专利名称：用于监控特别是激励器的多个装置的正确操作的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于监控分布于结构中的多个装置，特别是激励器，的正确操作的装 置。该装置用于监控特别应用于交通工具，尤其是飞行器中的设备、系统的正确操作。
背景技术：
包括分布在结构中的多个激励器的机上系统的数量日益增加，特别是在运输领 域，有时达到很大的数量。开发的更小尺寸的激励器使得能够更好地集成给定系统，并因此 增加了它们在给定系统中的数量。例如在航空领域，期望以往数量增加的各种类型的激励 器能用于飞行器中，以通过精确定位动作来最优化飞行管理。基于源自多个物理参数的传 感器的测量值来激励所述激励器。这些传感器和激励器组通过最优化其他功能中的能量预 算来参与飞行器的飞行。最终，第二组传感器实时监控交通工具的详细健康状态，通常称为 “健康监控”;在此情况中，传感器参与提高飞行安全和将保持操作最优化。因此已开发出的 飞行器机翼被设计为包含了大量的分散到机翼上的微型设备。这样的机翼可能特别包含多 个(几十或几百)微型激励器，使得能够监控机翼平面的精确点上的气流。以此方式，位于 机翼表面的一部分上的湍气流(其被为此目的设置的传感器检测到)能够通过临近设置的 一个或多个微型激励器修正为层流(laminar flow)。下面描述选作示例的激励器类型以清楚地描述本发明边界层激励器。本发明可 以应用所有已知类型或未来类型的激励器，只要所述激励器对可被测量的热和/或声学识 别特征(signature)有物理影响，如下面更详细所述。上述的微型激励器例如可以是流体微型激励器，通常已知的名字为等离子体合成 射流微型激励器或相应的首字母缩写“PSJA”。PSJA激励器采用了包含等离子体的小腔体、 加热该腔体的容纳物的电弧的形式，以释放腔体内包含的空气，进而膨胀。PSJA激励器可以 采用离散部件的形式，或者通常称为“ MEMS”的微型电机系统的部件的形式，也就是说，例如 以与其他部件或电路的集成方式微型加工的部件。可以用确定频率来周期性地激励PSJA激励器，用于模拟机械_涡流发生器。气体 排出然后以变化的方式进入PSJA激励器，这扰乱了其临近的气流，使得能够减少边界层的 分离。还可以应用成组组装且分布在机翼表面上的压电微型激励器，其能够应要求产生机 翼表面的变形。还可以采用基于MEMS微型电动机的微型激励器，或者形状记忆合金激励器或者 人工肌肉类型激励器。应注意，系统可以包括前述类型的多个设备，但同样也可以包括不同种类的各个 类型的多个传感器。例如期望机翼包括多个前述类型的微型激励器，每个激励器的部分或全部失效能 够被检测到。具体地，单个激励器失效对于整个机翼表面周围的空气动力流(aerodynamic flow)是个不好的结果，污染影响(contamination effect)能够快速地将初始局限的湍流 扩大到整个机翼表面。
可以对每个微型激励器连接一个集成的监控装置，其直接测量激励器的正确操 作。然而，这样的方案在实际中可能是有害的，因为1)其增加了微型激励器的复杂度； 2)该增加的复杂度明显带来了相对于其所安装到的微型系统的成本的额外的监 控功能成本；3)增加集成的监控装置在空间需求方面可能是有害的，该监控装置必然提出相当 大的空间需求；4)以相同的方式，给每个激励器增加监控装置导致很大的重量，这对飞行器的飞 行性能有害；5)每个监控装置要被供电；6)在任何情况中，需要使用制造得更复杂的连接系统，以将每个监控装置电性地 和功能性地连接到相关的微型激励器，因此微型系统形成为具有集中式管理装置。7)每个监控装置本身相对于环境具有敏感性；8)所述集成的监控装置的测试的覆盖范围的质量通常受限，只有一定数量的激励 器被监控，而非其行为的有效过程作为物理结果的监控。
发明内容
本发明的一个目的是通过提出一种监控装置来至少减轻上述缺点，该监控装置能 够诊断诸如激励器的多个设备的正确操作，该监控设备简单且对其所应用于的系统的重量 要求不大。本发明的一个优点是该监控装置对于多个设备是通用的，这些设备可以是相同类 型，也可以是不同类型。本发明的另一个优点是监控装置不会相对于其所用于的系统的热、机械和电环境 进一步造成缺少鲁棒性。本发明的又一优点是监控装置相对于其中使用了该监控装置的系统而言不会有 可靠性损失。本发明的又一优点在于监控装置能够确保其所关联的微型激励器的失效模式的 良好覆盖范围。因此，本发明的主题是一种用于监控多个微型激励器的监控装置，其特征在于，该 监控装置包括光纤，该光纤包括多个传感器，每个传感器靠近微型激励器放置且具有作为 至少一个环境参数的函数而变化的光学属性，该监控装置还包括用于光纤网络的轮询装 置，该轮询装置包括至少一个发送器和一个接收器；以及处理装置，其能够调制由发送器发 送的光学信号的频率从而选择靠近给定的微型激励器的传感器，并且能够将接收的光学信 号和微型激励器的正确操作的模板特性(template characteristic)进行比较。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，光纤为单模类型，并且传感 器由采用了布拉格干涉网络的光纤传感器网络形成，处理装置将接收的光学信号与微型激 励器的热识别特征进行比较。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，光纤为单模类型，并且传感 器由布拉格网络形成，处理装置将接收的光学信号与微型激励器的压力识别特征进行比较。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，微型激励器是等离子体合 成射流微型激励器。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，等离子体合成射流微型激 励器包括在介电衬底两侧制造的两个平板电极。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，光纤放置于介电衬底的结 构中。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，光纤制造在形成于介电衬 底中的腔体内，传感器由形成干涉网络的条纹的材料的沉积层制成。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，微型激励器为压电类型的 激励器。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，微型激励器为微型电动机。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，微型激励器为形状记忆合 金激励器。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，微型激励器为人工肌肉类 型激励器。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，微型激励器形成如下不同 类型的激励器的不均勻分布等离子体合成射流微型激励器、压电激励器、微型电动机、形 状记忆合金激励器、人工肌肉类型激励器。根据本发明的一个实施方式，该监控装置的特征在于，该监控装置包括同步装置， 用于将信号的比较分析与微型激励器的激励命令同步。本发明的另一主题是一种飞行器机翼，其特征在于，根据前述监控装置监控放置 于机翼表面的多个激励器，传感器沿着位于机翼的材料中的光纤放置，每个传感器靠近一 个激励器放置。
通过参照呈现的附图，阅读以示例给出的说明内容，本发明的其他特性和优点将
变得明显。-图1为处于操作的各种特性阶段中的PSJA微型激励器的一系列截面图； -图2是图示了微型激励器的正确操作的特性热识别特征的曲线；-图3是图示了在本发明的示例性实施方式中相对于PSJA微型激励器布置单式 (unitary)传感器的截面图；-图4A和4B分别为在本发明的示例性实施方式中相对于多个PSJA微型激励器布 置多个单式传感器的截面图和俯视图；-图5A和5B分别为在本发明的示例性实施方式中相对于微型加工的PSJA微型激 励器布置单式传感器的截面图和俯视图；-图6，作为方框图，是图示了根据本发明的示例性实施方式的监控装置的视图。
具体实施方式
本发明利用了识别特征，其能够通过是监控激励器的操作特性的物理参数的测量 值而获得。已知用于检测装置的操作异常的装置，其利用了检测装置的故障的物理现象特 性，例如异常的震动。此监控是连续性质的。根据本发明的装置利用了激励器的操作之后的期望的物理结果与实际测量的物 理结果的比较。“物理结果”理解为物理参数的变化，例如紧邻激励器的温度或特性震动。 在激励器每次做出操作后都进行该比较。根据本发明的装置利用了传感器网络，其能够独立于彼此监控多个激励器。根据本发明的装置包括，例如处理单元，其一方面处理确保了传感器的操作的传 感器网络的测量值，另一方面处理测量值以发送与正确操作有关的信息。处理单元包括，例 如，用于获取源自传感器的信号的模块，信号处理模块和发送模块。处理单元可以是用于此 类设备的任何已知技术。根据本发明的传感器网络可以由传统的已知类型的电传感器构成，优选地，由光 学性质的传感器构成。现有技术公开了设置在光纤上的传感器，在光纤中形成已知为“布拉 格网络(Bragg network)”的干涉网络。单个光纤以已知方式包括形成网络的多个传感器， 传感器也已知为“节点”或者“传感器节点”。根据本发明的监控装置可包括这样的光纤，沿 着该光纤分布有形成传感器的节点。这些节点的每个对应于待被监控的微型激励器。已知 类型的这样的传感器能够独立地处理节点。图1显示了处于操作的各种阶段特性中的PSJA微型激励器的一系列截面图。在图1图示的示例中，显示了处于其操作的三个阶段11、12、13特性的PSJA微型 激励器100，其包括被电枢102包围的腔体101，该腔体101被其内有孔104的第一电极103 遮盖，电枢102的底部被第二电极105贯穿，显示为穿过腔体101的底部。在第一阶段11中，通过在第一电极103和第二电极105之间施加相当大的电势差 来沉积能量。因此包含在腔体101中的空气被加热。在第二阶段12中，在第一电极103和第二电极105之间施加电势差。因此呈现在 包括于腔体101的体积中的电梯度使得电离的空气(或等离子体)穿过孔104喷射。在第三阶段13中，在第一电极103和第二电极105之间没有施加电势差，包括在 腔体101中的体积中再次被非电离空气填充，其温度基本上为周围环境温度。图2显示了微型激励器的正确操作的热识别特征特性的曲线。该曲线显示了参照图1在微型激励器100的操作周期中，微型激励器100的温度 作为时间函数变化的示例。应当注意，参照图1的微型激励器100的操作的第一阶段11，伴随有包含在腔体 101中的空气温度的增加；然后温度在第二阶段12和第三阶段13典型地减小。相似地，包 含在腔体101中的气压在三个阶段11、12、13中经历相似的变化。因此，在操作中，PSJA微 型激励器100展现了包含在腔体101中的空气的温度和压力的特性变化。此后，这些温度 和压力的特性变化分别称为热识别特征和压力识别特征。以相同的方式，本发明可以应用 于的其他类型的激励器在操作中也具有特性识别特征。激励器的任何非典型操作，例如在 失效情况下，会导致区别于其正确操作的特性识别特征的识别特征。
本发明提出检测激励器的热识别特征或压力识别特征，以及将其与其正确操作的 特性识别特征相比较。可以通过传导到壁和容纳激励器的结构的临近环境中的热来检测热 识别特征。可以通过穿过激励器的结构和容纳激励器的结构的临近环境的震动或声学传导 来检测压力识别特征。这称为震动或声学识别特征。
激励器的正确操作的热或震动识别特征可以提前表征，从而可以定义模板。此模 板可以存储在用于每一个激励器或每一种激励器类型的专用单元中。监控装置的总体结构 的示例在下面参照图6详细描述。在本发明的优选的示例性实施方式中，光学传感器可以沿着被称为布拉格网络光 纤的光纤放置。布拉格网络光纤从现有技术可以了解。此类型的传感器的操作是已知的， 因此在本说明书中不再详细描述。此类型的传感器对于本发明的目的的重要特性是-敏感节点或传感器节点，也就是说沿着光纤放置的独立传感器，必须通过处理来 自轮询装置的信号来单独访问；_来自轮询装置的敏感节点和光纤必须是光学性质的，而不会发生导电现象；-传感器节点可以例如是对温度或震动敏感，这取决于它们的几何特性和它们的 容纳结构。例如，单模光纤包括以条纹形式蚀刻在其内的干涉网络，每个条纹反射了一个非 常精确的特定波长。这样的干涉网络明显对于温度的变化极其敏感；具体地，如果光纤被局 部拉长或缩短，条纹之间的距离分别被减小或增加，所反射的波长也因此改变。如果光纤的 各个敏感节点被保持在维持一定压力的系统中，例如凹进到机翼的结构中，其拉长或其缩 短的主要起因是温度的变化。监控装置例如可以包括激光发射器，其在光纤中发射，形成布拉格网络的传感器 沿着光纤放置。可以在给定范围的波长上实现发射；那么再通过改变激光的频率来进行轮 询。以此方式，对传播时间进行研究可以精确地定位在其中波沿着光纤被反射的位置，并因 此检测到信号所来自的传感器节点。对接收器接收到的光学信号进行分析，能够量化此传 感器上的温度变化。通过仔细选择激光频率可以选择给定的传感器，激光束的频率可以被 选择的传感器反射，而所有其他的传感器对其是透明的。应注意，以相似方式，需要时可通过特定的滤波器、转换器(transducer)和/或放 大器来量化压力、或声学、或电磁波、或甚至是机械变形的变化。有利地，因此能够通过上述 装置对非均勻分布的设备执行监控。优选地，传感器节点必须紧邻激励器或待监控的其他 设备放置，从而待测量的信号的衰减尽可能小，衰减是与信号传播时间相关联的时间常数。 “紧邻(immediate vicinity) ”在此情况中意味着依据所选择的识别特征的类型，与热或声 学传播的检测和定位的可接受衰减相对应的距离。传感器还可以是其他类型，例如电的或压电式。因此，根据本发明的装置还可以制 成具有一组传统的电温度计。图3至图5图示了靠近激励器或在激励器网络中定位光纤的示例。图3显示了在本发明的示例性实施方式中相对于PSJA微型激励器布置单式传感 器的截面图。在图3图示的示例中，光纤300可以放置在微型激励器100下面，从而传感器节点 301围绕腔体101布置同时保持靠近该腔体。该实施方式例如使得易于维持替换有问题的微型激励器100的可能性，而光纤300保持于适当位置，例如凹陷到容纳结构中。在一个替换实施方式中，光纤300也可以放置在微型激励器100的第一电极的结 构中。图4A和图4B分别显示了在本发明的示例性实施方式中相对于多个PSJA微型激 励器布置多个单式传感器的截面图和俯视图。在图4A所示 的示例中，截面图中显示了飞行器机翼的吸力面(suction surface)400的一部分。PSJA微型激励器可以凹陷到机翼的结构中，从而其孔104设置为 微型激励器排出的轻气流与机翼表面的切线形成α角。光纤300可以凹陷到机翼的结构中，传感器节点可以靠近围绕孔104布置的微型 激励器放置。如图4Β所示，多个微型激励器可以例如沿着机翼的吸力面呈直线放置。可以放置 相同的光纤300从而靠近不同微型激励器的每个孔104出现有传感器节点，同时传感器节 点围绕孔104布置。图5Α和图5Β分别显示了在本发明的示例性实施方式中相对于微型加工的PSJA 微型激励器布置单式传感器的截面图和俯视图。参照图5Α，根据本质上已知的现有技术，PSJA微型激励器500也可以利用微型加 工技术，通过分别形成在介电衬底501的上面和下面的两个环形电极503和505的两个金
属层制成。参照图5Β，电极503和505可以是两个平板环，其圆心在垂直轴对齐。电离的空气 或等离子体可以包括在区域502中，区域502位于衬底501 (基本上为环形)的表面上方， 以及第一环形电极503内侧和第二环形电极505上方。然后可以放置光纤300从而传感器节点位于被等离子体占据的区域502附近例 如通过将光纤凹陷到介电衬底501中，或通过将光纤凹陷到介电衬底501下面的结构中，其 例如可以是飞行器机翼的结构。在本发明的一个实施方式中，例如通过腔体，光纤300还可以直接制造在介电衬 底501内，腔体中材料层被微型沉积来形成干涉网络的条纹以便形成多个传感器。图6显示了作为方框图的图示了根据本发明的示例性实施方式的监控装置的视图。在本发明的优选示例性实施方式中，监控装置60可以包括处理单元61。处理单 元61可以包括光电轮询装置62，该光电轮询装置62包括例如图中未示出的发射器，其在光 纤300中发射激光束。在图6所示的示例中，光纤300包括形成布拉格网络的多个传感器 节点301，每个传感器节点靠近微型激励器500放置。轮询装置62也可以包括图中未示出 的接收器。轮询装置62可以连接到信号处理装置或“DSP”63。有利地，DSP 63连接到处 理和诊断装置64，该处理和诊断装置64与中央系统通信，用于监控其中结合有处理和诊断 装置64的系统，使得例如用户能够在故障的情况下看到警报。特别地，DSP 63能够比较表 示靠近传感器节点301放置的设备的识别特征的接收信号以及表示该设备的正确操作的 参考模板特性，以产生表示该设备的正确操作的信号。参考模板例如可以存储在与DSP 63 通信的数据库65中。有利地，监控装置60包括用于将信号的比较分析和微型激励器500的激励命令 同步的装置，这些命令表示为命令信号Sc。用于将信号的比较分析同步的装置例如可以在DSP 63中实现。具体地，能够提前知道必须监控其正确操作的微型激励器，因为微型激励器 典型地由命令装置命令。存储的参考识别特征和测量的识别特征之间的比较分析的实施方式可以是任何 已知类型，例如波形模板，或者通过傅里叶变换的数字信号处理，或者任何其他已知的方 法。所述的实施方式具有不增加受监控的激励器系统的复杂度的优点，而是引入了非 常简单的附加构件光纤300和处理单元61。从而解决了前述的现有技术的第一个缺点， 即与增加的复杂度有关的缺点。所述的实施方式提供了将总价格减小为光纤传感器的价格的优点，从而解决了前 述的现有技术的第二个缺点，即与成本有关的缺点。所述的实施方式还提供了将总的边远空间需求减小为光纤传感器的空间需求的 优点；特别地，将靠近激励器的空间需求减小为光纤；从而解决了前述的现有技术的第三 个缺点，即与空间需求有关的缺点。以相同的方式，第四个缺点，即 与重量有关的缺点也解 决了，特别是在激励器的区域中。通过布拉格网络传感器的时间多路复用性质，根据本发明的整个装置的功耗被最 小化；从而解决了前述第五个缺点，即与功耗有关的缺点。应注意，只有如上所述的光学性质的监控装置60的每个节点的失效模式才是光 纤300的总的或部分的断路。该断路对其中结合了监控装置60的系统没有功能性影响。因 此，监控装置60提供的可靠性损失相对于其所结合到的系统为零。因此解决了前述的现有 技术的与激励器的可靠性损失有关的第七个缺点。另外，布拉格网络传感器的光学性质使得，当其被适当地保持于其所结合到的系 统中时，不受热和电环境以及冲击和振动的影响；也就是说，例如在飞行器机翼的情况中 因为布拉格网络传感器以合适的方式凹陷到机翼的结构中。从而解决了前述现有技术的与 敏感性有关的第六个缺点。
权利要求
1.一种用于监控多个微型激励器(500)的监控装置(60)，其特征在于，该监控装置 (60)包括光纤(300)，该光纤(300)包括多个传感器(301)，每个传感器(301)靠近该微 型激励器(500)放置且具有作为至少一个环境参数的函数而变化的光学属性，该监控装置 (60)还包括用于光纤网络的轮询装置(62)，其包括至少一个发送器和一个接收器；以及 处理装置(63)，其能够调制由发送器发送的光学信号的频率从而选择靠近给定的该微型激 励器(500)的传感器(301)，并且能够比较接收的光学信号和该微型激励器(500)的正确操 作的模板特性。
2.根据权利要求1所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装置(60)，其特征在 于，该光纤(300)为单模类型，该传感器(301)由采用了布拉格干涉网络的光纤传感器网络 构成，该处理装置(6 比较接收的光学信号和该微型激励器(500)的热识别特征。
3.根据权利要求1所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装置(60)，其特征在 于，该光纤(300)为单模类型，该传感器(301)由布拉格网络构成，该处理装置(6 比较接 收的光学信号和该微型激励器(500)的压力识别特征。
4.根据前述权利要求中任意一项所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装置 (60)，其特征在于，该微型激励器是等离子体合成射流微型激励器(100，500)。
5.根据权利要求4所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装置(60)，其特征在 于，该等离子体合成射流微型激励器(100，500)包括在介电衬底(501)两侧制造的两个平 板电极(503，505)。
6.根据权利要求5所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装置(60)，其特征在 于，该光纤(300)放置于该介电衬底(501)的结构中。
7.根据权利要求5所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装置(60)，其特征在 于，该光纤(300)制造在形成于该介电衬底中的腔体内，该传感器(301)由形成干涉网络的 条纹的材料的沉积层制成。
8.根据权利要求1至3中任意一项所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装置 (60)，其特征在于，该微型激励器(500)为压电类型的激励器。
9.根据权利要求1至3中任意一项所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装置 (60)，其特征在于，该微型激励器(500)为微型电动机。
10.根据权利要求1至3中任意一项所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装 置(60)，其特征在于，该微型激励器(500)为形状记忆合金激励器。
11.根据权利要求1至3中任意一项所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装 置(60)，其特征在于，该微型激励器(500)为人工肌肉类型激励器。
12.根据权利要求1至3中任意一项所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装 置(60)，其特征在于，该微型激励器(500)形成如下不同类型的激励器的不均勻分布等离 子体合成射流微型激励器、压电激励器、微型电动机、形状记忆合金激励器、人工肌肉类型 激励器。
13.根据前述权利要求中任意一项所述的用于监控多个微型激励器(500)的监控装置 (60)，其特征在于，该监控装置(60)包括同步装置(63)，用于将信号的比较分析与该微型 激励器(500)的激励命令同步。
14.一种飞行器机翼，其特征在于，根据前述权利要求中任意一项所述的监控装置(60)监控放置于该机翼表面的多个激励器，该传感器(301)沿着位于机翼的材料中的光纤 (300)放置，每个传感器靠近一个激励器放置。
全文摘要
本发明涉及一种用于监控特别是激励器的多个装置的正确操作的装置。用于监控多个微型激励器(500)的监控装置(60)，其特征在于，该监控装置(60)包括光纤(300)，该光纤(300)包括多个传感器(301)，每个传感器(301)靠近微型激励器(500)放置且具有作为至少一个环境参数的函数而变化的光学属性，该监控装置(60)还包括用于光纤网络的轮询装置(62)，其包括至少一个发送器/接收器；以及处理装置(63)，其能够调制由发送器发送的光学信号的频率从而选择靠近给定的微型激励器(500)的传感器(301)，并且能够比较接收的光学信号与微型激励器(500)的正确操作的模板特性，并且能够产生表示受监控的微型激励器(500)的正确操作的结果信号。本发明应用于特别是飞行器的交通工具的健康监控领域。
文档编号G05B19/418GK102063103SQ20101055185
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月16日 优先权日2009年11月17日
发明者P·吉沙德 申请人:泰勒斯公司