[发明专利]一种机载小型化结构健康监测系统及其监测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机载小型化结构健康监测系统及其监测方法，属于结构健康监测技术领域。

背景技术

复杂机械系统的安全服役对于国防及民用的诸多领域均具有极大的重要性。飞机系统是一类价值和维护成本都很高的复杂机械系统。对飞机实施健康监测与管理具有非常重要的意义，除能够减少经济损失、预防重大事故发生之外，还能够实现视情维护，大幅降低维护费用。而作为飞机健康监测与管理中极其重要的一个部分，飞机结构的健康监测与管理被视为保障飞机结构特别是复合材料结构使用和提高飞行器安全性、降低维护费用的关键技术。近年来，很多飞机失事的原因都是由于飞机主要承力结构出现疲劳造成机体解体。要达到对飞机结构的健康监测与管理，在飞机飞行过程中在线的健康监测是必须要实现的。

基于压电传感器阵列和Lamb波的结构健康监测技术既可以满足正在大量应用的复合材料结构的健康监测与管理需求，又能够满足对目前大型航空复杂结构损伤的区域性监测的需求。国内外已有大量文献报道了相关技术的应用进展。

为了促进我国基于压电传感器阵列和Lamb波的结构健康监测技术的应用，一种多通道集成压电扫查结构健康监测系统被提出并在地面实验及科学研究中得到了广泛的应用，但是该系统软硬件结构复杂，硬件各模块以卡式仪器实现，其体积、功耗和重量较大，不能满足机载使用的要求。为了能够实现系统的机载和技术的在线应用，一种嵌入式飞机主被动结构健康监测系统被提出。该系统以内部总线为架构基础，以控制器模块为信号处理及损伤诊断的核心，以数字管理模块作为硬件调度的核心，这种硬件集成的架构使得系统软硬件结构仍然较为复杂，导致系统的体积和功耗不能满足机载使用的要求，并且在目前的技术条件下还无法实现稳定可靠的机载在线结构健康监测。除此之外，目前基于压电传感器阵列和Lamb波的结构健康监测技术领域还没有提出适于机载在线监测的系统的任务工作流程，而该任务工作流程是保证系统软件稳定可靠运行的重要基础。

所以到目前为止，已经提出的基于压电传感器阵列和Lamb波结构健康监测技术的结构健康监测系统，由于其内部结构复杂、体积大、功耗大、重量大，缺乏规范化的机载工作流程，因此仅限于实验室研究和地面离线监测的应用，没有实现真正的机载在线监测，不能满足飞机结构健康监测与管理对其提出的迫切的应用需求。

发明内容

本发明提出了一种机载小型化结构健康监测系统及其监测方法，它是一种适于机载的系统，可以在飞机执行飞行任务时按照规范化的流程对结构实施在线健康监测；可以在线的对压电传感器阵列中的激励-传感网络进行多通道轮询扫查，完成结构健康监测任务，如复合材料结构的脱胶、分层等微小损伤的在线监测和评估等。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种机载小型化结构健康监测系统，包括核心执行模块、功率放大模块、通道切换模块、系统电源模块和信号接口模块，其中系统电源模块的输入端通过信号接口模块与机载电源相连，系统电源模块的输出端分别与核心执行模块、功率放大模块和通道切换模块连接，功率放大模块的输出端与通道切换模块的输入端相连，信号接口模块和通道切换模块连接，功率放大模块和通道切换模块分别与核心执行模块连接。

所述核心执行模块包括电源转换单元、核心控制单元、激励信号产生单元、响应信号调理单元、响应信号采集单元、外部通讯单元、内存单元和高速数据储存器单元，其中核心控制单元、激励信号产生单元、响应信号调理单元、响应信号采集单元、外部通讯单元、内存单元和高速数据储存器单元分别与电源转换单元连接。

所述核心控制单元由数字信号处理芯片电路或现场可编程逻辑门阵列电路或微处理器实现，所述内存单元由双倍速率同步动态随机存储器实现。

一种机载小型化结构健康监测系统的监测方法，包括如下步骤：

1）系统启动多通道扫查损伤诊断循环，该循环的次数和间隔时间由损伤诊断次数及间隔时间参数决定；

2）核心执行模块中的核心控制单元将通断控制信号输出给功率放大模块开启其输出通断开关；

3）核心执行模块中的核心控制单元输出数字量形式的激励信号波形、激励信号产生时钟和激励信号产生使能信号，驱动激励信号产生单元输出高频、小功率激励信号；

4）功率放大模块对高频、小功率激励信号进行功率放大后转换为高频、大功率激励信号输出至通道切换模块；