CN103693211A - 一种直升机旋转部件信号的测试方法及无线采集设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直升机旋转部件信号的测试方法及无线采集设备，其中，该方法包括：在直升机的旋转部件上设置传感采集部件，其中，传感采集部件包括以下的一种或多种：应变片，光纤；通过传感采集部件获取旋转部件的检测信号，以对旋转部件进行故障测试。本发明在直升机的旋转部件上设置传感采集部件，并通过设置的传感部件采集检测信号，以对旋转部件进行故障检测，实现直升机在工程应用中信号的在线实时监测，对排查旋转部件的故障提供了依据，解决了对旋转部件的数据采集方式存在布线过长、线路繁琐等问题，难以在实际型号中得到良好的工程应用，导致无法对工程中应用的直升机旋转部件进行测量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及测量及测试领域，特别是涉及一种直升机旋转部件信号的测试方法及无线采集设备。
背景技术
直升机因其垂直起降能力，在运输、通信、救援以及现代化战争中发挥着重大的作用。旋转动部件作为直升机的重要组成部分，却大多存在单通道、无备份等问题，一旦发生故障，将造成严重的事故。
旋翼***为直升机分***中含有旋转部件数量最多的分***，如旋翼桨叶、桨毂中央件、变距拉杆等。旋翼桨叶为直升机升力、机动性的主要提供者，若其发生裂纹、断裂甚至脱落等故障，将导致重大飞行事故；直升机桨毂中央件主要负责固定主旋翼，若在飞行过程中发生故障或损坏，可导致旋翼的脱落，发生极其严重的飞行事故；变距拉杆主要实现对桨叶的操纵，以控制总距的变化，如果其承受的载荷过大，将极易引起拉杆的疲劳断裂。若桨叶失去操纵，负迎角的气动力使该片桨叶下挥，扫到尾梁必将导致机毁人亡的严重事故。由此可见，旋转部件的安全问题是一个重要问题，若缺乏对直升机旋转动部件的状态和参数的有效实时监测，将为直升机飞行带来极大安全隐患。
然而，限于目前直升机设计制造业以及测试测量技术的发展，目前在役或在用的直升机均未实现对其旋转动部件的有效在线实时监测。而在直升机设计试验中，为实现对旋翼***等旋转部件的数据采集，一般采用集流环等方式。然而由于集流环存在布线过长、线路繁琐等问题，难以在实际型号中得到良好的工程应用。
发明内容
本发明提供一种直升机旋转部件信号的测试方法及无线采集设备，用以解决现有技术对旋转部件的数据采集方式存在布线过长、线路繁琐等问题，难以在实际型号中得到良好的工程应用，导致无法对工程中应用的直升机旋转部件进行测量的问题。
为解决上述技术问题，一方面，本发明提供一种直升机旋转部件信号的测试方法，包括：在直升机的旋转部件上设置传感采集部件，其中，所述传感采集部件包括以下的一种或多种：应变片，光纤；通过所述传感采集部件获取所述旋转部件的检测信号，以对所述旋转部件进行故障测试。
进一步，通过无线方式获取所述旋转部件的检测信号。
进一步，对所述旋转部件进行故障测试包括：通过载荷疲劳监测和/或裂纹检测方法，根据所述检测信号对所述旋转部件进行故障测试。
进一步，通过载荷疲劳监测和/或裂纹检测方法，根据所述检测信号对所述旋转部件进行测试包括：将所述检测信号对应的数据特征与预设监测阈值进行比较；在所述检测信号对应的数据特征大于或等于所述预设监测阈值的情况下，确定所述旋转部件存在故障隐患。
进一步，通过载荷疲劳监测和/或裂纹检测方法，根据所述检测信号对所述旋转部件进行故障测试之后，还包括：按照预设检测周期对所述旋转部件进行检测，并在故障隐患未消除的情况下发出报警。
另一方面，本发明还提供一种无线采集设备，应用在上述任一项所述的直升机旋转部件信号的测试方法中，包括：应变电阻桥、高倍仪表放大器PGA、抗混滤波器、AD转换器、CPU处理器、RF发送器；其中，所述应变电阻桥，用于接收检测信号，所述检测信号是通过直升机的旋转部件上设置的传感采集部件获取的；所述检测信号依次通过所述PGA、所述抗混滤波器、所述AD转换器、所述CPU处理器，并通过所述RF发送器进行发送。
进一步，所述RF发送器为2.4GHz的RF发送器。
进一步，所述抗混滤波器为二阶无源低通滤波器。
本发明在直升机的旋转部件上设置传感采集部件，并通过设置的传感部件采集检测信号，以对旋转部件进行故障检测，实现直升机在工程应用中信号的在线实时监测，对排查旋转部件的故障提供了依据，解决了对旋转部件的数据采集方式存在布线过长、线路繁琐等问题，难以在实际型号中得到良好的工程应用，导致无法对工程中应用的直升机旋转部件进行测量的问题。
附图说明
图1是本发明实施例中直升机旋转部件信号的测试方法的流程图；
图2是本发明实施例中无线采集设备的结构示意图；
图3是本发明优选实施例中直升机旋转部件信号的测试方法的原理结构示意图；
图4是本发明优选实施例中无线采集设备硬件原理图；
图5是本发明优选实施例中无线采集设备信号调理电路原理图；
图6是本发明实施例中无线采集设备数据处理发送电路原理图；
图7是本发明实施例中无线采集设备电源部分电路原理图。
具体实施方式
为了解决现有技术对旋转部件的数据采集方式存在布线过长、线路繁琐等问题，难以在实际型号中得到良好的工程应用，导致无法对工程中应用的直升机旋转部件进行测量的问题，本发明提供了一种直升机旋转部件信号的测试方法及无线采集设备，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
本发明实施例提供了一种直升机旋转部件信号的测试方法，其流程如图1所示，包括步骤S102至步骤S104：
S102，在直升机的旋转部件上设置传感采集部件，其中，传感采集部件包括以下的一种或多种：应变片，光纤；
S104，通过传感采集部件获取旋转部件的检测信号，以对旋转部件进行故障测试。
本发明实施例在直升机的旋转部件上设置传感采集部件，并通过设置的传感部件采集检测信号，以对旋转部件进行故障检测，使得直升机在工程应用中的信号也可以被测试到，对排查旋转部件的故障提供了依据，解决了对旋转部件的数据采集方式存在布线过长、线路繁琐等问题，难以在实际型号中得到良好的工程应用，导致无法对工程中应用的直升机旋转部件进行测量的问题。
实施过程中，可以是通过固定接口获取旋转部件的检测信号，例如，在直升机内部通过显示器显示获取到的检测信号，还可以通过无线方式获取旋转部件的检测信号，则无线方式的范围更广，实施更方便。
旋转部件进行故障测试的过程可以包括：根据检测信号通过载荷疲劳监测和/或裂纹检测方法对旋转部件进行故障测试，即，将检测信号对应的数据特征与预设监测阈值进行比较；在检测信号对应的数据特征大于或等于预设监测阈值的情况下，确定旋转部件存在故障隐患。例如，如果通过载荷疲劳监测的方法进行检测，则将通过应变片得到的载荷数据特征与预设监测阈值进行比较。如果载荷数据大于或等于预设监测阈值，则说明此次检测存在故障隐患，需要更换或维修旋转部件。
在通过载荷疲劳监测和/或裂纹检测方法，根据检测信号对旋转部件进行故障测试之后，还可以按照预设检测周期对旋转部件再次进行检测，如果故障隐患仍存在，则发出报警，以提示存在故障问题。
本发明实施例还提供一种无线采集设备，该装置应用在上述的直升机旋转部件信号的测试方法中，其结构示意如图2所示，包括：
应变电阻桥、高倍仪表放大器PGA、抗混滤波器、AD转换器、CPU处理器、RF发送器；其中，应变电阻桥，用于接收检测信号，检测信号是通过直升机的旋转部件上设置的传感采集部件获取的；检测信号依次通过PGA、抗混滤波器、AD转换器、CPU处理器，并通过RF发送器进行发送。
其中，RF发送器可以设置为2.4GHz的RF发送器；抗混滤波器可以设置为二阶无源低通滤波器。
本发明实施例提供了一种能够执行测试的设备与测试手段，实现了对直升机旋转部件数据的在线实时采集，为直升机在线实时故障监测、诊断提供数据基础，及时发现直升机旋转动部件异常，从而有效避免重大事故的发生，改善目前国内直升机旋转部件故障率高、缺乏完善的测试与分析手段等问题。
优选实施例
本发明实施例提供了一种直升机旋转部件信号的测试方法，并研制一种设备以实现直升机旋转部件数据的实时在线监测。上述方法可以采用无线测试和有线测试，本实施例提供的为无线测试方式，该直升机旋转部件信号的测试方法，包括下列步骤：
步骤A：将直升机桨毂、桨叶和变距拉杆等被测对象布置传感器并完成标定；
步骤B：将无线采集设备安装固定于桨毂柱状工装内，将应变片、光纤等信号连接无线采集设备各通道；
步骤C：通过IEEE802.15.4无线传输技术将测试的载荷数据，实时发送至机载数据采集处理***接收终端。
其中，在上述步骤B所述的无线采集设备，主要是由应变电阻桥（支持全桥、半桥和1/4桥）、高倍仪表放大器PGA、抗混滤波器、AD转换器、CPU处理器和2.4GHz RF发送器组成；遵循IEEE802.15.4无线传输协议，集成外置RF天线；通过可充电电池进行供电，支持形变、振动、光电、温度热电、动力学等方式进行能量捕获；在电路布板设计时做到数据采集通道、质量均匀分布，以保证采集器在水平方向不产生离心运动，工装做严格的动、静平衡设计，并支持手动微调。
其中，在上述步骤B所述的无线传输技术的传输协议遵循IEEE802.15.4，工作频段2.4GHz。
另外，在上述步骤C之后，进一步包括步骤D：实时获取桨叶、桨毂、变距拉杆等部件的应力等信号，通过载荷疲劳监测、裂纹检测等手段，实现对直升机旋翼***桨毂、桨叶和变距拉杆等关键部件的故障在线监测，并提供进一步的诊断应用。
依照本发明实施例的直升机旋转部件信号的测试方法及装置，能够有效解决旋转部件信号“不可测”或测试手段难以有效工程应用等问题。通过将实测载荷应力等信号进行监控和分析，克服以往基于飞行参数、飞行状态识别的监控方式的不足，提高直升机关键旋转动部件的实时在线监控能力，有助于对直升机旋转动部件故障的实时监测报警和早期预警，能够有效改变目前国内直升机旋转部件故障率高、缺乏完善的测试与分析手段等技术现状，为直升机飞行安全和维修保障提供有力的支撑。
下面，参考附图详细描述本发明实施例的直升机旋转部件无线测试方法及对应的设备。
本发明实施例是一种基于无线传输技术的直升机旋转部件信号的测试方法，其核心思想是：研制内部自供电（或自主能量收集式）测试装置，实现旋转动部件关键数据的实时采集，并通过IEEE802.15.4（WIFI）等无线传输协议，实现采集数据的实时传输，以供机载***实时掌控关键旋转部件的运行状况，并为提前预警提供数据支撑。
下面首先对本实施例的具体实现过程做进一步详细的说明。如图3所示，为本实施例的原理结构示意图。首先，将应变片、光纤等传感器布置在被测部件上，如旋翼桨叶、变距拉杆、桨毂中央件等，并连接至测试装置的输入端。测试装置安装在桨毂柱状工装内，通过一根外置天线将多通道采集数据发送至舱内接收端。同时，保证采集器在水平方向不产生离心运动，工装需做严格的动、静平衡设计，并做到现场手动可微调。然后，测试装置将当前采集的应变等数据通过WIFI等无线网络发送至机载数据采集处理***接收端。最后，机载数据采集处理***通过实测的应力载荷等信号，进行在线实时监控和分析。
下面对本发明中的关键装置：内部自供电测试设备（下文简称无线采集设备）做进一步的详细说明。如图4所示，为本实施例的无线采集设备的硬件原理图。无线采集设备主要由仪表放大器Instrument Amp、可编程增益放大器PGA、AD变换器、EEPROM存储器、微处理器、Flash和2.4GHz RF变送器组成，实现应变等信号的实时采集、调理、放大和数据发送。
应变等信号经过电桥转换为电信号经放大滤波之后进入AD转换芯片，由FPGA控制AD转换，并将转换结果保存到内部的RAM中，进行温度漂移校准，软件滤波及野值剔除的算法。最后将数据打包存入所挂载的FLASH中。由FPGA通过高速RS422接口和/或无线收发模块（WIFI模块）将打包好的数据发送出去。
其中，信号调理电路主要完成电桥输出电压的阻抗匹配，两级放大（增益可变换），以及低通滤波。信号调理电路对应变信号进行相应的调整，从而提高信号质量，适应AD的采样范围，为AD变换做准备。图5为直升机旋转部件无线采集设备信号调理电路原理图，该调理电路相当于桥式应变电路、INA110、PGA及低通滤波的集成。图5中的仪表放大器的主要特性有：FET型输入、电流反馈及输入微调特性、高变化率（0.01/4uS）、程控增益（1、10、100、200、500）、差分或单端输入可选、高共模抑制比、极小的偏置电流和增益漂移。仪表放大器特性完全满足小信号的前级放大。其增益程控由FPGA进行IO组合控制、配合程控放大器的可调放大倍数可以输出合适后级采样电路的增益。
图5中程控放大器MICROCHIP可以为MCP6S28，其主要特点如下：8路可编程增益放大器、8种可编程增益选择：+1、+2、+4、+5、+8、+10、+16或+32、SPI串行编程接口、级联输入和输出、低增益误差，最大正负百分之一、低漂移，最大正负275uv、低电源电流，典型值为1mA。程控放大器的增益程控由FPGA进行SPI模拟控制。配合仪表放大器可以输出合适后级采样电路的增益。
低通滤波采用二阶无源低通滤波实现，转折频率300Hz，衰减-3dB。由于输入信号的缓变特性，所以不采用高阶有源滤波。考虑到高精度采集所需的抗混滤波，在低通滤波后选取了高输入阻抗的AD芯片（用以减少AD芯片采样电容的效应）；AD芯片内部集成专用的采样保持电路（可以保证AD芯片在转换的过程中不受外部信号的影响）；***AD采集采用了过采样的采样率经数字滤波得出转换结果，也可以有效的还原应变信号。
AD采样电路，主要完成模拟到数字的转换。AD芯片主要特性有：16位、8通道同步采样模数数据采集***(DAS)、输入箝位保护电路可以耐受最高达±16.5V的电压、二阶抗混叠滤波器、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型ADC、灵活的数字滤波器、2.5V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。单电源供电，可以处理±10V和±5V真双极性输入信号、所有通道均能以高达200kSPS的吞吐速率采样。无论以何种采样频率工作，AD的模拟输入阻抗均为1MΩ、AD抗混叠滤波器的3dB截止频率为22kHz。AD由FPGA通过其并行总线进行控制。在以往工程应用上，可以做到1LSB的采集误差，精度较高。
数字处理电路由FPGA完成，主要完成数据软件滤波，打包等。如图6所示，无线部分主要特点有：2.4GHz全球开放ISM频段免许可证使用、最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制、125频道、内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制、工作电压3.0-3.6V，发射功率20dBm、SPI可编程。无线模块由FPGA进行编程控制，外置2.4GHz天线。
电源管理功能电路（也称为电源模块），主要完成板上各种所需工作电源的变换以及电池充电管理。电源***拓扑如图7所示，主要包括电源管理以及后级电能转换。同时，在本实施例的精神和范围内，电源管理电路同时涵盖采用光能/太阳能/振动能量自收集式的供电方式电路，以提升设备的用户使用体验和便捷性。
综上所述，依照本发明实施例的直升机旋转动部件信号的测试方法及装置，实现了直升机旋转部件关键信号的在线测试，解决直升机旋转部件信号采集困难的问题，提高了直升机可测试性，具有较为重要的实际工程意义。
尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。
Claims (8)
1.一种直升机旋转部件信号的测试方法，其特征在于，包括：
在直升机的旋转部件上设置传感采集部件，其中，所述传感采集部件包括以下的一种或多种：应变片，光纤；
通过所述传感采集部件获取所述旋转部件的检测信号，以对所述旋转部件进行故障测试。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过无线方式获取所述旋转部件的检测信号。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述旋转部件进行故障测试包括：
通过载荷疲劳监测和/或裂纹检测方法，根据所述检测信号对所述旋转部件进行故障测试。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，通过载荷疲劳监测和/或裂纹检测方法，根据所述检测信号对所述旋转部件进行测试包括：
将所述检测信号对应的数据特征与预设监测阈值进行比较；
在所述检测信号对应的数据特征大于或等于所述预设监测阈值的情况下，确定所述旋转部件存在故障隐患。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过载荷疲劳监测和/或裂纹检测方法，根据所述检测信号对所述旋转部件进行故障测试之后，还包括：
按照预设检测周期对所述旋转部件进行检测，并在故障隐患未消除的情况下发出报警。
6.一种无线采集设备，应用在权利要求1至5中任一项所述的直升机旋转部件信号的测试方法，其特征在于，包括：
应变电阻桥、高倍仪表放大器PGA、抗混滤波器、AD转换器、CPU处理器、RF发送器；其中，
所述应变电阻桥，用于接收检测信号，所述检测信号是通过直升机的旋转部件上设置的传感采集部件获取的；
所述检测信号依次通过所述PGA、所述抗混滤波器、所述AD转换器、所述CPU处理器，并通过所述RF发送器进行发送。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述RF发送器为2.4GHz的RF发送器。
8.如权利要求6或7所述的设备，其特征在于，所述抗混滤波器为二阶无源低通滤波器。
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