專(zhuān)利名稱(chēng)：監(jiān)測(cè)運(yùn)載工具結(jié)構(gòu)的設(shè)備的制作方法
監(jiān)測(cè)運(yùn)載工具結(jié)構(gòu)的設(shè)備本發(fā)明的目的在于監(jiān)測(cè)經(jīng)受機(jī)械、振動(dòng)和/或環(huán)境應(yīng)力的金屬結(jié)構(gòu)的狀態(tài)。其在 自主機(jī)載電子系統(tǒng)中實(shí)施允許實(shí)時(shí)檢測(cè)這些金屬結(jié)構(gòu)的裂縫的方法。更特別地，本發(fā)明應(yīng) 用于航運(yùn)、海運(yùn)和陸地運(yùn)輸領(lǐng)域。運(yùn)輸工具，特別是飛機(jī)的結(jié)構(gòu)在其使用時(shí)經(jīng)受機(jī)械、環(huán)境和/或振動(dòng)應(yīng)力。這些結(jié) 構(gòu)尤其定期地被檢查以評(píng)估新生的裂縫一種是每次中途?？繒r(shí)進(jìn)行的快速檢查，另一種 是飛行2400小時(shí)后、在維護(hù)中進(jìn)行的所謂C-check類(lèi)型的深入檢查。后一種檢查耗時(shí)長(zhǎng) 并且成本高，這是因?yàn)樾枰鹣略诔Ｒ?guī)時(shí)間不能進(jìn)入的艙口蓋以檢查飛機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)的狀 態(tài)。由于是定期進(jìn)行的，所以這些檢查不允許連續(xù)監(jiān)測(cè)裂縫及其變化。在鐵路領(lǐng)域，火車(chē)、 尤其是高速火車(chē)的某些部分也存在類(lèi)似情況。開(kāi)發(fā)了結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)優(yōu)化和減少這些維護(hù)并從而減少其成本和耗時(shí)。例如， 例如傅科(Foucault)電流傳感器被用來(lái)檢測(cè)金屬結(jié)構(gòu)上的裂縫，如文獻(xiàn)US-A-6 952 095、 GB-A-2 400 445、GB-A-2 396 427 所示。為了解釋來(lái)自這些傳感器的信息，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)電子界面。其中之一解釋來(lái)自傳感 器的阻抗、更特別地是相位。該界面被用來(lái)形成待檢查的表面的二維圖像，如文獻(xiàn)US-A-5 006 800所述。該方法的缺點(diǎn)在于其體積龐大及其耗電較多。因此，該方法不能機(jī)載并且不 實(shí)時(shí)給出結(jié)果。其它界面解釋來(lái)自傳感器的電導(dǎo)率，并且在維護(hù)期間也被使用。因此，不能連續(xù)監(jiān) 測(cè)裂縫。還開(kāi)發(fā)了使用聲音傳感器的其它系統(tǒng)來(lái)連續(xù)研究結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，如專(zhuān)利WO 2006 111679所述。這些方法通常能耗很高。因此設(shè)備需要與飛機(jī)裝載的電網(wǎng)接通。該設(shè)備體積 還十分龐大。最后，還存在記錄飛機(jī)受到的應(yīng)力的數(shù)量的機(jī)載系統(tǒng)，如文獻(xiàn)EP-A-1018 641所 述。這些應(yīng)力(起飛、降落、渦流、受到的推力……)被邏輯門(mén)系統(tǒng)計(jì)數(shù)并隨后存儲(chǔ)在存儲(chǔ) 器中。隨后，在維護(hù)時(shí)列出清單，且由此允許在操作者檢查時(shí)引導(dǎo)操作者。然而，后幾種方 法并不直接給出結(jié)構(gòu)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(wú)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(yùn)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(shí)時(shí)進(jìn)行對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的診斷。由該自主系統(tǒng)實(shí)施的方法包括通過(guò)將模擬電路與數(shù)字電路相 組合的機(jī)載電子構(gòu)造來(lái)分析來(lái)自傳感器的信號(hào)。由于處理算法得到簡(jiǎn)化，因此其可以被裝 載于微控制器中且診斷可以實(shí)時(shí)進(jìn)行。算法尤其研究來(lái)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(duì)于當(dāng)前的系統(tǒng)，使用該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于-模塊化電子平臺(tái)(其層可互換)，允許監(jiān)測(cè)裂縫和/或環(huán)境的應(yīng)力，-借助無(wú)線通信自主機(jī)載電子設(shè)備來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)裂縫，從而允許更好地監(jiān)測(cè)裂縫的 變化，-更深入了解裂縫的出現(xiàn)(在記錄結(jié)構(gòu)狀態(tài)的同時(shí)記錄環(huán)境數(shù)據(jù))，
-更深入了解裂縫的變化(相關(guān)的環(huán)境數(shù)據(jù))，_根據(jù)幅度測(cè)量，實(shí)時(shí)(無(wú)需使用經(jīng)PC (個(gè)人計(jì)算機(jī))的后處理而立即)了解結(jié)構(gòu) 的狀態(tài)(診斷)，-根據(jù)相位測(cè)量，實(shí)時(shí)了解傳感器的狀態(tài)(脫離或未脫離)，_根據(jù)無(wú)線電連接，輕松收集信息，-減少維護(hù)成本和時(shí)間，由此在非計(jì)劃的維護(hù)時(shí)避免拆除某些壁板，-設(shè)備能耗較小，從而允許設(shè)備使用時(shí)間較長(zhǎng)(目標(biāo)壽命在1到2年)，-設(shè)備體積較小(三維集成)，從而允許被放在難以進(jìn)入的位置，-自主運(yùn)行，無(wú)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(cè)運(yùn)載工具的結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括電測(cè)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(cè)量值轉(zhuǎn)換為監(jiān) 測(cè)數(shù)據(jù)，所述傳輸裝置用于把監(jiān)測(cè)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(nèi)的較小尺寸，-通過(guò)較短的有線電連接來(lái)與傳感器連接，連接的長(zhǎng)度小于200mm，-包括內(nèi)置的電池，-以及包括用于把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給臨時(shí)放置在附近的移動(dòng)收集裝置的無(wú)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(jìn)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(hù)期間進(jìn)行，而非實(shí)時(shí)進(jìn)行，-不連續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)。通過(guò)閱讀隨后的描述并查對(duì)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(cè)設(shè)備、傳感器的變型以及它們?cè)谔貏e運(yùn)載工具內(nèi) 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(hào)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(jìn)行的測(cè)量之間的相關(guān)性，一方面是裂縫的尺 寸和另一方面是臨界尺寸的到達(dá)時(shí)間；-圖6由本發(fā)明的處理電路實(shí)施的裂縫監(jiān)測(cè)算法的一個(gè)示例。圖Ia示出裝載了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)輸裝置1(在此為飛機(jī))，所述監(jiān) 測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)為集成的電子平臺(tái)或節(jié)點(diǎn)的形式。每個(gè)無(wú)線且小尺寸、自主的節(jié)點(diǎn)均被布置在 已知為敏感的位置。平臺(tái)的整體(傳感器加上電子電路)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的 測(cè)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。收集裝置5 (例如是由結(jié)構(gòu)1的設(shè)備2附近的操作員6攜帶) 優(yōu)選地在運(yùn)載工具?？坎粍?dòng)時(shí)，提取用于維護(hù)目的的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從而例如檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)1的狀 態(tài)或促成對(duì)某些零件的更換。
根據(jù)本發(fā)明，設(shè)備2是微型化的。在一個(gè)示例中，其包括處理電路3，處理電路3的 尺寸包含在邊長(zhǎng)為40mm的立方體內(nèi)。根據(jù)電子技術(shù)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(shè)備2還包括傳感器4。在一個(gè)優(yōu)選示例中，傳感器4由兩個(gè)一對(duì) 的相同的傳感器7和8構(gòu)成，其中之一被用來(lái)放置在結(jié)構(gòu)1的待監(jiān)測(cè)的位置，另一個(gè)作為測(cè) 試的傳感器被用來(lái)放置在結(jié)構(gòu)1的上述位置附近被認(rèn)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(zhǎng)度上，連接9和10將每個(gè)傳感器連接至電路3。在一個(gè)示例 中，撓性的和雙重的連接9和10的長(zhǎng)度介于50mm和200mm之間。連接9和10可以固定地 或者通過(guò)可拆卸的連接器來(lái)連接到傳感器7和8以及連接到電路3。在一個(gè)示例中，連接9 和10的每個(gè)都具有四條導(dǎo)線。然而，不是必須設(shè)置兩個(gè)傳感器。實(shí)際上，可例如通過(guò)在現(xiàn) 場(chǎng)或工廠提供對(duì)測(cè)量傳感器的響應(yīng)的校準(zhǔn)，可省去作為基準(zhǔn)的測(cè)試傳感器。每個(gè)傳感器由線圈構(gòu)成，所述線圈在此處優(yōu)選地通過(guò)在鍍金屬的撓性載體上刻上 螺線(比如11)來(lái)實(shí)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(shè)置在線圈兩側(cè)或者借助通孔而設(shè)置在同一表面上的兩個(gè)連接12和13，被連接 到有線連線9的導(dǎo)電支線?？梢栽谶B接12中設(shè)置功率匹配的電阻14。連接13優(yōu)選地為接 地，當(dāng)存在兩個(gè)傳感器時(shí)尤其為兩個(gè)傳感器7和8共用。在變型中，即圖lc，一個(gè)或更多個(gè) 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(diǎn)連接有連接15，用于發(fā)送傳感器的激勵(lì)信號(hào)，并 且因此發(fā)送傳感器的測(cè)量值。測(cè)量的原理如下。交流信號(hào)由電路3產(chǎn)生且經(jīng)過(guò)電阻14發(fā) 出，該信號(hào)在結(jié)構(gòu)1中放置傳感器7的位置發(fā)生變化。如果結(jié)構(gòu)完好，即如果不存在裂縫， 則信號(hào)的幅度將對(duì)應(yīng)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(kāi)裂，即如果存在裂縫，則傅柯電流的流動(dòng)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(cè)量傳感器7附近的測(cè)試傳感器8的存在允許免于校準(zhǔn)，同時(shí)還允許不受溫度的 影響。所測(cè)得的信號(hào)因此是由傳感器7和8分別測(cè)得的信號(hào)的幅度之比或差值。此外，如 果傳感器7或8中的一個(gè)與結(jié)構(gòu)1脫離，則對(duì)測(cè)量相位的比較允許立即檢測(cè)到。實(shí)際上，對(duì) 于兩者之一，如果沒(méi)有與結(jié)構(gòu)的互感，注入傳感器7和8中的信號(hào)就不再同步，由此產(chǎn)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(diǎn)的四個(gè)不同的層，其整體形成立方 體。各層實(shí)現(xiàn)特別的功能無(wú)線電傳輸，把來(lái)自傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)成比例的電壓，由 微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及位于每個(gè)層上的部件供電所需的直流 電壓(DC/DC，直流/直流)轉(zhuǎn)換和節(jié)點(diǎn)的自主供電。層是可互換的并且可以根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用 (例如機(jī)械和/或環(huán)境的應(yīng)力)進(jìn)行調(diào)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(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器18，存儲(chǔ)程序20的程序存儲(chǔ)器19，在可能的情況 下能夠調(diào)快或調(diào)慢微處理器節(jié)奏的時(shí)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(cè)的結(jié)構(gòu)不遠(yuǎn)的結(jié)構(gòu)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(guò)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(zhuǎn)換成兩個(gè)成比例的電壓，以及優(yōu)選地對(duì)連接 到傳感器的注入電極進(jìn)行正弦激勵(lì)。第四層24作為與裝置5的無(wú)線電連接。在優(yōu)選的應(yīng)用中，不同的部件(存儲(chǔ)器、正弦信號(hào)發(fā)生器、調(diào)節(jié)、無(wú)線電)通過(guò)兩 種串行接口進(jìn)行通信優(yōu)選的SPI (Serial Peripheral Interface，串行外設(shè)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(nèi)各功能的位置表 權(quán)利要求
一種監(jiān)測(cè)運(yùn)載工具的結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括電測(cè)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(cè)量值轉(zhuǎn)換為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，所述傳輸裝置用于把所述監(jiān)測(cè)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(nèi)的較小尺寸， 通過(guò)較短的有線電連接被連接到所述傳感器，連接的長(zhǎng)度小于200mm， 包括內(nèi)置的電池， 以及包括用于把所述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給臨時(shí)放置在附近的移動(dòng)收集裝置的無(wú)線電裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述處理電路包括在所述運(yùn)載工具?？?不動(dòng)時(shí)，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(quán)利要求1至2之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述傳感器是裂縫測(cè)量傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3之一所述的設(shè)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(jié)構(gòu)上待監(jiān)測(cè)位置處的第一測(cè)量傳感器以及被放置在所述結(jié)構(gòu)上 完好位置處的第二測(cè)試傳感器，用于利用由這兩個(gè)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)之間的相位差來(lái)測(cè)量 所述兩個(gè)傳感器與待監(jiān)測(cè)的所述結(jié)構(gòu)的完整附接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的設(shè)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(gè)示例中為大約25 X 50mm、雙面鍍金屬、通過(guò)雙重?fù)?性有線連接連接到所述處理電路，所述雙重?fù)闲杂芯€連接例如具有介于5至20cm之間的長(zhǎng) 度并被放置在待監(jiān)測(cè)位置處，所述傅科電流傳感器與安裝在所述待監(jiān)測(cè)位置附近被認(rèn)為是 完好的位置處的另一基準(zhǔn)傳感器相關(guān)聯(lián)，以及，所述處理電路測(cè)量由一個(gè)傳感器發(fā)出的信 號(hào)相對(duì)于另一傳感器的差值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一所述的設(shè)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(cè)量值的裝置，例如在 8個(gè)等級(jí)上量化所述測(cè)量值，以便測(cè)量裂縫尺寸的變化，例如等于2. 5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述處理電路包括用于存儲(chǔ)所述 測(cè)量值和/或所述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述處理電路按照分層結(jié)構(gòu)來(lái)組 織，以及所述各層可互換并且例如通過(guò)貫穿的連接器彼此相連，包括優(yōu)選地設(shè)置在待監(jiān)測(cè) 的所述結(jié)構(gòu)附近的所述電路的底部的進(jìn)行供電的第一層，所述第一層上面設(shè)置有進(jìn)行數(shù)字 處理的第二層，所述第二層自身上面設(shè)置有把來(lái)自所述傳感器的所述信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩個(gè)成比 例的電壓的第三層，所述第二層把所述兩個(gè)成比例的電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，第三層自身上面 設(shè)置有進(jìn)行無(wú)線電發(fā)射接收的第四層，所述第四層優(yōu)選地設(shè)置在所述電路的上部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8之一所述的設(shè)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(shí)現(xiàn)彼此間隔幾十分鐘的測(cè)量并且在測(cè)量之間引入休眠。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9之一所述的設(shè)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(quán)利要求1至10之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述處理電路包括用于測(cè)量時(shí) 間的電路以便存儲(chǔ)與測(cè)量相對(duì)應(yīng)的時(shí)間，以及包括盡管測(cè)量的所述信號(hào)有相反變化仍能推 斷裂縫變化的程序。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述處理電路包括用于測(cè)量所 述裂縫的深度并且頻率介于IOOKHz和ΙΟΟΟΚΗζ之間的正弦信號(hào)發(fā)生器，以及包括用于使該 頻率在測(cè)量過(guò)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(quán)利要求1至12之一所述的設(shè)備，其特征在于，所述傳感器在中心具有孔以便 圍繞鉚釘來(lái)布置。
全文摘要
一種監(jiān)測(cè)運(yùn)載工具的結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，包括電測(cè)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(cè)量值轉(zhuǎn)換為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，傳輸裝置用于把監(jiān)測(cè)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(nèi)的較小尺寸；通過(guò)較短的有線電連接被連接到傳感器，連接的長(zhǎng)度小于200mm；包括裝載的電池；以及包括用于把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給臨時(shí)放置在附近的移動(dòng)收集裝置的無(wú)線電裝置。
文檔編號(hào)G01N27/90GK101946175SQ200980105360
公開(kāi)日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:歐洲航空防務(wù)與空間公司Eads法國(guó)