車(chē)炯暉　呼明亮　王皎

摘要：該文通過(guò)分析JSF飛機(jī)的飛機(jī)預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，得出了傳感器在航空系統(tǒng)當(dāng)中的重要性。通過(guò)分析，得出了智能傳感器是必然的發(fā)展趨勢(shì)。根據(jù)Rockwell公司的一款智能傳感器，提出了一種智能傳感器的解決方案。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)預(yù)測(cè)與健康管理；智能傳感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）08-0166-02

Abstract： By analyzing PHM system of JSF， this paper gets the importance of sensors of aircraft. We can confirm that smart sensors will get into being. We design a smart sensor with an example of Rockwell.

Key words： PHM； smart sensor

1 概述

1.1 PHM在航空領(lǐng)域的發(fā)展

國(guó)外從第二代戰(zhàn)機(jī)開(kāi)始重視飛機(jī)的可測(cè)試性和可維護(hù)性，并在各設(shè)備面板的維護(hù)人員可達(dá)處設(shè)置了不同種類(lèi)的測(cè)試點(diǎn)、告警燈和工作狀態(tài)指示等。在第三代飛機(jī)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)載設(shè)備的集中監(jiān)控，國(guó)內(nèi)飛機(jī)的NAMP系統(tǒng)就是得益于國(guó)外的集中監(jiān)控理念。

在美國(guó)JSF的研制中，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)景構(gòu)想：研制和生產(chǎn)一種經(jīng)濟(jì)上可承受的下一代攻擊戰(zhàn)斗機(jī)武器系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)全球保障，創(chuàng)造性的提出了自主式保障（AL）保障方案，而飛機(jī)健康監(jiān)控系統(tǒng)則是AL保障系統(tǒng)的關(guān)鍵勢(shì)能技術(shù)之一，也是提高飛機(jī)任務(wù)可靠性、安全性、保障性/部署性以及經(jīng)濟(jì)承受性方案的關(guān)鍵使能技術(shù)。這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)使原來(lái)由事件主宰的維修（即事后維修）或時(shí)間相關(guān)的維修（即定期維修）被基于狀態(tài)的維修（CBM，即視情維修）所取代。實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)維修、保障體系的一次重大變革。

JSF的PHM系統(tǒng)由以下三部分組成：PHM子系統(tǒng)管理器、PHM區(qū)域管理器和PHM飛機(jī)管理器。

1.2 傳感器重要性

以上系統(tǒng)的健康需求及功能實(shí)現(xiàn)都需要建立在傳感器數(shù)據(jù)采集、處理的基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)中采用了大量的傳感器對(duì)關(guān)鍵的參量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這些傳感器往往安裝在設(shè)備的敏感部位，通過(guò)多種傳感器提供的數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行多種特征量的監(jiān)測(cè)、分析和綜合處理，完成對(duì)數(shù)據(jù)分類(lèi)，對(duì)傳感器信息的合理支配與使用，將各種傳感器在空間和時(shí)間的互補(bǔ)與冗余信息依據(jù)某種優(yōu)化準(zhǔn)則或算法組合起來(lái)，最終產(chǎn)生對(duì)系統(tǒng)的故障現(xiàn)象進(jìn)行定位和診斷。

傳感器處于信號(hào)檢測(cè)與信號(hào)處理系統(tǒng)之首，是感知、獲取信息的窗口，傳感器處于研究對(duì)象與檢測(cè)系統(tǒng)的接口位置，獲取的信息，都要通過(guò)它轉(zhuǎn)換為更容易傳輸與處理的電信號(hào)。信息量的不斷增大、信息種類(lèi)的不斷增加、信息傳輸速度的不斷提高，都對(duì)傳感器在信號(hào)檢測(cè)方面的應(yīng)用提出了更新、更嚴(yán)格的要求。隨著測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化、智能化的發(fā)展，要求傳感器準(zhǔn)確度高、可靠性高、穩(wěn)定性好，而且具備一定的數(shù)據(jù)處理能力，并能夠自檢、自校、自補(bǔ)償。傳統(tǒng)的傳感器已不能滿足這樣的要求。本文通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)智能傳感單元，為后續(xù)的PHM的研究提供支持。

1.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展和健康預(yù)測(cè)方面的要求，傳感器作為PHM數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)，航空傳感器正在朝著多維化和網(wǎng)絡(luò)化的方面發(fā)展。從直接布線到RDC的出現(xiàn)，再到傳感器網(wǎng)絡(luò)已然成了必然。RDC就是這種大趨勢(shì)下的產(chǎn)物，如圖1所示，RDC的應(yīng)用具有很多優(yōu)勢(shì)：

1）減少布線（60-70%的導(dǎo)線是信號(hào)導(dǎo)線）；2）減輕重量；3）降低成本；4）具有減少控制機(jī)構(gòu)的潛力；5）增加診斷能力；6）提高系統(tǒng)總體可靠性；7）降低壽命周期成本通過(guò)遠(yuǎn)距輸入輸出裝置降低成本，減輕重量。

與之對(duì)應(yīng)的，RDC的應(yīng)用在帶來(lái)以上諸多好處的同時(shí)，從傳感器方面來(lái)講，降低了先進(jìn)飛機(jī)對(duì)傳感器的智能化要求，仍然采取了以往統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的模式。

然而RDC同樣有著自身的局限性。RDC在降低成本和減重的同時(shí)，多個(gè)重要的傳感器信息的集中帶來(lái)的是對(duì)RDC的高可靠性要求，同時(shí)RDC在它的局部網(wǎng)絡(luò)中成為了關(guān)重件，局部抗打擊能力大大降低，一個(gè)RDC的失效帶來(lái)的是整個(gè)部件或者局部的失控和不可感知。

因此，智能傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展成為了PHM發(fā)展的必經(jīng)之路。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)在具有RDC的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的可靠性，將關(guān)重件分散到了各個(gè)傳感器當(dāng)中，關(guān)重件在傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中得到了弱化，局部抗打擊能力得到了提高，如圖2所示。

2 國(guó)外航空智能傳感器的模型

為了設(shè)計(jì)滿足發(fā)展需求的智能傳感器，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了不斷地努力。Rockwell公司提出的智能傳感器方案主要特點(diǎn)如下：全串行傳輸；具有自診斷能力；自校準(zhǔn)功能；在線自監(jiān)測(cè)能力；雙余度串口通信；自動(dòng)數(shù)據(jù)補(bǔ)償和濾波；單電源供電；低功率。

按照該方案設(shè)計(jì)的美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司DS1624型高分辨力智能溫度傳感器，能輸出13位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其分辨力高達(dá)0.03125℃，測(cè)溫精度為±0.2℃；Motorola公司汽車(chē)用MMAS40G電容式加速度，加速度測(cè)量范圍±40g，精度可達(dá)到0.05%。

3 智能傳感器方案設(shè)計(jì)

3.1 選擇MEMS傳感器

微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）近些年來(lái)發(fā)展迅猛，現(xiàn)代集成的MEMS傳感器，具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

1）物理轉(zhuǎn)化機(jī)理：集成智能傳感器可以很容易對(duì)非線性的傳遞函數(shù)進(jìn)行校正，得到一個(gè)線性度非常好的輸出結(jié)果，從而消除了非線性傳遞對(duì)傳感器應(yīng)用的制約。該機(jī)理具有穩(wěn)定性好、精確度高、靈敏度高的特點(diǎn)。

2）數(shù)據(jù)融合理論：由于MEMS傳感器的微型化，使得在飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)傳感器陣列成為可能。對(duì)于多個(gè)傳感器組成的陣列，數(shù)據(jù)融合技術(shù)能夠充分發(fā)揮各個(gè)傳感器的特點(diǎn)，利用其互補(bǔ)性、冗余性，提高測(cè)量信息的精度和可靠性，延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命。

3） 微型化設(shè)計(jì)：MEMS傳感器實(shí)現(xiàn)了傳感器的高度集成，微型化決不僅是尺寸上的縮微與減少，而且是一種具有新機(jī)理、新結(jié)構(gòu)、新作用和新功能的高科技微型系統(tǒng)，并在智能程度上與先進(jìn)科技融合。

3.2 設(shè)計(jì)依據(jù)

基于飛機(jī)層面的需求，以及微型化考慮。結(jié)合以上智能傳感器的設(shè)計(jì)，考慮到智能傳感器對(duì)PHM的支持和可靠性，設(shè)計(jì)方案需要注意到以下幾個(gè)問(wèn)題：

1） 考慮到需要一定的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸，因此需要選擇一款處理性能較高的處理器；

2） 考慮智能傳感器應(yīng)具有一定的可靠性，設(shè)計(jì)方案需要提供兩路通信鏈路；

3）考慮不同應(yīng)用的惡劣環(huán)境容易對(duì)信號(hào)造成影響，設(shè)計(jì)方案需在具有實(shí)時(shí)性的同時(shí)具備一定的濾波能力，并且參數(shù)可設(shè)；

4） 設(shè)計(jì)必須考慮低功耗、小型化。

5） 考慮到機(jī)載環(huán)境布線困難，必須選擇單電源供電。

3.3 設(shè)計(jì)方案

3.3.1 硬件設(shè)計(jì)方案

基于以上考慮，并且考慮到現(xiàn)階段的智能傳感器應(yīng)該具備一定的擴(kuò)展性以備后續(xù)研究，現(xiàn)選擇硬件方案如圖3所示：

1）選擇外形小、功耗低、性能較高的單片機(jī)作為微控制器；

2）選擇集成度高的MEMS傳感器作為感知單元；

3）必須有硬件看門(mén)狗；

4）預(yù)留部分小功率離散量輸出接口；

5）提供兩路RS422與上位機(jī)通訊；

6）為保證一定的續(xù)航能力，在設(shè)計(jì)外部供電輸入的同時(shí)設(shè)計(jì)備份電池供電。

3.3.2 軟件設(shè)計(jì)方案

軟件上，智能傳感器的軟件必須包括設(shè)備的驅(qū)動(dòng)、綜合任務(wù)管理軟件、數(shù)據(jù)解算軟件、設(shè)備驅(qū)動(dòng)及系統(tǒng)管理軟件、地面開(kāi)發(fā)支持軟件。其組成如圖4所示。

由于機(jī)上智能傳感器的數(shù)量龐大、安裝工況復(fù)雜，必須保證軟件執(zhí)行的穩(wěn)定性和可靠性，因此必須對(duì)軟件做好相關(guān)的測(cè)試工作。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)按照此方案試制的智能傳感器，可感知周?chē)h(huán)境的加速度、壓力和溫度信息。感知目標(biāo)符合飛機(jī)的要求，接口也可以與現(xiàn)有機(jī)電管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。該智能傳感器僅有1cm2，且實(shí)測(cè)功率僅為0.2W，具有較強(qiáng)的續(xù)航能力。

該智能傳感器完全達(dá)到了機(jī)載環(huán)境下的使用要求，為我國(guó)新一代戰(zhàn)機(jī)電子系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)做出了一定的貢獻(xiàn)。因此，該設(shè)計(jì)方案具有較高的推廣價(jià)值。

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