基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置及方法与流程

本发明涉及一种飞机蒙皮损伤监测装置，特别涉及一种基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置及方法。

背景技术：

现代高速运输技术对飞机性能指标越来越苛刻，复合材料大量应用在飞机的机翼、机身等主承力复杂曲面板类结构。高强度严酷的飞行条件下，飞机复合材料结构极易发生损伤，尤其对飞鸟撞击、零件脱落等冲击或撞击损伤非常敏感，这些损伤在服役期间不断扩张，容易导致飞机蒙皮结构失效而引发灾难性事故。为了全面掌握整个飞机蒙皮的损伤状态，设置压电传感器阵列被认为是一种非常有效的方式，然而这也将带来传感系统连线复杂、数据处理量大的问题。无线传感器网络被列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10项技术之一。因此无线压电传感监测技术已成为飞机蒙皮损伤监测重点攻克的技术难关。

公开号为CN102866201A的发明专利批露了一种飞机蒙皮健康监测机器人及其控制系统，由上框架、下框架、中心轴转向机构、无线CCD、超声探头和控制箱组成的控制系统对飞机蒙皮结构损伤进行检测，该技术需要利用健康监测机器人在飞机蒙皮上来回移动进行检测，不能在任何时刻对飞机蒙皮损伤实时在线监测。公开号为CN102426195A的发明专利批露了一种结构损伤监测系统及其监测方法，该系统由电源系统、控制器、功率放大器、信号发生器、数据采集板、I/O控制板、电荷放大器、多通道切换装置、24路传感器阵列、计算机人机界面等组成，实现了集成化和便携性好的实时采集数据及即时成像的机构损伤监测系统，该系统不适合应用在大面积监测、受空气阻力相对较大的飞机蒙皮损伤监测上，且该专利未提起无线监测方面内容，监测系统比较臃肿。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、监测方便、准确度高、智能化程度高的基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置，并提供一种基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置，包括机身无线压电传感装置、左翼无线压电传感装置、尾翼无线压电传感装置、右翼无线压电传感装置和损伤监测装置，所述机身无线压电传感装置安装在飞机机身蒙皮上，左翼无线压电传感装置安装在飞机左翼蒙皮上，尾翼无线压电传感装置安装在飞机尾翼蒙皮上，右翼无线压电传感装置安装在飞机右翼蒙皮上，损伤监测装置安装在机头内飞行员观测到的区域，所述机身无线压电传感装置、左翼无线压电传感装置、尾翼无线压电传感装置、右翼无线压电传感装置均与损伤监测装置进行无线通讯。

上述基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置中，所述机身无线压电传感装置、左翼无线压电传感装置、尾翼无线压电传感装置、右翼无线压电传感装置结构相同且均包括一个中继器和多个无线压电传感单元，机身无线压电传感装置、左翼无线压电传感装置、尾翼无线压电传感装置、右翼无线压电传感装置的无线压电传感单元分别安装在对应的飞机机身蒙皮、飞机左翼蒙皮、飞机尾翼蒙皮、飞机右翼蒙皮上，多个无线压电传感单元均与中继器相连，中继器与损伤监测装置进行无线通讯。

上述基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置中，所述损伤监测装置包括监控单元和网络协调器，监控单元通过RS232总线与网络协调器相连，网络协调器与机身无线压电传感装置、左翼无线压电传感装置、尾翼无线压电传感装置、右翼无线压电传感装置的中继器行无线通讯。

上述基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置中，所述无线压电传感单元包括压电激振器、内圈导线、压电传感器、相位编码器、外圈导线、电压放大器、终端，所述内圈导线和外圈导线同心设置，内圈导线和外圈导线之间形成一个环形区域，压电激振器位于内圈导线的中心位置，8个压电传感器呈环形均匀设置在所述环形区域内，每个压电传感器的一端均连接内圈导线，每个压电传感器的另一端均经一个相位编码器后连接外圈导线，所述电压放大器的输入端与外圈导线相连，电压放大器的输出端与终端相连，终端与中继器相连；每个无线压电传感单元的压电激振器和8个压电传感器均粘附于飞机对应位置的蒙皮上。

上述基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置中，所述中继器为Zigbee中继器。

上述基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置中，所述终端为Zigbee终端。

一种利用上述基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置的飞机蒙皮损伤监测方法，包括以下步骤：

步骤一：飞机机身蒙皮、飞机左翼蒙皮、飞机尾翼蒙皮、飞机右翼蒙皮上各无线压电传感单元发射无线监测信号：

步骤二：中继器接收对应的无线压电传感单元发射的无线监测信号，并将信号发射出去；

步骤三：损伤监测装置的网络协调器接收各中继器发射的信号，并将信号经RS232总线传输至监控单元；

步骤四：由监控单元将数据进行存储，并分析判断飞机蒙皮是否出现损伤，将有损伤的蒙皮位置进行声音播报和图像显示。

上述基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测方法，所述步骤一具体步骤为

对飞机机身蒙皮、飞机左翼蒙皮、飞机尾翼蒙皮、飞机右翼蒙皮上各无线压电传感单元的压电激振器施加高频电压信号，由于逆压电效应，压电激振器产生高频振动，在飞机蒙皮内产生以压电激振器为中心，向四周传播的Lamb波，该Lamb波传播到八个压电传感器位置，带动每个压电传感器做高频振动，由于压电效应，压电传感器产生高频电压信号，压电传感器产生的高频电压信号经相位编码器选择，再由电压放大器放大后经导线传输至终端，再由终端将高频电压信号无线发射。

上述基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测方法，所述步骤一中，编码器的选择过程为：检测开始前，各无线压电传感单元的八个相位编码器处于断开状态，压电传感器产生的信号不能经过对应的相位编码器传输至终端；首先接通第一个相位编码器，与第一个相位编码器对应的压电传感器产生高频电压信号传输至终端进行无线发射，完毕后断开第一个相位编码器，接通第二个相位编码器，与第二个相位编码器对应的压电传感器产生高频电压信号传输至终端进行无线发射，完毕后断开第二个相位编码器，接通第三个相位编码器；以此类推，直至八个相位编码器均接通又断开；然后重复上述过程，周而复始地选择八个压电传感器的高频电压信号，无线传输检测飞机蒙皮上各无线压电传感单元所在区域的状态信号。

上述基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测方法，所述步骤四中，判断飞机蒙皮是否出现损伤的过程为：根据Lamb波生成与检测原理知，飞机蒙皮出现损伤前后所监测的信号存在差异，将监测到的压电传感器传输出来的监测信号前后进行对比，从而判断飞机蒙皮是否出现损伤。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的监测装置包括机身无线压电传感装置、左翼无线压电传感装置、尾翼无线压电传感装置、右翼无线压电传感装置和损伤监测装置，采用无线传输和智能定位对飞机蒙皮损伤进行实时在线监测，克服了有线监测下的系统接线紊乱繁杂等的缺陷，具有结构简单、体积小、重量轻、安装方便的优点。

2、本发明的监测方法能够对飞机蒙皮实时在线健康监测，并且能实时准确

判断飞机蒙皮损伤位置及损伤程度，具有测量方便、准确度高的优点。

附图说明

图1为本发明监测装置的结构示意图。

图2为本发明监测装置中各部件的安装位置示意图。

图3为图1中无线压电传感单元的结构示意图。

图4为本发明的压电传感示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、图2所示，一种基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置，包括机身无线压电传感装置1、左翼无线压电传感装置2、尾翼无线压电传感装置3、右翼无线压电传感装置4和损伤监测装置5，所述机身无线压电传感装置1安装在飞机机身11蒙皮上，左翼无线压电传感装置2安装在飞机左翼10蒙皮上，尾翼无线压电传感装置3安装在飞机尾翼9蒙皮上，右翼无线压电传感装置4安装在飞机右翼8蒙皮上，损伤监测装置5安装在机头12内飞行员观测到的区域，所述机身无线压电传感装置1、左翼无线压电传感装置2、尾翼无线压电传感装置3、右翼无线压电传感装置4均与损伤监测装置5进行无线通讯。

所述机身无线压电传感装置1、左翼无线压电传感装置2、尾翼无线压电传感装置3、右翼无线压电传感装置4结构相同且均包括一个Zigbee中继器14和多个无线压电传感单元13；机身无线压电传感装置1、左翼无线压电传感装置2、尾翼无线压电传感装置3、右翼无线压电传感装置4的无线压电传感单元13分别安装在对应的飞机机身11蒙皮、飞机左翼10蒙皮、飞机尾翼9蒙皮、飞机右翼8蒙皮上，多个无线压电传感单元13均与Zigbee中继器14相连，Zigbee中继器14与损伤监测装置5进行无线通讯。

所述损伤监测装置5包括监控单元15和网络协调器16，监控单元15通过RS232总线17与网络协调器16相连，网络协调器16与机身无线压电传感装置1、左翼无线压电传感装置2、尾翼无线压电传感装置3、右翼无线压电传感装置4的Zigbee中继器14进行无线通讯。

如图3所示，所述无线压电传感单元13包括压电激振器101、内圈导线102、压电传感器103、相位编码器104、外圈导线105、电压放大器106、Zigbee终端108，所述内圈导线102和外圈导线105同心设置，内圈导线102和外圈导线105之间形成一个环形区域，压电激振器101位于内圈导线102的中心位置，8个压电传感器103呈环形均匀设置在所述环形区域内，并依次标记为Ⅰ-Ⅷ，每个压电传感器103的一端均连接内圈导线102，每个压电传感器103的另一端均经一个相位编码器104后连接外圈导线105，所述电压放大器106的输入端与外圈导线105相连，电压放大器106的输出端与Zigbee终端108相连，Zigbee终端108与中继器相连；每个无线压电传感单元13的压电激振器101和8个压电传感器103均粘附于飞机对应位置的蒙皮上。

一种利用上述基于无线压电传感技术的飞机蒙皮损伤监测装置的飞机蒙皮损伤监测方法，包括以下步骤：

步骤一：飞机机身蒙皮、飞机左翼蒙皮、飞机尾翼蒙皮、飞机右翼蒙皮上各无线压电传感单元13发射无线监测信号，具体步骤为：对飞机机身11蒙皮、飞机左翼10蒙皮、飞机尾翼9蒙皮、飞机右翼8蒙皮上各无线压电传感单元13的压电激振器101施加高频电压信号，由于逆压电效应，压电激振器101产生高频振动，在飞机蒙皮7内产生以压电激振器101为中心，向四周传播的Lamb波6，该Lamb波6传播到八个压电传感器103位置，带动每个压电传感器103做高频振动，由于压电效应，压电传感器103产生高频电压信号，压电传感器103产生的高频电压信号经相位编码器104选择，再由电压放大器106放大后经导线传输至终端108，再由终端108将高频电压信号无线发射。

所述步骤一中，编码器的选择过程为：检测开始前，各无线压电传感单元13的八个相位编码器104处于断开状态，压电传感器103产生的信号不能经过对应的相位编码器104传输至终端108；首先接通相位编码器Ⅰ，与相位编码器Ⅰ对应的压电传感器产生高频电压信号传输至终端108进行无线发射，完毕后断开相位编码器Ⅰ，接通相位编码器Ⅱ，与相位编码器Ⅱ对应的压电传感器产生高频电压信号传输至终端108进行无线发射，完毕后断开相位编码器Ⅱ，接通相位编码器Ⅲ；以此类推，直至八个相位编码器均接通又断开；然后重复上述过程，周而复始地选择八个压电传感器的高频电压信号，无线传输检测飞机蒙皮上各无线压电传感单元13所在区域的状态信号。

步骤二：中继器接收对应的无线压电传感单元13发射的无线监测信号，并将信号发射出去。

机身11上的多个无线压电传感单元发出的无线监测信号与机身11上的Zigbee中继器无线匹配接收，统一组合成机身无线压电传感装置1监测信号，由机身11上的Zigbee中继器统一将监测信号无线发出；左翼10上的多个无线压电传感单元发出的无线监测信号与左翼10上的Zigbee中继器线匹配接收，统一组合成左翼无线压电传感装置2监测信号，由左翼10上的Zigbee中继器统一将监测信号无线发出；尾翼9上的多个无线压电传感单元发出的无线监测信号与尾翼9上的Zigbee中继器无线匹配接收，统一组合成尾翼无线压电传感装置3监测信号，由尾翼9上的Zigbee中继器统一将监测信号无线发出；右翼8上的多个无线压电传感单元发出的无线监测信号与右翼8上的Zigbee中继器无线匹配接收，统一组合成右翼无线压电传感装置4监测信号，由右翼8上的Zigbee中继器统一将监测信号无线发出。

步骤三：损伤监测装置5的网络协调器16接收各中继器发射的信号，并将信号经RS232总线17传输至监控单元15。

步骤四：由监控单元15将数据进行存储，并分析判断飞机蒙皮是否出现损伤，判断飞机蒙皮是否出现损伤的过程为：根据Lamb波生成与检测原理知，飞机蒙皮出现损伤前后所监测的信号存在差异，将监测到的压电传感器传输出来的监测信号前后进行对比，从而判断飞机蒙皮是否出现损伤；将有损伤的蒙皮位置进行声音播报和图像显示。