一種飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測方法及其實現(xiàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測方法及其實現(xiàn)裝置，屬于結構健康監(jiān)測領域。本發(fā)明的監(jiān)測方法是通過測量多個易引發(fā)腐蝕的環(huán)境參數(shù)，確定環(huán)境的腐蝕性等級，從而評判飛行器結構的健康狀況，指導機務采取相應措施。本發(fā)明的飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測裝置由主控微控模塊、測量模塊、通訊模塊和電源模塊組成，體積小、能耗低，適合安裝在飛行器的各個部位進行長期監(jiān)測。本發(fā)明可將飛行器現(xiàn)行的定期維護變?yōu)榘葱杈S護，提高了效率，降低了成本。
【專利說明】一種飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測方法及其實現(xiàn)裝置
[0001]【技術領域】
本發(fā)明涉及一種飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測方法及其實現(xiàn)裝置，屬于結構健康監(jiān)測【技術領域】。
[0002]【背景技術】
飛行器結構的腐蝕，是指構件在使用環(huán)境下通過化學或電化學作用隨時間的推移所發(fā)生的積累性化學損失和破壞。其隨機性大，類型廣泛，影響因素眾多而交互作用又強，不能完全避免。飛行器的腐蝕損傷直接影響著剩余壽命，關乎飛行安全。但是在腐蝕初期，腐蝕部位很難探測到，而當腐蝕萌生后，若不加以控制，又將比其它損傷發(fā)展得更快、更嚴重。因此，必須積極預防、控制腐蝕的產(chǎn)生和擴散。
[0003]目前，在航空航天領域，飛行器的腐蝕監(jiān)測主要專注于防腐蝕涂料的研發(fā)，利用各種無損檢測技術發(fā)現(xiàn)、定位腐蝕，判別腐蝕程度。如超聲成像、磁光成像、紅外成像等技術，都是在腐蝕已經(jīng)發(fā)生的情況下找到腐蝕，根據(jù)損傷情況采取相應補救措施。即當前關注的熱點在于飛行器的防腐蝕設計，以及發(fā)生腐蝕后的檢測與維修，而對于飛行器的腐蝕環(huán)境的監(jiān)測研究則幾乎空白。
[0004]飛行器的腐蝕環(huán)境監(jiān)測主要是指針對飛行器結構的特點，在一些易發(fā)生腐蝕的部位安裝監(jiān)測裝置，實時采集周圍的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過信號調理后上傳至客戶端建立數(shù)據(jù)庫，以對環(huán)境的變化進行分析，預測腐蝕發(fā)生的可能性，盡早對飛行器進行維護，盡量避免因腐蝕發(fā)生造成的損失。
[0005]通過監(jiān)測飛行器的腐蝕環(huán)境，可以構建環(huán)境-腐蝕模型，根據(jù)環(huán)境參數(shù)計算出腐蝕速率，推導出飛行器的腐蝕狀況，以便指導機務進行維護，既減少了不必要的停機，又保證了飛行安全。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】

本發(fā)明提出了一種飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測方法及其實現(xiàn)裝置。該方法主要是通過監(jiān)測裝置測量易引發(fā)飛行器腐蝕的關鍵環(huán)境參數(shù)，并經(jīng)由數(shù)學模型計算其可能導致的腐蝕速率，進而推測環(huán)境的腐蝕性等級。其中監(jiān)測裝置集成了三種傳感器，可監(jiān)測五個與腐蝕相關的
環(huán)境參數(shù):溫度、相對濕度、濕潤時間、pH值和Cr濃度。
[0007]本發(fā)明為解決其技術問題采用如下技術方案:
一種飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測方法，包括如下步驟:
(1)在飛行器易發(fā)生腐蝕的部位分布飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測裝置，將其作為傳感器結點，并添加匯聚結點構成傳感器網(wǎng)絡，實時監(jiān)測整個結構的腐蝕環(huán)境，測量的環(huán)境參數(shù)包括
溫度、相對濕度、濕潤時間、pH值和Cr濃度；
(2)停機時，用戶通過匯聚結點收集數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫；(3)用戶通過分析數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗模型
rcorr = k! X [τ]^- X IO-Ph X ek=腿 + k4 X [τ]^ χ [Cl—X ek-T+k^RH 計
算該環(huán)境能導致的腐蝕速率，其中remT是腐蝕速率，單位μπι/year ;pH是pH值；[Cl_]
是氯離子濃度，單位mg/L ； τ是濕潤時間，單位hour/year ； T是溫度，單位0C ； RH是相
對濕度^1Wk3是該經(jīng)驗模型的系數(shù)，由試件腐蝕試驗獲取的數(shù)據(jù)計算得到適合于被測對象的系數(shù)值；
(4)將步驟(3)得到的腐蝕速率與ISO9223中劃分的環(huán)境腐蝕性等級進行比較，即
能從腐蝕的角度對飛行器的健康狀況做出評估，并以此為依據(jù)判斷現(xiàn)階段是否需要對飛行器進行維護。
[0008]一種飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測方法的實現(xiàn)裝置，包括主控微控模塊、測量模塊、通訊模塊和電源模塊:主控微控模塊直接與測量模塊相連，控制著測量模塊中的多個傳感器實時對環(huán)境參數(shù)進行測量；主控微控模塊利用內(nèi)置的串口通信功能部件與通訊模塊的轉換芯片直接相連，實現(xiàn)與外界的有線或無線的數(shù)據(jù)通信；電源模塊提供主控微控及測量、通訊模塊的工作電壓。
[0009]本發(fā)明的有益效果如下:
本發(fā)明提出的飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測方法通過測量多個易引發(fā)腐蝕的環(huán)境參數(shù)，確定環(huán)境的腐蝕性等級，從而評判飛行器結構的健康狀況，指導機務采取相應措施。其中涉及到的飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測裝置體積`小、能耗低，適合安裝在飛行器的各個部位進行長期監(jiān)測。本發(fā)明可將飛行器現(xiàn)行的定期維護變?yōu)榘葱杈S護，提高了效率，降低了成本。
[0010]【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是本發(fā)明裝置的原理圖。
[0011]圖2(a)是濕潤時間傳感器的測量電路圖；圖203)是電化學傳感器的測量電路圖。
[0012]圖3是飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡示意圖。
[0013]圖4是本發(fā)明監(jiān)測方法的步驟流程圖。
[0014]【具體實施方式】
下面結合附圖對本發(fā)明創(chuàng)造做進一步詳細說明。
[0015]通過調查統(tǒng)計飛行器使用環(huán)境及地面停放環(huán)境譜，分析影響結構腐蝕的環(huán)境參數(shù)。溫濕度是腐蝕發(fā)生的關鍵因素，但基于飛行器的工作特點，其結構腐蝕的成因是多方面的。如結構表面的濕潤狀況、氯化物的污染也是航空金屬腐蝕的重要因素。在0_濃度較高的場合，若氯化物沉降在飛行器外表面或隨冷凝水滯留在內(nèi)部，更易形成電解質溶液加速腐蝕。此外，受工業(yè)污染以及飛機尾氣的影響，環(huán)境中一般還存在著SO2與!^^。當飛行器
結構表面濕潤，這些污染源會溶于水或與水發(fā)生反應，使溶液的pH值改變，這也是造成腐
蝕的成因之一。所以，本發(fā)明選取對溫度、相對濕度、濕潤時間、pH值和Cl—濃度這五個影
響飛行器結構腐蝕的關鍵參數(shù)進行長期監(jiān)測。對這幾個參數(shù)的監(jiān)測依靠溫濕度傳感器、濕潤時間傳感器和電化學傳感器來完成，其中的濕潤時間傳感器與電化學傳感器屬于非商用傳感器，為本發(fā)明設計制作。[0016]溫濕度一體化傳感器:這里選取的是SHT15貼片封裝溫濕度傳感器。傳感器將傳
感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數(shù)字信號。
[0017]濕潤時間傳感器:濕潤時間是金屬暴露在空氣中表面持續(xù)濕潤的時間。根據(jù)
ISO 9223的定義，濕潤時間是指溫度在OflC以上、相對濕度高于80%的時間。傳統(tǒng)的測
量方法只是綜合環(huán)境的溫度和相對濕度來估算濕潤時間，這和實際的濕潤時間有一定的出入，更好的方法是設計傳感器對其進行監(jiān)測。本發(fā)明制作了電阻式濕潤時間傳感器，采用標
準的PCB制造技術，在環(huán)氧樹脂板上制作出兩個相互分離的銅制交叉指狀電極。在干燥的
情況下，兩個電極之間互相不接觸，傳感器輸出電阻無窮大；當有降水或水汽凝結到傳感器表面上時，電極之間形成通路，輸出電阻大大減小。通過一定的測量電路測量該傳感器的電阻變化，即可推算出環(huán)境的濕潤時間。一些前期的實驗數(shù)據(jù)驗證了傳感器電極間距越小，傳
感器靈敏度越高。所以本設計的濕潤時間傳感器電極間距只有80μιιι,即使表面上只形成
了一些微小尺寸的液滴也能被感知到。此外，傳感器需要長期暴露在外部環(huán)境中，而銅電極裸露在空氣中會很快被腐蝕損壞，所以在電極上再覆蓋一層金進行保護。該傳感器體積小，重量輕，壽命長，適合在飛行器的狹窄空間使用。[0018]電化學傳感器:本發(fā)明還設計制作了電化學傳感器用來監(jiān)測Cl_濃度和pH值，該
傳感器的測量原理類似于線性極化技術。當傳感器暴露在潮濕的大氣中或處于有積水的
地方，其表面會凝結一層水膜。這層水膜溶解了鹽類或其他雜質形成了一定Cl—濃度和pH
值的電解質溶液，給電化學腐蝕提供了條件。測量時，等待電極的自腐蝕電位穩(wěn)定，電極反應處于平衡狀態(tài)；再對工作電極外加微小電壓進行極化，則正向和逆向反應的速度不相等，極化電流也發(fā)生變化。工作時，對傳感器的電極施加掃描電壓，實時監(jiān)測輸出電流。前期的
實驗數(shù)據(jù)論證了，當電解質溶液的Cl—濃度越高或pH值越小時，產(chǎn)生的電流也越大，可以
通過監(jiān)測電流的變化來獲取環(huán)境中的Cl—濃度和pH值情況。傳統(tǒng)的測量裝置都為三電極系統(tǒng)，由工作電極、參比電極和輔助電極組成。工作電極和參比電極的電極過程是一樣的，它們的腐蝕電位相近，加之極化時間很短，所以可以采用相同的材質制成該兩個電極；而由于輔助電極僅供極化時完成通電回路使用，也可采用同樣的材質制成。此外，本發(fā)明選取較寬電極同時充當參比電極和輔助電極，較窄的電極作為工作電極，即本傳感器的一寬一
窄兩電極結構，取代了傳統(tǒng)的三電極結構。所以，該傳感器是由LY12硬鋁制成的雙電極柵
狀結構，選取與被監(jiān)測對象相同的材料是為了更好地呈現(xiàn)飛行器的腐蝕狀況。制作時，選取環(huán)氧樹脂板為襯底，通過蒸鍍技術在其上牢固地鍍一層硬鋁的薄膜，再由事先加工好的掩
膜板結合光刻技術將柵狀電極的圖案刻在薄膜上。傳感器的電極一個寬450μ--，一個寬
150μπι,之間相隔20μιη。該傳感器尺寸小，材質與被監(jiān)測對象相同，適合應用在飛行器結構的腐蝕監(jiān)測中。
[0019]對環(huán)境參數(shù)的測量需要傳感器與被測環(huán)境直接接觸，為此，本發(fā)明裝置的整體布局設計為上、下兩層。傳感器及相應的測量電路置于上層外側，傳感器暴露在外，而測量電路部分通過封裝外殼加以保護；下層為控制電路，實現(xiàn)對整個裝置的管理。上下層間通過插
針進行電路連接，同時起到固定的作用。整個裝置體積小(70x50 X 20mm3),適合在
飛行器的狹窄空間里使用。
[0020]圖1為裝置的整體原理圖，由主控微控模塊、電源模塊、測量模塊和通訊模塊組成，上述的傳感器及其測量電路屬于測量模塊。主控微控模塊中的主控芯片為
MSP430F169,該芯片內(nèi)部集成有數(shù)模轉換DAC、模數(shù)轉換ADC以及集成電路總線IIC
模塊，可控制傳感器完成對不同參數(shù)的測量。裝置中的溫濕度傳感器輸出數(shù)字信號，主控芯
片與該傳感器兩線(數(shù)據(jù)線、時鐘線)連接，通過IIC協(xié)議進行溫濕度數(shù)據(jù)的采集；而濕潤時
間和電化學傳感器為模擬量測量，需要通過外部激勵，主控芯片的數(shù)模轉換器直接與兩種傳感器相連來提供激勵。
[0021]圖2是濕潤時間和電化學傳感器的測量電路示意圖。由于這兩種傳感器具有低觸發(fā)電平，低輸出電流，輸出信號動態(tài)變化范圍大等工作特點，其測量電路需合理設計。濕潤
時間傳感器的測量電路如圖2(a)所示，對其施加激勵電壓Vsl,通過分壓電路將電阻轉化為電壓，分壓電路的電壓信號經(jīng)過放大和濾波后得到輸出電壓V-。電化學傳感器的測量電路如圖2(b)所示，對其施加激勵電壓Vs2,電化學反應穩(wěn)定后測量兩極之間產(chǎn)生的極化
電流，極化電流再經(jīng)轉換電路轉換為電壓，放大和濾波處理后得到輸出電壓Vo2。
[0022]以上的測量電路設計特別注重對微小信號的去噪和放大:一是通過合理的接地設計，防止因為電位不平衡引入的誤差；其次采用低偏置的運算放大器對傳感器輸出信號進行濾波和放大；另一方面，傳感器和電路的偏置采用軟件補償來消除。
[0023]測量電路的輸出信號直接與主控芯片的數(shù)模轉換器ADC連接，完成數(shù)據(jù)采集與
存儲。主控芯片有2K的Rom和60K的Flash Rom，加起來可以存儲2000多次的測量數(shù)據(jù)。如果測量設定為每30分鐘一次，那么上傳至客戶端前可以持續(xù)運轉1000小時。
整個監(jiān)測裝置由電源模塊進行供電，供電電池經(jīng)過DC/DC直流轉換后，為主控芯片及
測量、通訊模塊提供工作電壓。耗能方面，MSP430F169的功耗管理極具優(yōu)勢，再加上在本應用中，傳感器監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)是變化極為緩慢的物理量，所以并不需要頻繁的測量并發(fā)送數(shù)據(jù)，相應的平均功率也很低。根據(jù)需要，通過主控芯片定期的激活傳感器使之進入工作狀態(tài):測量環(huán)境參數(shù)、信號調理、數(shù)據(jù)存儲及傳輸；而在其余時刻處于休眠狀態(tài)。這種低功耗的特點使得本裝置的使用壽命得到了保證。
[0024]本裝置能夠與外部進行數(shù)據(jù)通信,MSP430F169內(nèi)置有兩路串口通信UART模
塊，這兩個部分與通訊模塊中的轉換芯片相連接，根據(jù)需要實現(xiàn):RS - 232或者無線通訊。
[0025]使用時，為了監(jiān)測整個結構的腐蝕環(huán)境，具體的步驟流程如圖4所示，在飛行器易發(fā)生腐蝕的部位分布安裝本裝置，連續(xù)采集環(huán)境參數(shù)，信號調理后存儲在本地。將各監(jiān)測裝置看成是傳感器結點，那么它們之間就構成了一個傳感器網(wǎng)絡。為了實現(xiàn)整個系統(tǒng)之間的通訊，除各傳感器結點外還需要添加匯聚結點，如圖3所示。不同位置的監(jiān)測裝置將本地數(shù)據(jù)傳輸給匯聚結點，匯聚結點綜合管理各傳感器結點，并在適當?shù)臅r機將數(shù)據(jù)上傳。如在停
機時，用戶可以通過手持設備，如PDA、筆記本等，經(jīng)由匯聚結點獲取所有的數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫。
[0026]用戶存儲 數(shù)據(jù)是為了能通過獲取的環(huán)境參數(shù)對環(huán)境的腐蝕性評估，方法如下:
首先,ISO 9223標準中給出了劃分環(huán)境腐蝕性等級的方法，即通過測定在腐蝕環(huán)境
中的標準金屬，如鋅的腐蝕速率劃分腐蝕性等級，如表1所示。
【權利要求】
1.一種飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)在飛行器易發(fā)生腐蝕的部位分布飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測裝置，將其作為傳感器結點，并添加匯聚結點構成傳感器網(wǎng)絡，實時監(jiān)測整個結構的腐蝕環(huán)境，測量的環(huán)境參數(shù)包括溫度、相對濕度、濕潤時間、pH值和Cl—濃度； (2)停機時，用戶通過匯聚結點收集數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)庫； (3)用戶通過分析數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗模型
rcorr = kj X [x]k2 X IO-Ph X ekaRH + k4 X [x]k3 X [Cl—] x ek^T+ksRH 計算該環(huán)境能導致的腐蝕速率，其中remT是腐蝕速率，單位μπι/year ;pH是pH值；[Cl~]是氯離子濃度，單位mg/L ; τ是濕潤時間，單位hour/year ； T是溫度，單位0C ； RH是相對濕度~ks是該經(jīng)驗模型的系數(shù)，由試件腐蝕試驗獲取的數(shù)據(jù)計算得到適合于被測對象的系數(shù)值；(4)將步驟(3)得到的腐蝕速率與ISO9223中劃分的環(huán)境腐蝕性等級進行比較，即能從腐蝕的角度對飛行器的健康狀況做出評估，并以此為依據(jù)判斷現(xiàn)階段是否需要對飛行器進行維護。
2.如權利要求1所述的一種飛行器腐蝕環(huán)境監(jiān)測方法的實現(xiàn)裝置，其特征在于，包括主控微控模塊、測量模塊、通訊模塊和電源模塊:主控微控模塊直接與測量模塊相連，控制著測量模塊中的多個傳感器實時對環(huán)境參數(shù)進行測量；主控微控模塊利用內(nèi)置的串口通信功能部件與通訊模塊的轉換芯片直接相連，實現(xiàn)與外界的有線或無線的數(shù)據(jù)通信；電源模塊提供主控微控及測量、通訊模塊的工作電壓。
【文檔編號】B64F5/00GK103693209SQ201310696467
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權日:2013年12月18日
【發(fā)明者】袁慎芳, 常鳴, 邱雷, 王長春 申請人:南京航空航天大學