声结构的完整性监控系统和方法技术方案

多个声传感器（声耦合至用于监控的结构）中的每一个声传感器通过用于采集、处理和报告如飞行器结构的结构中的声事件的前置放大器而被连接至网络总线。当声事件（结构中的缺陷、结构上的冲击等）导致声发射时，每个前置放大器处理从传感器接收到的声事件信号并通过网络将将数字化处理的与检测到的声事件有关的信号数据发送至远程数据集线器以用于校对。然后经校对的数据被存储和/或被进一步处理（随后或近似实时）以确定被检测到的结构中的声发射的源和/或位置。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及一种用于基于来自结构中的结构性缺陷或结构上的冲击(impact)的声发射而监控该缺陷或冲击的系统和方法。
技术介绍
在结构中的应力腐蚀和疲劳导致了裂纹的增长。这是由于当在裂纹尖端的短距离内存在压力集中时，金属缓慢地变得易碎。然后在一系列不连续的微裂缝活动中裂纹延展至区域边界，其中微裂缝以沿晶方式或穿晶方式发生。在区域边界上较坚韧的未损坏材料阻止了裂纹的延展。然后破裂的循环被重复，重新起始于裂纹尖端或裂纹尖端附近的压力集中。在正常运转条件下，结构中如裂纹的损坏随时间缓慢发展。然而，如果结构在正常范围以外运转，大量损坏会在短时间内发生。此外，由压力对结构导致的损坏不仅限于裂纹，还包括侵蚀、凹陷和磨损。因此，定期地监控结构是很必要的，以便检测损坏并对其进行修复或在损坏没有延展前预防进一步损坏。众所周知，破裂和龟裂会在飞行器、压力容器、石油钻台以及如桥梁的大型结构中引起特定的问题。随着破裂的发生，裂缝在结构中的破裂发生处产生作为宽带超声波发射的被称为声发射的声能量爆炸。该声发射的波形的属性(如频率、振幅、上沿时间等，伴随着声能量爆炸从各不同位置被接收的准确时间)取决于裂缝的大小、裂缝的位置以及传播通过结构的速度。因此裂缝可通过可使用如声发射传感器的声传感器检测到的声发射信号来被识别。在美国专利申请US2003/0140701中，公开了 一种通过在一个周期内连续地接收来自由结构装有的多个声传感器的代表声能量爆炸的脉冲的电子信号来检测和监控结构中的损坏的方法，其公开内容以引用方式结合于此。声能量爆炸代表来自损坏的部位(site)的发射。该爆炸被处理以得到平滑的包络波形。波的形状信息和时间信息被确定并针对每个爆炸而被存储。如果爆炸在三个或更多的传感器处被检测到，则爆炸到达每个传感器的时间差被确定为At值。然后该At值用于累计爆炸来确定爆炸的临界值是否溢出。如果是，该爆炸数据被存储以与非声学参数一起代表结构损坏。本系统的局限性为，当由声发射技术监控结构的健全及结构性的损坏时，由于假定为结构中声的速度在所有方向上是一致的并且通过结构的是单一的声传播模式，在使用系统对数据分析时会发生误差。然而，声音的速度因其传播通过的材料的厚度和类型而不同。声波的传播速度会因此随着通过不均一(inhomogeneous)型的结构传播而变化。以弓I用方式将其公开内容被结合于此的我们的在先申请(W02008107668 )，通过在声事件数据的处理路径中引进结构中声路径的影响的模型来处理该问题。该模型是通过在位于结构中许多位置处引起多个类型的声发射以及通过使用安放在结构上的多个声发射传感器来检测声发射而建立的。该模型考虑到不均一的结构，以及结构中声传播方式的不同，从而可以减少损坏部位的位置的误差。参照图1，其示出了用于通过检测来自损坏的部位的声发射而在典型的飞行器结构上定位损坏部位的配置的原理图。飞行器机翼具有上梁翼盖101、下梁翼盖102、前梁103以及横截面加固件104。前梁103具有在间隔中垂直放置的加固件107。燃料孔105位于前梁103的内部并且声发射传感器106在几个位置处声耦合于前梁103。机翼100的图示部分是飞行器机身和第一发动机之间的飞行器机翼的部分。垂直支柱103支撑上梁翼盖101及下梁翼盖102并且横截面加固件104增加了机翼结构的刚度(stiffness)并为前梁103提供了额外的强度。声发射传感器106检测源于前梁103的损坏源的声发射。声发射传感器是具有经调查的结构的共振频率范围内的共振频率的压电换能器。在铝结构中，具有200-300kHz左右的共振频率的换能器是合适的。传感器106以电缆结(cabletie)和自附基底的方法附加至前梁103的结构。此外，密封剂被用作传感器基底和结构的连接混合物以提供低衰减声f禹合。到达时间的不同At特征，例如从在传感器106处的前梁103结构上的损坏源发出的声发射信号的前沿或来自每个传感器的峰值信号的时间，被分析软件中的三角测量方法用来定位声发射源从而定位损坏。虽然现代飞行器结构的表面倾向于基本均匀，但是由结构内部的部件(例如垂直支柱103、横截面加固肋104以及燃料孔105)导致了结构中的不连续性。早年的飞行器也具有表面不连续性，是因为其结构主要由铆接的和螺栓挤压的或加工过的铝制型材或板材组成的。例如，前梁100的结构中的不连续性和不均一性将会导致从图1中所示的点A到点B的声路径为非均匀的，因为声传输速度随着其传播通过的结构会改变。这会导致三角测量算法中的At的误差，这转而导致飞行器机构上损坏部位的位置的误差。如上所述，该问题在先前申请W02008107668中被处理。在图2中示出了用于从结构中检测以及获取声发射数据的系统110的示意图。该系统在所属领域是已知的，并且其类似的系统在US2003/0140701中被描述。传感器111被耦合至连接至数据获取单元113的前置放大器112。该数据获取单元113包括对数放大器114以及脉冲处理器单元115。数据获取单元113被连接至计算机116。来自结构上的损坏的部位的声发射通过多个传感器111检测，其中该传感器111包括被放置于如图1中所示的飞行器结构上的声发射传感器106。换能器111声耦合于飞行器结构，并且可以是例如具有从20kHz至2MHz的范围内的共振频率的压电传感器。例如在飞行器结构上的破裂的任何损坏将发射具有等于结构的共振频率的基本频率的声波。因此传感器的共振频率应该与正被调查的的结构的共振频率相同。通常，铝飞行器结构具有300kHz范围内的共振频率，因此该频率是用于检测来自飞行器结构的声发射的传感器的优选频率。在实践中传感器一般具有几百kHz的带宽并且以15MHz采样声学数据。前置放大器112位于传感器的附近。存在具有N个通道(channel)的多个传感器和前置放大器，每个通道具有一个传感器111和一个前置放大器112。在计算声发射的At值时，至少需要三个传感器用于三角测量。传感器以间隔位置被声耦合于结构。每个传感器111被连接于数据获取单元113以用于获取并处理来自声发射脉冲的声发射数据。传感器111和前置放大器112被连接至数据获取单元113。传感器111和数据获取单元113之间的距离随装置而改变。在实践中，当声发射的检测从飞行器结构发生时，数据获取单元113位于飞行器的航空电子仓内并且由飞行器的电源供电。来自如飞行器发动机来源的背景噪声将干扰来自飞行器结构的声发射信号。数据获取单元113决定(condition)在传感器111处接收到的声发射信号并且执行实时滤波和信号处理以将声发射从背景噪声中分离出来并且产生能够用于定位飞行器结构上的损坏源的声发射数据。在传感器接处接收到的信号是波包的形式。在每个通道中，对数放大器114对从前置放大器112接收到的信号进行整流(rectify)。然后经整流的信号进入脉冲处理单元115，该脉冲处理单元115将在传感器111处接收到的声发射信号转换成数字信号，对该数字信号进行滤波并且分离该数字信号以便从背景噪声中区别出从结构上的损坏接收到的声发射。来自每个通道的数字信号是脉冲的形式，该脉冲由计算机116使用三角测量算法而被分析。一般地每个传感器111在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.07.19 GB 1012076.41.一种用于检测结构中的结构性缺陷或结构上的冲击的系统，该系统包括: 多个传感器，用于检测结构中的声发射，其中每个所述传感器根据由结构中的结构性缺陷或结构上的冲击导致的声发射而输出传感器信号； 多个前置放大器，其中每个所述前置放大器被电耦合至所述传感器中相应的一个传感器并位于该相应的一个传感器本地，其中每个所述前置放大器适于接收所述传感器信号，并且其中每个所述前置放大器适于响应于检测到的由结构中的结构性缺陷或结构上的冲击导致的声发射而处理所述传感器信号并输出从所述传感器信号得到的传感器数据；以及 远程数据集线器(RDC)，被电耦合至所述多个前置放大器并位于远离所述多个前置放大器的位置，所述RDC适于接收和校对从所述多个前置放大器输出的所述传感器数据。2.根据权利要求1所述的系统，其中每个所述前置放大器包括: 模拟-数字转换器(ADC)，用于将所述传感器信号转换为数字传感器信号； 缓冲器，被稱合至所述ADC并适于从所述ADC接收所述数字传感器信号并输出被缓冲的数字传感器信号块；以及 处理器，被耦合至所述缓冲器并适于从所述缓冲器接收所述被缓冲的数字传感器信号块，以及适于处理所述被缓冲的数字传感器信号块以生成并输出所述传感器数据。3.根据权利要求2所述的系统，其中每个所述前置放大器还包括: 触发器，被耦合至所述ADC并且适于从所述ADC接收所述数字传感器信号，以及适于响应于检测到的所述数字传感器信号中高于临界值的声发射而输出触发信号，并且其中所述缓冲器适于输出所述被缓冲的数字传感器信号块并且所述处理器适于响应于所述触发信号而处理所述被缓冲的数字传感器信号块。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述触发器在检测到的声发射后的拖延周期中被禁止以防止所述触发器的进一步触发直到所述拖延周期已期满。5.根据权利要求4所述的系统,其中所述拖延周期在2ms和IOms之间。6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的系统，其中所述传感器数据包括结构中的声发射到达传感器的时间、声发射信号的上沿时间、声发射信号的峰值以及声发射信号内的能量值中的一者或多者。7.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的系统，其中所述RDC适于输出同步序列并且所述多个前置放大器中的每一个前置放大器适于接收所述同步序列并且适于响应于所述同步序列调整所述前置放大器的本地时间。8.根据权利要求7所述的系统，其中所述同步序列包括: 第一数据包，用于提醒每个所述前置放大器所述同步序列的开始； 同步定时信号；以及 第二数据包，包括主时间值，所述主时间值定义了所述RDC发送所述同步定时信号的时间。9.根据权利要求8所述的系统，其中所述多个前置放大器中的每一个前置放大器包括采集和比较单元，该采集和比较单元适于从所述RDC接收所述同步序列并适于响应于所述第一数据包的检测而将所述前置放大器切换至同步模式，当处于所述同步模式时，所述前置放大器被防止处理所述传感器信号和/或输出所述传感器数据。10.根据权利要求9所述的系统，其中所述采集和比较单元还包括同步触发器，该同步触发器适于响应于所述同步定时信号的检测而输出同步触发信号，并且其中所述前置放大器适于响应于所述同步触发信号的激活而存储本地时间值，当所述同步信号被接收到时，所述本地时间值定义所述前置放大器的本地时间，并且其中所述前置放大器适于计算定义所述主时间值和所述本地时间值之差的同步偏差值，并且所述前置放大器适于使用所述同步偏差值调整所述前置放大器的本地时间从而使所述主时间值和所述本地时间值实质上同步。11.根据权利要求10所述的系统，其中所述采集和比较单元还包括计数器，该计数器适于响应于所述同步触发信号的激活而计数时钟循环，并且其中所述被存储的本地时间值通过从在第二时间存储的本地时间值中减去在所述第二时间所述计数器上的值而被计算。12.根据权利要求10或11所述的系统，其中所述前置放大器适于计算所述主时间值和/或所述本地时间值的漂移率，并且适于响应于所述漂移率来调整所述本地时间从而使所述主时间和所述本地时间实质上地同步。13.根据权利要求8至12中任一项权利要求所述的系统，其中所述RDC包括采集和比较单元，该采集和比较单元适于从与所述多个前置放大器的所述耦合接收所述同步定时信号，并且 其中所述RDC适于从所述RDC的所述采集和比较单元接收到所述同步定时信号的时间确定所述主时间值。14.根据权利要求8至13中任一项权利要求所述的系统，其中所述同步定时信号形成数据包的一部分。15.根据权利要求8至14中任一项权利要求所述的系统，该系统还包括所述RDC和所述多个前置放大器之间的同步电耦合，并且其中所述同步定时信号通过所述同步电耦合从所述RDC被发送至所述前置放大器。16.根据权利要求7至15中任一项权利要求所述的系统，其中所述RDC适于以实质上定期的间隔来执行所述同步序列。17.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的系统，该系统还包括数据存储设备，该数据存储设备被电耦合至所述RDC，所述数据存储设备适于接收和存储来自所述RDC的所述经校对的传感器数据。18.根据权利要求17所述的系统，该系统还包括处理器，该处理器被耦合至所述数据存储设备并适于读取和处理所述经校对的传感器数据以及适于根据所述传感器数据确定所述检测到的的声发射的源和/或位置。19.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的系统，其中所述RDC和所述多个前置放大器之间的所述电耦合是经由网络总线的。20.根据权利要求19所述的系统，其中所述RDC和前置放大器通过CAN总线网络被耦合。21.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的系统，该系统还包括第二RDC，该第二RDC被电耦合至第二多个前置放大器并位于远离所述第二多个前置放大器的位置，并且其中所述第二多个前置放大器中的每个前置放大器被电耦合至第二多个传感器中的相应的一个传感器并位于该相应的一个传感器本地。22.一种包括根据权利要求中I至21中任一项权利要求所述的系统的飞行器，其中所述多个传感器被声耦合至所述飞行器的结构以用于监控所述结构中的结构性缺陷或所述结构上的冲击。23.—种用于检测结构中的结构性缺陷或结构上的冲击的方法，该方法包括以下步骤: 使用多个传感器来检测由结构中的结构性缺陷或结构上的冲击导致的声发射，并输出指示所述检测到的声发射的传感器信号，其中每个所述传感器被电耦合至多个前置放大器中相应的一个前置放大器并位于该相应的一个前置放大器本地； 在所述前置放大器处接收所述传感器信号； 在所述前置放大器处处理所述传感器信号，并从所述前置放大器输出传感器数据，所述传感器数据从所述传感器信号中得出；以及 在远程数据集线器(RDC)处接收并校对所述传感器数据，所述RDC位于远离于所述多个前置放大器的位置并耦合至所述多个前置放大器， 其中所述处理和输出 响应于检测到的由结构中的结构性缺陷或结构上的冲击导致的声发射而发生。24.根据权利要求23所述的方法，其中在所述前置放大器处处理所述传感器信号包括: 使用模拟-数字转换器(ADC)将所述传感器信号转换成数字传感器信号； 在耦合至所述ADC的缓冲器中接收并缓冲所述数字传感器信号； 从所述缓冲器输出被缓冲的数字传感器信号块；以及 在耦合至所述缓冲器的处理器中接收并处理被缓冲的数字传感器信号块...

【专利技术属性】
技术研发人员：I·M·斯塔瑟斯，R·A·欣奇利夫，
申请(专利权)人：奥卓电子有限公司，
类型：
国别省市：