王 群 焦競儀 王端志 張闖志 季寶鋒

(1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.北京精密機電控制設(shè)備研究所，北京 100076； 3.南京高華科技股份有限公司，南京 210000)

1 引 言

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的概念最早是由美國軍方提出的，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)類似于人體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]，將布置在結(jié)構(gòu)以及材料的關(guān)鍵部位或表面的傳感器、測試元件以及測試儀器作為神經(jīng)系統(tǒng)，同時將數(shù)據(jù)采集、控制以及信號處理等相關(guān)技術(shù)引進人工智能領(lǐng)域，使其以生物界的方式感知和測量材料和構(gòu)件在運行過程中的各種狀態(tài)(結(jié)構(gòu)整體形變、局部應(yīng)力應(yīng)變、強度、剛度等)以及所經(jīng)歷的外部環(huán)境，同時按照一定的評估方法，對構(gòu)件和材料的壽命、穩(wěn)定性、安全性以及可靠性等進行評估，在線監(jiān)測結(jié)構(gòu)的“健康”狀態(tài)，進一步用于結(jié)構(gòu)健康狀況預(yù)判及輔助相應(yīng)的控制決策，建立基于結(jié)構(gòu)實際健康狀況與性能的視情維護策略。

圍繞結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，國內(nèi)外已經(jīng)開展了近20年的研究，取得了較大進展。如Boeing公司采用傳感器對溫度和應(yīng)力進行遙測，實現(xiàn)了對航天飛機結(jié)構(gòu)的評估，并監(jiān)測了航天飛機所處的環(huán)境變化[2]；Airbus公司應(yīng)用FBG溫度和應(yīng)力傳感器監(jiān)測了運載器結(jié)構(gòu)的溫度變化和應(yīng)力情況，并在A340客機上進行了測試實驗，取得了較好的成果[3]；日本的Ogisu等[4]利用壓電陶瓷驅(qū)動器/FBG傳感器，實現(xiàn)了對新一代運載器先進合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測；德國航空中心的Konrath等研究用光纖傳感技術(shù)對微小運載器在風(fēng)洞低雷諾數(shù)、下滑運載條件下的物理參量進行集成測試；美國諾斯羅普·格魯門公司利用壓電傳感器及光纖傳感器，監(jiān)測具有隔段的F-18機翼結(jié)構(gòu)的損傷及應(yīng)變[5]；洛克希德·馬丁公司將Bragg光柵光纖傳感網(wǎng)絡(luò)用于X-33箱體結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力和溫度的準分布監(jiān)測。此外，DALTA II火箭的復(fù)合材料火箭發(fā)動機箱采用了基于光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，歐洲聯(lián)合研制的Eurofight 2000新型戰(zhàn)機亦采用了先進的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)。澳大利亞國防科學(xué)技術(shù)組織(DSTO)研制的用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的智能補丁“Smart Patch”已在F-18機翼前緣上進行了實驗等等。

從結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的發(fā)展和應(yīng)用看，不難發(fā)現(xiàn)，目前多集中在航空等領(lǐng)域，但隨著近年航天運載器的研制和日益頻繁的發(fā)射任務(wù)，航天領(lǐng)域同樣提出了迫切的需求。航天運載器在總裝完成后，相當(dāng)長的一段時間內(nèi)一直處于全箭封閉狀態(tài)。在這種使用模式下，運載器對于外界來說相當(dāng)于一個黑盒子，造成殼段結(jié)構(gòu)及箭體內(nèi)部處于無法監(jiān)測的狀態(tài)；尤其在發(fā)射前，決策者只能通過相信運載器結(jié)構(gòu)的可靠性而認為結(jié)構(gòu)是完好的，實際對于決策而言缺乏數(shù)據(jù)支撐。

基于以上原因，對于航天運載器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測變得十分必要和有意義。通過把微型傳感器(如溫度、壓力、噪聲、振動、沖擊、過載等功能傳感器)納入箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計之中，和箭體結(jié)構(gòu)集成為一體，從而達到結(jié)構(gòu)自身對環(huán)境參數(shù)、受載情況的實時監(jiān)測記錄，一方面實現(xiàn)全箭的貯存、運輸、總裝、運載全過程的可檢可測，另一方面可以快速輔助發(fā)射決策、提供故障分析依據(jù)，提高發(fā)射能力。根據(jù)航天運載器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需求，前期初步開展了溫度、振動、壓力等傳感器單機的設(shè)計研究，本文以溫度傳感器為例進行簡單介紹和交流。

2 無線溫度傳感器設(shè)計研究

基于系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)的溫度傳感器要求實現(xiàn)傳感器的實時測量、數(shù)據(jù)存儲與傳輸以及自主供電等功能。據(jù)此，設(shè)計了無線溫度傳感器電路，原理如圖1所示。該方案涉及電源模塊、MCU模塊、放大調(diào)理模塊和敏感元件模塊共四個模塊。研制后的無線溫度傳感器樣機如圖2所示(圖中為傳感器和6英寸屏幕手機的大小對比)。

圖1 無線溫度傳感器電路原理框圖Fig.1 Diagram of wireless temperature sensor circuit principle

圖2 無線溫度傳感器樣機示意圖Fig.2 Diagram of wireless temperature sensor prototype

2.1 電源模塊

按照箭上工作環(huán)境及敏感節(jié)點實際要求，電池需滿足如下條件：寬溫區(qū)工作，-40℃～85℃；低自放電系數(shù)，滿足兩年免維護要求；小體積，可充電；高能量密度；抗沖擊、振動、過載；高可靠，高安全系數(shù)。

傳感器選用高可靠性的二次鋰電池。針對寬溫區(qū)的指標要求，進行了電池高低溫試驗。試驗要求：(a)低溫試驗(-40℃)：低溫靜置4h，以30 mA恒流放電至2.5V；(b)高溫試驗(+85℃)：高溫靜置2h，以30mA恒流放電至2.5V；

測得試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果數(shù)據(jù)

Tab.1 Data of experiment

圖3 電池高低溫放電曲線圖Fig.3 Curve of battery discharging in high and low temperature

根據(jù)圖3放電曲線可以看出，溫度對電池的放電影響比較明顯，當(dāng)?shù)蜏?40℃時，電池放電容量要明顯低于+85℃時的放電容量。

同時，為了最大限度地發(fā)揮電池的續(xù)航能力，通過兩個肖特基二極管降壓之后，直接給射頻處理器供電，這樣電池的電量可以不經(jīng)中間器件損失，全部用于處理器供電。同時通過射頻處理器的IO端口電壓穩(wěn)壓之后供電，這樣可達到供電的可控。當(dāng)不需要采樣和發(fā)送時，射頻處理器可以進入低功耗模式，同時控制IO端口關(guān)閉電壓輸出，切斷給芯體的供電，從而有效地控制了電能的消耗，即在不需要供電的時候，將電源斷開，起到節(jié)能目的。

2.2 MCU模塊

無線溫度傳感器使用的射頻處理器由電池直接供電，通過GPIO端口輸出電壓穩(wěn)壓后為前端PT1000橋路供電，從而實現(xiàn)溫度敏感體供電可控，當(dāng)不需要傳感器工作時，可控制單機進入睡眠模式，此時敏感體電源也關(guān)斷，不會消耗電能流，從而延長產(chǎn)品的存儲期，提高電池電量的續(xù)航能力。MCU利用片上集成的射頻收發(fā)器，與無線接收設(shè)備進行無線通信，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。

為方便箭上結(jié)構(gòu)安裝以及集成化小型化的總體思路，在傳感器采集節(jié)點外殼上安裝一個突出的天線體顯然不適合，同時考慮到傳感器節(jié)點的安裝方向不固定，所以要求天線的敏感角度至少能滿足半球覆蓋。綜合考慮后，本方案傳感器節(jié)點的天線方案采用與外殼一體的微帶板式設(shè)計。利用HFSS軟件(三維電磁仿真軟件)進行了仿真研究，考慮到小型化設(shè)計，天線尺寸很小并且要求180度全輻射，天線結(jié)構(gòu)的微帶天線形式如圖4所示，采用同軸電纜饋電，極化方式為垂直極化。測試參數(shù)如圖5所示。

從仿真結(jié)果可以看出，天線的設(shè)計滿足使用要求。

圖4 微帶天線示意圖Fig.4 Diagram of microstrip antenna

圖5 無線傳感器天線測試方向圖Fig.5 Diagram of antenna pattern of wireless temperature sensor antenna

2.3 敏感元件模塊

溫度敏感體為PT1000，通過如圖橋路輸出差分信號。在單片機的GPIO口后連接一塊MAX6034電壓基準進行穩(wěn)壓處理來提供穩(wěn)定的電壓。

2.4 放大調(diào)理模塊

由于MCU中ADC的參考電壓為1V，無法直接接收敏感體輸出的差分電壓信號。所以需要添加放大調(diào)理模塊來實現(xiàn)信號AD采樣。通過MAX6034電壓基準將GPIO口電壓轉(zhuǎn)化為儀表放大器所需的2.5V參考電壓，由儀表放大器將信號轉(zhuǎn)化為MCU能夠接收的(0～1)V的電壓信號輸入到單片機的AD口。

圖6 放大調(diào)理電路圖Fig.6 Diagram of enlarge conditioning circuit

溫度傳感器有兩個不同的量程，分別為(-40～85)℃、(-40～200)℃。不同量程的傳感器輸出的差分信號大小也不同，通過調(diào)整上RG(圖 6中的R8)的大小來實現(xiàn)不同信號的調(diào)理。

3 搭載整機試驗考核驗證

將溫度傳感器搭載某運載器整機聯(lián)合熱試車試驗，考核評價結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在航天器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用情況。

為了對比微型溫度傳感器和整機試驗熱環(huán)境數(shù)據(jù)的差異性，在測點位置布局時盡量保證兩側(cè)點位置相近。如圖7(a)、(b)所示，分別為溫度傳感器和傳統(tǒng)傳感器溫度環(huán)境測量結(jié)果。

(a) 溫度傳感器測量數(shù)據(jù) (b) 傳統(tǒng)傳感器環(huán)境測量數(shù)據(jù)圖7 熱環(huán)境測量數(shù)據(jù)記錄曲線圖Fig.7 Curve of thermal environment measurement data

從圖中可以看出，兩曲線趨勢基本相同，但在數(shù)據(jù)處理方面存在一定的差異。初步分析主要是因為研制的溫度傳感器數(shù)據(jù)采集方面波動不均勻，測量精度有待進一步提高。但整體看，溫度傳感器測量數(shù)據(jù)和傳統(tǒng)傳感器試驗數(shù)據(jù)趨勢基本吻合，溫度區(qū)間范圍一致。初步驗證了溫度傳感器方案的正確性及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在航天器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的可行性。

4 后續(xù)工作的思考

關(guān)于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測在航天運載器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用，前期只進行了初步的探索和嘗試，還有許多工作需要繼續(xù)探索和研究。

4.1 傳感器小型化集成化研究

目前研制的傳感器相對于傳統(tǒng)使用的傳感器在體積和重量上都要小數(shù)倍，但要實現(xiàn)整個運載器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，至少需要上百個傳感器，總和加起來將使運載器附加相當(dāng)大的重量。所以要實現(xiàn)傳感器在航天運載器結(jié)構(gòu)上的推廣和應(yīng)用，還需要進一步提高傳感器的小型化和集成化，大幅度減小傳感器結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和體積，同時實現(xiàn)溫度、振動、沖擊、應(yīng)力、壓力等監(jiān)測功能一體化，讓傳感器成為運載器結(jié)構(gòu)真正意義上的“電子皮膚”。

4.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究

要實現(xiàn)航天運載器結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測，需要在結(jié)構(gòu)上安置大量的傳感器，形成遍布結(jié)構(gòu)的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”。有別于單機傳感器的情況，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)仍有許多問題有待解決。

如測點的空間分布，即傳感器的最優(yōu)布置問題。測點布置應(yīng)使獲得的測試數(shù)據(jù)盡量包含更多的結(jié)構(gòu)整體和局部的信息，且這些測點信息對于損傷應(yīng)是足夠敏感的，即具有較小的信息熵[6]，因此優(yōu)化測點布置具有重要意義。

又如傳感器的供電問題，運載器裝整裝貯過程中，再給每個傳感器更換電池是不現(xiàn)實的，而且這也是一項非常大的工作量，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的供電形式有待進一步進行優(yōu)化；另外，還需進一步考慮大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸問題；傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究還同時涉及到電纜的排布和優(yōu)化，傳感器和結(jié)構(gòu)的快速連接，傳感器的可靠性、穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性以及智能感知系統(tǒng)的冗余設(shè)計等等一系列問題。

4.3 全壽命周期監(jiān)測大數(shù)據(jù)的分析與后處理技術(shù)研究

箭體結(jié)構(gòu)全壽命周期采集的數(shù)據(jù)量非常大，如何通過后期的大數(shù)據(jù)處理、對比和分析，從大量測試數(shù)據(jù)中篩選辨識出有用的信息成為航天運載器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)之一。后續(xù)還可以結(jié)合人工智能技術(shù)，設(shè)計開發(fā)出能夠自動分析、辨別、預(yù)警的軟件。

5 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一項復(fù)雜的工程，涵蓋了多學(xué)科多專業(yè)，若要在航天領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用，還需要深入進行相關(guān)探索研究。實現(xiàn)智能感知系統(tǒng)的輕質(zhì)化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和精細化，打造航天智能殼段結(jié)構(gòu)[7]，對于促進航天工程的發(fā)展具有重要意義和深遠影響。

[1] 卿新林，王奕首，高麗敏等．多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)狀體感知系統(tǒng)[J].實驗力學(xué)，2011，26(5)：611～616．

[2] 張博明，郭艷麗．基于光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)的航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].上海大學(xué)學(xué)報，2014，20(1)：33～42．

[3] 楊波，彭俊毅．光纖光柵傳感器在現(xiàn)代大型飛機中的應(yīng)用探討[C].大型飛機關(guān)鍵技術(shù)高層論壇暨中國航空學(xué)會年學(xué)術(shù)年會，2007):531～535．

[4] Ogisu T，Shimanuki M，Kiyoshima S，et al． Development of damage monitoring system for aircraft structure using a PZT actuator/FBG sensor hybrid system[C].//Smart Structures and Materials 2004: Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies，2004:425～436．

[5] Staszewsi W， Boller C． Strctural Health Monitoring of Aerospace Strcture[M]． Wiley Inter science， Join-Wiley & Sons Inc.，2004．

[6] 顧鈞元，徐廷學(xué)，余仁波，等．結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].兵工自動化，2011，30(8)：61～64．

[7] 李洪．智慧火箭發(fā)展路線思路[J].宇航總體技術(shù)，2017，1(1)：1～7．