[发明专利]嵌入式飞机主被动结构健康监测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于主被动Lamb波和压电阵列传感器技术的结构健康监测系统，尤其涉及一种适于飞机机载的抗振、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于携带和安装、方便飞机维护人员使用的嵌入式结构健康监测系统。

背景技术

飞机的安全性是至关重要的问题。一架飞机的失事带来的不仅是经济的损伤，还会引起广泛的政治、社会影响。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。结构健康监测技术能够在线的实现结构健康自诊断，保证结构的安全和降低维修费用。它是采用智能材料结构的新概念，利用集成在结构中的先进传感/驱动元件网络，在线实时地获取与结构健康状况相关的信息(如应力、应变、温度、振动模态、波传播特性等)，结合先进的信号信息处理方法和材料结构力学建模方法，提取结构损伤特征参数，识别结构的状态，包括损伤，并对结构的不安全因素，在其早期就加以控制以消除安全隐患或控制安全隐患的进一步发展。

铝合金是目前航空结构主要使用的材料，其主要的损伤模式是容易因为结构疲劳而产生疲劳裂纹，进而扩展造成结构最终不能承受预定载荷而破坏；在当前的飞机结构发展趋势中，复合材料因其具有轻质、抗疲劳的特性而得到了越来越广泛的应用，但是复合材料结构受到冲击容易产生脱胶、分层、纤维断裂等能够给飞机带来毁灭性灾难的损伤；所以需要对飞机结构进行在线的健康监测。在结构健康监测技术中，基于主动和被动Lamb波以及压电阵列传感器的监测技术能够有效的在线监测金属结构的裂纹产生和扩展过程、复合材料结构的上述损伤，国内外已有大量文献报道了相关技术的研究进展。

目前，国内外针对基于主被动Lamb波和压电传感器阵列的结构健康监测技术的研究和应用都是在地面离线进行，使用的仪器设备庞大、连线关系复杂，用户使用不方便；而适于机载的结构健康监测系统必须具有抗振、抗电磁干扰、体积小、重量轻、便于携带和安装、方便飞机维护人员使用等特点；如果应用到大型飞机的结构健康监测中，每个主要承力结构都需要布置压电阵列传感器，因此需要使用多套结构健康监测系统组成分布式监测网络来完成大型飞机结构的健康监测，这时各个结构健康监测系统之间要能相互通讯，并且能够和其它机载设备(如飞行环境参数测试设备，机械操作设备等)进行交互，以此联合诊断飞机的健康状态，这种要求是目前地面结构健康监测设备无法达到的。

总的来说，只有将结构健康监测技术应用到飞机上，在飞机飞行过程中对其实施在线健康监测才能正真起到结构健康监测的作用。

本发明就是在上述背景下提出的一种基于主被动Lamb波和压电阵列传感器技术的，适于飞机机载的嵌入式结构健康监系统。

发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是提供了一种嵌入式飞机主被动结构健康监测系统，它是一种适于机载的系统，可以在飞机执行飞行任务时对其结构实施在线健康监测；可以在线的对压电阵列传感器中的压电激励-传感网络进行多通道轮询扫查，完成主动结构健康监测任务，如复合材料结构的脱胶、分层损伤的定位等；可以在线的被动接收压电阵列传感器信号，完成被动结构健康监测任务，如结构冲击事件的监测、疲劳裂纹的产生和扩展等。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的嵌入式飞机主被动结构健康监测系统包括软件模块、系统电源模块、控制器模块、高速存储器模块、传感信号采集模块、信号放大模块、声发射触发模块、通道切换模块、数字管理模块、激励信号输出模块、功率放大模块、信号转接模块。

所述的信号转接模块与系统外界信号源连接，即实现外界信号源和系统内部各模块之间的信号交互转接作用，并对外界信号源之一的压电阵列传感器的输出/输入信号进行转接；更进一步地，信号转接模块包括外部接口转接单元、压电阵列传感器转接单元、状态控制指示转接单元和系统电源转接单元，其中，外部接口转接单元与控制器模块中的外部接口控制单元连接；压电阵列传感器转接单元将外界压电阵列传感器的传感信号转接至通道切换模块、将激励信号通过通道切换模块转接至外界压电阵列传感器；状态控制指示转接单元受外界工作状态控制并与数字管理模块连接，同时也接受数字管理模块的控制；系统电源转接单元受外界电源状态控制并与系统电源模块连接。