[发明专利]连续异构型大面积冲击监测网络及冲击区域定位方法

说明书

本发明公开了一种连续异构型大面积冲击监测网络及冲击区域定位方法，属于航空航天智能结构技术领域。连续异构型大面积冲击监测网络由线型压电传感器连续串联阵列和线型压电传感器离散独立阵列交替排列组成，整个监测网络嵌入飞行器复合材料结构内部或者布置于结构表面形成智能蒙皮。当结构遭受外界物体冲击时，监测网络输出冲击响应信号，冲击响应信号经过数字化后，由冲击区域定位方法判断冲击发生的位置。本发明能够极大的减少飞行器智能蒙皮大面积冲击监测时所需的传感器引线数量及冲击监测系统所需数据采集通道数，可以降低冲击监测系统处理器复杂度并降低在计算冲击位置时所需的功耗，从而提高冲击监测系统可靠性。

技术领域

本发明涉及一种连续异构型大面积冲击监测网络及冲击区域定位方法，属于航空航天智能结构技术领域。

背景技术

飞行器智能蒙皮技术的基本思想是将大量的传感/驱动元件及微处理器与主体蒙皮结构集成为一个整体，通过大量的传感元件监测结构的环境、工作状态、健康状态等信息，经处理后形成控制激励，改变结构的形状、运动、受力状态等。智能蒙皮技术使得蒙皮结构本身具有自诊断、自适应、自学习、自修复等能力。因此，飞行器智能蒙皮技术是提高先进飞行器的飞行性能、操作机动性能、环境感知性能和安全维护性能的重要技术保障。

在飞行器智能蒙皮中，结构健康监测与诊断是核心功能之一。近年来，因复合材料结构具有比刚度大、对疲劳和腐蚀抵抗力强以及设计灵活等优点，飞行器结构，特别是机翼等主承力结构大量使用复合材料结构。然而，对于飞行器复合材料结构而言，外部物体的冲击，例如鸟撞、冰雹、碎石、维护工具等，极易造成复合材料结构的内部分层、基体开裂和纤维断裂等损伤，导致其机械性能的大幅下降，承载能力大大降低，对结构的整体破坏和失效形成潜在的威胁。针对大型飞行器而言，往往存在多个大尺寸复合材料结构，例如机翼、机身和垂尾等，因此迫切需要开展飞行器复合材料结构的大面积冲击监测。此外，由于飞行器结构的冲击是一种随机的瞬态事件，需要在冲击发生的时刻对其进行监测。所以冲击监测系统和冲击监测使用的传感器网络必须作为一种机载设备被安装在飞行器上进行在线、连续不间断的冲击监测，并满足航空机载应用对系统的轻量化、低功耗、高可靠性等要求。

目前常规的冲击监测系统为了获取冲击信号实现精确的冲击定位与评估，包含由信号放大器、滤波器和数模转换器组成的模拟电路以及支持复杂监测算法的微处理器及外围器件组成的数字电路，再加之在对大尺度结构进行大面积监测时所需传感通道数多，导致系统整体的体积大、重量大和功耗大，并且可靠性难保证，所以很难达到航空机载应用的要求。小型化数字式冲击监测系统的提出为解决上述问题提供了很好的思路。该系统的基本工作原理是将传感器输出的电压量形式的冲击响应信号直接数字化，并通过现场可编程逻辑门阵列采集数字化后的冲击响应信号，实现基于数字序列的冲击区域定位。由于该系统不需要信号放大器、滤波器和数模转换器组成的模拟电路以及支持复杂监测算法的微处理器及外围器件组成的数字电路，所以该系统具有体积小、质量轻、功耗低、能够进行在线实时冲击监测的特点。

但无论是采用常规的冲击监测系统还是小型化数字式冲击监测系统，都需要借助外部的传感器网络实时响应由于结构的冲击事件而引起的冲击响应信号。传感器网络中的每个传感器独立占据了冲击监测系统的一个数据采集通道。如果在实施大面积的冲击监测时，特别是实现具有冲击监测能力的飞行器智能蒙皮时，传感器的密度大、数量多，从而使得冲击监测系统需要非常多的通道来支持大面积传感器网络进行冲击监测。这样会至少导致以下几个不利于冲击监测传感器网络和冲击监测系统机载的问题：（1）大量的传感器需要大量的引线，增加了重量并且不利于在飞机上走线；（2）冲击监测系统的数据采集通道数目增加，导致冲击监测系统的体积、重量和功耗增大，可靠性降低。因此，急需要提出一种技术，能够在不增加飞行器智能蒙皮大面积传感器网络中传感器数目的情况下，极大的降低传感器网络所需的引线数和冲击监测系统数据采集通道数。

发明内容