一种载人航天器结构多参数复合测量装置的制作方法

本发明涉及航天器结构健康监测领域，具体涉及一种载人航天器结构多参数复合测量装置。

背景技术：

1、伴随着我国载人航天工程的不断推进，新一代长寿命近地空间站、载人飞船等新型航天器从地面发射到在轨运行，直至完成飞行任务的整个过程中，将面临剧烈振动、冲击、热循环等恶劣服役环境，并且服役周期长。在外界力、热等各种交变载荷作用下，载人航天器的结构安全直接影响了航天器的可靠性和寿命，对航天员的生命安全以及航天任务的顺利执行具有重大的意义。载人航天器结构参数的实时测量与感知是实时掌控航天器结构状态、及时采取应急补救与控制措施的基础，是确保航天器结构安全的重要保障，同时，对航天器优化及新型航天器设计具有重大意义。

2、载人航天器在上升段与在轨期间需对其高低频振动、冲击等力学参数进行测量，获取航天器结构的响应特性，用于分析器箭界面力学环境及舱体的振动响应规律，具体测量参数如下：

3、1)在待发段、器箭联合飞行阶段以及在轨正常飞行时，采集主结构的低频加速度响应信号，同时采集点火起飞段、飞行跨音速段以及交会对接时的随机振动，信号的频率范围通常为0.1～100hz(低频)。

4、2)在发射段，采集冲击源附近关键有效载荷的加速度响应信号，获取器箭分离、太阳翼展开、交会对接时的冲击响应，信号的频率范围通常为1～10000hz(冲击)。

5、3)采集载人航天器关键设备高频振动源的加速度响应，信号的频率范围通常为1～1000hz(高频)。

6、同时，载人航天器在轨时间长，在其服役期间，由于空间环境复杂，需要对其承力件、压力舱蒙皮等结构的应力应变等状态参数进行监测，检测结构是否出现疲劳裂纹或小孔损伤，对载人航天器剩余寿命进行评估。

7、当前，针对航天器高低频振动、冲击等力学参数，通常采用力学参数采集装置进行测量，并且针对不同航天器需对采集参数种类、采集通道数量等进行具体设计，装置不具备通用性及可扩展性；针对应力应变等结构状态参数，通常采用光纤传感装置进行测量，其与力学参数采集装置独立工作，增加了航天器重量、功耗以及发射成本。

技术实现思路

1、本发明提供了一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其目的在于实现载人航天器结构多参数测量装置的一体化、小型化、轻量化，并促进其货架式批量生产，有效降低发射成本。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、本发明提供了一种载人航天器结构多参数复合测量装置，包括：

4、1)供电模块

5、供电模块接收载人航天器+100v母线电源，为装置提供二次电源，并为传感器提供驱动电源。+100v母线的切换由配电端控制，供电模块不对母线进行控制。

6、2)中央控制模块

7、中央控制模块是本发明的核心模块，完成对外1553b总线接口、以太网接口的管理、遥控命令的解析分发，对内调度光纤解调模块和力学参数传感器采集模块完成数据采集、存储和下传工作。

8、中央控制模块主要由dsp子模块、力学参数控制fpga、flash存储器、1553b总线接口、以太网接口等组成。

9、中央控制模块以dsp子模块为控制核心，完成载人航天器结构多参数复合测量装置指令收发、数据采集和各模块间的调度控制。

10、力学参数控制fpga接收dsp子模块指令，负责对力学参数传感器采集模块进行控制，完成低频、高频、冲击等结构力学参数的采集；同时，通过同步lvds接口与光纤解调模块进行通信，将采集到的力学参数数据和通过光纤测量得到的温度、应变等结构状态数据打包存储到flash存储器中，在接收到下传指令后将flash存储器中的数据发送至dsp子模块。

11、3)力学参数传感器采集模块

12、力学参数传感器采集模块提供与力学参数传感器的接口，为传感器提供直流驱动，对输入的信号进行滤波调理，并在中央控制模块的控制下进行通道选择和信号采集。

13、力学参数传感器采集模块由m块完全一致的印制板组成，每块印制板通道选通地址、a/d控制信号完全相同；每块印制板为n个a/d提供12bit×n的数据总线，只需一次读取即可完成同一印制板n个a/d芯片的数据；每个a/d转换芯片对应t个数据采集通道，因此力学参数传感器采集模块共可实现m×n×t个传感器信号的采集。采集时根据中央控制模块的力学参数控制fpga输出的选通通道与a/d控制信号进行模数转换。

14、4)光纤解调模块

15、光纤解调模块接收中央控制模块的指令，控制光纤光栅传感器的采集、回传等操作。光纤解调模块主要包括光源、并行探测子模块、数据采集和处理子模块。光源为温度、应变光纤光栅传感器等提供扫描光源；并行探测子模块实现扫描光束的分束、收集、波长参考等；数据采集和处理子模块则对采集信号进行光电转换、分析计算，获取光纤光栅传感器反射光信号的波长数据，并根据标定系数，转化为对应的待测信息。

16、本发明所达到的有益效果为：

17、1)基于“dsp+fpga组合控制”的方式，提供多种航天器结构状态参数的采集接口，集成高低频振动、冲击、应力应变等多参数采集功能；

18、2)通过光电一体化、标准化、模块化、高集成度、可扩展性设计，把不同类型航天器结构参数测量装置综合为一种标准化装置，测点数量在一定范围内能可调，并具有大容量存储能力、可适应性高等特点；

19、3)实现载人航天器结构多参数测量装置的一体化、小型化、轻量化，促进其货架式批量生产，有效降低发射成本。

技术特征：

1.一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其特征在于：所述的中央控制模块包括dsp子模块、力学参数控制fpga、flash存储器、1553b总线接口和以太网接口。

3.根据权利要求2所述的一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其特征在于：所述的dsp子模块以dsp6701为核心，包括程序存储器flash和数据存储器sram。

4.根据权利要求2所述的一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其特征在于：所述力学参数控制fpga的外部接口芯片主要包括a/d转换芯片、模拟开关、flash、mram、lvds接口芯片、晶振及复位电路。

5.根据权利要求1所述的一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其特征在于：所述力学参数传感器采集模块包括m块完全一致的印制板，所述印制板上设置有力学参数传感器接口电路、滤波电路、模拟开关、调理电路以及a/d采集电路。

6.根据权利要求5所述的一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其特征在于：每块所述印制板通道的选通地址、a/d控制信号完全相同，每块印制板为n个a/d采集电路提供12bit×n的数据总线，每个a/d转换芯片对应t个数据采集通道。

7.根据权利要求5或6所述的一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其特征在于：所述滤波电路包括巴特沃兹低通滤波器。

8.根据权利要求1所述的一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其特征在于：所述光纤解调模块包括光源、并行探测子模块以及数据采集和处理子模块。

9.根据权利要求8所述的一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其特征在于：所述光源为扫描范围1525nm-1565nm的扫描窄带光源，输出光功率16±1.5dbm。

10.根据权利要求8所述的一种载人航天器结构多参数复合测量装置，其特征在于：所述并行探测子模块包括光纤耦合器、分束器、光环行器、标准具、滤波器和参考波长气室。

技术总结
本发明涉及航天器结构健康监测领域，具体涉及一种载人航天器结构多参数复合测量装置。包括供电模块、中央控制模块、力学参数传感器采集模块以及光纤解调模块。通过对力学参数采集装置与光纤传感装置进行光电一体化设计，研制一种载人航天器结构多参数复合测量装置，通过标准化、模块化、高集成度、可扩展性设计，把不同类型航天器结构参数测量装置综合为一种标准化装置，实现载人航天器结构多参数测量装置的一体化、小型化、轻量化，并促进其货架式批量生产，有效降低发射成本。本发明实现载人航天器结构多参数测量装置的一体化、小型化、轻量化，促进其货架式批量生产，有效降低发射成本。

技术研发人员：郑鹏,赵波,张建德,杨宁,孙华亮,刘强,于立佳,程林
受保护的技术使用者：山东航天电子技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21