复合材料机械连接结构综合监测系统技术方案

本发明专利技术提供了一种复合材料机械连接结构综合监测系统，所述复合材料机械连接结构综合监测系统包括多场耦合混杂传感器网络、传感器网络接口模块、主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通道采集模块、结构状态监测模块、结构寿命预测模块和系统控制模块。本发明专利技术提供的复合材料机械连接结构综合监测系统，具有雷击电流被动监测、大面积主动损伤监测和连接紧固件附近热点区域损伤监测在内的多种功能，从而可综合监测复合材料机械连接结构状态，并根据综合监测结果预测复合材料机械连接结构的剩余强度和寿命，便于集成在现有飞机航电系统中。

Comprehensive monitoring system of mechanical joint structure of composite materials

The invention provides a composite mechanical connection structure of the integrated monitoring system, the composite material mechanical connection structure of integrated monitoring system including multi field coupling hybrid sensor network, sensor network interface module, active signal conditioning and acquisition module, arbitrary signal generator module, signal acquisition module, multi-channel passive structure state monitoring module, structure life prediction module and system control module. The invention provides a composite mechanical connection structure of the integrated monitoring system, with lightning current passive monitoring of large area, active damage monitoring and connection fastener damage monitoring near the hot region, a variety of functions, and comprehensive monitoring of composite mechanical connection structure state, and according to the prediction of residual strength and fatigue life of composite mechanical connection structure of the integrated the monitoring results can be integrated in existing aircraft avionics system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及工程结构健康监测
，尤其涉及一种复合材料机械连接结构综合监测系统。
技术介绍
相比于传统的金属合金，复合材料具有重量轻、比强度和比模量高、疲劳寿命长、耐高温、耐腐蚀、阻尼减震性好以及材料具有可设计性等优点，先进复合材料在民机结构中的应用程度已成为飞机先进性和市场竞争力的重要标志。欧洲空客A320中复合材料在整个飞机结构重量中的比率仅为10％，A380增大为23％，而最新研制的A350XWB已提高到52％，美国波音公司则把复合材料的用量从B777中的11％提高到B787中的50％。复合材料结构设计中，复合材料连接设计是必不可少的关键环节。复合材料结构件间或复合材料结构与金属结构间的连接，主要有胶接、机械连接和混合连接这三种形式，其中以机械连接最为常见。因此，复合材料机械连接结构状态在很大程度上决定了飞机结构的有效性和安全性，针对该结构的健康监测系统的需求也正日益增多。目前，研究者已基于不同传感器，如压电传感器和柔性涡流传感器对复合材料机械连接结构进行了监测研究，也提出了相应的监测系统。然而，现有的监测系统一般基于单一的传感器网络，很难利用多种传感信号从多个角度综合判断复合材料机械连接结构不同部位的状态，以实现对被测结构的综合监测。
技术实现思路
本专利技术针对现有的监测系统一般基于单一的传感器网络，很难利用多种传感信号从多个角度综合判断复合材料机械连接结构不同部位的状态，以实现对被测结构的综合监测的问题，提供了一种复合材料机械连接结构综合监测系统。本专利技术就上述技术问题提供的技术方案如下：本专利技术提供了一种复合材料机械连接结构综合监测系统，所述复合材料机械连接结构综合监测系统包括多场耦合混杂传感器网络、传感器网络接口模块、主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通道采集模块、结构状态监测模块、系统控制模块；所述多场耦合混杂传感器网络用于对复合材料机械连接结构的多种监测参数进行主动和／或被动实时在线传感；所述传感器网络接口模块连接所述多场耦合混杂传感器网络，用于控制多个采集通道的通断；所述主动信号调理及采集模块用于对传感器网络接口模块提供的传感信号进行放大、滤波、采集中的至少一种；所述任意信号发生模块用于产生任意波形信号和放大所述任意波形信号的功率，并把功率放大前后的任意波形信号作为触发信号和激励信号，分别提供给主动信号调理及采集模块和传感器网络接口模块；所述被动信号多通道采集模块用于多通道同步采集传感器网络接口模块提供的传感信号；所述结构状态监测模块用于根据采集到的多场耦合混杂传感器网络的传感信号，并根据所述传感信号分别得到被测复合材料机械连接结构的雷击电流和损伤状况，从而得到被测复合材料机械连接结构的综合监测结果；所述结构寿命预测模块用于根据结构状态监测模块提供的复合材料机械连接结构综合监测结果，计算被测复合材料机械连接结构的剩余强度和寿命；所述的系统控制模块用于控制协调所述多场耦合混杂传感器网络、传感器网络接口模块、主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通道采集模块、结构状态监测模块、结构寿命预测模块和系统控制模块的工作，并负责与外部系统与设备之间的交互通信。在本专利技术所述的复合材料机械连接结构综合监测系统中，所述的多场耦合混杂传感器网络包括压电传感器子网络、柔性涡流传感器子网络和Rogowski线圈子网络。在本专利技术所述的复合材料机械连接结构综合监测系统中，所述传感器网络接口模块连接多场耦合混杂传感器网络，用于对Rogowski线圈子网络的电流传感信号的前置调理，对压电传感器子网络、柔性涡流传感器子网络和Rogowski线圈子网络的选择以及控制对压电传感器子网络、柔性涡流传感器子网络和Rogowski线圈子网络传感过程中多个采集通道的通断。在本专利技术所述的复合材料机械连接结构综合监测系统中，所述传感器网络接口模块包括Rogowski线圈多通道转换电路、多通道电压放大及高压保护电路、多功能网络选择器、多通道选择器和第一通信及控制电路；所述Rogowski线圈多通道转换电路，用于对连接Rogowski线圈子网络输入的多路电流微分信号进行积分并转换为电压信号，经多通道电压放大及高压保护电路进行放大，并通过设置电压阈值来判断Rogowski线圈传感的雷击电流微分信号是否过大；所述多通道电压放大及高压保护电路，用于切断Rogowski线圈子网络与传感器网络接口模块的连接；所述多功能网络选择器，用于根据监测需求选择接通相应的压电传感器子网络、柔性涡流传感器子网络和Rogowski线圈子网络；所述多通道选择器，用于控制网络中各个激励一传感通道的通断来采集网络中各个传感器的信号；所述第一通信及控制电路，用于控制所述传感器网络接口模块内信号与系统控制模块的通信。在本专利技术所述的复合材料机械连接结构综合监测系统中，所述主动信号调理及采集模块包括信号放大及滤波电路、双通道高速数据采集电路、第二通信及控制电路；所述信号放大及滤波电路，用于程控调节参数；所述双通道高速数据采集电路，用于高速采集数据；所述第二通信及控制电路，用于控制所述主动信号调理及采集模块内信号与系统控制模块的通信。在本专利技术所述的复合材料机械连接结构综合监测系统中，所述任意信号发生模块包括任意波形发生电路、功率放大电路、第三通信及控制电路；所述任意波形发生电路，用于产生任意波形；所述功率放大电路，用于对所述任意波形进行放大；所述第三通信及控制电路，用于控制所述任意信号发生模块内信号与所述系统控制模块的通信。在本专利技术所述的复合材料机械连接结构综合监测系统中，所述系统控制模块包括电源管理单元、内部总线控制单元、处理器、内存及数据存储单元和外部接口单元；所述电源管理单元用于管理电源；所述内部总线控制单元用于控制传输所述系统控制模块内部数据；所述处理器用于处理所述系统控制模块内部数据；内存及数据存储单元用于存储所述系统控制模块内部数据；所述外部接口单元用于控制所述系统控制模块与外部数据的传输。在本专利技术所述的复合材料机械连接结构综合监测系统中，所述被动信号多通道采集模块，用于采集多通道同步采集传感器网络接口模块提供的Rogowski线圈子网络传感信号。在本专利技术所述的复合材料机械连接结构综合监测系统中，所述结构状态监测模块，用于根据采集到的压电传感器子网络、柔性涡流传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料机械连接结构综合监测系统，其特征在于，所述复合材料机械连接结构综合监测系统包括多场耦合混杂传感器网络、传感器网络接口模块、主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通道采集模块、结构状态监测模块、系统控制模块；所述多场耦合混杂传感器网络用于对复合材料机械连接结构的多种监测参数进行主动和／或被动实时在线传感；所述传感器网络接口模块用于所述多场耦合混杂传感器网络分别与所述的主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通道采集模块和系统控制模块之间的连接；所述主动信号调理及采集模块用于对传感器网络接口模块提供的传感信号进行放大、滤波、采集中的至少一种；所述任意信号发生模块用于产生任意波形信号和放大所述任意波形信号的功率，并把功率放大前后的任意波形信号作为触发信号和激励信号，分别提供给主动信号调理及采集模块和传感器网络接口模块；所述被动信号多通道采集模块用于多通道同步采集传感器网络接口模块提供的传感信号；所述多场耦合混杂传感器网络用于对复合材料机械连接结构的多种监测参数进行主动和／或被动实时在线传感；所述传感器网络接口模块用于所述多场耦合混杂传感器网络分别与所述的主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通道采集模块和系统控制模块之间的连接；所述主动信号调理及采集模块用于对传感器网络接口模块提供的传感信号进行放大、滤波、采集中的至少一种；所述任意信号发生模块用于产生任意波形信号和放大所述任意波形信号的功率，并把功率放大前后的任意波形信号作为触发信号和激励信号，分别提供给主动信号调理及采集模块和传感器网络接口模块；所述被动信号多通道采集模块用于多通道同步采集传感器网络接口模块提供的传感信号；所述结构状态监测模块用于根据采集到的多场耦合混杂传感器网络的传感信号，并根据所述传感信号分别得到被测复合材料机械连接结构的雷击电流和损伤等状况，从而得到被测复合材料机械连接结构的综合监测结果；所述的系统控制模块用于控制协调所述多场耦合混杂传感器网络、传感器网络接口模块、主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通道采集模块、结构状态监测模块、结构寿命预测模块和系统控制模块的工作，并负责与外部系统与设备之间的交互通信。...

【技术特征摘要】
1.一种复合材料机械连接结构综合监测系统，其特征在于，所述复合材料
机械连接结构综合监测系统包括多场耦合混杂传感器网络、传感器网络接口模
块、主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通道采集模块、
结构状态监测模块、系统控制模块；
所述多场耦合混杂传感器网络用于对复合材料机械连接结构的多种监测参
数进行主动和／或被动实时在线传感；
所述传感器网络接口模块用于所述多场耦合混杂传感器网络分别与所述的
主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通道采集模块和系
统控制模块之间的连接；
所述主动信号调理及采集模块用于对传感器网络接口模块提供的传感信号
进行放大、滤波、采集中的至少一种；
所述任意信号发生模块用于产生任意波形信号和放大所述任意波形信号的
功率，并把功率放大前后的任意波形信号作为触发信号和激励信号，分别提供
给主动信号调理及采集模块和传感器网络接口模块；
所述被动信号多通道采集模块用于多通道同步采集传感器网络接口模块提
供的传感信号；
所述多场耦合混杂传感器网络用于对复合材料机械连接结构的多种监测参
数进行主动和／或被动实时在线传感；
所述传感器网络接口模块用于所述多场耦合混杂传感器网络分别与所述的
主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通道采集模块和系
统控制模块之间的连接；
所述主动信号调理及采集模块用于对传感器网络接口模块提供的传感信号
进行放大、滤波、采集中的至少一种；
所述任意信号发生模块用于产生任意波形信号和放大所述任意波形信号的
功率，并把功率放大前后的任意波形信号作为触发信号和激励信号，分别提供
给主动信号调理及采集模块和传感器网络接口模块；
所述被动信号多通道采集模块用于多通道同步采集传感器网络接口模块提
供的传感信号；
所述结构状态监测模块用于根据采集到的多场耦合混杂传感器网络的传感
信号，并根据所述传感信号分别得到被测复合材料机械连接结构的雷击电流和
损伤等状况，从而得到被测复合材料机械连接结构的综合监测结果；
所述的系统控制模块用于控制协调所述多场耦合混杂传感器网络、传感器
网络接口模块、主动信号调理及采集模块、任意信号发生模块、被动信号多通
道采集模块、结构状态监测模块、结构寿命预测模块和系统控制模块的工作，
并负责与外部系统与设备之间的交互通信。
2.根据权利要求1所述的复合材料机械连接结构综合监测系统，其特征在
于，所述的多场耦合混杂传感器网络包括压电传感器子网络、柔性涡流传感器
子网络和Rogowski线圈子网络。
3.根据权利要求1所述的复合材料机械连接结构综合监测系统，其特征在
于，所述传感器网络接口模块连接多场耦合混杂传感器网络，用于对Rogowski
线圈子网络的电流传感信号的前置调理，对压电传感器子网络、柔性涡流传感
器子网络和Rogowski线圈子网络的选择以及控制对压电传感器子网络、柔性涡
流传感器子网络和Rogowski线圈子网络传感过程中多个采集通道的通断。
4.根据权利要求3所述的复合材料机械连接结构综合监测系统，其特征在
于，所述传感器网络接口模块包括Rogowski线圈多通道转换电路、多通道电压
放大及高压保护电路、多功能网络选择器、多通道选择器和第一通信及控制电

\t路；
所述Rogowski线圈多通道转换电路，用于对连接Rogowski线圈子网络输
入的多路电流微分信号进行积分并转换为电压信号，经多通道电压放大及高压
保护电路进行放大，并通过设置电压阈值来判断Rogowski线圈传感的雷击电流
微分信号是否过大；
所述多通道电压放大及高压保护电路，可快速切断Rogowski线圈子网络与
传感器网络接口模块的连接，用于保护所述复合材料机械连接结构综合监测系
统的硬件被过大的雷击电流信号烧坏；
所述多功能网络选择器，用于根据监测需求选择接通相应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：卿新林，蔡建，
申请(专利权)人：卿新林，
类型：发明
国别省市：江苏;32