线9的导电支线。可以在连接12中设置功率匹配的电阻14。连接13优选地为接 地，当存在两个传感器时尤其为两个传感器7和8共用。在变型中，即图lc，一个或更多个 传感器具有中心孔T，以便能够围绕铆钉安装。在线圈11和电阻14之间的中间点连接有连接15，用于发送传感器的激励信号，并 且因此发送传感器的测量值。测量的原理如下。交流信号由电路3产生且经过电阻14发 出，该信号在结构1中放置传感器7的位置发生变化。如果结构完好，即如果不存在裂缝， 则信号的幅度将对应于数值已知的电感线圈和电阻的存在。相反，如果线圈11下面的区域 开裂，即如果存在裂缝，则傅柯电流的流动受扰。在这些条件下，传感器和源之间的互感减 小，而电阻增大。测量传感器7附近的测试传感器8的存在允许免于校准，同时还允许不受温度的 影响。所测得的信号因此是由传感器7和8分别测得的信号的幅度之比或差值。此外，如 果传感器7或8中的一个与结构1脱离，则对测量相位的比较允许立即检测到。实际上，对 于两者之一，如果没有与结构的互感，注入传感器7和8中的信号就不再同步，由此产生相 位偏移。图Ib示出电路3保留的三维集成以及示出节点的四个不同的层，其整体形成立方 体。各层实现特别的功能无线电传输，把来自传感器的信号转换成两个成比例的电压，由 微控制器进行数据处理和存储器中的数据存储以及位于每个层上的部件供电所需的直流 电压(DC/DC，直流/直流)转换和节点的自主供电。层是可互换的并且可以根据目标应用 (例如机械和/或环境的应力)进行调整。电路3因此示意性地在一层上包括微处理器16，微处理器16经由数据、地址和命 令总线17连接到存储监测数据的存储器18，存储程序20的程序存储器19，在可能的情况 下能够调快或调慢微处理器节奏的时钟H/h，以及第一层与其它层的通信接口 21。优选地，接口 21包括贯穿的连接插脚，用于使电路3的不同层彼此连接。因此，优 选地，所述不同层的位置在立方体电路3中是可互换的。电路3的第二层22，该层本身和其它层一样也被连接到接口 21，优选地，其在以下 意义上是下方的层该层被用作容纳能在介于-60°C和+85°C的温度之间工作的电池或(优选地)电池组，且被固定在距离待监测的结构不远的结构上。第三层23是微处理器16-20的层与传感器7和8之间通过连接9和10通信的 层。在该层23中，执行的电子功能是把阻抗转换成两个成比例的电压，以及优选地对连接 到传感器的注入电极进行正弦激励。第四层24作为与装置5的无线电连接。在优选的应用中，不同的部件(存储器、正弦信号发生器、调节、无线电)通过两 种串行接口进行通信优选的SPI (Serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口和 UART (通用异步接收/发送装置)。以下表1示出立方体内各功能的位置表 权利要求
一种监测运载工具的结构的监测设备，包括电测量传感器、处理电路以及传输装置，所述处理电路连接到所述传感器，用于把所述传感器的测量值转换为监测数据，所述传输装置用于把所述监测数据传输给收集装置，其特征在于，所述处理电路 是小型化的，具有包含在40×40×40mm或更小尺寸的立方体内的较小尺寸， 通过较短的有线电连接被连接到所述传感器，连接的长度小于200mm， 包括内置的电池， 以及包括用于把所述监测数据传输给临时放置在附近的移动收集装置的无线电装置。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述处理电路包括在所述运载工具停靠 不动时，所述传感器的由所述收集装置激活的发送功能。
3.根据权利要求1至2之一所述的设备，其特征在于，所述传感器是裂缝测量传感器。
4.根据权利要求1至3之一所述的设备，其特征在于，所述传感器是傅科电流传感器， 并且包括被放置在所述结构上待监测位置处的第一测量传感器以及被放置在所述结构上 完好位置处的第二测试传感器，用于利用由这两个传感器产生的信号之间的相位差来测量 所述两个传感器与待监测的所述结构的完整附接。
5.根据权利要求1至4之一所述的设备，其特征在于，所述傅科电流传感器是由挠性电 路承载的螺线线圈，所述挠性电路在一个示例中为大约25 X 50mm、双面镀金属、通过双重挠 性有线连接连接到所述处理电路，所述双重挠性有线连接例如具有介于5至20cm之间的长 度并被放置在待监测位置处，所述傅科电流传感器与安装在所述待监测位置附近被认为是 完好的位置处的另一基准传感器相关联，以及，所述处理电路测量由一个传感器发出的信 号相对于另一传感器的差值。
6.根据权利要求1至5之一所述的设备，其特征在于，所述傅科电流传感器具有给定的 表面尺寸，例如直径为20mm，以及，所述处理电路包括用于量化所述测量值的装置，例如在 8个等级上量化所述测量值，以便测量裂缝尺寸的变化，例如等于2. 5mm。
7.根据权利要求1至6之一所述的设备，其特征在于，所述处理电路包括用于存储所述 测量值和/或所述监测数据的存储器。
8.根据权利要求1至7之一所述的设备，其特征在于，所述处理电路按照分层结构来组 织，以及所述各层可互换并且例如通过贯穿的连接器彼此相连，包括优选地设置在待监测 的所述结构附近的所述电路的底部的进行供电的第一层，所述第一层上面设置有进行数字 处理的第二层，所述第二层自身上面设置有把来自所述传感器的所述信号转换成两个成比 例的电压的第三层，所述第二层把所述两个成比例的电压转换成数字值，第三层自身上面 设置有进行无线电发射接收的第四层，所述第四层优选地设置在所述电路的上部。
9.根据权利要求1至8之一所述的设备，其特征在于，所述处理电路能耗较低，并且为 此包括定序器，用于实现彼此间隔几十分钟的测量并且在测量之间引入休眠。
10.根据权利要求1至9之一所述的设备，其特征在于，所述处理电路包括能够 在-60°C和+85°C的温度之间工作的电池组。
11.根据权利要求1至10之一所述的设备，其特征在于，所述处理电路包括用于测量时 间的电路以便存储与测量相对应的时间，以及包括尽管测量的所述信号有相反变化仍能推 断裂缝变化的程序。
12.根据权利要求1至11之一所述的设备，其特征在于，所述处理电路包括用于测量所 述裂缝的深度并且频率介于IOOKHz和ΙΟΟΟΚΗζ之间的正弦信号发生器，以及包括用于使该 频率在测量过程中改变以便查探所述裂缝的所述深度的定序器。
13.根据权利要求1至12之一所述的设备，其特征在于，所述传感器在中心具有孔以便 围绕铆钉来布置。
全文摘要
一种监测运载工具的结构的监测设备，包括电测量传感器、处理电路以及传输装置，处理电路连接到传感器以把传感器的测量值转换为监测数据，传输装置用于把监测数据传输给收集装置，其特征在于，处理电路是小型化的，具有包含在40×40×40mm或更小尺寸的立方体内的较小尺寸；通过较短的有线电连接被连接到传感器，连接的长度小于200mm；包括装载的电池；以及包括用于把监测数据传输给临时放置在附近的移动收集装置的无线电装置。
文档编号G01N27/90GK101946175SQ200980105360
公开日2011年1月12日 申请日期2009年3月18日 优先权日2008年3月20日
发明者卡特尔·莫罗, 塞巴斯蒂安·罗莱, 文森特·鲁埃 申请人:欧洲航空防务与空间公司Eads法国