CN108169037B - 连续异构型大面积冲击监测网络及冲击区域定位方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

连续异构型大面积冲击监测网络及冲击区域定位方法

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

本发明为解决飞行器智能蒙皮大面积传感器网络通道数多导致引线附加重量大、冲击监测系统体积、重量和功耗增大及可靠性降低的问题，提出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，能够极大的减少飞行器智能蒙皮大面积冲击监测时传感器网络引线数和冲击监测系统数据采集通道数，可以降低冲击监测系统处理器复杂度和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。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种连续异构型大面积冲击监测网络，包括n×m个压电传感器，组成n行×m列的压电传感器阵列，其中，每个压电传感器有正极和负极，n和m均为大于1的自然数；所述n行×m列的压电传感器阵列中，包括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，所述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，其具体结构如下：

当n为奇数时，在n行压电传感器中，奇数行的m个压电传感器组成线型压电传感器连续串联阵列，偶数行的m个压电传感器组成线型压电传感器离散独立阵列；在线型压电传感器连续串联阵列中，第1个压电传感器的正极与数据采集通道连接，第1个压电传感器的负极与第2个压电传感器的正极连接，第2个压电传感器的负极与第3个压电传感器的正极连接，以此类推，最后第m个压电传感器的负极与地线连接；在线型压电传感器离散独立阵列中，每个压电传感器的正极与数据采集通道连接，每个压电传感器的负极与地线连接；在上述整个连续异构型大面积冲击监测网络中，包含(n+1)/2个线型压电传感器连续串联阵列和(n-1)/2个线型压电传感器离散独立阵列；

当n为偶数时，在n行压电传感器中，奇数行或偶数行的m个压电传感器组成线型压电传感器连续串联阵列，与之交替的偶数行或奇数行的m个压电传感器组成线型压电传感器离散独立阵列；在线型压电传感器连续串联阵列中，第1个压电传感器的正极与数据采集通道连接，第1个压电传感器的负极与第2个压电传感器的正极连接，第2个压电传感器的负极与第3个压电传感器的正极连接，以此类推，最后第m个压电传感器的负极与地线连接；在线型压电传感器离散独立阵列中，每个压电传感器的正极与数据采集通道连接，每个压电传感器的负极与地线连接；在上述整个连续异构型大面积冲击监测网络中，包含n/2个线型压电传感器连续串联阵列和n/2个线型压电传感器离散独立阵列。

一种连续异构型大面积冲击监测网络的冲击区域定位方法，包括如下步骤：

步骤一：计算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中，数字化的冲击响应信号的首个上升沿位置；

步骤二：找出所有线型压电传感器离散独立阵列中，首个上升沿位置最靠前的前两个压电传感器，分别记为A₁和A₂；

步骤三：找出所有线型压电传感器连续串联阵列中，首个上升沿位置最靠前的一个线型压电传感器连续串联阵列，并将该线型压电传感器连续串联阵列中与A₁和A₂在同一列的两个压电传感器记为B₁和B₂；

步骤四：将冲击发生的区域定位在由A₁、A₂、B₁、B₂由这4个压电传感器作为顶点所围成的矩形结构区域中。

本发明具有以下有益效果：

（1）当飞行器智能蒙皮包含n×m个压电传感器组成冲击监测网络时，需要有1+n×m根引线（含地线），并且冲击监测系统需要n×m个数据采集通道，而采用本发明提出的连续异构型大面积冲击监测网络，最多仅需要1+n×(1+m)/2根引线（含地线），冲击监测系统仅需要n×(1+m)/2个数据采集通道，因此可以极大的减少飞行器智能蒙皮大面积冲击监测时传感器网络的引线数和冲击监测系统所需数据采集通道数。

（2）本发明提出的冲击区域定位方法非常简单，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。

附图说明

图1为飞行器智能蒙皮的连续异构型大面积冲击监测网络示意图。

图2为飞行器智能蒙皮的连续异构型大面积冲击监测网络典型实施例示意图。

图3为冲击发生后得到的数字化的冲击响应信号瀑布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

图1所示为典型的飞行器智能蒙皮连续异构型大面积冲击监测网络示意图。整个监测网络包含n×m个压电传感器，组成n行×m列的压电传感器阵列，其中n为偶数。整个压电传感器阵列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而成，第1行压电传感器组成线型压电传感器连续串联阵列，第2行压电传感器组成线型压电传感器离散独立阵列，以此类推，第n-1行压电传感器组成线型压电传感器连续串联阵列，第n行压电传感器组成线型压电传感器离散独立阵列。在线型压电传感器连续串联阵列中，第1个压电传感器的正极（+）与冲击监测系统的数据采集通道连接，第1个压电传感器的负极（-）与第2个压电传感器的正极连接，第2个压电传感器的负极与第3个压电传感器的正极连接，以此类推，最后第m个压电传感器的负极与地线连接；在线型压电传感器离散独立阵列中，每个压电传感器的正极与冲击监测系统的数据采集通道连接，每个压电传感器的负极与地线连接；在上述整个连续异构型大面积冲击监测网络中，包含n/2个线型压电传感器连续串联阵列和n/2个线型压电传感器离散独立阵列。

本实施例以一个飞行器蒙皮结构的典型局部区域为例，对飞行器智能蒙皮的连续异构型大面积冲击监测网络及冲击区域定位方法的具体实施过程进行详细介绍。图2中包括了布置在飞行器蒙皮结构的典型局部区域表面的连续异构型大面积冲击监测网络及其与之相连的冲击监测系统。其中，连续异构型大面积冲击监测网络包含n×m个压电传感器，其中n = 4，m = 4。在这4行压电传感器中，包含两个线型压电传感器连续串联阵列和两个线型压电传感器离散独立阵列，其中，第1行和第3行的4个压电传感器分别组成线型压电传感器连续串联阵列，这两个线型压电传感器连续串联阵列分别与冲击监测系统的数据采集通道1和6连接；第2行和第4行的4个压电传感器分别组成线型压电传感器离散独立阵列，第一个线型压电传感器离散独立阵列中的每个压电传感器分别与冲击监测系统的数据采集通道2、3、4、5连接，第二个线型压电传感器离散独立阵列中的每个压电传感器分别与冲击监测系统的数据采集通道7、8、9、10。在线型压电传感器连续串联阵列中，第1个压电传感器的正极与冲击监测系统的数据采集通道连接，第1个压电传感器的负极与第2个压电传感器的正极连接，第2个压电传感器的负极与第3个压电传感器的正极连接，第3个压电传感器的负极与第4个压电传感器的正极连接，第4个压电传感器的负极与地线连接。在线型压电传感器离散独立阵列中，每个压电传感器的正极与冲击监测系统的数据采集通道连接，每个压电传感器的负极与地线连接。

当飞行器智能蒙皮结构遭受冲击时，如图2所示的冲击位置，连续异构型大面积冲击监测网络输出冲击响应信号，经过数字化后，形成数字化的冲击响应信号，如图3所示给出了冲击监测系统每个数据采集通道得到的冲击响应信号经过数字化后的冲击响应信号。最后由冲击区域定位方法判断冲击发生的位置。冲击区域定位方法包括以下几个步骤：

步骤一：计算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中，数字化的冲击响应信号的首个上升沿位置；

步骤二：找出所有线型压电传感器离散独立阵列中，首个上升沿位置最靠前的前两个压电传感器，分别记为A₁和A₂。在图3中通道2和通道3所对应的数字化的冲击响应信号的首个上升沿位置比通道4、5、7、8、9、10所对应的数字化的冲击响应信号的首个上升沿位置靠前，所以A₁和A₂对应的两个压电传感器如图2所示；

步骤三：找出所有线型压电传感器连续串联阵列中，首个上升沿位置最靠前的线型压电传感器连续串联阵列，并将该线型压电传感器连续串联阵列中与A₁和A₂在同一列的两个压电传感器记为B₁和B₂。在图3中通道1所对应的数字化的冲击响应信号的首个上升沿位置比通道6所对应的数字化的冲击响应信号的首个上升沿位置靠前，所以B₁和B₂对应的两个压电传感器如图2所示；

步骤四：将冲击发生的区域定位在由A₁、A₂、B₁、B₂由这4个压电传感器作为顶点所围成的矩形结构区域中。

在本实施例中，如果采用常规的冲击监测网络及冲击区域定位方法，16个压电传感器需要17根引线（含16个压电传感器共用的1根地线），冲击监测系统需要16个数据采集通道；而如果采用本发明提出的连续异构型大面积冲击监测网络及冲击区域定位方法，只需要11根引线（含地线），冲击监测系统仅需要10个数据采集通道。

Claims (2)

1.一种连续异构型大面积冲击监测网络，其特征在于：包括n×m个压电传感器，组成n行×m列的压电传感器阵列，其中，每个压电传感器有正极和负极，n和m均为大于1的自然数；所述n行×m列的压电传感器阵列中，包括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，所述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，其具体结构如下：

当n为奇数时，在n行压电传感器中，奇数行的m个压电传感器组成线型压电传感器连续串联阵列，偶数行的m个压电传感器组成线型压电传感器离散独立阵列；在线型压电传感器连续串联阵列中，第1个压电传感器的正极与数据采集通道连接，第1个压电传感器的负极与第2个压电传感器的正极连接，第2个压电传感器的负极与第3个压电传感器的正极连接，以此类推，最后第m个压电传感器的负极与地线连接；在线型压电传感器离散独立阵列中，每个压电传感器的正极与数据采集通道连接，每个压电传感器的负极与地线连接；在上述整个连续异构型大面积冲击监测网络中，包含(n+1)/2个线型压电传感器连续串联阵列和(n-1)/2个线型压电传感器离散独立阵列；

当n为偶数时，在n行压电传感器中，奇数行或偶数行的m个压电传感器组成线型压电传感器连续串联阵列，与之交替的偶数行或奇数行的m个压电传感器组成线型压电传感器离散独立阵列；在线型压电传感器连续串联阵列中，第1个压电传感器的正极与数据采集通道连接，第1个压电传感器的负极与第2个压电传感器的正极连接，第2个压电传感器的负极与第3个压电传感器的正极连接，以此类推，最后第m个压电传感器的负极与地线连接；在线型压电传感器离散独立阵列中，每个压电传感器的正极与数据采集通道连接，每个压电传感器的负极与地线连接；在上述整个连续异构型大面积冲击监测网络中，包含n/2个线型压电传感器连续串联阵列和n/2个线型压电传感器离散独立阵列。

2.根据权利要求1所述的一种连续异构型大面积冲击监测网络的冲击区域定位方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：计算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中，数字化的冲击响应信号的首个上升沿位置；

步骤二：找出所有线型压电传感器离散独立阵列中，首个上升沿位置最靠前的前两个压电传感器，分别记为A₁和A₂；

步骤三：找出所有线型压电传感器连续串联阵列中，首个上升沿位置最靠前的一个线型压电传感器连续串联阵列，并将该线型压电传感器连续串联阵列中与A₁和A₂在同一列的两个压电传感器记为B₁和B₂；

步骤四：将冲击发生的区域定位在由A₁、A₂、B₁、B₂这4个压电传感器作为顶点所围成的矩形结构区域中。