军用飞机PHM系统监测与传感技术综述

军用飞机 PHM系统监测与传感技术综述

孙志成，咸婉婷，李修钰，朱钧橪

中国电子科技集团公司第四十九研究所，哈尔滨 150001

摘要：

健康监测与故障预测(PHM)系统在航空航天、军事科学等领域发挥着重要作用。PHM系统是起源于无损检测技术，并在此基础上拓展延伸的新型监测技术。飞机PHM系统能够实现飞机结构的实时在线监测，提高飞机的安全系数和可靠性，增加飞行时间，同时降低运营维护成本。概述了飞机PHM系统研究现状，介绍了几种类型传感器在结构健康监测领域的应用，展望了结构健康监测传感器技术的发展前景。

关键词：

飞机；传感器；PHM；健康监测；故障预测

0引言：

飞机的健康监测与故障与诊断曾一直采用人为检修方式，这种方式不仅费时费力还大大减少飞机运行时间。尤其在拆装结构组件时，甚至会引起结构或辅助系统的损伤或退化。飞机健康监测提出于20世纪70年代中期，美国在A-7E飞机的发动机上率先应用大量传感器监控发动机健康，随后在F-15C战斗机疲劳解体事故发生后，美军又将用于路桥结构监测的结构健康监测（SHM，Structural Health Monitoring）技术用于战斗机以实现结构失效预警并为维修保养的依据，该应用取得了良好效果。而后80年代美、日等航空工业发达国家相继提出EHM（发动机健康监控）、ICAS（集成状态评估系统）等概念，它们共同为系统化、专业化的预测与健康管理(PHM，Prognostics and Health Management)技术奠定基础。由此，PHM技术成为以飞机为代表的高价值、高维修成本的装备的必备系统之一。飞机PHM系统通过采用分布式传感器结合采集系统获取飞机各项健康数据参数，并通过试验和飞行过程中的参数变化与飞机故障模型的结合，推断系统的整体健康状况。因此，传感器是PHM系统存在的重要前提与实现功能的核心基础器件。

1 飞机PHM系统主要监测对象

飞机PHM系统利用先进的传感技术与数据处理技术，高时效的获得各部件和整机的状态参数，借助相应的诊断和预测方法评估飞机健康状态，支持飞机任务执行规划和维护决策。PHM系统获取数据的核心方法是应用传感器对载荷、振动和发动机散热等主要监测对象进行在线监测或数据存储，实现结构损伤预测、事故与故障记录、散热能力评估等，满足健康评估所需的全部数据挖掘能力。

1.1载荷监测技术

载荷监测技术主要解决各个受力部位的健康监测与故障预测问题。为了准确获取实际飞行载荷谱,需要测量飞机主要受力部位的应变、飞行参数和载荷传递函数，并在飞行载荷数据库中加以记录；然后根据随机过程理论，对完成的飞行载荷参数进行统计；再应用力学分析方法估算重要结构的剩余疲劳寿命, 以指导后续飞行和维护。飞机载荷在线监测的优点在于能够准确掌握每架飞机的实际使用情况，控制关键部件剩余疲劳寿命, 提高飞行安全, 便于机群管理。

载荷监测也有应用光纤等光学方法、超声波等声学方法进行应力监测和裂纹检测的方案，但由于电路部分较为复杂、安装误差大、抗振动能力差等问题，目前在军用飞机中应用较少。

1.2振动监测技术

振动监测技术主要解决零部件松动、结构松脱分离以及部分部位的裂纹等问题的监测与预测。通常在飞机飞行过程中长期监测，也有仅在整体振动试验中监测，获取数据后取下的用法。通过振动监测，可以获得在发动机正常振动和飞行正常运行情况下的数据，并对突然改变或者缓慢发生改变的数据进行关注。

例如某部件Y轴振动频率相对其刚性连接的部件发生明显下降，振幅上升，则有极大可能该部件松动，而某部件与其刚性连接部分的静态加速度值发生偏差，则可能出现形状改变或裂纹导致出现夹角，这都是PHM关注的问题。

振动监测目前通常通过MEMS三轴加速度（振动）传感器来实现小体积、轻量化的监测，部分存在高温的部件，则通过耐温更好的压电振动传感器进行振动监测，但该传感器通常为单轴，可通过配置多个探头来实现多维度的振动监测。振动监测也有使用光学、电涡流、磁电传感器的测量解决方案，但目前在飞机中应用较少。

1.3发动机散热监测技术

飞机散热冷却系统主要有两项功能：第一，保护发动机正常工作，让发动机处于恒温工作状态。发动机工作温度过高或过低，都会对发动机运行效率，加快发动机组件的磨损速度。第二，带走发动机工作过程中产生的热量，使发动机各零部件使用寿命得到有效延长。

针对不同飞行器的特点，使用温度传感器、压力传感器、流量传感器监测发动机散热系统、冷却系统状态，也是飞机健康监测与故障诊断的重要方面。传感器需要根据飞机实际情况进行量程匹配和定制，其重量、功耗、精度、响应时间等指标都是决定PHM系统性能的关键指标。

2 飞机PHM系统传感器技术

飞机PHM系统集成了多种类型传感器，根据传感器类型的划分，可以分为通用型传感器，专用型传感器和新型传感器。通用型传感器主要有，温度传感器、力敏传感器、气体压力传感器以及湿度传感器等。专用传感器则是指特殊结构、特殊量程段的为飞机所专门研制的传感器，如应变、热流、流量、振动传感器等。应用时可根据相应的标准和大量的工程实践经验进行选择。

除了上述常见传感器外，当前广泛应用于PHM系统的是高精度、小型化、可靠性好的新型传感器，如微电子机械系统（MEMS）、光纤传感器、智能传感器以及可以从结构的外部来监测的非接触式传感器等。本文主要对以上新型传感器进行展开介绍。

2.1基于MEMS技术的传感器

MEMS传感器具有小型化、易封装、易于多参数集成、耐久性强、环境适应性好等特点，可布设在空间狭小且恶劣的工况下。在军事方面，小型化使基于MEMS技术的传感器可以应用于传统传感器所不能应用的场合，这样就使 PHM系统的小型化成为可能。同时成本的进一步降低促进了MEMS传感器的批量生产和在工程中的广泛应用。

如LM公司与其合作商在为美国陆军的导弹系统开发先进导弹远程监测系统的项目中,把MEMS系列温湿度传感器及加速度计等多类型传感器集成到一个共用的传感模块中。该MEMS传感器模块可以把各种振动、湿度和温度数据可以相关信号传输系统实现实时在线远程传输。

2.2 光纤传感器

光纤传感器因具备抗电磁干扰能力强、可实现复用、工程环境安装能力好等特点，在飞机PHM系统中被日益广泛应用。光纤光栅传感器径小质轻、能够实现复用，能够满足飞机PHM系统结构元件数量多，几何分布广，监测传感器需求数量大的工作条件。因此成为飞机PHM系统中应用最多的一种传感器。

目前，光纤传感器的主要类型有：光纤珐珀应变传感器、光纤布拉格光栅传感器。光纤传感器可用于对应变、位移、温度、湿度以及其他物理参量进行测量。如发动机研究人员利用光纤应变计对结构膨胀与轴承力矩等参数进行监测，进而利用有限元仿真和小波变换技术确定整个系统的安全工况。在建筑和结构设计领域，光纤传感器来监测特定结构在疲劳载荷下的裂纹情况，可描述疲劳断裂层附近的应变。

2.3智能传感器

智能传感器的概念最早由美国宇航局在研发宇宙飞船过程中提出来，当前全球智能传感器技术创新势头迅猛，基于新材料、新原理、新工艺、新应用的产品不断涌现，世界主要工业强国如美国、德国等国家均已在智能传感器领域谋篇布局，呈现高速增长发展态势。智能传感器已然成为我国实现制造强国和网络强国目标战略必争的关键领域。智能传感器具备所有传统传感器的优点，同时还具有信息采集处理和自动交换信息的能力，使单个传感器单独具有“PHM”的能力。如图１所示。基于智能传感器的测量原理，智能传感器的组成可能不限于或不全部包含图１所示的模块。

图1 智能传感器模型

2.4非接触传感器技术

目前，传统传感器大多采用粘贴或埋入的方式实现监测功能。一些新型的传感器可以不直接和结构相连接，实现被测物体的非接触测量，如剪切应力传感器、激光测速传感器、激光振动传感器、超声传感器以及红外热谱传感器等。这些非接触传感器增强了在地面对飞机结构损伤进行全面检测的能力，可以对在线传感器探测的结构损伤进行进一步的诊断和定位。该技术进一步发展后，也可能应用到对飞机的大部件结构进行实时、在线监测。如图2所示，对射式红外传感器采用非接触式测量方式，对射式红外光电开关把一个红外光发射器和一个红外光接收器面对面地装在一个槽的两侧，这类的对射式光电传感器又叫槽型开关，发光器能发出红外光，在无阻情况下光接收器能收到光。

图2 对射式红外传感器

3总结

用PHM技术能够支撑未来战机实现高效、准确的维修保障，其应用受到国内外科研院所、学术研究机构、基层保障单位的广泛关注。本文以军用飞机 PHM 传感器技术为对象，着重分析现阶段军用飞机 PHM 传感器技术发展及应用概况，为飞机PHM系统设计及其传感器选用提供借鉴和参考。

未来飞机PHM 系统传感器技术发展将逐步向智能化、网络化、小型化和规范化的方向发展。我国 PHM 技术的发展应该在借鉴国外研究成果基础上，充分结合国情实现自主可控立足创新。同时抓好 PHM传感器传统类型的技术改进与性能提升，完成技术革新、基础设施建设、人才软实力培养等方面工作，形成具有我国特色的、面向未来新一代装备的的 PHM 技术体系。

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孙志成，男，1971- ，高级工程师。研究方向：传感器技术。