跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置、监测及制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置、监测及制备方法，装置包括无源传感系统和电路监测系统；无源传感系统包括舱壁复合结构，一组舱内换能器、舱外换能器分别安装于金属舱壁的内侧和外侧；电路监测系统，用于发射激励舱内换能器的交流信号，同时监测从舱内换能器两电极看入舱壁复合结构的电学复阻抗，通过对阻抗的测量获得舱壁复合结构的谐振频率值，根据谐振频率值的偏移情况判别熔丝线的通断情况。本发明专利技术只采用一对跨金属壁换能器，其中舱外换能器与用于传感的金属熔丝线连接，舱内换能器同时完成激励和监测两个功能，从而简化了结构，避免了能量串扰问题、谐振匹配性问题，同时降低了传感器的安装难度和制作成本。制作成本。制作成本。

【技术实现步骤摘要】
跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置、监测及制备方法


[0001]本专利技术属于飞行器监测
，涉及一种跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置、监测及制备方法。

技术介绍

[0002]防热层作为飞行器的保护伞，起到将机体外部的气动高温与机体内部进行有效隔离的作用。尤其是可重用飞行器，其防热层在长期、多次反复的高温和气动应力冲击下，有可能发生烧损、开裂甚至脱落等安全隐患。因此对防热层的烧损状态监测显得极为重要，例如一旦发现损伤能及时利用变轨、调整再入姿态等手段规避灾难。
[0003]受到飞行器重量和尺寸限制，红外热成像、主动声学探伤等手段可测量的面积十分有限；在防热层内埋植各类无源传感器如光纤温度传感器、热电偶传感器是解决大面积覆盖监测的有效手段，但要将信号线缆透过机舱壁传回机舱内部，大量穿孔结构会破坏机舱壁面完整性，带来额外的结构、强度等方面的隐患。
[0004]无线无源传感器是恶劣环境下物理量监测的发展方向，例如文献“基于微波的无线无源贴片式温度传感器”（DOI:10.13250/j.cnki.wndz.2018.02.006）、公开号CN103698060A的专利、公开号CN109342460A的专利、公开号CN112378424A的专利提出的基于电感、电容等无源电学谐振结构，其LC谐振频率能够响应温度、压力、裂纹等物理量的变化，并且能够以电磁耦合的方式将谐振特征信息耦合至无线接收端，通过对谐振频率的分析，获得恶劣环境中的物理参量。然而这些方法受限于电磁耦合方式，只能应用于穿透非金属（如复合材料）壁面，无法应用在封闭的金属舱体内部对舱外的防热层进行烧损监测。
[0005]文献“跨飞行器金属舱壁无线无源烧损传感技术”（DOI:10.13435/j.cnki.ttc.003142）公开了一种能够跨过金属舱壁进行无源传感的方法，该方法是基于声学能量耦合与电路熔断相结合的方式，用两对压电换能器和熔丝线一起，构建了“电声转换
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电学传感
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声电转换”的传感结构。其中一对换能器完成激励功能，另一对完成信号监测功能，实现了对金属舱壁外部的防热层埋植熔丝通断状态的监测。结构出现过热、机械损伤、剥落等隐患时，埋植熔丝断裂被感知，实现了对防热结构烧损的监测。
[0006]在实现本专利技术的过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在以下不足之处：（1）两对压电换能器沿金属壁的水平方向上会有能量串扰。这决定了两对换能器之间需要保持较远的距离，否则靠近时的相互串扰会严重影响判决裕度，因此无法安装在空间较小的壁面上。
[0007]（2）两对压电换能器结构的谐振匹配性问题。由于声电材料的谐振频带很窄，两对换能器的复合结构需要具有共同的谐振频点，才能构成有效的能量通路。实际中胶黏剂厚度差异、异型部位壁面厚度差异、换能器批次性差异等因素，都会引起声学结构的谐振点偏移，影响能量的顺利流过，这对装配精度、工艺精度带来了较高的要求。
[0008]（3）两对换能器都需要严格对准，这加剧了安装难度和制作成本。

技术实现思路

[0009]为了解决上述问题，本专利技术提供一种跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置，只采用一对跨金属壁换能器，其中舱外换能器与用于传感的金属熔丝线连接，舱内换能器同时完成激励和监测两个功能，从而简化了结构，避免了能量串扰问题、谐振匹配性问题，并且降低了传感器的安装难度和制作成本。
[0010]本专利技术的另一目的是，提供一种跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置的监测方法。
[0011]本专利技术的另一目的是，提供一种跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置的制备方法。
[0012]由于舱内换能器的端口同时被激励和监测所公用，激励信号和监测信号是混叠的且频率相同无法分离，难以采用传统的信号监测手段判决。为实现上述目的，本专利技术利用了一种新的监测原理：金属熔丝线通断改变了压电材料二次压电效应，导致了压电材料弹性顺服常量的变化，进而引起了系统电学阻抗变化；通过监测并分析端口复阻抗与频率的变化关系，判别金属熔丝线状态。
[0013]本专利技术所采用的技术方案是，一种基于跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置，包括无源传感系统和电路监测系统；所述无源传感系统包括舱壁复合结构，舱壁复合结构由舱内换能器、金属舱壁、舱外换能器和埋置于防热层中的熔丝线组成；一组舱内换能器、舱外换能器分别安装于金属舱壁的内侧和外侧，用于通过声波将能量跨金属舱壁传输至舱外，并将携带有熔丝线通断状态的声波信号反射回舱内；所述电路监测系统，用于发射激励舱内换能器的交流信号，同时监测从舱内换能器两电极看入舱壁复合结构的电学复阻抗，通过对阻抗的测量获得舱壁复合结构的谐振频率值，根据谐振频率值的偏移情况判别熔丝线的通断情况。
[0014]进一步的，所述舱内换能器、舱外换能器同轴线且均能产生轴向的纵波，舱内换能器和舱外换能器具有相同的谐振频率；舱外换能器的两电极连接于熔丝线的两端，防热层设于金属舱壁的外壁，舱外换能器具有自由的机械边界；舱内换能器的两电极连接于阻抗测量单元的测量端口，扫频信号源的输出端与阻抗测量单元的输入端连接，阻抗测量单元的输出端与损伤判决单元的输入端相连。
[0015]进一步的，所述电路监测系统包括扫频信号源、阻抗测量单元、损伤判决单元；所述扫频信号源输出端与舱内换能器的两电极连接，扫频信号源用于产生激励舱内换能器的交流信号，并为阻抗测量单元提供频率可调的本地参考信号；扫频信号源的频率扫描范围覆盖了舱壁复合结构的谐振频带；所述阻抗测量单元，用于测量从舱内换能器两电极看入舱壁复合结构的电学复阻抗；所述损伤判决单元，用于对阻抗测量单元的结果进行分析、判断防热层的损伤情况。
[0016]进一步的，所述阻抗测量单元包括阻抗计算模块、功分器、定向耦合器；扫频信号源产生的交流信号通过功分器分离出入射分量作为参比信号输送至阻抗计算模块，其余的交流信号通过定向耦合器施加于舱内换能器，舱内换能器的反射信号通过定向耦合器输送
至阻抗计算模块，阻抗计算模块根据接收的两个信号计算出舱内换能器端口在该频点下的反射系数，进而计算出舱内换能器端口在该频点下的电学复阻抗。
[0017]进一步的，所述阻抗测量单元包括阻抗计算模块、端口电压采样模块、入口电压采样模块；扫频信号源的输出端与舱内换能器的两电极连接，扫频信号源与舱内换能器之间串联有已知的定值电阻，扫频信号源的入口处连接有入口电压采样模块，舱内换能器的两电极端口处连接有端口电压采样模块，根据定值电阻与舱内换能器的端口电阻的分压比例和相位延迟关系，计算出舱内换能器端口在该频点下的电学复阻抗。
[0018]进一步的，所述阻抗测量单元包括阻抗计算模块、端口电压采样模块、端口电流采样模块；扫频信号源的输出端与舱内换能器的两电极连接，将扫频信号源的交流信号直接施加于舱内换能器端口，舱内换能器的两电极端口处连接有端口电压采样模块，扫频信号源与舱内换能器之间的电路上连接有端口电流采样模块，同时采样舱内换能器端口的电压和电流波形，根据两者的幅度和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置，其特征在于，包括无源传感系统（1）和电路监测系统（2）；所述无源传感系统（1）包括舱壁复合结构，舱壁复合结构由舱内换能器（12）、金属舱壁（11）、舱外换能器（16）和埋置于防热层（14）中的熔丝线（13）组成；一组舱内换能器（12）、舱外换能器（16）分别安装于金属舱壁（11）的内侧和外侧，用于通过声波将能量跨金属舱壁（11）传输至舱外，并将携带有熔丝线（13）通断状态的声波信号反射回舱内；所述电路监测系统（2），用于发射激励舱内换能器（12）的交流信号，同时监测从舱内换能器（12）两电极看入舱壁复合结构的电学复阻抗，通过对阻抗的测量获得舱壁复合结构的谐振频率值，根据谐振频率值的偏移情况判别熔丝线（13）的通断情况。2.根据权利要求1所述一种基于跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置，其特征在于，所述舱内换能器（12）、舱外换能器（16）同轴线且均能产生轴向的纵波，舱内换能器（12）和舱外换能器（16）具有相同的谐振频率；舱外换能器（16）的两电极连接于熔丝线（13）的两端，防热层（14）设于金属舱壁（11）的外壁，舱外换能器（16）具有自由的机械边界；舱内换能器（12）的两电极连接于阻抗测量单元（21）的测量端口，扫频信号源（23）的输出端与阻抗测量单元（21）的输入端连接，阻抗测量单元（21）的输出端与损伤判决单元（22）的输入端相连。3.根据权利要求1所述一种基于跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置，其特征在于，所述电路监测系统（2）包括扫频信号源（23）、阻抗测量单元（21）、损伤判决单元（22）；所述扫频信号源（23）输出端与舱内换能器（12）的两电极连接，扫频信号源（23）用于产生激励舱内换能器（12）的交流信号，并为阻抗测量单元（21）提供频率可调的本地参考信号；扫频信号源（23）的频率扫描范围覆盖了舱壁复合结构的谐振频带；所述阻抗测量单元（21），用于测量从舱内换能器（12）两电极看入舱壁复合结构的电学复阻抗；所述损伤判决单元（22），用于对阻抗测量单元（21）的结果进行分析、判断防热层（14）的损伤情况。4.根据权利要求3所述一种基于跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置，其特征在于，所述阻抗测量单元（21）包括阻抗计算模块（27）、功分器（28）、定向耦合器（29）；扫频信号源（23）产生的交流信号通过功分器（28）分离出入射分量作为参比信号输送至阻抗计算模块（27），其余的交流信号通过定向耦合器（29）施加于舱内换能器（12），舱内换能器（12）的反射信号通过定向耦合器（29）输送至阻抗计算模块（27），阻抗计算模块（27）根据接收的两个信号计算出舱内换能器（12）端口在该频点下的反射系数S11，进而计算出舱内换能器（12）端口在该频点下的电学复阻抗。5.根据权利要求3所述一种基于跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置，其特征在于，所述阻抗测量单元（21）包括阻抗计算模块（27）、端口电压采样模块（30）、入口电压采样模块（31）；扫频信号源（23）的输出端与舱内换能器（12）的两电极连接，扫频信号源（23）与舱内换能器（12）之间串联有已知的定值电阻，扫频信号源（23）的入口处连接有入口电压采样模块（31），舱内换能器（12）的两电极端口处连接有端口电压采样模块（30），根据定值电阻与舱内换能器（12）的端口电阻的分压比例和相位延迟关系，计算出舱内换能器（12）端口在该频点下的电学复阻抗。
6.根据权利要求3所述一种基于跨金属壁埋植式单端口无源烧损传感装置，其特征在于，所述阻抗测量单元（21）包括阻抗计算模块（27）、...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢楷，郭云冲，刘艳，权磊，吴必成，宋江文，谷恺恒，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：