[发明专利]基于声传感器的航天器结构健康检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型航天器结构健康检测方法，同时具有碰撞定位、泄漏定位和损伤评估的功能，属于结构健康检测领域。

背景技术

由于航天器在发射入轨和运行过程中将受到振动、真空、高低温交变、微流星及空间碎片、原子氧、太阳辐射及宇宙射线的相互作用，因此，舱体和密封结构可能产生松动、变形、表面氧化、腐蚀、损伤甚至穿孔等现象进而引发泄漏事故，这将给飞行任务和航天员的生命安全带来严重的威胁甚至造成惨重后果。

目前，国内外已经对航天器结构健康检测做了一定的研究工作，研制有一些专用的设备。其中，美国、欧洲的研究工作较为深入，而国内起步较晚，技术亟待提高。(1)NASA与美国思创公司联合研制了一种超声检漏仪(例如参见G.Studor,Ultrasonic Detectors in Space,in CTRL Systems,Inc.,2002,p.3和A.Hoover,Maryland Company Expanding Technology in Space-NASA Won't Leave Earth Without the CTRL UL101,in CTRL Systems,Inc.,2002,p.1.)，用超声探测器在可疑的部位进行探索，如果有泄漏存在，超声探测器能够检测到泄漏产生的超声波，并将超声波转化为人耳能听到的声音并传到耳机中，操作者通过耳机中的声音来判断是否有泄漏存在。(2)美国Invocon公司于2002年开发了一种用于碎片撞击检测和泄漏检测的检漏系统(例如参见[3]Kevin D.Champaigne,Jonathan Sumners.Wireless impact and leak detection and location systems for the ISS and shuttle wing leading edge[C].IEEE Aerospace Conference Proceedings Proceedings.2005:1-7和Kevin Champaigne and Eric Krug.Wireless Instrumentation System for Plasma Measurements on the International Space Station[C].AIAA Paper 2002-0937,AIAA Aerospace Sciences Meeting&Exhibit,40th,2002)，当航天器在遇到由太空碎片和微流星撞击引起的紧急泄漏事件发生时，该系统不仅能够检测因为气体泄漏产生的声音，而且能够对泄漏位置进行三角测量。(3)2003年，欧洲宇航局(ESA)利用嵌入式和表贴式光纤光栅传感器在可重复发射利用的航天器上开展温度和应变的结构健康监测试验验证(例如参见Martin A R,Fernando G F,Hale K F.Impact damage detection in filament wound tubes using embedded optical fiber sensors.Smart Materials and Structures)。

综上所述，目前国外使用的方法具有明显局限性，其一，这些方法只能单独实现碰撞定位、泄漏定位或损伤评估等，无法同时实现上述功能；其二，这些方法或因为灵敏度差、或因为操作复杂等均没有得到广泛应用。因此，本领域急需一种检测新方法，满足航天器结构健康检测的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航天器结构的健康检测方法，具有碰撞定位、泄漏定位和损伤评估的功能，可适用于航天器在轨结构健康检测，也可适用环模设备、天然气储罐等大型容器结构健康检测。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种航天器结构健康检测方法，使用两个超声阵列传感器、两个多路信号切换器和一台信号发生与采集分析仪来进行，两个超声阵列传感器分别包含由同一块压电陶瓷材料制作的8×8六十四个阵元，每个阵元包括两种工作模式即主动发射工作和被动接收模式，通过耦合剂固定在航天器舱体内表面，多路信号切换器可编程控制多路信号的切换，信号发生与采集分析仪用来发射信号激励超声传感器、并采集超声传感器响应信号，进行信号处理；包括如下步骤：