專利名稱：監(jiān)測運載工具結構的設備的制作方法
監(jiān)測運載工具結構的設備本發(fā)明的目的在于監(jiān)測經(jīng)受機械、振動和/或環(huán)境應力的金屬結構的狀態(tài)。其在 自主機載電子系統(tǒng)中實施允許實時檢測這些金屬結構的裂縫的方法。更特別地，本發(fā)明應 用于航運、海運和陸地運輸領域。運輸工具，特別是飛機的結構在其使用時經(jīng)受機械、環(huán)境和/或振動應力。這些結 構尤其定期地被檢查以評估新生的裂縫一種是每次中途停靠時進行的快速檢查，另一種 是飛行2400小時后、在維護中進行的所謂C-check類型的深入檢查。后一種檢查耗時長 并且成本高，這是因為需要拆下在常規(guī)時間不能進入的艙口蓋以檢查飛機的金屬結構的狀 態(tài)。由于是定期進行的，所以這些檢查不允許連續(xù)監(jiān)測裂縫及其變化。在鐵路領域，火車、 尤其是高速火車的某些部分也存在類似情況。開發(fā)了結構監(jiān)測系統(tǒng)，來優(yōu)化和減少這些維護并從而減少其成本和耗時。例如， 例如傅科(Foucault)電流傳感器被用來檢測金屬結構上的裂縫，如文獻US-A-6 952 095、 GB-A-2 400 445、GB-A-2 396 427 所示。為了解釋來自這些傳感器的信息，實現(xiàn)了多個電子界面。其中之一解釋來自傳感 器的阻抗、更特別地是相位。該界面被用來形成待檢查的表面的二維圖像，如文獻US-A-5 006 800所述。該方法的缺點在于其體積龐大及其耗電較多。因此，該方法不能機載并且不 實時給出結果。其它界面解釋來自傳感器的電導率，并且在維護期間也被使用。因此，不能連續(xù)監(jiān) 測裂縫。還開發(fā)了使用聲音傳感器的其它系統(tǒng)來連續(xù)研究結構的狀態(tài)，如專利WO 2006 111679所述。這些方法通常能耗很高。因此設備需要與飛機裝載的電網(wǎng)接通。該設備體積 還十分龐大。最后，還存在記錄飛機受到的應力的數(shù)量的機載系統(tǒng)，如文獻EP-A-1018 641所 述。這些應力(起飛、降落、渦流、受到的推力……)被邏輯門系統(tǒng)計數(shù)并隨后存儲在存儲 器中。隨后，在維護時列出清單，且由此允許在操作者檢查時引導操作者。然而，后幾種方 法并不直接給出結構的狀態(tài)。在本發(fā)明中，提出的解決方案包括使用由電池供電的無線傳輸自主系統(tǒng)，該系統(tǒng) 尤其具有很小的尺寸以便在運輸裝置中可不受尺寸限制地放置在希望放置的地方，該系統(tǒng) 實時進行對結構狀態(tài)的診斷。由該自主系統(tǒng)實施的方法包括通過將模擬電路與數(shù)字電路相 組合的機載電子構造來分析來自傳感器的信號。由于處理算法得到簡化，因此其可以被裝 載于微控制器中且診斷可以實時進行。算法尤其研究來自傳感器的阻抗并且給出裂縫變化 的狀態(tài)。其它功能確定裂縫出現(xiàn)的原因及其變化。相對于當前的系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)的優(yōu)點在于-模塊化電子平臺(其層可互換)，允許監(jiān)測裂縫和/或環(huán)境的應力，-借助無線通信自主機載電子設備來連續(xù)監(jiān)測裂縫，從而允許更好地監(jiān)測裂縫的 變化，-更深入了解裂縫的出現(xiàn)(在記錄結構狀態(tài)的同時記錄環(huán)境數(shù)據(jù))，
-更深入了解裂縫的變化(相關的環(huán)境數(shù)據(jù))，_根據(jù)幅度測量，實時(無需使用經(jīng)PC (個人計算機)的后處理而立即)了解結構 的狀態(tài)(診斷)，-根據(jù)相位測量，實時了解傳感器的狀態(tài)(脫離或未脫離)，_根據(jù)無線電連接，輕松收集信息，-減少維護成本和時間，由此在非計劃的維護時避免拆除某些壁板，-設備能耗較小，從而允許設備使用時間較長(目標壽命在1到2年)，-設備體積較小(三維集成)，從而允許被放在難以進入的位置，-自主運行，無需連接到電網(wǎng)，從而便于其使用。本發(fā)明的目的因此在于一種監(jiān)測運載工具的結構的監(jiān)測設備，包括電測量傳感 器、處理電路以及傳輸裝置，所述處理電路連接到傳感器，用于把傳感器的測量值轉換為監(jiān) 測數(shù)據(jù)，所述傳輸裝置用于把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給收集裝置，其特征在于，所述處理電路-是小型化的，具有包含在40X 40 X 40mm或更小尺寸的立方體內的較小尺寸，-通過較短的有線電連接來與傳感器連接，連接的長度小于200mm，-包括內置的電池，-以及包括用于把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給臨時放置在附近的移動收集裝置的無線電裝置。本發(fā)明因此允許克服在現(xiàn)有系統(tǒng)中存在的局限性，即，-能耗-體積龐大，和由此的限制進入，-存在龐大的有線連接(直到50m)，-數(shù)據(jù)的查詢和解釋僅在維護期間進行，而非實時進行，-不連續(xù)監(jiān)測結構。通過閱讀隨后的描述并查對其附圖
將更好地理解本發(fā)明。附圖僅作為示例給出而 絕非限制本發(fā)明。附圖示出-圖Ia至Ic根據(jù)本發(fā)明的監(jiān)測設備、傳感器的變型以及它們在特別運載工具內 的布置；-圖2和3分別與由本發(fā)明的傳感器發(fā)出的信號的幅度和相位成正比的電壓特 征；-圖4和5由根據(jù)本發(fā)明的傳感器進行的測量之間的相關性，一方面是裂縫的尺 寸和另一方面是臨界尺寸的到達時間；-圖6由本發(fā)明的處理電路實施的裂縫監(jiān)測算法的一個示例。圖Ia示出裝載了根據(jù)本發(fā)明的多個監(jiān)測設備的運輸裝置1(在此為飛機)，所述監(jiān) 測設備實現(xiàn)為集成的電子平臺或節(jié)點的形式。每個無線且小尺寸、自主的節(jié)點均被布置在 已知為敏感的位置。平臺的整體(傳感器加上電子電路)監(jiān)測結構1。圖Ib上，各裝置包括連接到傳感器4的處理電路3。電路3把由傳感器4產生的 測量信號轉換成監(jiān)測數(shù)據(jù)。收集裝置5 (例如是由結構1的設備2附近的操作員6攜帶) 優(yōu)選地在運載工具?？坎粍訒r，提取用于維護目的的監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而例如檢驗結構1的狀 態(tài)或促成對某些零件的更換。
根據(jù)本發(fā)明，設備2是微型化的。在一個示例中，其包括處理電路3，處理電路3的 尺寸包含在邊長為40mm的立方體內。根據(jù)電子技術的發(fā)展以及更緊湊的布線還可期待更 大程度的微型化。該微型設備2還包括傳感器4。在一個優(yōu)選示例中，傳感器4由兩個一對 的相同的傳感器7和8構成，其中之一被用來放置在結構1的待監(jiān)測的位置，另一個作為測 試的傳感器被用來放置在結構1的上述位置附近被認為完好的位置。兩傳感器的接線被連 接到有線電連接9和10的長度上，連接9和10將每個傳感器連接至電路3。在一個示例 中，撓性的和雙重的連接9和10的長度介于50mm和200mm之間。連接9和10可以固定地 或者通過可拆卸的連接器來連接到傳感器7和8以及連接到電路3。在一個示例中，連接9 和10的每個都具有四條導線。然而，不是必須設置兩個傳感器。實際上，可例如通過在現(xiàn) 場或工廠提供對測量傳感器的響應的校準，可省去作為基準的測試傳感器。每個傳感器由線圈構成，所述線圈在此處優(yōu)選地通過在鍍金屬的撓性載體上刻上 螺線(比如11)來實現(xiàn)，該載體例如由雙面鍍金屬的聚四氟乙烯涂層制成。由于載體為雙 面，因此，設置在線圈兩側或者借助通孔而設置在同一表面上的兩個連接12和13，被連接 到有線連線9的導電支線?？梢栽谶B接12中設置功率匹配的電阻14。連接13優(yōu)選地為接 地，當存在兩個傳感器時尤其為兩個傳感器7和8共用。在變型中，即圖lc，一個或更多個 傳感器具有中心孔T，以便能夠圍繞鉚釘安裝。在線圈11和電阻14之間的中間點連接有連接15，用于發(fā)送傳感器的激勵信號，并 且因此發(fā)送傳感器的測量值。測量的原理如下。交流信號由電路3產生且經(jīng)過電阻14發(fā) 出，該信號在結構1中放置傳感器7的位置發(fā)生變化。如果結構完好，即如果不存在裂縫， 則信號的幅度將對應于數(shù)值已知的電感線圈和電阻的存在。相反，如果線圈11下面的區(qū)域 開裂，即如果存在裂縫，則傅柯電流的流動受擾。在這些條件下，傳感器和源之間的互感減 小，而電阻增大。測量傳感器7附近的測試傳感器8的存在允許免于校準，同時還允許不受溫度的 影響。所測得的信號因此是由傳感器7和8分別測得的信號的幅度之比或差值。此外，如 果傳感器7或8中的一個與結構1脫離，則對測量相位的比較允許立即檢測到。實際上，對 于兩者之一，如果沒有與結構的互感，注入傳感器7和8中的信號就不再同步，由此產生相 位偏移。圖Ib示出電路3保留的三維集成以及示出節(jié)點的四個不同的層，其整體形成立方 體。各層實現(xiàn)特別的功能無線電傳輸，把來自傳感器的信號轉換成兩個成比例的電壓，由 微控制器進行數(shù)據(jù)處理和存儲器中的數(shù)據(jù)存儲以及位于每個層上的部件供電所需的直流 電壓(DC/DC，直流/直流)轉換和節(jié)點的自主供電。層是可互換的并且可以根據(jù)目標應用 (例如機械和/或環(huán)境的應力)進行調整。電路3因此示意性地在一層上包括微處理器16，微處理器16經(jīng)由數(shù)據(jù)、地址和命 令總線17連接到存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲器18，存儲程序20的程序存儲器19，在可能的情況 下能夠調快或調慢微處理器節(jié)奏的時鐘H/h，以及第一層與其它層的通信接口 21。優(yōu)選地，接口 21包括貫穿的連接插腳，用于使電路3的不同層彼此連接。因此，優(yōu) 選地，所述不同層的位置在立方體電路3中是可互換的。電路3的第二層22，該層本身和其它層一樣也被連接到接口 21，優(yōu)選地，其在以下 意義上是下方的層該層被用作容納能在介于-60°C和+85°C的溫度之間工作的電池或(優(yōu)選地)電池組，且被固定在距離待監(jiān)測的結構不遠的結構上。第三層23是微處理器16-20的層與傳感器7和8之間通過連接9和10通信的 層。在該層23中，執(zhí)行的電子功能是把阻抗轉換成兩個成比例的電壓，以及優(yōu)選地對連接 到傳感器的注入電極進行正弦激勵。第四層24作為與裝置5的無線電連接。在優(yōu)選的應用中，不同的部件(存儲器、正弦信號發(fā)生器、調節(jié)、無線電)通過兩 種串行接口進行通信優(yōu)選的SPI (Serial Peripheral Interface，串行外設接口)接口和 UART (通用異步接收/發(fā)送裝置)。以下表1示出立方體內各功能的位置表 權利要求
一種監(jiān)測運載工具的結構的監(jiān)測設備，包括電測量傳感器、處理電路以及傳輸裝置，所述處理電路連接到所述傳感器，用于把所述傳感器的測量值轉換為監(jiān)測數(shù)據(jù)，所述傳輸裝置用于把所述監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給收集裝置，其特征在于，所述處理電路 是小型化的，具有包含在40×40×40mm或更小尺寸的立方體內的較小尺寸， 通過較短的有線電連接被連接到所述傳感器，連接的長度小于200mm， 包括內置的電池， 以及包括用于把所述監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給臨時放置在附近的移動收集裝置的無線電裝置。
2.根據(jù)權利要求1所述的設備，其特征在于，所述處理電路包括在所述運載工具?？?不動時，所述傳感器的由所述收集裝置激活的發(fā)送功能。
3.根據(jù)權利要求1至2之一所述的設備，其特征在于，所述傳感器是裂縫測量傳感器。
4.根據(jù)權利要求1至3之一所述的設備，其特征在于，所述傳感器是傅科電流傳感器， 并且包括被放置在所述結構上待監(jiān)測位置處的第一測量傳感器以及被放置在所述結構上 完好位置處的第二測試傳感器，用于利用由這兩個傳感器產生的信號之間的相位差來測量 所述兩個傳感器與待監(jiān)測的所述結構的完整附接。
5.根據(jù)權利要求1至4之一所述的設備，其特征在于，所述傅科電流傳感器是由撓性電 路承載的螺線線圈，所述撓性電路在一個示例中為大約25 X 50mm、雙面鍍金屬、通過雙重撓 性有線連接連接到所述處理電路，所述雙重撓性有線連接例如具有介于5至20cm之間的長 度并被放置在待監(jiān)測位置處，所述傅科電流傳感器與安裝在所述待監(jiān)測位置附近被認為是 完好的位置處的另一基準傳感器相關聯(lián)，以及，所述處理電路測量由一個傳感器發(fā)出的信 號相對于另一傳感器的差值。
6.根據(jù)權利要求1至5之一所述的設備，其特征在于，所述傅科電流傳感器具有給定的 表面尺寸，例如直徑為20mm，以及，所述處理電路包括用于量化所述測量值的裝置，例如在 8個等級上量化所述測量值，以便測量裂縫尺寸的變化，例如等于2. 5mm。
7.根據(jù)權利要求1至6之一所述的設備，其特征在于，所述處理電路包括用于存儲所述 測量值和/或所述監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲器。
8.根據(jù)權利要求1至7之一所述的設備，其特征在于，所述處理電路按照分層結構來組 織，以及所述各層可互換并且例如通過貫穿的連接器彼此相連，包括優(yōu)選地設置在待監(jiān)測 的所述結構附近的所述電路的底部的進行供電的第一層，所述第一層上面設置有進行數(shù)字 處理的第二層，所述第二層自身上面設置有把來自所述傳感器的所述信號轉換成兩個成比 例的電壓的第三層，所述第二層把所述兩個成比例的電壓轉換成數(shù)字值，第三層自身上面 設置有進行無線電發(fā)射接收的第四層，所述第四層優(yōu)選地設置在所述電路的上部。
9.根據(jù)權利要求1至8之一所述的設備，其特征在于，所述處理電路能耗較低，并且為 此包括定序器，用于實現(xiàn)彼此間隔幾十分鐘的測量并且在測量之間引入休眠。
10.根據(jù)權利要求1至9之一所述的設備，其特征在于，所述處理電路包括能夠 在-60°C和+85°C的溫度之間工作的電池組。
11.根據(jù)權利要求1至10之一所述的設備，其特征在于，所述處理電路包括用于測量時 間的電路以便存儲與測量相對應的時間，以及包括盡管測量的所述信號有相反變化仍能推 斷裂縫變化的程序。
12.根據(jù)權利要求1至11之一所述的設備，其特征在于，所述處理電路包括用于測量所 述裂縫的深度并且頻率介于IOOKHz和ΙΟΟΟΚΗζ之間的正弦信號發(fā)生器，以及包括用于使該 頻率在測量過程中改變以便查探所述裂縫的所述深度的定序器。
13.根據(jù)權利要求1至12之一所述的設備，其特征在于，所述傳感器在中心具有孔以便 圍繞鉚釘來布置。
全文摘要
一種監(jiān)測運載工具的結構的監(jiān)測設備，包括電測量傳感器、處理電路以及傳輸裝置，處理電路連接到傳感器以把傳感器的測量值轉換為監(jiān)測數(shù)據(jù)，傳輸裝置用于把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給收集裝置，其特征在于，處理電路是小型化的，具有包含在40×40×40mm或更小尺寸的立方體內的較小尺寸；通過較短的有線電連接被連接到傳感器，連接的長度小于200mm；包括裝載的電池；以及包括用于把監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給臨時放置在附近的移動收集裝置的無線電裝置。
文檔編號G01N27/90GK101946175SQ200980105360
公開日2011年1月12日 申請日期2009年3月18日 優(yōu)先權日2008年3月20日
發(fā)明者卡特爾·莫羅, 塞巴斯蒂安·羅萊, 文森特·魯埃 申請人:歐洲航空防務與空間公司Eads法國