声结构的完整性监控系统和方法

摘要

多个声传感器（声耦合至用于监控的结构）中的每一个声传感器通过用于采集、处理和报告如飞行器结构的结构中的声事件的前置放大器而被连接至网络总线。当声事件（结构中的缺陷、结构上的冲击等）导致声发射时，每个前置放大器处理从传感器接收到的声事件信号并通过网络将将数字化处理的与检测到的声事件有关的信号数据发送至远程数据集线器以用于校对。然后经校对的数据被存储和/或被进一步处理（随后或近似实时）以确定被检测到的结构中的声发射的源和/或位置。

说明书

技术领域

本发明主要涉及一种用于基于来自结构中的结构性缺陷或结构上的冲 击（impact）的声发射而监控该缺陷或冲击的系统和方法。

背景技术

在结构中的应力腐蚀和疲劳导致了裂纹的增长。这是由于当在裂纹尖端 的短距离内存在压力集中时，金属缓慢地变得易碎。然后在一系列不连续的 微裂缝活动中裂纹延展至区域边界，其中微裂缝以沿晶方式或穿晶方式发 生。在区域边界上较坚韧的未损坏材料阻止了裂纹的延展。然后破裂的循环 被重复，重新起始于裂纹尖端或裂纹尖端附近的压力集中。

在正常运转条件下，结构中如裂纹的损坏随时间缓慢发展。然而，如果 结构在正常范围以外运转，大量损坏会在短时间内发生。此外，由压力对结 构导致的损坏不仅限于裂纹，还包括侵蚀、凹陷和磨损。因此，定期地监控 结构是很必要的，以便检测损坏并对其进行修复或在损坏没有延展前预防进 一步损坏。

众所周知，破裂和龟裂会在飞行器、压力容器、石油钻台以及如桥梁的 大型结构中引起特定的问题。随着破裂的发生，裂缝在结构中的破裂发生处 产生作为宽带超声波发射的被称为声发射的声能量爆炸。该声发射的波形的 属性（如频率、振幅、上沿时间等，伴随着声能量爆炸从各不同位置被接收 的准确时间）取决于裂缝的大小、裂缝的位置以及传播通过结构的速度。因 此裂缝可通过可使用如声发射传感器的声传感器检测到的声发射信号来被 识别。

在美国专利申请US2003/0140701中，公开了一种通过在一个周期内连 续地接收来自由结构装有的多个声传感器的代表声能量爆炸的脉冲的电子 信号来检测和监控结构中的损坏的方法，其公开内容以引用方式结合于此。 声能量爆炸代表来自损坏的部位（site）的发射。该爆炸被处理以得到平滑 的包络波形。波的形状信息和时间信息被确定并针对每个爆炸而被存储。如 果爆炸在三个或更多的传感器处被检测到，则爆炸到达每个传感器的时间差 被确定为Δt值。然后该Δt值用于累计爆炸来确定爆炸的临界值是否溢出。如 果是，该爆炸数据被存储以与非声学参数一起代表结构损坏。

本系统的局限性为，当由声发射技术监控结构的健全及结构性的损坏 时，由于假定为结构中声的速度在所有方向上是一致的并且通过结构的是单 一的声传播模式，在使用系统对数据分析时会发生误差。然而，声音的速度 因其传播通过的材料的厚度和类型而不同。声波的传播速度会因此随着通过 不均一（inhomogeneous）型的结构传播而变化。

以引用方式将其公开内容被结合于此的我们的在先申请 （WO2008107668），通过在声事件数据的处理路径中引进结构中声路径的影 响的模型来处理该问题。该模型是通过在位于结构中许多位置处引起多个类 型的声发射以及通过使用安放在结构上的多个声发射传感器来检测声发射 而建立的。该模型考虑到不均一的结构，以及结构中声传播方式的不同，从 而可以减少损坏部位的位置的误差。

参照图1，其示出了用于通过检测来自损坏的部位的声发射而在典型的 飞行器结构上定位损坏部位的配置的原理图。飞行器机翼具有上梁翼盖101、 下梁翼盖102、前梁103以及横截面加固件104。前梁103具有在间隔中垂 直放置的加固件107。燃料孔105位于前梁103的内部并且声发射传感器106 在几个位置处声耦合于前梁103。

机翼100的图示部分是飞行器机身和第一发动机之间的飞行器机翼的部 分。垂直支柱103支撑上梁翼盖101及下梁翼盖102并且横截面加固件104 增加了机翼结构的刚度（stiffness）并为前梁103提供了额外的强度。声发 射传感器106检测源于前梁103的损坏源的声发射。声发射传感器是具有经 调查的结构的共振频率范围内的共振频率的压电换能器。在铝结构中，具有 200-300kHz左右的共振频率的换能器是合适的。传感器106以电缆结（cable tie）和自附基底的方法附加至前梁103的结构。此外，密封剂被用作传感器 基底和结构的连接混合物以提供低衰减声耦合。

到达时间的不同Δt特征，例如从在传感器106处的前梁103结构上的损 坏源发出的声发射信号的前沿或来自每个传感器的峰值信号的时间，被分析 软件中的三角测量方法用来定位声发射源从而定位损坏。虽然现代飞行器结 构的表面倾向于基本均匀，但是由结构内部的部件（例如垂直支柱103、横 截面加固肋104以及燃料孔105）导致了结构中的不连续性。早年的飞行器 也具有表面不连续性，是因为其结构主要由铆接的和螺栓挤压的或加工过的 铝制型材或板材组成的。

例如，前梁100的结构中的不连续性和不均一性将会导致从图1中所示 的点A到点B的声路径为非均匀的，因为声传输速度随着其传播通过的结 构会改变。这会导致三角测量算法中的Δt的误差，这转而导致飞行器机构上 损坏部位的位置的误差。如上所述，该问题在先前申请WO2008107668中被 处理。

在图2中示出了用于从结构中检测以及获取声发射数据的系统110的示 意图。该系统在所属领域是已知的，并且其类似的系统在US2003/0140701 中被描述。传感器111被耦合至连接至数据获取单元113的前置放大器112。 该数据获取单元113包括对数放大器114以及脉冲处理器单元115。数据获 取单元113被连接至计算机116。

来自结构上的损坏的部位的声发射通过多个传感器111检测，其中该传 感器111包括被放置于如图1中所示的飞行器结构上的声发射传感器106。 换能器111声耦合于飞行器结构，并且可以是例如具有从20kHz至2MHz 的范围内的共振频率的压电传感器。例如在飞行器结构上的破裂的任何损坏 将发射具有等于结构的共振频率的基本频率的声波。因此传感器的共振频率 应该与正被调查的的结构的共振频率相同。通常，铝飞行器结构具有300kHz 范围内的共振频率，因此该频率是用于检测来自飞行器结构的声发射的传感 器的优选频率。在实践中传感器一般具有几百kHz的带宽并且以15MHz采 样声学数据。

前置放大器112位于传感器的附近。存在具有N个通道（channel）的 多个传感器和前置放大器，每个通道具有一个传感器111和一个前置放大器 112。在计算声发射的Δt值时，至少需要三个传感器用于三角测量。传感器 以间隔位置被声耦合于结构。每个传感器111被连接于数据获取单元113以 用于获取并处理来自声发射脉冲的声发射数据。

传感器111和前置放大器112被连接至数据获取单元113。传感器111 和数据获取单元113之间的距离随装置而改变。在实践中，当声发射的检测 从飞行器结构发生时，数据获取单元113位于飞行器的航空电子仓内并且由 飞行器的电源供电。

来自如飞行器发动机来源的背景噪声将干扰来自飞行器结构的声发射 信号。数据获取单元113决定（condition）在传感器111处接收到的声发射 信号并且执行实时滤波和信号处理以将声发射从背景噪声中分离出来并且 产生能够用于定位飞行器结构上的损坏源的声发射数据。在传感器接处接收 到的信号是波包的形式。在每个通道中，对数放大器114对从前置放大器112 接收到的信号进行整流（rectify）。然后经整流的信号进入脉冲处理单元115， 该脉冲处理单元115将在传感器111处接收到的声发射信号转换成数字信 号，对该数字信号进行滤波并且分离该数字信号以便从背景噪声中区别出从 结构上的损坏接收到的声发射。

来自每个通道的数字信号是脉冲的形式，该脉冲由计算机116使用三角 测量算法而被分析。一般地每个传感器111在距损坏位置的不同距离处，这 意味着来自损坏的声发射信号到达每个传感器的时间将会不同。损坏的位置 可以通过测量到达传感器间的时间差（Δt）以及使用针对每个传感器111的 声速率信息而被识别。这种处理被称作是三角测量。然而，三角测量假设了 在结构中所有方向具有均匀的结构和单一的声速，因此通过这种方法计算的 损坏的位置将存在误差。

从上面的讨论中可以看出，先前技术系统在前置放大器（对于每个传感 器为本地的）和数据获取单元之间会具有很长且异相运行的电缆，该电缆会 在接收到的信号中引进噪声，并且由于定时数据（timing data）中的误差会 导致引入到检测的声事件的三角测量中的误差。

发明内容

我们意识到了对于用于基于来自结构中的结构性缺陷的声发射而监控 该缺陷的改进的系统的需求。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于在检测结构中的结构性缺陷或 结构上的冲击的系统。该系统包括：用于检测结构中声发射的多个传感器， 其中每个所述传感器根据由结构中的结构性缺陷或结构上的冲击导致的声 发射而输出传感器信号；多个前置放大器，其中每个所述前置放大器电耦合 至所述传感器中相应的一个传感器并位于该相应的一个传感器本地，其中每 个所述前置放大器适于接收所述传感器信号，并且其中每个所述前置放大器 适于响应于检测到的由结构中的结构性缺陷或结构上的冲击导致的声发射 而处理所述传感器信号以及输出从所述传感器信号得到的传感器数据；以及 远程数据集线器（RDC），RDC被电耦合至所述多个前置放大器并位于远离 所述多个前置放大器的位置，所述RDC适于接收以及校对从所述多个前置 放大器输出的所述传感器数据。

本发明提供一种可扩展的数字网络解决方案，其中在传感器的本地对传 感器信号执行信号处理，这减少了在处理前会得到的噪声（即，相比于先前 技术系统的情况，在先前技术系统中在传感器和处理模块之间有很长一段电 缆）。只有与检测来到的自声事件（例如，结构性缺陷以及结构上的冲击等） 的声发射有关的数字信号被传递回至RDC以用于校对，而不是所有传感器 信号（包括实际声事件之间的电噪音和声噪声）。如此，低造价、低带宽的 网络解决方案可以被用于将前置放大器和RDC耦合到一起以允许它们通 信。这种解决方案对电干扰有更强的抵抗性，因为模拟信号是在传感器的本 地被处理的，并且在网络上只有数字信号被传递。通过例如降低数据速率可 以使网络对干扰有更强的抵抗性。

在一些实施方式中，每个所述前置放大器包括：模拟-数字转换器 （ADC），该ADC用于将所述传感器信号转换为数字传感器信号；缓冲器， 该缓冲器被耦合至所述ADC并适于从所述ADC接收所述数字传感器信号并 输出被缓冲的数字传感器信号块；以及处理器，该处理器被耦合至所述缓冲 器并适于从所述缓冲器接收所述被缓冲的数字传感器信号块，以及适于处理 所述被缓冲的数字传感器信号块以生成并输出所述传感器数据。

优选地，每个所述前置放大器还包括：触发器，该触发器被耦合至所述 ADC并且适于从所述ADC接收所述数字传感器信号，以及适于响应于在所 述数字传感器信号中检测到的高于临界值的声发射而输出触发信号，并且其 中所述缓冲器适于输出所述被缓冲的数字传感器信号块并且所述处理器适 于响应于所述触发信号而处理所述被缓冲的数字传感器信号块。

以这种方法使用缓冲器使得触发器可以从离噪声层足够远的传感器接 收的信号的一部分而触发并且不损失与声事件前期部分有关的数据。数据出 现在缓冲器中，因此后处理器可以从触发点“原路返回（track back）”至实 际事件的起点。在信号的更大部分上的触发降低了由电噪声导致错误触发的 触发的风险。

优选地，所述触发器在检测到的声发射后的拖延（hold-off）周期中被禁 止以防止所述触发器的进一步的触发直到所述拖延周期期满。优选地，所述 拖延周期在2ms和10ms之间。

这使得低功率处理器可以被使用，是因为不需要处理器对额外的数据进 行接收和处理而只处理从缓冲器接收到的数据。

在实施方式中，所述传感器数据包括结构中的声发射到达传感器的时 间、声发射信号的上沿时间、声发射信号的峰值以及声发射信号内的能量值 中的一者或多者。

在优选实施方式中，所述RDC适于输出同步序列并且所述多个前置放 大器中的每一个适于接收所述同步序列并且适于响应于所述同步序列来调 整所述前置放大器的本地时间。

这使得前置放大器可以维持实质上与主时间同步的本地时间，其转而使 得每个前置放大器以等同于主时间的时间来对检测到的声事件进行时间标 记。

在实施方式中，所述同步序列包括：第一数据包，该第一数据包用来提 醒每个所述前置放大器所述同步序列的开始；同步定时信号；以及第二数据 包，该第二数据包包括主时间值，所述主时间值定义了所述RDC发送所述 同步定时信号的时间。

优选地，所述多个前置放大器中的每一个包括采集（capture）和比较单 元，该采集和比较单元适于从所述RDC接收所述同步序列以及适于响应于 所述第一数据包的检测而将所述前置放大器切换至同步模式，当处于所述同 步模式时，防止所述前置放大器处理所述传感器信号和/或输出所述传感器数 据。

通过防止所述前置放大器通过网络处理或发送数据，确保前置放大器待 命并监听同步定时信号。

优选地，所述采集和比较单元还包括同步触发器，该同步触发器适于响 应于所述同步定时信号的检测输出同步触发信号，并且其中所述前置放大器 适于响应于所述同步触发信号的激活而存储本地时间值，当接收到所述同步 信号时，所述本地时间值定义所述前置放大器的本地时间，并且其中所述前 置放大器适于计算定义所述主时间值和所述本地时间值之差的同步偏差值， 并且所述前置放大器适于使用所述同步偏差值调整所述前置放大器的本地 时间从而使所述主时间值和所述本地时间值实质上同步。

这使得本地时间和主时间能够同步。

优选地，所述采集和比较单元还包括计数器，该计数器适于响应于所述 同步触发信号的激活而计数时钟循环，并且其中所述被存储的本地时间值通 过从在第二时间存储的本地时间值中减去在所述第二时间所述计数器上的 值而被计算。

在本系统的一些实施方式中，同步定时信号被接收到时前置放大器没有 存储时间值的功能，因此上述使得信号的到达时间将在随后被确定。

优选地，所述前置放大器适于计算所述主时间值和/或所述本地时间值 的漂移率，并且适于响应于所述漂移率来调整所述本地时间从而使所述主时 间和所述本地时间实质上同步。

通过得知主时间/本地时间的漂移率，前置放大器可以试图预测下一个 偏差，从而改善了本地时间和主时间的同步。

在一些实施方式中，所述RDC包括采集和比较单元，该采集和比较单 元适于从与多个前置放大器的所述耦合接收所述同步定时信号，并且其中所 述RDC适于从所述RDC的采集和比较单元接收到所述同步定时信号的时间 确定所述主时间值。

这使得RDC能够精确地确定同步信号通过网络被发送的时间，因为由 于内部缓冲器，指令被发送的实际时间和信号被发送到网络上的时间会不 同。

在实施方式中，所述同步定时信号形成数据包的一部分。

在一些实施方式中，系统还包括所述RDC和所述多个前置放大器之间 的同步电耦合，并且其中所述同步定时信号从所述RDC通过所述同步电耦 合被发送至所述前置放大器。

这避免了将信号插入至数据包的需求。

优选地，所述RDC适于以实质上定期的间隔来执行同步序列。

在实施方式中，系统还包括数据存储设备，该数据存储设备电耦合至所 述RDC，所述数据存储设备适于接收和存储来自所述RDC的所述经校对的 传感器数据。

存储设备使得所有经校对的数据可以被本地存储在结构的以用于同时 处理，或在随后处理。

优选地，系统还包括处理器，该处理器耦合至所述数据存储设备并适于 读取和处理所述经校对的传感器数据并且适于根据所述传感器数据确定所 述检测到的的声发射的源和/位置。

将处理器耦合至数据存储设备使得经校对的数据能够被近似实时地处 理，例如为了在飞行器的驾驶员舱座显示结果。可选择地，处理器可以是稍 后临时耦合至数据存储设备来处理数据的计算机，例如当飞行器在地面上进 行维护时可以下载并处理数据以确定在飞行器的飞行时间期间是否检测到 结构中的缺陷或结构上的冲击。

是经由网络总线的。优选地，所述RDC和前置放大器通过CAN总线网 络被耦合。CAN总线是适于该目的的低成本且稳健（robust）的网络协议。

在实施方式中，系统还包括第二RDC，该第二RDC电耦合至第二多个 前置放大器并被远离于第二多个前置放大器放置，并且其中每个所述第二多 个前置放大器电耦合至第二多个传感器中相应的一个传感器并位于第二多 个传感器中相应的一个传感器的本地。

在这些实施方式中，多个RDC使得更多的传感器可以遍布在结构上。 这允许系统覆盖更大的结构和/或具有更高的分辨率（即更多的传感器）。

本发明还提供了一种包括了上述系统的飞行器，其中所述多个传感器被 声耦合至所述飞行器的结构以监控所述结构中的结构性缺陷或所述结构上 的冲击。

本发明还提供了一种用于检测结构中的结构性缺陷或在结构上的冲击 的方法，该方法包括以下步骤：使用多个传感器来检测由结构中的结构性缺 陷或结构上的冲击导致的声发射，并输出指示所述检测到的声发射的传感器 信号，其中每个所述传感器电耦合至多个前置放大器中相应的一个前置放大 器并位于多个前置放大器中相应的一个放大器的本地；在所述前置放大器处 接收所述传感器信号；在所述前置放大器处处理所述传感器信号，并从所述 前置放大器输出所述传感器数据，所述传感器数据从所述传感器信号中得 出；以及在远程数据集线器（RDC）处接收并校对所述传感器数据，所述 RDC被远离于所述多个前置放大器放置并被电耦合至所述多个前置放大器， 其中所述处理和输出响应于检测到的由结构中的结构性缺陷或结构上的冲 击而导致的声发射而发生。

本发明提供一种可扩展的数字网络解决方案，在该解决方案中，传感器 信号的信号处理在传感器本地被执行，这降低了会在处理前得到的噪声（即， 当相比于先前的技术系统时，先前技术系统中在传感器和处理模块之间有很 长一段电缆）。只有与检测到的来自声事件（例如，结构性的缺陷以及结构 上的冲击等）的声发射有关的数字信号被传递回至RDC来校对，而不是所 有传感器信号（包括实际声事件之间的电噪声和声噪声）。如此，低造价、 低带宽的网络解决方案可以被用于将前置放大器和RDC耦合到一起以允许 它们通信。这种解决方案对电干扰有更强的抵抗性，因为模拟信号是在传感 器的本地被处理的，并且在网络上只有数字信号被传递。通过例如降低数据 速可以使网络对干扰有更强的抵抗性。

在这种方法中，在所述前置放大器处处理所述传感器信号包括：使用模 拟-数字转换器（ADC）来将所述传感器信号转换成数字传感器信号；在耦 合至所述ADC的缓冲器中接收并缓冲所述数字传感器信号；从所述缓冲器 输出被缓冲的数字传感器信号块；以及在耦合至所述缓冲器的处理器中接收 并处理所述被缓冲的数字传感器信号块以生成和输出所述传感器数据。

优选地，在所述前置放大器处处理所述传感器信号包括：响应于在所述 检测到的数字传感器信号中高于临界值的声发射而输出触发信号，并且在这 里所述输出所述被缓冲的数字传感器信号块和所述处理所述被缓冲的数字 传感器信号块响应于所述触发信号而发生。

以这种方法使用缓冲器使得触发器能够从离噪声层足够远的传感器接 收的信号的一部分触发并且不损失与声事件前期部分有关的数据。数据出现 在缓冲器中，因此后处理器可以从触发点“原路返回”至实际事件的起点。 在信号更大部分触发降低了由电噪声导致的触发器错误触发的风险。

优选地，所述触发器在检测到的声发射后的拖延周期中被禁止以防止所 述触发器的进一步的触发直到所述拖延周期已期满。优选地，所述拖延周期 在2ms和10ms之间。

这使得低功率处理器可以被使用，是因为不需要处理器对额外的数据进 行接收和处理而只处理从缓冲器接收到的数据。

在该方法的优选实施方式中，所述传感器数据包括结构中的声发射到达 传感器的时间、声发射信号的上沿时间、声发射信号的峰值以及声发射信号 内的能量值中的一者或多者。

在其他实施方式中该方法还包括用于将所述多个前置放大器的本地时 间与所述RDC的主时间同步的同步方法，该用于同步的方法包括以下步骤： 从所述RDC输出同步序列；在每个所述多个前置放大器处接收所述同步序 列；以及响应于所述同步序列调整所述前置放大器的本地时间以将所述主时 间和所述前置放大器的所述本地时间进行同步。

这使得前置放大器可以维持与主时间实质上同步的本地时间，转而使得 每个前置放大器以等同于主时间的时间来对检测到的声事件时间标记。

优选地，所述同步序列包括：第一数据包，该第一数据包用来提醒每个 所述前置放大器所述同步序列的开始；同步定时信号；以及第二数据包，该 第二数据包包括主时间值，所述主时间值定义了所述RDC发送所述同步定 时信号的时间。

优选地，所述同步方法包括以下步骤：在前置放大器处接收所述同步序 列；以及响应于所述第一数据包的检测而将所述前置放大器切换至同步模 式，当处于所述同步模式时，所述前置放大器被防止处理所述传感器信号和 /或输出所述传感器数据。

通过防止所述前置放大器通过网络处理或发送数据，确保前置放大器可 以待命并监听同步定时信号。

优选地，所述同步方法包括：响应于所述同步定时信号的检测在所述前 置放大器处触发同步触发器；响应于所述同步触发信号的激活而在所述前置 放大器处存储本地时间值，当接收到所述同步信号时，所述本地时间值定义 所述前置放大器的本地时间；计算定义所述主时间值和所述本地时间值之差 的同步偏差值；以及使用所述同步偏差值调整所述前置放大器的本地时间从 而使所述主时间值和所述本地时间值实质上同步。

这使得本地时间和主时间能够同步。

优选地，所述存储所述本地时间值包括以下步骤：响应于所述同步触发 信号的激活而在所述前置放大器处启动计数器；在所述前置放大器处存储第 二时间的第二本地时间值，其中所述第二时间是在接收到所述同步定时信号 之后；通过从所述第二本地时间值中减去在所述第二时间所述计数器上的值 来计算所述本地时间值。

在本系统的一些实施方式中，在同步定时信号被接收到时前置放大器没 有存储时间值的功能，因此上述使得信号的到达时间能够在随后被确定。

优选地，所述同步方法还包括：在所述前置放大器处计算所述主时间值 和/或所述本地时间值的漂移率；以及响应于所述漂移率来调整所述本地时间 从而使所述主时间和所述本地时间实质上同步。

通过得知主时间/本地时间的漂移率，前置放大器可以试图预测下一个 偏差，从而改善了本地时间和主时间的同步。

在本方法的进一步实施方式中，所述同步方法还包括：在所述RDC处 从与所述多个前置放大器的所述耦合接收所述同步定时信号；以及根据在所 述RDC处接收到所述同步定时信号的时间确定所述主时间值。

这使得RDC能够精确地确定同步定时信号通过网络被发送的时间，因 为由于内部缓冲器，指令被发送的实际时间和信号被输入到网络上的时间会 不同。

优选地，所述同步定时信号形成数据包的一部分。

在实施方式中，所述同步定时信号从所述RDC通过同步电耦合而被发 送，该同步电耦合独立于所述RDC和所述前置放大器之间的、通过其所述 传感器数据被发送的电耦合。

在优选实施方式中，所述同步方法以实质上定期的间隔被重复。

在其他实施方式中，该方法还包括在数据存储设备中接收和存储来自所 述RDC的所述经校对的传感器数据。优选地，该方法还包括读取和处理所 述经校对的传感器数据来根据所述传感器数据确定所述检测到的声发射的 源和/或位置。

本发明的进一步的方面提供了一种用于通过使用主时间来同步用于监 控结构中结构性缺陷或结构上的冲击的系统中的多个前置放大器的本地时 间的方法，所述前置放大器中的每一个被电耦合至网络并且适于接收和处理 接收到的传感器信号并响应于检测到的由结构中的结构性缺陷或结构上的 冲击导致的结构中的声发射而输出传感器数据，所述方法包括以下步骤：通 过所述网络发送同步定时信号；通过所述网络发送主时间值，所述主时间值 定义所述同步定时信号通过网络被发送的时间；在所述前置放大器处接收所 述同步定时信号并在所述前置放大器处存储本地时间值，所述本地时间值定 义所述前置放大器接收到所述同步定时信号的时间；在所述前置放大器处接 收所述主时间值；比较所述接收到的主时间值和所述存储的本地时间值；计 算所述接收到的主时间值和所述存储的本地时间值之间的偏差值；使用所述 偏差值来调整所述前置放大器的本地时间以将所述本地时间与所述主时间 进行同步。

使用网络上的主时间同步前置放大器（与传感器相关联）的本地时间， 使得系统上的每个前置放大器能够使用通用（common time）时间（即对整 个网络通用）对检测到的由声事件（如结构中的缺陷或结构上的冲击）导致 的声发射进行时间标记。由于在每个传感器处发射的到达时间参照通用时间 被知晓，这转而使得结构中检测到的声发射的位置可以被更精确地确定。

优选地，所述本地时间值的存储包括以下步骤：响应于所述同步定时信 号的激活而在所述前置放大器处启动计数器；在所述前置放大器处第二时间 时存储第二本地时间值，其中所述第二时间是在接收到所述同步定时信号之 后；以及通过从所述第二本地时间值中减去在所述第二时间所述计数器上的 值来计算所述本地时间值。

优选地，该用于同步的方法还包括以下步骤：通过所述网络发送第一数 据包以提醒所述多个前置放大器中的每一个所述同步方法的开始，所述第一 数据包在所述同步定时信号前被发送。

优选地，所述多个前置放大器中的每一个根据接收到所述第一数据包进 入同步模式，其中当处于所述同步模式时，所述前置放大器被防止处理所述 传感器信号和/或输出所述传感器数据。

在同步方法的优选实施方式中，所述主时间值通过以下步骤确定：在远 程数据集线器（RDC）处接收所述同步定时信号；以及在所述RDC处存储 主时间值，所述主时间值定义了所述同步定时信号在所述RDC被接收的时 间。

优选地，所述RDC通过所述网络发送所述同步定时信号和所述主时间 值。

在实施方式中，同步方法还包括在所述前置放大器处计算所述主时间值 和/或所述本地时间值的漂移率；以及响应于所述漂移率来调整所述本地时间 从而使所述主时间和所述本地时间实质上同步。

在优选实施方式中，所述方法以实质上定期的间隔来被重复。

本发明的另一个方面提供一种用于使用主时间同步一个或多个附属于 网络并通过网络进行通信的设备的本地时间的方法，该方法包括以下步骤： 通过所述网络发送同步定时信号；通过所述网络发送主时间值，所述主时间 值定义所述同步定时信号通过网络被发送的时间；在所述设备处接收所述同 步定时信号并在所述设备处存储本地时间值，所述本地时间值定义所述前置 放大器接收到所述同步定时信号的时间；在所述设备接收所述主时间值；比 较所述接收到的主时间值和所述存储的本地时间值；计算所述接收到的主时 间值和所述存储的本地时间值之间的偏差值；使用所述偏差值来调整所述设 备的本地时间以便将所述本地时间与所述主时间进行同步。

附图说明

图1是机身和第一发动机之间的飞行器机翼的附有声发射传感器的前梁 的前示意图；

图2是先前技术的数据获取和处理系统的示意图；

图3是根据本发明的数据获取和处理系统的简化的示意图；

图4和图5是根据图3的系统的前置放大器的实施方式；

图6示出了图3的数据获取和处理系统的实施方式；

图7示出了网络上的RDC和前置放大器的示意图。

具体实施方式

虽然本发明可被用于任何结构，但发现当用于检测飞行器结构（在飞行 器结构中结构性失败可能是灾难性的）上的结构性损坏是特别有用的。已发 现如破裂的损坏发生在飞行器的应力点处。如同针对破裂监控飞行器结构， 本发明还被创建用于检测复合部件的分层、飞行器结构上的冲击以及面间接 触的摩擦。

简单地说，本发明提供连接至网络总线系统用于采集、处理以及报告结 构中的声事件的多个传感器。每一个耦合至它自己的前置放大器的多个传感 器被连接至网络总线，该网络总线与远程数据集线器相连。声事件信号的处 理发生在传感器的本地（例如在前置放大器内），并且被数字处理过的与检 测到的声事件有关的数据在远程数据集线器处被校对并且进一步被处理和/ 或分配至其他装置（例如计算机或用于之后分析的PDA型设备）。

图3示出了根据本发明的声事件监控系统的原理图。该系统包括多个声 发射传感器202和多个前置放大器204。每个传感器被声耦合于结构（例如 图1所示的飞行器结构），并且可以是例如具有20kHz至2MHz范围内的共 振频率的压电传感器。如飞行器结构上的破裂的任何损坏会发射具有等同于 该结构的共振频率的基频的声波。该传感器的共振频率因此应该与被调查的 结构的频率相同。通常铝飞行器结构具有的共振频率在300kHz的区域内， 因此该频率是用于检测来自传统飞行器结构上的声发射的传感器的优选频 率。在实践中，传感器一般具有几百kHz的带宽并且以15MHz对声数据进 行采样。传感器202被放置于感兴趣的结构的各处。优选地，传感器202以 网格的方式被放置，但是对作为技术人员的读者来说其他样式也是显而易见 的。优选地，传感器以大约1m的间隔被定间距地放置，虽然在需要更好的 分辨率的结构的区域中可以是更小的间距。

每个传感器202被耦合至它自己的前置放大器204，其中每个前置放大 器位于相关联的传感器的附近（可替代的，每个前置放大器与相应的传感器 集成）。每个前置放大器204数字化从其相关的传感器202接收到的模拟信 号并对其进行处理（下面详细讨论）。

每个前置放大器204被电耦合至网络总线以使得其将数字化的声事件数 据传输回至同样电耦合至网络总线的远程数据集线器（RDC）206。RDC206 作为网络总线的主时间保持器（keeper）并且将从传感器和前置放大器接收 到的数据传输至数据存储器208以存储、进一步处理和/或分配。RDC206 可以时间标记从前置放大器204接收到的数据，并压缩数据以用于存储在存 储设备208上。计算机210可以被连接至数据存储器208以检索以及进一步 处理存储的数据，如显示被监控的结构的潜在破裂的位置的结果。在数据的 处理和结果的显示为近实时的情况下（例如在飞行器驾驶员座舱显示结果）， 计算机210可以被安放在结构上，或者当来自结构的数据将被监控时（例如 在飞行器几百个小时的飞行之后，计算机可以被连接至数据存储器来检索和 处理数据），临时地连接至数据存储器208。计算机210、数据存储器208以 及RDC通过网络（例如以太网）而被连接。

通过将前置放大器耦合至数字网络总线，在一定程度上减轻与先前的技 术系统相关联的问题，即传感器和前置放大器通过很长的一段电缆向中央处 理器输出模拟信号。在先前技术系统中，承载经常弱的模拟信号的电缆经常 会获得明显的电噪声，该噪声影响了破裂监控系统的性能。通过选择在传感 器本地执行模拟信号处理的数字网络解决方案，得到的网络提供更稳健的破 裂监控系统。

在本发明的优选实施方式中，CAN总线（控制区域网络）方案被用于 通过网络总线将RDC206与前置放大器进行连接。CAN是一种总线标准， 该总线标准被设计使得微控制器和设备能够在结构或车辆内无主机地互相 通信。CAN被认为是实体总线（true bus），其中所有节点可以在总线上对话 而无需中心控制器。高至1Mbit/s的比特率在小于40m长的网络上是可行的。 降低比特率使得网络长度更长或者对电干扰更稳健。

在一些实施方式中，在连接至单个RDC的网络的单个分支上有多达40 个传感器/前置放大器对。为了能实现CAN总线的实施，RDC206具有两个 网络总线端口，每个端口支持多达40个传感器/前置放大器对。

当有声事件被检测到时，通过前置放大器204本地处理模拟信号并且只 将处理过的数据传送回至RDC206替代前置放大器204传送来自传感器的 连续的数字化数据流来节省带宽。传送回至RDC206的数据包括，例如， 声事件的精确确定的时间以及由声事件产生的波形的关键特征，如上沿时 间、峰值、波形内的能量及其他类似参数。

图4示出了根据本发明的前置放大器204更详细的示意图。传感器202 被耦合至模拟-数字转换器（ADC）212，该模拟-数字转换器212将传感器 202输出的模拟信号转换为主处理器216可执行数字信号处理的数字信号。 所有从ADC212输出的数据被传送至缓冲器214。当声事件被不断地监控 ADC212的输出的触发器218检测到时，缓冲器214中的现有数据（包括跨 越从触发点之前的预定时间至触发点之后的预定时间的数据）被传送至后处 理器216以用于处理数据。在用于飞行器结构中生成的声事件的优选实施方 式中，缓冲器传送跨越触发点前大约0.01ms至触发点之后0.05ms的数据。 当然，作为技术人员的读者可以理解的是，该数值依赖于所感兴趣的结构。

以这种方法使用缓冲器使得触发器218可以从离噪声层足够远的传感器 接收的信号的一部分触发并且不损失与声事件前期部分有关的数据。优选 地，触发器218从比噪声层大四到五倍的信号触发以保证触发器218从声事 件触发。数据出现在缓冲器中，因此后处理器216可以从触发点“原路返回” 至实际事件的起点。在信号更大部分上的触发降低了由电噪声导致的触发器 错误触发的风险。一旦经过处理，经处理的数据经过网络总线被发送至RDC 206、以及至数据存储器208和计算机210。

声事件可以从不均一的结构中的表面和界面边界反射。这种反射可能导 致破裂监控系统中重复的错误检测。同样地，优选地防止前置放大器204处 理这种反射信号。为了达到该目的，前置放大器204具有在声事件后的拖延 周期，在该拖延周期中，来自传感器202的数据不被处理。来自传感器的数 据被读取至缓冲器，但触发器218被禁止，因此不会发生数据处理。拖延周 期一般是在检测到的事件后的2ms至10ms。在该周期中，与触发触发器218 的声事件有关的数据从缓冲器中被读取并且由后处理器216处理。由于在拖 延周期中只有被存储的数据被处理（即，不与正在被读取至缓冲器的新数据 同步），因此低功率处理器可以被使用。

图5示出了比图4中的前置放大器具有更大动态范围的可替换的前置放 大器204。如图4所示，传感器被耦合至ADC、缓冲器和后处理器电路。然 而，在可替换的前置放大器中，来自传感器202的输入模拟信号在两条路径 （path）之间被分开，每条路径具有单独的ADC212a和ADC212b，以及缓 冲器214a和214b。每个缓冲器馈送（feed）至单独后处理器216中。

包括ADC a212a和缓冲器a214a的路径如参照图4所描述的运行。然 而包括ADC b212b的路径也包括在ADC b212b之前的可为固定的或可变的 放大器220，该放大器220提供以大约为10、20、30或40dB的增益。在优 选的实施方式中，30dB的增益被选择。相比于其他路径，额外的增益增加 了路径的灵敏度。如图4所示，触发器218为了触发事件监控每条路径，并 且如上所述地进行触发。为了辨别从适当的缓冲器以及由后处理器216处理 过的数据中读取哪些数据，在更敏感的路径上的数据没有过载的事件中，后 处理器216将选择更灵敏的路径（即路径b），并且在更灵敏的路径上的数据 过载的事件中，将选择较低灵敏度的路径（即路径a）（因为由于额外增益， 更强的信号将容易使更灵敏的路径过载）。

图6使出了具有并联RDC206单元的系统的实施方式。如图6所示， 每个RDC206连接至其自己的网络总线，数据从多个前置放大器204经由 该网络总线被接收（每个前置放大器被耦合至其自己的声传感器202）。由于 单个网络总线上对前置放大器/传感器对的数量有限制，多个RDC206的使 用使得更多的前置放大器/传感器对分布在将被监控的结构周围。每个RDC 206被耦合至数据存储器208，并且将从其自己的前置放大器204接收到的 数据传输回至数据存储器以用于存储以及在之后读取，或者用于由数据存储 器208进一步处理。图6示出三个RDC206，然而作为技术人员的读者可以 理解的是RDC的数量可以更多或更少。例如，RDC的数量可以在1到8之 间或者更多。RDC的数量在某种程度上依赖于飞行器的尺寸以及用户希望 的解决声事件的分辨率（即由于所需传感器的数量，更大的飞行器和/或更高 的分辨率比更小的飞行器需要更多的RDC）。

在优选实施方式中，RDC206通过以太网被耦合至数据存储器208。可 以使用独立的以太网交换机（未示出）将多个RDC206耦合至数据存储器 208，也可以是数据存储器208包括其自己的以太网交换机（也未示出）。作 为技术人员的读者可以理解的是，其他网络协议也可以被用来将RDC206 耦合至数据存储器208。

同步计时

图7示出了连接至网络总线的RDC206和前置放大器204的示意图。 网络总线上的RDC206和每个前置放大器204具有他们自己的时钟源228。 优选地，时钟以40MHz运转，这使得处理器216能够以大约25ns的分辨率 确定声事件的时间。

如上所述，使用网络总线解决方案（当前置放大器本地处理接收到的传 感器信号）的一个优点是只有检测到的声事件的相关数据（例如事件的时间 以及波形的特征）需要被发送回至RDC206。这降低了对带宽的需求，从而 网络对于电干扰具有更强的稳健性。

为了精确确定声事件的位置，需要得知信号到达传感器时间的精确测 量。然而，由于每个前置放大器204独立于其他前置放大器而工作，所以不 知道每个前置放大器的绝对时间，同时由于优选的网络是非同步的，因此时 钟228和本地时间通常不会同步。

优选地，RDC206时钟和前置放大器204时钟之间在1μs或更短时间内 同步。对于飞行器结构，1μs的时间差相当于大约15mm的距离分辨率。然 而，没有足够的带宽来通过网络总线连续地发送详细的定时数据以及从前置 放大器接收数据。限制将描述通过低带宽网络总线的同步时钟的优选解决方 案。

简单地说，RDC206充当整个系统的根时间或主时间。RDC206周期性 地执行同步方法，在该方法中时间数据包通过网络总线被发送来提示前置放 大器204主时钟的时间。前置放大器204接收该时间数据，将该数据与其自 己的时间值相比较，并且计算两个值之间的偏差。该偏差值使得前置放大器 可以确定RDC206的主时间的相对准确的值，根据该值每个前置放大器可 以使用来对检测到的声事件进行时间标记。在优选实施方式中，发现该方法 实现RDC206和前置放大器204的50ns以内的同步。

在所述同步方法中，RDC206发出两个数据包以及同步定时信号。第一 个数据包充当对网络总线上所有前置放大器204的“注意听”呼叫，通知它 们同步程序已经开始。对于网络总线的优选CAN总线实施，RDC206被选 择具有更高或更重要（more dominant）的地址，因此“注意听”包还执行噪声 抑制功能以防止当RDC206正尝试执行同步程序时前置放大器通过网络总 线发送数据。任何在同步任务时试图发送数据的前置放大器将停止传输并且 将尝试在同步发生后再次发送数据。

在第一“注意听”数据包被发送出去之后，同步定时信号从RDC被发 送。前置放大器204接收同步定时信号，存储与同步定时信号到达时间相关 联的本地时间值。

然后第二数据包从RDC206被发送，该数据包包括指示在同步定时信 号被发出时RDC206的实际主时间的数据。一旦接收到第二个数据包，每 个前置放大器204可以通过比较同步定时信号被发出时RDC206的主时钟 时间与同步定时信号由前置放大器204接收的本地时间来确定偏差值。一旦 偏差被确定，前置放大器可以从其自己的时间推断出主时钟时间，这使得每 个前置放大器204可以通过通用的主时间来对检测到的声事件进行时间标 记。因此，由于传感器/前置放大器对都可以使用通用时间来对事件进行时间 标记，这使得能够从多个传感器/前置放大器对确定声事件。

该方法以定期间隔被重复，例如每500ms。如果两个连续的同步循环之 间的间隔太长，则前置放大器可能失去同步（即主时钟和前置放大器时钟之 差大于1μs）。然而，如果过于频繁地执行同步，网络总线会数据包过载，这 会阻碍由前置放大器进行的声事件数据的传输。

定期地重复同步循环使得前置放大器可以跟踪主时间，即使主时间发生 漂移（例如由于RDC206周围环境的改变）。此外，前置放大器204也可以 确定本地时间相对于主时间的漂移率，或者甚至主时间的漂移率，其中，由 于具有同步循环间的偏差的可能变化的指示，使得前置放大器可以进一步改 善时间同步。

为了使得前置放大器能够接收同步定时信号并由其触发，网络总线上的 每个前置放大器204使用采集和比较输入222。一旦接收到“注意听”数据 包，使前置放大器进入同步模式（防止前置放大器在声事件触发以及防止前 置放大器通过网络总线传输数据）。在这种同步模式中，前置放大器204监 控自身的采集和比较输入222以同步定时信号。一旦接收到同步定时信号， 同步触发器224输出同步触发信号，促使前置放大器204存储与同步定时信 号到达时间相关联的本地时间值。一旦前置放大器204从RDC206接收到第 二数据包，即包括同步定时信号被发送至网络总线上时的主时间值的数据 包，前置放大器204可以确定从RDC206接收到的第二数据包和本地放大 器204收到同步定时信号的时间之间的偏差。

在本发明的一些实施方式中，前置放大器204中没有存储前置放大器接 收到同步定时信号时的本地时间值的功能。相反地，本地时间值是被计算出 来的。在这种实施方式中，同步触发信号还从采集比较单元222接收到同步 触发信号时启动计算时钟循环的计数器226。在之后的时间里，前置放大器 204的本地时间值被读取和存储并且在该本地时间时计数器上的值被读取和 存储。然后，通过从稍后存储的本地时间值中减去时钟循环的数量来计算在 采集及比较单元222处接收到同步触发器时的本地时间值。

在优选实施方式中，RDC206还包括采集及比较输入222，其同样读取 同步定时信号以确定其发送同步定时信号的时间。这使得RDC206能够确 定同步触发器被发送的实际时间（主时间值）。被确定的主时间值是被发送 至前置放大器204的第二数据包中的值。RDC还包括处理时间值以及执行 各种计算的处理器216。

在优选实施方式中，同步定时信号在网络总线上是以数据包的形式被提 供的，但是其被当做具有由采集-比较功能222确定的它的到达时间的模拟 信号处理。在实践中，一旦处于同步模式，前置放大器204便寻找从计数器 226被触发开始网络总线上的第一个上升沿（即，同步定时信号的起点）。

在可选实施方式中，该同步定时信号可以是在离散信号线路上被提供给 每个前置放大器204的模拟定时脉冲。

同从偏差值中确定主时间一样，前置放大器204可以确定周期时间内的 漂移率。经过几组定时数据之后，前置放大器可以估算针对下个定时脉冲需 要做的修正并可以将其应用于自身，直到下一个同步信号被接收。这使得前 置放大器204能够预期下一个偏差值。

虽然在上文中已经参照特定的实施方式描述了本发明，但是本发明并不 仅限于这些特定的实施方式，对本领域技术人员来说落入本发明范围内的修 改是显而易见的。上述的任何实施方式可以以任何组合的方式被使用。

虽然本发明的实施方式已经参照飞行器结构而被描述，但是本发明可以 适用于任何工程结构，包括如桥梁和石油钻台的静态结构。在这种静态结构 中操作模式包括使用模式，如在桥梁上装载和在石油钻台上执行钻空操作。 此外，描述的实施方式的各方面可以以软件或者硬件的方式实施。