综合仪表和传感器系统使航空航天设备的状态维修

文摘

这里工作报告的目的是用系统工程方法来指导开发的集成仪表/传感器系统(IISS)通信、互联和信号采集。这些需要增强的适用性和有效性诊断和航空航天设备的卫生管理由状态维修的原则(CBM)。得出IISS定义的系统工程方法在识别系统整体需求和提供明显的益处分类和评价选择体系结构的体系结构框架,相对于自底向上关注传感器技术盲系统级别的用户的需求。CBM IISS规则确定包括公差等因素大部分航空航天设备的操作环境中,低侵入性、快速重新配置和负担得起的生命周期成本。确定的功能特性包括各种传感器的类型和接口的审讯中常见的航空航天设备与灵活性,允许应用程序在多路通信媒体系统重新配置,以适应快速发展的传感器的需求。这意味着标准接口的传感器位置(最好是开放标准),减少线/连接器销数利用(通过使用无线通讯或消除)。

1。范围、目标和方法

本文论文仪表和传感器用来支持状态维修(CBM)航空航天设备、传感设备和组件的状态(状态和操作)需要启用诊断引发必要的维护措施。它包含这样的仪表和传感器,以及信号采集功能和中介沟通媒体,因此“综合仪表/传感器系统”(IISS)。重点是IISS应用程序来诊断和健康管理(DHM)使更多的成本效益CBM推进所需的复杂机械系统与电力、环境控制、飞行控制、和其他基本功能,重量和体积的限制,与其他系统紧密集成和车辆结构,暴露在全飞行包线和环境的严酷。

现代航空航天设备控制系统包括许多控制传感器,也可能为煤层气的功能。然而,IISS被提出和部署航空设备诊断和健康管理(DHM)(如城市所述1),Litt et al。2),和巴黎等。3]),使更有效的煤层气。IISS的日益增长的复杂性导致考虑分布式DHM体系结构来克服成本,重量,可靠性的挑战集中的系统架构。

区分传感器系统,传感器系统或元素,与固有的信号采集带宽和数据处理需求。大部分的物理参数感觉到DHM需要离散样本以相对较低的利率,每秒100 - 1的订单。周期性的准静态的样本参数如压力、温度、转速、压力、位置和流最充足的物理系统状态评估。另一方面,动态测量传感器(声、压力波动、振动运动和应变…)需要高带宽、高频率的记录。本研究解决传感器系统应用程序询问一个多种多样的感觉参数以相对较低的带宽,但结论也适用于高带宽信号采集给定适当的多路复用技术。

假设,在上述范围内,自顶向下的系统工程方法将比一个自底向上的追求更加丰硕的先进传感器技术在满足用户需求更合适和经济仪表和传感器解决方案。这种方法包括定义DHM IISS需求和目标,评估用户首选项,定义一个功能体系结构框架捕捉全方位的替代功能架构,并确定转换性能的功能特点和体系结构,适用性和成本/收益交易限制高级传感器功能的开发煤层气。国家有关艺术的例子简要描述。

2。基本的传感器系统需求

这部分地址固有的仪表/传感器需求DHM IISS功能,也就是说,传感器信号的采集的设备条件的说明。

2.1。准确性、精度和范围

DHM可能经常需要准确测量覆盖全方位的系统在正常和非正常操作经验丰富的条件,虽然在很多情况下阈值识别异常条件或操作模式可能是必要的。然而,这样的阈值可能需要现场调节在很大范围内需要基于服务经验和高精度测量至关重要。

2.2。重复性和稳定性

的操作影响诊断传感器维修或校准间隔不到几个月,甚至几年的服务通常是不可接受的。进入退化传感器通常需要切除的嵌入式设备。服务信号采集子系统可能没有那么繁重,但它仍然是一个不受欢迎的成本和不可用的司机。断断续续的线束和连接器故障往往是主要的贡献者DHM传感器数据的可重复性差。腐败DHM数据记录是常见的故障排除障碍,延长,破坏有效CBM反应。

2.3。耐力和可靠性

同样,传感器和诊断应用程序IISS可靠性是至关重要的。调度与DHM失败可能被限制,传感器和利用往往难以接近。互连利用失败的重要来源和假警报,减少任务能力和可用性,并有助于高维护成本的航空系统。

对于一些特定的传感器需求领域考虑,例如,评估系统在燃气轮机热行为和组件状态部分,传感器耐久性可能限制的可能性,但研发继续扩张的环境功能可用的传感器。

上述指标的核心传感器选择和IISS可服务性和整个传感器系统架构和功能必须适应这些要求。然而,还必须考虑DHM IISS需求驱动适用性和寿命周期成本(LCC)考虑来自煤层气的业务挑战,需求相关的过程比产品。传感器系统必须适合煤层气使用的和负担得起的。在美国海军,CBM有望实现依法的原则以可靠性为中心的维修(RCM),确定为煤层气+。最符合成本效益的解决方案采用单个失效模式和IISS使煤层气的成本必须与传统方法竞争。

3所示。适宜性和生命周期成本的目标

DHM IISS设计考虑和要求必须考虑系统的应用程序和使用服务煤层气的需要。

3.1。服务能力和支付能力

证明DHM IISS生命周期总成本,包括维护、技术支持和数据分析,与已知的直接的定期检查,并接受负担或删除和测试,航空航天系统组件是一个重大的障碍对于DHM IISS应用程序,甚至当用户欣赏煤层气的价值。开发和部署的DHM IISS耐用的和负担得起的煤层气的应用在航空航天应用程序限制。

在仪器仪表及传感器系统的关键因素驱动的成本在航空航天应用中通常是架构的单个传感器激励,沟通,独特的信号采集电路在一个专用的通信通道(通常超过几个导体/传感器)。这是不太常见的工业应用,网络化的“智能”传感器(例如,Madni [4]),本地过程传感器读数和沟通的结果在一个标准格式数字数据总线到中央数据记录器是常见的。

分布式传感器与信号采集架构的可能性在航空航天控制系统应用程序的主题分析和研究(例如,看到Behbahani et al。5),Litt et al。2],Culley和Behbahani [6),和更为紧张等。7]),但迄今为止一直在有限的应用程序要求航空操作环境和有限的温度和振动功能可用的模拟和数字电路元件排除这样的“智能”传感器的使用。

一个相关问题是DHM IISS的质量保证。一旦所有传感器安装和连接,验证传感器正确连接和功能,并纠正任何错误,是至关重要的。此外,DHM传感器通常是将现场更换没有变化信号采集标定和补偿。这两个因素驱动IISS成本和交易能力,应该考虑在选择IISS架构,使嵌入式传感器识别和功能检查。

3.2。兼容性与侵入性

传感器的尺寸,需要访问和连接,信号采集设备重量和体积约束DHM传感器系统的应用程序和实用工具。传感器和可访问性规定互联设备成本产生重大影响,需要测量多个参数,更可靠,增加DHM IISS的复杂性和成本。航空航天项目进行设计和开发,加强成本和重量利润率,DHM IISS结合驱动的重量和成本减少或CBM(无限期)延迟基本能力。

3.3。适应性和灵活性

所有仪表/传感器系统的核心问题的不确定性,需要测量的风险来满足系统性能和可靠性/可用性目标没有预期或考虑。航空航天设备设计和开发是健壮和可靠的依赖有限的预防和纠正性维护。大部分需要定期维护以应对意外的设备故障模式变得明显在开发和后期服务。因此,重新配置DHM IISS获取数据的能力没有预见到指定的设备和获得有效CBM至关重要。(徐et al。8强调这些规则)。DHM系统应该是可重构在几天或几周,使数据收集通知根源决心和抢占重要退化的可操作性和任务可用性DHM系统升级的快速部署。

3.4。用户首选项

验证以上,被派去调查DHM主题专家(SME),要求他们排名上述因素贡献者DHM IISS适用性。七反应得到的结果显示在图中1,与最高优先级服务能力在航天环境中,但重要的问题与用户需求容易IISS新兴CBM与设备集成服务和适应性的需求。

当被问及重量这些系统级因素,中小企业的反应结果直观地满意的中位数:1,2/3,和可服务性1/3,unobtrusiveness,分别和灵活性。

4所示。功能体系结构和影响

4.1。DHM IISS示意图功能体系结构框架

图2代表一个示意图DHM IISS功能架构的框架。它描绘了一个数量的不同传感器监测的航天设备。这说明忽视辅助元素,如电源和传感器励磁,突出了核心功能为目的的确定主要功能架构选项。

在本示例中,设备的状态是衡量一个号码()的传感器,每个首先将物理输入转换成一个模拟输入固有的物理传感器模式/设计(PIN-AIn)。例如,感觉到压力将隔膜应变应变仪,或者一个光纤布拉格光栅。

示意图说明通用功能的数据采集系统从多个不同的传感器,包括多路传感器数据通信方案。

第二类函数把基本模拟输入转换为模拟输出(AIn-AOn)适合信号传输和收购,例如,电压或特定频率的光。第三类函数将这种模拟输出转换为一个数字输出(Aon-DOn),现代信号采集系统的基本功能启用IISS的进一步自动化处理输出数据(不)DHM系统。这些提出的基本功能任何DHM IISS的构建块。

此外,如果IISS功能是合适的选择和实现,“数字输出”来自多个传感器可以使用一个共同的传播、标准化协议DHM信号采集和处理功能通过一个数字数据总线多路复用。

如果两个函数的选择与实现的第一个是兼容的,“模拟输出”来自多个传感器可以通过频率传播一个标准化的格式和/或时分多路复用通道(例如,光纤或无线模拟信号共享一个公共传输媒介)。

4.2。建筑方案

更常见的方法是标准化和多路复用传输的数字输出。这个功能体系结构几乎是必不可少的艺术DHM状态,在数据总线数字数据传输的基础架构是常态。然而,对于许多航空航天应用传感器环境和空间约束需要将模拟输出信号采集、数字转换,进一步处理的航空电子舱或其他保护环境从设备中删除被监控和嵌入的传感器。这通常需要通信的模拟传感器输出的多样性专用通道喂养专用信号采集子系统,减少所需的数字信号多路复用的好处:可靠、更轻、不引人注目的,经济的相互联系。

分布式物理架构,模拟数字转换和信号多路复用功能是分配给嵌入式智能传感器,“看来非常可取的。然而这种选择是受到环境限制的传统硅基数码电子产品。工作正在进行中,展示一个成本有效的和适当的能力利用高温合格的电子元件,(见米勒和更为紧张9一个例子)。

第二个架构方案利用标准化模拟输出信号实现多路信号传输的好处在这个接口,以应用多个光纤的光纤布拉格光栅传感器是审问了一个单一的光纤。(见Abad [10])。这种替代架构需要传感器(比无动力的传感器)设计符合标准化模拟输出(电气、光学或无线电频率)沟通在一个普通传输媒介的使用时间或收购一个共同的波分多路复用信号采集通道。这是有吸引力的减少利用的规模和复杂性和限制信号采集接口和设备的数量和种类。

第二个架构严重限制了模拟输出,并要求传感器的创新设计,以适应一个公共接口。设计中披露米勒(11),例如,要求所有传感器设计,不同感觉物理参数应变光纤布喇格光栅或修改其光学特性符合定义的共同标准,所以所有的结果都可以读出一个光电信号采集子系统。

然而,后一种方法是一个有吸引力的选择航空航天环境和应用程序的成本,体积,复杂性,和不成熟的智能传感器,否则将预期的效益。(设计传感器套件标准模拟输出仅将使下面提出的一些特性,但多路传感器模拟输出的能力是需要从根本上解决适用性和生命周期成本的目标)。

4.3。功能寻址适用性和生命周期成本的目标

一般来说,适用性的暗示和寿命周期成本(LCC)驱动集成仪表/传感器系统设计的目标是使传感器的“智能”通过移动传感器具体(AOn)接口尽可能感觉到参数,在不影响传感器性能目标。分布式系统与标准化的多路复用接口传感器位置应该减少重量,复杂性,和成本之间的联系,促进IISS修改响应传感器需求变化或功能的改进。

如果标准接口是“开放的”,一个公共规范,系统功能将增加和LCC将减少供应商竞争提供改进会议标准接口的传感器,对现有的测量和新型传感器的要求。

支持多路复用通信能力将产生成本和兼容性,特别是如果它允许单个(较小和较复杂的和昂贵的)信号采集器询问多个传感器。各种通信网络体系结构成为可行的,允许优化对提高系统可靠性和动态重新配置。如上所述,多路复用的模拟输出传感器是更有吸引力的选择,因为它可以消除分化信号采集渠道的多样性。适当的标准化模拟输出通信协议将使“即插即用”传感器的互换性,加强新兴DHM IISS适应性要求。

另一个理想的特性将对自动传感器识别功能(类型和项)和描述,避免传统仪器的繁重的信号跟踪,有效减轻制造传感器的高成本和相同的校准。嵌入式识别和校准(或分类)通过信号采集网络数据审讯将理想,允许即插即用传感器,配置管理和交换网络。非易失性内存函数隐含的需求也可以用于存储使用情况、故障和系统配置数据来指导维修。

进一步的特点是一个技术基础由当前和未来的应用程序共享的其他领域一样,最好的商业市场,可以促进融资为常见的组件技术的成熟和增加产量。这些替代市场将在恢复传感器系统的投资。例如,无线和光纤技术剥离从通信行业应用程序是模拟多路复用IISS的发展资源。

5。结论和建议

示意图DHM IISS功能框架的提出是一个有用的工具来替代DHM IISS分类方法。在这个框架中,这将是富有成效的识别各种兼容的实现为每个函数,例如,生成合适的配对的共同模拟多路模拟输入和输出协议从光纤传感器测量不同物理输入。形态变化这些选项可以用来确定DHM IISS前途的设计方案。

各种各样的设计方法实现第二个替代功能architecture-standardized多路模拟传感器输出定义,可行性论证和发展的早期阶段。六年前,Mrad和肖12]指出航空光纤传感器系统的关键技术障碍:健壮的光电信号采集的需要。卢娜创新公司。13)最近完成了一项美国海军博士II SBIR合同解决这个需求。

丰塞卡et al。(14)早期演示多个压力传感器响应微波审讯,和Environetix15)提供温度传感器使用一个类似的原则。最近海军SBIR主题探索潜在的多路模拟信号也结出了果实。格里高利et al。16]形容SBIR项目利用无线传感器的概念适用于多种类型的传感器将使众多无线传感器在燃气轮机热节审讯由单个信号采集器。共振的有限责任公司(17,18)正在开发一种新颖的声表面波(看到)无线传感器与多个传感器功能使用750度。C。

调查的可行性,进一步努力和发展,这种创新的技术方法是一种很有前途的途径更适合DHM IISS和成本有效。这样的定义和评价方法,在前一节中描述的特性应该被考虑。一般来说,系统工程方法在定义用户提供明显的益处明显IISS系统需求和架构框架分类,识别、和评估替代体系结构,相对于自底向上关注传感器技术没有解决系统级用户的需求。

命名法

CBM:	基于状态的维修
DHM:	诊断和健康管理
国际战略研究所:	综合仪表/传感器系统
低成本航空:	生命周期成本
RCM:	以可靠性为中心的维修
SBIR:	小企业创新研究。

承认

这里的工作报告进行了海军研究办公室,约瑟夫Doychak博士的指导下。这里发表的权威下海军研究办公室没有公开发布情况。43-037-11。

引用

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