一种全机疲劳试验应变传感器失效的自动检测方法与流程

1.本发明属于飞行器疲劳试验技术领域，具体涉及一种全机疲劳试验应变传感器失效的自动检测方法。


背景技术：

2.在飞机全机疲劳试验中，疲劳关键结构布置的应变传感器数量多，由于试验时间持续数年，部分传感器在试验过程中发生失效，如未及时发现，将造成应变数据缺失，结构损伤监控存在时间空档而带来试验安全风险，传感器失效后，失真的应变响应也会对基于应变监测的损伤识别带来不利影响。
3.目前，主要依赖于试验人员肉眼观察每个传感器的应变响应曲线是否正常来判断传感器是否失效，主要的判断依据是检查应变响应是否超过量程或没有响应，存在效率低下、判据片面的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的：本发明提出一种全机疲劳试验应变传感器失效的自动检测方法，通过失效传感器的响应特征识别、数学模型构建、失效判据建立，实现了试验过程中失效的应变传感器的高效自动检测，为及时发现、维修或更换失效的传感器提供了可靠的技术手段。
5.本发明的技术方案：
6.一种全机疲劳试验应变传感器失效的自动检测方法，包括以下步骤：
7.步骤一：根据同一类型应变传感器在过往全机疲劳试验中的失效数据，提取应变传感器失效数据特征；
8.步骤二：对应变传感器失效数据特征进行数学建模，确定每种失效数据特征的典型特征参量及其数学表达；
9.步骤三：根据失效数据特征的典型特征参量建立应变传感器失效判据；
10.步骤四：在新的全机疲劳试验调试阶段，根据调试数据确定传感器失效判据阈值参数范围；
11.步骤五：在新的全机疲劳试验中，通过数据采集系统采集所有应变传感器的响应数据，并计算每个应变传感器响应数据的典型特征参量；
12.步骤六：根据应变传感器失效判据和步骤五中得到的典型特征参量，分别判断各个应变传感器是否失效。
13.步骤七：将失效的应变传感器统计汇总，以供试验人员排查、维修及更换相应的传感器。
14.进一步，所述步骤一中，应变传感器失效数据特征包括：特征一：应变传感器响应数据超过应变传感器量程、特征二：应变传感器响应数据恒为常值而不随外载变化、特征三：应变传感器响应数据呈现与外载大小无关的递增/递减现象。
15.进一步，特征一涉及的典型特征参量包括：均值标准差s、响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率k；
16.特征二涉及的典型特征参量包括：均值标准差s、响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率k；
17.特征三涉及的典型特征参量包括：响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率k。
18.特征一～特征三涉及的s、k分别采用公式(1)～(3)计算：
[0019][0020][0021][0022]
其中，x为传感器数据的时间序列，y为传感器响应数据序列，n为y中数据点个数。
[0023]
进一步，所述步骤三中，应变传感器失效判据包括：
[0024]
若应变传感器的响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率绝对值不大于10-6
，则判断应变传感器失效，且失效数据特征为特征二；
[0025]
若应变传感器的响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率绝对值大于10-6
且均值绝对值不大于ε
th
，标准差大于s
th1
，则判断应变传感器失效，且失效数据特征为特征三；
[0026]
若应变传感器的响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率绝对值大于10-6
且均值绝对值大于ε
th
，标准差大于s
th2
，则判断应变传感器失效，且失效数据特征为特征一；
[0027]
否则判断传感器正常；
[0028]
其中，ε
th
、s
th1
、s
th2
为失效判据阈值。
[0029]
进一步，所述步骤四中，在新的全机疲劳试验调试阶段，采集已知未失效的应变传感器调试数据，根据已知未失效的应变传感器调试数据确定失效判据阈值参数取值。
[0030]
进一步，所述步骤四中，根据不同全机疲劳试验的实际数据情况，失效判据阈值参数范围如下：
[0031]
ε
th
在[500,2000]之间、s
th1
在[500,1500]之间、s
th2
在[1000,2500]。
[0032]
进一步，所述方法还包括步骤七：将失效的应变传感器统计汇总，以供试验人员排查、维修及更换。
[0033]
进一步，所述步骤四中，在对不同飞行器进行全机疲劳试验之前，均需通过全机疲劳试验调试阶段，重新确定传感器失效判据阈值参数取值。
[0034]
本发明的有益效果：
[0035]
解决全机疲劳试验中失效应变传感器的人工识别效率低、判据片面，发现不及时
造成结构关键部位损伤监测存在时间空档的问题，建立一套自动检测应变传感器是否失效方法，为试验的安全、顺利开展提供保障。
[0036]
为试验周期长达数年、应变传感器数量成百上千的全机疲劳试验提供了一种较为准确地快速判断应变传感器是否失效的方法，有利于尽早发现失效的传感器，及时加以维修或更换，避免因传感器失效未被发现导致结构关键部位的监控存在时间空档而给试验带来安全隐患。
附图说明
[0037]
图1为一种全机疲劳试验应变传感器失效的自动检测方法的技术流程示意图；
[0038]
图2(a)为失效传感器的数据特征
①
的示意图；
[0039]
图2(b)为失效传感器的数据特征
②
的示意图；
[0040]
图2(c)为失效传感器的数据特征
③
的示意图；
[0041]
图3(a)为具体实施例中某型飞机全机疲劳试验调试阶段，未失效的应变传感器的响应数据的均值的概率分布示意图；
[0042]
图3(b)为具体实施例中某型飞机全机疲劳试验调试阶段，未失效的应变传感器的响应数据的均值的绝对值》500的传感器的样本标准差的概率分布示意图；
[0043]
图3(c)为具体实施例中某型飞机全机疲劳试验调试阶段，未失效的应变传感器的响应数据的均值的绝对值《500的传感器的样本标准差的概率分布示意图；
[0044]
图4(a)为具体实施例中采用建立的失效判据识别到的满足失效特征
①
的失效传感器的数据历程示意图；
[0045]
图4(b)为具体实施例中采用建立的失效判据识别到的满足失效特征
③
的失效传感器的数据历程示意图；
[0046]
图4(c)为具体实施例中采用建立的失效判据识别到的满足失效特征
③
的失效传感器(分段看同时具有特征
①
和特征
②
)的数据历程示意图。
具体实施方式
[0047]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0048]
一种全机疲劳试验应变传感器失效的自动检测方法，可能的具体实施方式之一如下，其特征在于，包括以下步骤：
[0049]
第一步，根据相同类型的应变传感器在过往全机疲劳试验中的应用数据，提取应变传感器失效后的数据特征；通过依次分析每组应变传感器的响应随时间变化的规律，归纳出应变传感器失效后，响应数据的三种典型特征：
①
超过应变传感器的量程，示例如图2(a)所示，应变传感器量程一般为
±
20000，该传感器失效后，响应数据达到了-1000000；
②
不随外载变化，应变响应恒为常值，示例如图2(b)所示，该传感器失效后，其响应数据恒为0；
③
应变数值呈现与外载大小无关的递增/递减现象，示例如图2(c)所示，该传感器失效后，其响应数据出现连续单调增或单调减的现象，与外载的波动不符。其中，特征
③
在以往
的试验中存在疏漏，且易造成结构损伤监控的误报；
[0050]
第二步，针对所述第一步的三种特征进行数学建模。采用统计分析方法，确定特征
①
和
③
的特征参量为：均值样本标准差s、应变数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率k；确定特征
②
的特征参量为应变数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率k；
[0051]
所述均值样本标准差s、斜率k的计算公式分别为公式(1)、公式(2)、公式(3)。式中，x为提取数据中的时间序列，y为传感器数据序列，n为y中数据点个数。斜率k为采用最小二乘法对(x,y)进行线性回归所得直线的斜率。
[0052][0053][0054][0055]
第三步，建立判断应变传感器是否失效的判据如下：
[0056]
如果|k|≤10-6
，
[0057]
则应变传感器的响应恒为常值(对应特征
②
)，传感器已失效；
[0058]
如果|k|＞10-6
且s＞s
th1
，
[0059]
则应变传感器的响应呈现与外载大小无关的递增/递减现象(对应特征
③
)，传感器已失效；
[0060]
如果|k|＞10-6
，且s＞s
th2
，
[0061]
则应变传感器的响应超过传感器的量程(对应特征
①
)，传感器已失效；否则，应变传感器正常。
[0062]
其中，所述ε
th
、s
th1
、s
th2
为失效判据的门槛值，不同飞机的全机疲劳试验取值不同。
[0063]
第四步，在全机疲劳试验调试阶段，采用调试数据对所有未失效应变传感器的数据作统计分析，采用公式(1)～(3)计算每个未失效应变传感器响应数据的均值样本标准差s、斜率k，分别统计和s的概率分布。图3为某型飞机全机疲劳试验调试数据的统计情况，如图3(a)所示，均值的值绝大部分分布在[-500,500]之间，服从正态分布；如图3(b)所示，均值的应变传感器，其标准差服从对数正态分布，多数分布于[300,1250]之间；如图3(c)所示，均值的应变传感器，其标准差也服从对数正态分布，多数分布在[0,500]之间。
[0064]
根据上述统计，采用迭代法在[500,2000]之间确定ε
th
的取值为500，在[500,1500]
之间确定s
th1
的取值为1000，在[1000,2500]之间确定s
th2
的取值为1500。
[0065]
第五步，全机疲劳试验过程中，对数据采集系统新采集到的所有应变传感器的数据，采用公式(1)～(3)依次计算所述第二步中每个应变传感器响应数据的均值样本标准差s、斜率k；
[0066]
第六步，对于每个应变传感器，根据所述第五步中计算得到的均值样本标准差s、斜率k，代入所述第三步、第四步共同确定的失效判据中，自动判别应变传感器是否失效；显然，对于恒为常值的特征
②
的识别是很容易的，此处不再给出案例；如图4(a)～图4(c)所示的案例为根据第三步、第四步确定的判据，识别确定的失效传感器的数据特征，分别对应特征
①
、特征
③
、特征
③
，它们的典型特征参量组合(k、s)分别为(27.55，-317852.8，465707.6)、(-0.55，158.3，4857.1)、(0.011，109.7，10826.9)。
[0067]
其中，图4(b)的情况在以前的试验中经常遗漏，传感器失效后，其响应值并未超量程或为常值，很难引起注意，但数据呈现与外载无关的递增或递减，是无效的；图4(c)的传感器，实际只有一个点的值为120000，其它值均为0，从特征参量的值来看，它满足特征
③
，但是分段来看，它是特征
①
和特征
②
的复合情况。
[0068]
第七步，将检测到的失效应变传感器的编号及其对应的特征，自动写入指定格式的文件中，并反馈试验人员尽快完成排查和确认，及时进行维修或更换。
[0069]
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种全机疲劳试验应变传感器失效的自动检测方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：步骤一：根据同一类型应变传感器在过往全机疲劳试验中的失效数据，提取应变传感器失效数据特征；步骤二：对应变传感器失效数据特征进行数学建模，确定每种失效数据特征的典型特征参量及其数学表达；步骤三：根据失效数据特征的典型特征参量建立应变传感器失效判据；步骤四：在新的全机疲劳试验调试阶段，根据调试数据确定传感器失效判据阈值参数范围；步骤五：在新的全机疲劳试验中，通过数据采集系统采集所有应变传感器的响应数据，并计算每个应变传感器响应数据的典型特征参量；步骤六：根据应变传感器失效判据和步骤五中得到的典型特征参量，分别判断各个应变传感器是否失效；步骤七：将失效的应变传感器统计汇总，以供试验人员排查、维修及更换相应的传感器。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤一中，应变传感器失效数据特征包括：特征一：应变传感器响应数据超过应变传感器量程、特征二：应变传感器响应数据恒为常值而不随外载变化、特征三：应变传感器响应数据呈现与外载大小无关的递增/递减现象。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：特征一涉及的典型特征参量包括：均值标准差s、响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率k，分别采用公式(1)～(3)计算；标准差s、响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率k，分别采用公式(1)～(3)计算；标准差s、响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率k，分别采用公式(1)～(3)计算；其中，x为传感器数据的时间序列，y为传感器响应数据序列，n为y中数据点个数。特征二涉及的典型特征参量包括：均值标准差s、响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率k；特征三涉及的典型特征参量包括：响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率k。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述步骤三中，应变传感器失效判据包括：若应变传感器的响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率绝对值不大于10-6
，则判断应变传感器失效，且失效数据特征为特征二；
若应变传感器的响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率绝对值大于10-6
且均值绝对值不大于ε
th
，标准差大于s
th1
，则判断应变传感器失效，且失效数据特征为特征三；若应变传感器的响应数据与时间序列之间的最小二乘回归斜率绝对值大于10-6
且均值绝对值大于ε
th
，标准差大于s
th2
，则判断应变传感器失效，且失效数据特征为特征一；否则判断传感器正常；其中，ε
th
、s
th1
、s
th2
为失效判据阈值。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述步骤四中，在新的全机疲劳试验调试阶段，采集已知未失效的应变传感器调试数据，计算所有已知未失效的应变传感器调试数据的ε
th
、s
th1
、s
th2
，并分别统计ε
th
、s
th1
、s
th2
的分布，据此确定失效判据阈值参数范围。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤四中，失效判据阈值参数范围如下，具体取值需根据具体全机疲劳试验调试阶段的数据通过计算迭代来确定：ε
th
在[500,2000]之间、s
th1
在[500,1500]之间、s
th2
在[1000,2500]之间。7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述方法还包括步骤七：将失效的应变传感器统计汇总，以供试验人员排查、维修及更换。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述步骤四中，在对不同飞行器进行全机疲劳试验的应变传感器失效自动检测之前，均需通过全机疲劳试验调试阶段的数据，重新确定传感器失效判据阈值参数范围。

技术总结
本发明提出一种全机疲劳试验应变传感器失效的自动检测方法，通过失效传感器的响应特征识别、数学模型构建、失效判据建立、失效阈值确定，实现了飞机全机疲劳试验过程中失效的应变传感器的高效自动检测，提高了检测效率，解决了过往全机疲劳试验中失效应变传感器的人工识别效率低、判据片面的问题，避免了因传感器失效发现不及时造成结构关键部位损伤监测存在时间空档而带来的风险，为及时发现、维修或更换失效的传感器提供了可靠的技术手段。或更换失效的传感器提供了可靠的技术手段。或更换失效的传感器提供了可靠的技术手段。


技术研发人员：潘绍振 钟贵勇 廖宇 张志贤 李国琛 聂凯
受保护的技术使用者：中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/4/20