孫劍 高麗敏 邱雷 范澎澎

摘要：針對(duì)飛機(jī)短艙和吊掛關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需求與目標(biāo)，制定了總體監(jiān)測(cè)方案，根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)對(duì)多種傳感器進(jìn)行了合理化布局，并對(duì)多臺(tái)監(jiān)測(cè)設(shè)備的軟硬件進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，解決了多設(shè)備總線通信、3D模型顯示與處理、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，利用LabVIEW編制了上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)了用一臺(tái)上位機(jī)管控多傳感器數(shù)據(jù)采集、多設(shè)備參數(shù)配置與數(shù)據(jù)傳輸、多類型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理等復(fù)雜功能，并且能在3D模型上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化，還具備了結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化動(dòng)態(tài)回放、歷史數(shù)據(jù)可查詢以及可擴(kuò)展性等功能。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)達(dá)到了飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性、結(jié)果顯示直觀性、數(shù)據(jù)管理規(guī)范性、人機(jī)交互便捷性等設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展具有一定的意義。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè);總線通信;數(shù)據(jù)庫(kù);3D模型;LabVIEW

0引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）技術(shù)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)民機(jī)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，保障飛行安全，且在飛機(jī)維護(hù)維修中發(fā)揮重要作用，不僅可以減少維修維護(hù)工時(shí)，提高效率，降低成本，還可對(duì)飛機(jī)某些不可達(dá)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另外對(duì)于結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)也頗具意義^[1]。

近年來，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外多型軍機(jī)型號(hào)上得到了實(shí)際應(yīng)用，在民機(jī)領(lǐng)域，由于適航等因素，目前尚處于地面驗(yàn)證或飛行驗(yàn)證階段。例如，美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在達(dá)美航空公司運(yùn)營(yíng)的9架波音737飛機(jī)上安裝了壓電傳感器和裂紋傳感器監(jiān)測(cè)飛機(jī)狀態(tài);空客對(duì)A350XWB開展了多種結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法的飛行驗(yàn)證，包括艙門碳纖維機(jī)體結(jié)構(gòu)的沖擊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、垂尾平面連接螺釘?shù)睦祛A(yù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)、水平安定面的載荷監(jiān)測(cè)等;龐巴迪公司在其新型的Learjet-85公務(wù)機(jī)的復(fù)合材料垂直安定面上安裝了壓電傳感器，并進(jìn)行了試飛測(cè)試。

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)和南京航空航天大學(xué)等多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)基于光纖、壓電、聲發(fā)射等傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和地面驗(yàn)證工作，飛行驗(yàn)證工作也在開展之中。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)利用壓電傳感器、光纖傳感器、納米涂層傳感器和智能涂層傳感器等在短艙吊掛、機(jī)翼翼盒、機(jī)身蒙皮或門框區(qū)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上實(shí)施監(jiān)測(cè)，建立多功能的綜合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

傳統(tǒng)上，每種監(jiān)測(cè)任務(wù)都需要使用一套完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，增加了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外在連接的復(fù)雜度.降低了系統(tǒng)的可靠性和執(zhí)行效率。為了提高結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的集成度、可靠性，有必要開展結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟硬件集成技術(shù)的研究，且需突破其中涵蓋的關(guān)鍵技術(shù)。

本文針對(duì)飛機(jī)短艙和吊掛關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求，利用多傳感器融合與軟硬件集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生撞擊事件、應(yīng)變狀態(tài)、金屬疲勞裂紋等狀態(tài)變化時(shí)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)目標(biāo)。

1總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

短艙和吊掛結(jié)構(gòu)可能會(huì)因意外撞擊、應(yīng)力集中及金屬疲勞等原因而產(chǎn)生諸如應(yīng)變、撞擊損傷、疲勞裂紋等結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)破壞。通過在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上集成的傳感器，在線監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化情況，輔以無(wú)損檢測(cè)手段定期巡檢，可對(duì)結(jié)構(gòu)破壞提前預(yù)警，避免事故的發(fā)生。

對(duì)于短艙結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣道和風(fēng)扇罩大量采用復(fù)合材料制成，在受到飛鳥、石子或冰雹等外力撞擊后易產(chǎn)生肉眼無(wú)法察覺的分層等內(nèi)部損傷及應(yīng)變，因而可利用集成于結(jié)構(gòu)上的納米涂層、光纖光柵等傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)氣道和風(fēng)扇罩等關(guān)鍵部位的撞擊位置、能量及應(yīng)變狀態(tài)^[2-3]。

對(duì)于吊掛結(jié)構(gòu)，吊掛連桿因受力較大易產(chǎn)生疲勞裂紋，將智能涂層監(jiān)測(cè)（ICM）傳感器固定于吊掛連桿結(jié)構(gòu)的連接孔周圍，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬疲勞裂紋。

本文設(shè)計(jì)了短艙進(jìn)氣道和吊掛結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成的總體架構(gòu)方案，如圖1所示。在此方案中，利用與結(jié)構(gòu)集成為一體的納米涂層傳感器監(jiān)測(cè)撞擊事件，利用光纖光柵傳感器監(jiān)測(cè)應(yīng)變狀態(tài)，利用智能涂層傳感器監(jiān)測(cè)金屬疲勞裂紋。

2傳感器布局

短艙進(jìn)氣道試驗(yàn)件由復(fù)合材料制成，在試驗(yàn)件中部位置設(shè)計(jì)有維修窗口，窗口邊緣易成為應(yīng)力集中區(qū)域，所以在維修窗口的邊緣處布置了光纖光柵傳感器以監(jiān)測(cè)應(yīng)變，另外在中間窗口下方噴涂了4個(gè)納米涂層傳感器以監(jiān)測(cè)撞擊事件，如圖2所示。

吊掛連桿試驗(yàn)件由金屬制成，在試驗(yàn)件兩端位置設(shè)計(jì)有4個(gè)連接孔，在每個(gè)孔的外側(cè)各粘貼了1個(gè)智能涂層傳感器以監(jiān)測(cè)裂紋產(chǎn)生及大小，如圖3所示。

3系統(tǒng)硬件集成

硬件集成的關(guān)鍵技術(shù)是上位機(jī)與各傳感設(shè)備之間的接口設(shè)計(jì)。接口類型在傳感設(shè)備硬件設(shè)計(jì)時(shí)即已確定，接口決定了通信總線和通信協(xié)議。如果作為主控計(jì)算機(jī)的上位機(jī)與下位機(jī)即各傳感設(shè)備的接口類型不一致，則需通過轉(zhuǎn)接模塊進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換。在本文的設(shè)計(jì)中，上位機(jī)與光纖光柵傳感設(shè)備、納米涂層傳感設(shè)備之間的通信接口為以太網(wǎng)接口，兩臺(tái)設(shè)備通過一臺(tái)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與上位機(jī)連接，通信協(xié)議采用TCP/IP協(xié)議，智能涂層傳感設(shè)備通過RS485轉(zhuǎn)USB模塊與上位機(jī)連接，通信協(xié)議采用串口協(xié)議^[4]，如圖4所示。

4系統(tǒng)軟件集成

4.1功能模塊

由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的各傳感子系統(tǒng)可以共用通信總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和共享，且它們的數(shù)據(jù)最終都會(huì)被上傳至上位機(jī)，故可將各傳感子系統(tǒng)的顯控軟件集成為一個(gè)顯控軟件，運(yùn)行于上位機(jī)，由上位機(jī)統(tǒng)一管理和控制。

上位機(jī)軟件功能模塊包括總線通信、數(shù)據(jù)庫(kù)、3D模型顯示與處理、用戶界面等模塊，如圖5所示。各模塊的功能為：總線通信模塊使上位機(jī)通過總線獲取傳感系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，并能對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)、工作模式等進(jìn)行配置;數(shù)據(jù)庫(kù)模塊用于存儲(chǔ)各傳感設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，以及查詢歷史數(shù)據(jù);3D模型顯示與處理模塊用于試驗(yàn)件3D模型導(dǎo)入、傳感器布局、顯示應(yīng)變?cè)茍D、撞擊及裂紋的動(dòng)態(tài)效果和歷史回放;用戶界面模塊能實(shí)時(shí)顯示結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的大小和位置坐標(biāo)，用戶通過人機(jī)交互界面操控軟件，完成相應(yīng)監(jiān)測(cè)任務(wù)。

4.2運(yùn)行機(jī)制

上位機(jī)軟件采用LabVIEW語(yǔ)言開發(fā)^[5]，基于軟件的任務(wù)和功能，確定了軟件的總體運(yùn)行機(jī)制，如圖6所示。

在此機(jī)制中，核心環(huán)節(jié)為SHM任務(wù)操作、任務(wù)初始化和任務(wù)執(zhí)行。SHM任務(wù)操作包括新建任務(wù)或?qū)胍粋€(gè)已有任務(wù)并進(jìn)行修改。

新建一個(gè)SHM任務(wù)首先要導(dǎo)入3D模型文件，為其配置若干臺(tái)SHM設(shè)備，針對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，包括設(shè)備名稱及屬性、工作參數(shù)、數(shù)據(jù)及結(jié)果屬性、通信參數(shù)等，同時(shí)導(dǎo)入并在模型上添加傳感器網(wǎng)絡(luò);然后對(duì)SHM數(shù)據(jù)管理進(jìn)行設(shè)置，如數(shù)采時(shí)間段長(zhǎng)度、硬盤容量限制等;最后系統(tǒng)軟件對(duì)上述用戶設(shè)置進(jìn)行相容性檢查，檢查通過后完成SHM任務(wù)新建工作，并保存該任務(wù);修改任務(wù)的過程與新建任務(wù)類似，已設(shè)置好的參數(shù)可直接跳過。

SHM任務(wù)初始化時(shí)，系統(tǒng)軟件會(huì)檢查上位機(jī)與各SHM設(shè)備的通信狀態(tài)，并下發(fā)SHM設(shè)備工作指令參數(shù)，正常后進(jìn)入任務(wù)執(zhí)行階段。

SHM任務(wù)執(zhí)行時(shí)，SHM設(shè)備管理功能、數(shù)據(jù)管理功能和可視化管理功能并行運(yùn)行，SHM設(shè)備管理同時(shí)與多個(gè)SHM設(shè)備通信并讀取數(shù)據(jù)。為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不丟失，對(duì)SHM數(shù)據(jù)管理模塊和可視化管理模塊采用了多進(jìn)程、并行循環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即針對(duì)每一臺(tái)SHM設(shè)備建立一個(gè)控制循環(huán)，多個(gè)系統(tǒng)控制循環(huán)之間并行執(zhí)行，相互獨(dú)立。在每個(gè)控制循環(huán)中，軟件通過通信接口實(shí)時(shí)監(jiān)聽并讀取SHM設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后在SHM設(shè)備子界面上顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果;與此同時(shí)，上述三項(xiàng)功能還與用戶界面實(shí)時(shí)交互，在軟件主界面的3D模型上動(dòng)態(tài)、同步顯示結(jié)構(gòu)的多種狀態(tài)變化情況，并接受用戶的操作控制。

4.3數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)和管理設(shè)備工作參數(shù)、試驗(yàn)件模型數(shù)據(jù)、各傳感設(shè)備采集的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和處理結(jié)果數(shù)據(jù)等，并實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)可查詢。系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)組成如圖7所示。

數(shù)據(jù)組成包括幾類：傳感設(shè)備工作參數(shù)，如采樣率、采樣長(zhǎng)度、采集數(shù)據(jù)類型、通道選擇等;傳感設(shè)備輸出數(shù)據(jù)，由傳感設(shè)備產(chǎn)生的原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及傳感設(shè)備處理后的結(jié)果等組成，以及上位機(jī)獲取這些結(jié)果的運(yùn)行時(shí)刻;數(shù)據(jù)二次處理參數(shù)及結(jié)果，根據(jù)傳感設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或結(jié)果進(jìn)行二次處理的數(shù)據(jù)結(jié)果，如應(yīng)變?cè)茍D、曲線擬合等;結(jié)構(gòu)試件的三維模型，由CATIA導(dǎo)出的結(jié)構(gòu)試件3D模型源文件及顯示設(shè)置參數(shù);傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)置參數(shù)，包括傳感器類型、傳感器坐標(biāo)、用戶定義的傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，設(shè)計(jì)了SHM數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)控件，并結(jié)合時(shí)間段信息形成了SHM數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，這樣上位機(jī)即可通過數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)時(shí)間段信息有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢等數(shù)據(jù)管理功能。

4.4 3D模型顯示與處理

3D模型顯示與處理主要包括試驗(yàn)件3D模型導(dǎo)入、傳感器網(wǎng)絡(luò)配置以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示等^[5]，其功能框圖如圖8所示。

1） 3D模型導(dǎo)入

考慮到CATIA 3D模型源文件與LabVIEW所支持的3D文件格式的兼容性，以及CATIA支持將3D模型源文件直接轉(zhuǎn)換為.wrl格式的3D模型文件，所以本研究采用CATIA將3D模型文件轉(zhuǎn)化為wrl格式后，再導(dǎo)入至LabVIEW中，導(dǎo)入后的3D模型可進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)等操作^[6]。

2）傳感器網(wǎng)絡(luò)配置

根據(jù)用戶設(shè)定的傳感器信息數(shù)據(jù)識(shí)別出傳感器類型，并結(jié)合3D模型解析數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行傳感器屬性設(shè)置，在3D模型上實(shí)現(xiàn)傳感器顏色、大小以及位置坐標(biāo)等信息的顯示。

3）結(jié)構(gòu)狀態(tài)顯示

根據(jù)接收到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型及分析結(jié)果，在3D模型上實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、同步地顯示結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化效果，包括應(yīng)變?cè)茍D、撞擊定位、裂紋大小等，同時(shí)還設(shè)計(jì)了語(yǔ)音播報(bào)提醒功能。

5演示驗(yàn)證試驗(yàn)

在短艙進(jìn)氣道和吊掛連桿結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件上安裝了傳感器，然后對(duì)系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了集成設(shè)計(jì)，最后通過演示試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

光纖光柵傳感器粘貼在進(jìn)氣道內(nèi)壁維修窗口四周，如圖9所示。納米涂層傳感器噴涂于進(jìn)氣道上內(nèi)壁蒙皮，如圖10所示。納米涂層傳感器采用聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚偏氟乙稀（PVDF）基體材料，溶解于酒精等溶劑以便進(jìn)行噴涂，通過局部加熱加速溶劑揮發(fā)及基體固化，另外還于內(nèi)壁噴涂了傳輸信號(hào)用的銀漿導(dǎo)線。

進(jìn)氣道試驗(yàn)件對(duì)應(yīng)于一個(gè)SHM任務(wù)，由于3D應(yīng)變?cè)茍D的計(jì)算量較大，使得該任務(wù)的監(jiān)測(cè)周期達(dá)到2s左右。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)軟件能夠在3D模型上實(shí)時(shí)顯示撞擊事件和應(yīng)變?cè)茍D，不會(huì)發(fā)生卡頓和數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，且監(jiān)測(cè)結(jié)果與SHM設(shè)備單獨(dú)監(jiān)測(cè)時(shí)的結(jié)果完全一致，滿足實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性要求。

智能涂層傳感器安裝于吊掛連桿上圓孔外側(cè)邊緣位置處，如圖11所示。

吊掛連桿試驗(yàn)件對(duì)應(yīng)于另一個(gè)SHM任務(wù)，監(jiān)測(cè)周期小于1s。試驗(yàn)結(jié)果表明，上位機(jī)與智能涂層傳感系統(tǒng)通信正常，未發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或其他通信故障;歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完整，查詢方便;裂紋引起的結(jié)構(gòu)狀態(tài)改變能夠?qū)崟r(shí)體現(xiàn)在上位機(jī)程序界面的3D模型上。

6結(jié)論

針對(duì)飛機(jī)短艙和吊掛結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)需求，制定了監(jiān)測(cè)的方案，并對(duì)應(yīng)變、撞擊和裂紋監(jiān)測(cè)設(shè)備的軟硬件進(jìn)行了集成化設(shè)計(jì)，成功地解決了多設(shè)備總線通信、多類型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理、3D模型顯示與處理、人機(jī)交互設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)問題，應(yīng)用了納米涂層傳感器及銀漿導(dǎo)線等新技術(shù)，還對(duì)試驗(yàn)件及監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行了可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)管理規(guī)范性以及結(jié)構(gòu)狀態(tài)顯示直觀性，滿足了對(duì)飛機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)、多任務(wù)、多結(jié)構(gòu)條件下的結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)要求。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案相比，本方案提高了軟硬件集成度，提升了工作效率，降低了故障率。驗(yàn)證試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)達(dá)到了通信實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性、結(jié)果顯示直觀性、數(shù)據(jù)管理規(guī)范性、人機(jī)交互便捷性，以及可擴(kuò)展性等設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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