一种飞艇气囊气密性在线监测系统及方法与流程

本发明涉及飞艇气囊气密性检测技术领域，特别涉及一种飞艇气囊气密性在线监测系统及方法。

背景技术：

飞艇气囊的气密性检测方法是保证飞艇正常工作运行的关键技术之一。传统的飞艇气囊气密性检测方法是压力变化检漏法，包括压降检测法和压差检测法。它们都是在理想气体物态方程的基础上，利用检测开始时刻和检测终止时刻飞艇气囊内氦气的三个热力学状态物理量(温度、压力和体积)来间接表示这两个时刻气囊内氦气的质量，并由质量守恒定律间接推导出检测时间段内气囊内的氦气泄漏量和泄漏率。

但是需要指出的是，尽管传统的压力变化检漏法在飞艇气囊气密性检测中可以发挥一定的作用，但这些技术无法实时在线识别判断出飞艇气囊蒙皮结构在制造加工和工作运行过程中出现的微孔损伤泄漏位置和损伤程度；且飞艇外界大气环境条件的复杂变化会影响飞艇气囊内氦气的状态，其对氦气状态产生的影响与氦气泄漏对氦气状态产生的影响耦合在一起，进而对气密性检测结果的精度产生很大影响；因此可以说现有的飞艇气囊的现场气密性检测局限性较大，需要一定的测量时间而不能实时得到飞艇气囊内氦气的瞬时泄漏量和泄漏率。

技术实现要素：

鉴于已有技术存在的缺陷，本发明的目的是要提供一种飞艇气囊气密性在线监测系统，该系统具有可靠性高，检测精度不受飞艇外界大气环境条件变化影响，且能实时获得飞艇气囊内氦气的瞬时泄漏量和泄漏率等优点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案：

一种飞艇气囊气密性在线监测系统，其特征在于，包括：

由被设置于飞艇气囊表面和/或内部的多个传感器节点所组成的传感器网络子系统，该传感器网络子系统通过前述各传感器节点捕捉飞艇气囊表面和/或内部不同位置点的结构响应及服役环境信息，并将前述各结构响应及服役环境信息转化为对应的电信号，且每一传感器节点均至少能够对应捕捉一种类型的结构响应或者服役环境信息；

对前述传感器网络子系统当前所捕捉的各类结构响应及服役环境信息进行分类存储的数据采集与存储子系统，该数据采集与存储子系统在进行分类存储的同时，逐一判断各结构响应或者服役环境信息是否属于第一类检测信号，是则将该结构响应或者服役环境信息直接发送至泄漏诊断评估子系统，否则确认该结构响应或者服役环境信息为第二类检测信号并将其发送至信号处理与识别子系统；

分别提取前述各第二类检测信号的特征量，并识别出与前述第二类检测信号对应的信号模式的信号处理与识别子系统；

根据前述第一类检测信号和/或第二类检测信号对应的特征量和信号模式，分析计算飞艇内氦气的实时泄漏参数以及飞艇气囊蒙皮表面的微孔损伤泄漏位置参数的泄漏诊断评估子系统；

以及通过无线数据传输子系统与前述泄漏诊断评估子系统进行信息交互，并基于无线数据传输子系统所传输的数据，对飞艇气囊结构的泄漏特性进行判断的地面监控子系统。

前述结构响应包括但不限于飞艇气囊蒙皮的应变信号、气囊蒙皮的温度信号、作用于飞艇气囊蒙皮表面的压力信号、飞艇气囊蒙皮出现损伤时对应的声波信号以及飞艇气囊的加速度信号；所述服役环境信息包括但不限于外界大气的温度信号、气囊内部的温度信号、外界大气的压力信号、气囊内的压力信号以及外界大气的风速信号。

进一步的，作为本发明的优选方案，

前述传感器节点包括但不限于光纤光栅应变传感模块、电阻应变传感模块、压电传感模块、声发射传感模块、温度传感模块、加速度传感模块、压力传感模块和风速传感模块中的一种模块或者几种模块。

进一步的，作为本发明的优选方案，

前述信号处理与识别子系统在对第二类检测信号进行特征量提取之前还包括对第二类检测信号进行数据预处理，以减小误差而提高分析结果的可靠性。

进一步的，作为本发明的优选方案，

前述信号处理与识别子系统在对第二类检测信号进行特征量提取时，按照与每一第二类检测信号所对应的信号类型相匹配的提取方法进行特征量提取，以去除第二类检测信号中部分无用信息，进而寻找最有效的信号特征来构成用于分类识别的模式特征向量；所述提取方法包括但不限于平均值法、最大振幅法、均方根值法或功率谱法。

进一步的，作为本发明的优选方案，

前述信号处理与识别子系统基于当前所提取的特征量，识别出数据预处理后第二类检测信号所对应的信号模式，所述信号模式采用的模式识别方法包括但不限于统计决策法、非数值特征值法、模糊判决法、逻辑推理法、人工神经网络法中的任意一种方法。

进一步的，作为本发明的优选方案，

前述泄漏诊断评估子系统包括飞艇氦气泄漏定量模块和微孔损伤泄漏定位模块；前述飞艇氦气泄漏定量模块用于分析计算出包括实时泄漏量和泄漏率的飞艇氦气泄漏参数；所述微孔损伤泄漏定位模块用于识别判断出飞艇气囊蒙皮表面的微孔损伤泄漏位置参数，即包括微孔损伤泄漏位置及其损伤程度的参数。

本发明的目的是要提供一种飞艇气囊气密性在线监测方法，其特征在于，包括：

步骤S1、由被设置于飞艇气囊表面和/或内部的多个传感器节点捕捉飞艇气囊表面和/或内部不同位置点的结构响应及服役环境信息，并将前述各结构响应及服役环境信息转化为对应的电信号，且每一传感器节点均至少能够对应捕捉一种类型的结构响应或者服役环境信息；

步骤S2、对前述传感器节点当前所捕捉的各类结构响应及服役环境信息进行分类存储，且在进行分类存储的同时，逐一判断各结构响应或者服役环境信息是否属于第一类检测信号，是则将该结构响应或者服役环境信息直接执行步骤S4，否则确认该结构响应或者服役环境信息为第二类检测信号并执行步骤S3；

步骤S3、分别提取前述各第二类检测信号的特征量，并识别出与前述第二类检测信号对应的信号模式；

步骤S4、根据前述第一类检测信号以及第二类检测信号对应的特征量和信号模式，分析计算飞艇内氦气的实时泄漏参数以及飞艇气囊蒙皮表面的微孔损伤泄漏位置参数；

步骤S5、以无线数据传输方式与地面监控子系统进行信息交互，基于地面监控子系统所接收到的数据，对飞艇气囊结构的泄漏特性进行判断。

前述结构响应包括但不限于飞艇气囊蒙皮的应变信号、气囊蒙皮的温度信号、作用于飞艇气囊蒙皮表面的压力信号、飞艇气囊蒙皮出现损伤时对应的声波信号以及飞艇气囊的加速度信号；所述服役环境信息包括但不限于外界大气的温度信号、气囊内部的温度信号、外界大气的压力信号、气囊内的压力信号以及外界大气的风速信号。

进一步的，作为本发明的优选方案，

前述传感器节点包括但不限于光纤光栅应变传感模块、电阻应变传感模块、压电传感模块、声发射传感模块、温度传感模块、加速度传感模块、压力传感模块和风速传感模块中的一种模块或者几种模块。

进一步的，作为本发明的优选方案，

前述步骤S3中在对第二类检测信号进行特征量提取之前还包括对第二类检测信号进行数据预处理，以减小误差而提高分析结果的可靠性。

进一步的，作为本发明的优选方案，

前述步骤S3中在对第二类检测信号进行特征量提取时，按照与每一第二类检测信号所对应的信号类型相匹配的提取方法进行特征量提取，以去除第二类检测信号中部分无用信息，进而寻找最有效的信号特征来构成用于分类识别的模式特征向量；所述提取方法包括但不限于平均值法、最大振幅法、均方根值法或功率谱法。

进一步的，作为本发明的优选方案，

前述步骤S3中还包括基于当前所提取的特征量，识别出数据预处理后第二类检测信号所对应的信号模式，所述信号模式采用的模式识别方法包括但不限于统计决策法、非数值特征值法、模糊判决法、逻辑推理法、人工神经网络法中的任意一种方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明可在线识别判断出飞艇气囊蒙皮结构在制造加工和工作运行过程中出现的微孔损伤泄漏位置和损伤程度，为地面决策部门采取相应的辅助维护与维修措施提供依据；且该系统不需要考虑飞艇外界大气环境条件的复杂变化对气密性检测结果精度的影响，并能实时获得飞艇气囊内氦气的瞬时泄漏量和泄漏率，为实现对飞艇的运行状况以及剩余寿命的评价预测提供数据支撑；同时本发明通过建立在飞艇气囊实时泄漏状况与损伤情况基础上的维护管理为飞艇气囊结构的维护、安全评估及剩余寿命评估提供了重要参考，大幅降低了飞艇的维护成本、提高了飞行安全性。

附图说明

图1为本发明所述飞艇气囊气密性在线监测系统组成示意图；

图2为本发明所述飞艇气囊气密性在线监测方法步骤流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明利用先进的无损传感技术，设计了一种能够提供对飞艇气囊结构氦气泄漏特性的全面实时监测的飞艇气囊气密性在线监测系统，如图1所示，该系统包括传感器网络子系统、数据采集与存储子系统、信号处理与识别子系统、泄漏诊断评估子系统、无线数据传输子系统以及地面监控子系统；其中传感器网络子系统、数据采集与存储子系统、信号处理与识别子系统、泄漏诊断评估子系统及无线数据传输子系统位于飞艇结构上，并依次通过数据传输总线相连接；其工作原理是：传感器网络子系统实时捕捉飞艇气囊结构的各类结构响应及服役环境信息并转化为电信号；各类传感电信号经数据传输总线由数据采集与存储子系统采集并存储，并将其中可直接利用的信号经数据传输总线传输到泄漏诊断评估子系统，将其中不能直接利用的信号经数据传输总线传输到信号处理与识别子系统进行数据处理与模式识别；根据数据采集与存储子系统传输过来的信号和信号处理与识别子系统处理得到的模式识别结果，泄漏诊断评估子系统计算出飞艇氦气的实时泄漏量和泄漏率，同时识别判断出飞艇气囊蒙皮表面的微孔损伤泄漏位置及其损伤程度；最后通过无线数据传输子系统将泄漏诊断评估子系统的诊断评估结果实时无线传输到地面监控子系统，从而实现在线监测飞艇气囊的氦气泄露状况。

具体的，所述传感器网络子系统是由被设置于飞艇气囊表面和/或内部的多个传感器节点所组成的，该传感器网络子系统通过前述各传感器节点捕捉飞艇气囊表面和/或内部不同位置点的结构响应及服役环境信息，并将前述各结构响应及服役环境信息转化为对应的电信号，且每一传感器节点均至少能够对应捕捉一种类型的结构响应或者服役环境信息；前述结构响应包括但不限于飞艇气囊蒙皮的应变信号、气囊蒙皮的温度信号、作用于飞艇气囊蒙皮表面的压力信号、飞艇气囊蒙皮出现损伤时对应的声波信号以及飞艇气囊的加速度信号；所述服役环境信息包括但不限于外界大气的温度信号、气囊内部的温度信号、外界大气的压力信号、气囊内的压力信号以及外界大气的风速信号。进一步的，作为本发明具体的实施方案，所述系统的传感器网络子系统以永久安装在飞艇气囊蒙皮结构表面或嵌入蒙皮材料内部的分布式传感器网络为基础，实时捕捉飞艇气囊结构的各类结构响应及服役环境信息并分别转化为电信号。

前述传感器节点包括但不限于采集飞艇气囊蒙皮的应变信号的光纤光栅应变传感模块、采集飞艇气囊蒙皮的应变信号的电阻应变传感模块、采集作用于飞艇气囊蒙皮表面的压力信号的压电传感模块、采集飞艇气囊蒙皮出现撕裂等损伤时发出的声波信号的声发射传感模块、采集外界大气、飞艇气囊蒙皮及气囊内部的温度信号的温度传感模块、采集飞艇气囊的加速度信号的加速度传感模块、采集外界大气、气囊内的压力信号的压力传感模块以及采集外界大气的风速信号的风速传感模块中的一种模块或几种模块；其中光纤光栅应变传感器和电阻应变传感器都是用来测量蒙皮的应变的，只是它们的测量原理不同，适用范围不同，故而设置两种应变传感模块。

所述数据采集与存储子系统用于对前述传感器网络子系统当前所捕捉的各类结构响应及服役环境信息进行统一分类存储，且在进行统一分类存储的同时，逐一判断各结构响应或者服役环境信息是否属于第一类检测信号，是则将该结构响应或者服役环境信息直接发送至泄漏诊断评估子系统，否则确认该结结构响应或者服役环境信息为第二类检测信号并将其发送至信号处理与识别子系统；进一步的，作为本发明具体的实施方案，所述数据采集与存储子系统包括数据采集模块和数据存储模块；所述数据采集模块采集到各类传感信号后，由数据存储模块对所采集的各类传感信号进行统一分类存储；并将其中可直接利用的第一类检测信号如温度、压力、风速等信号经数据传输总线传输到泄漏诊断评估子系统，将其中不能直接利用的第二类检测信号经数据传输总线传输到信号处理与识别子系统进行信号处理与模式识别。

所述信号处理与识别子系统用于接收第二类检测信号，并分别提取前述各第二类检测信号的特征量，识别出与前述第二类检测信号对应的信号模式；设置所述信号处理与识别子系统的目的是对所采集的各信号中的不能直接利用的信号进行数据初步处理，以减小误差而提高分析结果的可靠性。具体包括如下工作过程：(1)数据预处理：对数据采集与存储子系统传输过来的第二类检测信号进行放大并去除噪声干扰，以提高清晰度；(2)特征量的提取：基于第二类检测信号所对应的信号类型，选择提取方法提取预处理后的数据的特征量，以去除第二类检测信号中部分无用信息，进而寻找最有效的信号特征来构成用于分类识别的模式特征向量；如当前第二类检测信号属于需要在某一特定时间段内提取平均值的A类信号则采用平均值法，如当前第二类检测信号属于需要在某一特定时间段内提取最大值的B类信号则采用最大振幅法，所述提取方法包括但不限于平均值法、最大振幅法、均方根值法、功率谱法等方法；(3)模式识别：基于当前所提取的特征量，识别出数据预处理后第二类检测信号所对应的信号模式，常用的信号模式识别方法包括但不限于统计决策法、非数值特征值法、模糊判决法、逻辑推理法、人工神经网络法。

所述泄漏诊断评估子系统能够根据前述第一类检测信号以及第二类检测信号对应的特征量和信号模式，分析计算飞艇内氦气的实时泄漏参数以及飞艇气囊蒙皮表面的微孔损伤泄漏位置参数；所述泄漏诊断评估子系统包括飞艇氦气泄漏定量模块和微孔损伤泄漏定位模块；前述飞艇氦气泄漏定量模块能够对飞艇的氦气泄漏实时定量化即其可分析计算出包括实时泄漏量和泄漏率的飞艇氦气泄漏参数；所述微孔损伤泄漏定位模块可实时定位飞艇气囊蒙皮表面的微孔损伤即其能够识别判断出飞艇气囊蒙皮表面的微孔损伤泄漏位置及其损伤程度。进一步的，作为本发明具体的实施方案，所述微孔损伤泄漏位置参数或者飞艇氦气泄漏参数的计算过程主要包括基准信号的采集以及信号比对识别过程即所述过程包括通过将正常工作状态下所采集的第一类检测信号以及第二类检测信号对应的特征量和信号模式作为基准信号或基线；并实时比较采集的检测信号与先前所采集的基准信号来判断各位置处是否出现异常，以及异常变化所对应的参数变化值；如微孔损伤泄漏位置参数识别过程可使用飞艇气囊蒙皮结构在未产生损伤时所采集的第一类检测信号以及第二类检测信号对应的特征量和信号模式作为基准信号或基线，通过比较新采集的检测信号与先前所采集的检测信号-基准信号或基线，并根据检测信号或检测信号的特征参数的变化来识别计算蒙皮结构内的损伤。例如，当气囊蒙皮表面出现撕裂等损伤时，损伤部位会有声波发出，且以声波形式释放出应变能，即可通过监测比对当前声波信号判断出其所对应的位置信息；同时损伤位置周围的蒙皮表面应变也会发生变化，其相比于无损伤区域的表面应变也会表现异常，因此可根据声波信号、飞艇气囊蒙皮的应变信号以及各自对应的信号特征参数的变化来识别计算蒙皮结构内的损伤参数；且上述基准信号的采集以及信号比对识别过程亦可通过多种其他现有常用的数据分析算法、数据处理算法以及数据解释算法实现，设计者可根据监测要求自行选择，不局限于本专利所述设计说明。

所述无线数据传输子系统的作用是将泄漏诊断评估子系统的诊断评估结果实时无线发送到地面监控子系统，其包括评估结果发送模块以及评估结果接收模块。

所述地面监控子系统通过无线数据传输子系统与前述泄漏诊断评估子系统进行信息交互，并基于无线数据传输子系统所传输的数据，对飞艇气囊结构的泄漏特性进行实时监测。

同时如图2，本发明还要提供一种飞艇气囊气密性在线监测方法，其特征在于，包括：

步骤S1、由被设置于飞艇气囊表面和/或内部的多个传感器节点捕捉飞艇气囊表面和/或内部不同位置点的结构响应及服役环境信息，并将前述各结构响应及服役环境信息转化为对应的电信号，且每一传感器节点均至少能够对应捕捉一种类型的结构响应或者服役环境信息；前述结构响应包括但不限于飞艇气囊蒙皮的应变信号、气囊蒙皮的温度信号、作用于飞艇气囊蒙皮表面的压力信号、飞艇气囊蒙皮出现损伤时对应的声波信号以及飞艇气囊的加速度信号；所述服役环境信息包括但不限于外界大气的温度信号、气囊内部的温度信号、外界大气的压力信号、气囊内的压力信号以及外界大气的风速信号。进一步的，作为本发明具体的实施方案，所述系统的传感器网络子系统以永久安装在飞艇气囊蒙皮结构表面或嵌入蒙皮材料内部的分布式传感器网络为基础，实时捕捉飞艇气囊结构的各类结构响应及服役环境信息并分别转化为电信号。

前述传感器节点包括但不限于采集飞艇气囊蒙皮的应变信号的光纤光栅应变传感模块、采集飞艇气囊蒙皮的应变信号的电阻应变传感模块、采集作用于飞艇气囊蒙皮表面的压力信号的压电传感模块、采集飞艇气囊蒙皮出现撕裂等损伤时发出的声波信号的声发射传感模块、采集外界大气、飞艇气囊蒙皮及气囊内部的温度信号的温度传感模块、采集飞艇气囊的加速度信号的加速度传感模块、采集外界大气、气囊内的压力信号的压力传感模块以及采集外界大气的风速信号的风速传感模块中的一种模块或几种模块；其中光纤光栅应变传感器和电阻应变传感器都是用来测量蒙皮的应变的，只是它们的测量原理不同，适用范围不同，故而设置两种应变传感模块。

步骤S2、对前述传感器节点当前所捕捉的各类结构响应及服役环境信息进行分类存储，且在进行分类存储的同时，逐一判断各结构响应及服役环境信息是否属于第一类检测信号，是则直接执行步骤S4，否则确认该结构响应及服役环境信息为第二类检测信号并执行步骤S3；

步骤S3、分别提取前述各第二类检测信号的特征量，并识别出与前述第二类检测信号对应的信号模式；前述步骤S3中在对第二类检测信号进行特征量提取之前还包括对第二类检测信号进行数据预处理，以减小误差而提高分析结果的可靠性。前述步骤S3中在对第二类检测信号进行特征量提取时，按照与每一第二类检测信号所对应的信号类型相匹配的提取方法进行特征量提取，以去除第二类检测信号中部分无用信息，进而寻找最有效的信号特征来构成用于分类识别的模式特征向量；所述提取方法包括但不限于平均值法、最大振幅法、均方根值法或功率谱法。同时前述步骤S3中还包括基于当前所提取的特征量，识别出数据预处理后第二类检测信号所对应的信号模式，所述信号模式采用的模式识别方法包括但不限于统计决策法、非数值特征值法、模糊判决法、逻辑推理法、人工神经网络法中的任意一种方法。

步骤S4、根据前述第一类检测信号以及第二类检测信号对应的特征量和信号模式，分析计算飞艇内氦气的实时泄漏参数以及飞艇气囊蒙皮表面的微孔损伤泄漏位置参数；

步骤S5、以无线数据传输方式与地面监控子系统进行信息交互，基于地面监控子系统所接收到的数据，对飞艇气囊结构的泄漏特性进行判断。

综上所述，本发明所述飞艇气囊气密性在线监测技术与传统的飞艇气囊气密性检测方法存在很大区别的：传统的飞艇气囊气密性检测方法是在检测开始时刻及终止时刻采用直接测量的手段来确定飞艇气囊内氦气的物理状态，无需记录连续的历史数据，检测结果的精度除了取决于测量设备的分辨率和精度外，还取决于解耦处理复杂大气环境条件对飞艇气囊内氦气状态影响的正确性；而本发明则是根据飞艇气囊蒙皮结构上相同位置、不同时间的测量结果的变化来识别判断飞艇的泄漏状态，因而需要基于连续的历史数据进行实时检测，其诊断识别的精度除了取决于传感器分辨率和精度外，还取决于解释算法的正确性和运算速度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。