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申请/专利权人：中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所

摘要：本发明属于航天器探伤技术领域，具体涉及一种低功耗碰撞点信息测量装置，目的在于根据正交金属丝网格网格线通断情况，监测碰撞事件发生区域，信息采集部件定期或因传感器受到振动产生信号唤醒整套装置，到对通断信号进行采集来得到碰撞区域，计算碰撞区域几何中心即得到碰撞发生位置。其特征在于：它包括金属丝网测量部件、加速度传感器、信息采集部件和控制及数据处理计算机；信息采集部件安装在金属丝网测量部件上，通过传输线缆分别与加速度传感器和控制及数据处理计算机连接。

主权项：1.一种低功耗碰撞点信息测量装置，其特征在于：它包括金属丝网测量部件、加速度传感器、信息采集部件和控制及数据处理计算机；信息采集部件安装在金属丝网测量部件上，通过传输线缆分别与加速度传感器和控制及数据处理计算机连接；信息采集部件定期或因传感器受到振动产生信号唤醒整套装置，监测碰撞事件发生区域，金属丝网为正交结构，根据正交金属丝网的网格线通断情况，对通断信号进行采集来得到碰撞区域，计算碰撞区域几何中心即得到碰撞发生位置；所述的加速度传感器用于感应撞击事件，加速度传感器在所处位置检测到振动时，输出电压升高唤醒信息采集部件对金属丝网断路信息进行扫描采集，并将信息上传到控制及数据处理计算机；所述的加速度传感器采用MSA1000-10变电容式加速度传感器，量程±10g，灵敏度200mVg，5V激励时零位输出为2500mV±50mV，分辨率为0.01mg，输出电流为1mA，传感器自身质量为1.2g，测量时正敏感方向垂直于金属丝网表面；所述的信息采集部件用于对金属丝网通断情况进行通电扫描，确认状态后传给控制及数据处理计算机；信息采集部件还能够接收控制及数据处理计算机发送的控制信号，将设定的时间间隔写入内置芯片，实现定时通电唤醒系统工作的功能；当加速度传感器输出电压发生变化，达到设定的阈值，即感知到碰撞事件的发生，无论系统处于唤醒休眠任何一种工作状态，信息采集部件发出信号唤醒系统重新对金属丝网进行通断状态通电扫描；信息采集部件每次扫描金属丝网通断情况并上传数据时，同时按照设定的采样间隔采集并上传加速度传感器输出电压值，实现对传感器工作状态的监控；所述的信息采集部件与控制及数据处理计算机以RS-485串行总线连接，实现信息采集部件供电和数据传输；所述的控制及数据处理计算机包括唤醒模块、数据采集模块、数据保存模块和定位精度评估计算模块；1唤醒模块唤醒模块用于切换系统工作模式，分为以下四种：单次唤醒-传感器静默模式：屏蔽加速度传感器产生信号，唤醒模块控制系统单次工作，用于信号采集通电测试；单次唤醒-传感器工作模式：利用加速度传感器产生信号，唤醒模块实现对系统的单次唤醒，用于检测加速度传感器唤醒功能，或实现利用加速度传感器唤醒使系统进行单次数据采集；等时间间隔唤醒-传感器静默模式：屏蔽加速度传感器产生信号，唤醒模块按照设定的时间间隔定时对系统进行唤醒，实现等时间间隔采集断路情况；等时间间隔唤醒-传感器工作模式：系统按照唤醒模块设定的时间间隔对金属丝网通断状况进行扫描，同时当加速度传感器感知到碰撞事件，产生信号，唤醒模块唤醒系统对金属丝网通断状况进行扫描；2数据采集模块数据采集模块将信息采集部件采集到的通路、断路信息换算为金属丝网编号进行显示，同时将加速度传感器输出电压按照内置的采样间隔进行采样输出显示；3数据保存模块在唤醒模块处于单次唤醒模式时，数据采集模块采集数据后均通过手动存储在数据保存模块；在唤醒模块处于等时间间隔唤醒模式时，数据保存模块采用自动存储数据文件；4定位精度评估计算模块定位精度评估计算模块利用垂直正交的金属丝网格来实现对碰撞点信息的精确测量，通过读取数据采集模块采集到的金属丝通断信号判断碰撞点位置，计算其几何中心表征碰撞点位置；所述的定位精度评估计算模块计算碰撞点位置的具体计算方法如下：以Ni表示横向金属丝编号，Mj表示纵向金属丝编号，p表示横向连续断路数目，用横纵向金属丝编号作为坐标来表征位置，则垂直正交的金属丝网格探测到的碰撞位置为矩形区域，且该矩形的几何中心Nc，Mc为： 该几何中心Nc，Mc即认为是测量到的碰撞位置；若弹丸真实碰撞区域的几何中心为N0，M0，则测量误差表征为测量到的碰撞位置到真实碰撞位置的距离，以w表示金属丝线宽，d表示金属丝间距，则测量误差E表示为：

全文数据：_种低功耗碰撞点信息测量装置技术领域[0001]本发明属于航天器探伤技术领域，具体涉及一种低功耗碰撞点信息测量装置。背景技术[0002]目前，一般采用横纵编织网格线（金属丝或光纤等）的方法，来测量碰撞产生的损伤位置和尺寸，见美国专利（FIBEROPTICIMPACTDETECTIONSYSTEM，US7189959B1，Mar.13,2007，以及第62届国际宇航联大会文章IAC-11.A6.3.11DEVEL0PMENT0FIN-SITUMICRO-DEBRISMEASUREMENTSYSTEM,Oct.3〜7,2011。[0003]这种方法利用网格线的通断来获得损伤的位置尺寸信息。该方法的实现要求网格线布设在待测物表面，考虑到实际应用过程中，碰撞点信息测量装置应用在航天产品上，要求装置可以在真空下工作、质轻且柔韧程度易于布置在测试区域表面，且在轨工作期间必须考虑到装置功耗问题，保证装置能够利用较少的能量实现长期在轨。[0004]为实现对航天器轨道空间碎片环境的碰撞点信息测量，本专利提出了一种低功耗碰撞点信息测量装置，介绍了测量原理、系统组成结构、数据处理方法。发明内容[0005]本发明提出了一种低功耗碰撞点信息测量装置。根据正交金属丝网格网格线通断情况，监测碰撞事件发生区域，信息采集部件定期或因传感器受到振动产生信号唤醒整套装置，到对通断信号进行采集来得到碰撞区域，计算碰撞区域几何中心即得到碰撞发生位置。[0006]本发明是这样实现的：[0007]—种低功耗碰撞点信息测量装置，包括金属丝网测量部件、加速度传感器、信息采集部件和控制及数据处理计算机;信息采集部件安装在金属丝网测量部件上，通过传输线缆分别与加速度传感器和控制及数据处理计算机连接;信息采集部件定期或因传感器受到振动产生信号唤醒整套装置，监测碰撞事件发生区域，根据正交金属丝网格网格线通断情况，对通断信号进行采集来得到碰撞区域，计算碰撞区域几何中心即得到碰撞发生位置。[0008]如上所述的金属丝网测量部件选取聚酰亚胺薄膜配合铜箱印刷形成挠性电路板，该挠性电路板为双面板结构，金属丝网采用双面印刷，双面金属丝为正交结构，双面金属丝两端集束至金属丝网下角，各路金属丝两端与信息采集部件连接。[0009]如上:所述的加速度传感器用于感应撞击事件，加速度传感器在所处位置检测到振动时，输出电压升高唤醒信息采集部件对金属丝网断路信息进行扫描采集，并将信息上传到数据控制及数据处理计算机。[0010]如上所述的加速度传感器采用MSA1000-10变电容式加速度传感器，量程±10g，灵敏度200mVg，5V激励时零位输出为2500mV±50mV，分辨率为0.0Img，输出电流为ImA，传感器自身质量为1.2g，测量时正敏感方向垂直于金属丝网表面。[0011]如上所述的信息采集部件用于对金属丝网通断情况进行通电扫描，确认状态后传给控制及数据采集计算机;信息采集部件还能够接收控制及数据采集计算机发送的控制信号，将设定的时间间隔写入内置芯片，实现定时通电唤醒系统工作的功能；当加速度传感器输出电压发生变化，达到设定的阈值，即感知到碰撞事件的发生，无论系统处于唤醒休眠任何一种工作状态，信息采集部件发出信号唤醒系统重新对金属丝网进行通断状态通电扫描;信息采集部件每次扫描金属丝网通断情况并上传数据时，同时按照设定的采样间隔采集并上传加速度传感器输出电压值，实现对传感器工作状态的监控。[0012]如上所述的信息采集部件与控制及数据采集计算机以RS-485串行总线连接，实现信息采集部件供电和数据传输。[0013]如上所述的控制及数据采集计算机包括唤醒模块、数据采集模块、数据保存模块和定位精度评估计算模块；[0014]⑴唤醒模块[0015]唤醒模块用于切换系统工作模式，分为以下四种：[0016]单次唤醒-传感器静默模式:屏蔽加速度传感器产生信号，唤醒模块控制系统单次工作，用于信号采集通电测试；[0017]单次唤醒-传感器工作模式:利用加速度传感器产生信号，唤醒模块实现对系统的单次唤醒，用于检测加速度传感器唤醒功能，或实现在利用加速度传感器唤醒使系统进行单次数据采集；[0018]等时间间隔唤醒-传感器静默模式:屏蔽加速度传感器产生信号，唤醒模块按照设定的时间间隔定时对系统进行唤醒，实现等时间间隔采集断路情况；[0019]等时间间隔唤醒-传感器工作模式:系统按照唤醒模块设定的时间间隔对金属丝网通断状况进行扫描，同时当加速度传感器感知到碰撞事件，产生信号，唤醒模块唤醒系统对金属丝网通断状况进行扫描；[0020]2数据采集模块[0021]数据采集模块将信息采集部件采集到的通路、断路信息换算为金属丝网编号进行显示，同时将加速度传感器输出电压按照内置的采样间隔进行采样输出显示；[0022]⑶数据保存模块[0023]在唤醒模块处于单次唤醒模式时，数据采集模块采集数据后均通过手动存储在数据保存t吴块；[0024]在唤醒模块处于等时间间间隔唤醒模式时，数据保存模块采用自动存储数据文件；[0025]⑷定位精度评估计算模块[0026]定位精度评估计算模块利用垂直正交的金属丝网格来实现对碰撞点信息的精确测量，通过读取数据采集模块采集到的金属丝通断信号判断碰撞点位置，计算其几何中心表征碰撞点位置。[0027]如上所述的定位精度评估计算模块计算碰撞点位置的具体计算方法如下：[0028]以Ni表不横向金属丝编号，Mj表不纵向金属丝编号，P表不横向连续断路数目，q表示纵向金属丝编号，用横纵向金属丝编号作为坐标来表征位置，则垂直正交的金属丝网格探测到的碰撞位置为矩形区域，且该矩形的几何中心Κ，Μ。为：[0029]5.1[0030]该几何中心Nc，M。即认为是测量到的碰撞位置;若弹丸真实碰撞区域的几何中心为Νο，Μο，则测量误差表征为测量到的碰撞位置到真实碰撞位置的距离，以w表示金属丝线宽，d表示金属丝间距，则测量误差E表示为：[0031]5.2[0032]本发明的有益效果是：[0033]本发明可以在实现对航天器碰撞点信息的在轨测量，装置不仅可以适应真空环境，且功耗低、质轻，因而降低航天器有效载荷比。将金属丝网格进行模块化组装，可以实现较大区域面积的测量，间隔一定距离的双层金属丝网，可以拓展实现对碰撞事件中撞击速度、位置、区域面积等信息测量。附图说明[0034]图1是本发明的一种低功耗碰撞点信息测量装置的系统组成原理图；[0035]图2是本发明的一种低功耗碰撞点信息测量装置的双层挠性电路板的典型结构示意图；[0036]图3是本发明的一种低功耗碰撞点信息测量装置的金属丝网结构的示意图；[0037]图4是本发明的一种低功耗碰撞点信息测量装置的基于金属丝网的着靶位置测量原理示意图；[0038]图5是使用本发明的一种低功耗碰撞点信息测量装置的测量到的碰撞位置到真实碰撞位置的最长距离；[0039]图6是使用本发明的一种低功耗碰撞点信息测量装置的测量到的碰撞位置到真实碰撞位置的最短距离。[0040]其中：1.金属丝网测量部件，2.信息采集部件，3.加速度传感器，4.RS-485串行总线，5.控制及数据处理计算机，6.PI层，7.铜层，8.胶层；具体实施方式[0041]下面结合附图和实施例对本发明进行进一步描述。[0042]如图1所示，一种低功耗碰撞点信息测量装置，包括金属丝网测量部件1、加速度传感器3、信息采集部件2和控制及数据处理计算机5。信息采集部件2安装在金属丝网测量部件1上，通过传输线缆分别与加速度传感器3和控制及数据处理计算机5连接。信息采集部件2定期或因传感器受到振动产生信号唤醒整套装置，监测碰撞事件发生区域，根据正交金属丝网格网格线通断情况，对通断信号进行采集来得到碰撞区域，计算碰撞区域几何中心即得到碰撞发生位置。[0043]如图2和图3所示，所述的金属丝网测量部件1选取聚酰亚胺薄膜配合铜箱印刷形成挠性电路板，该挠性电路板为双面板结构，金属丝网采用双面印刷，双面金属丝为正交结构，双面金属丝两端集束至金属丝网下角，各路金属丝两端与信息采集部件连接。双面印制的正交金属丝网铜丝线宽和间距决定了金属丝网定位测量时的精度。上述设计可以使得金属丝网测量部件质量降低，并且能够实现高密度配线成网，进行高可靠性的工作。图2所示是挠性电路板的一种组成方式，包括PI层6和铜层7,两者之间通过胶层8实现连接。[0044]加速度传感器3用于感应撞击事件，加速度传感器3在所处位置检测到振动时，输出电压升高唤醒信息采集部件2对金属丝网断路信息进行扫描采集，并将信息上传到数据控制及数据处理计算机5。[0045]加速度传感器3参数可以根据测量目标碰撞事件产生的加速度情况进行选择。以下给出参考：[0046]测量5mm及以上直径目标碰撞信息，可采用MSA1000-10变电容式加速度传感器，量程±IOg，灵敏度200mVg，5V激励时零位输出为2500mV±50mV，分辨率为0.0Img，输出电流为1mA，传感器自身质量为1.2g，测量时正敏感方向垂直于金属丝网表面，可保证碰撞事件可以成功被传感器感知。[0047]为降低装置功耗，必然要求金属丝网测量部件1和信息采集部件2不能够时刻供电工作，采用定期采集金属丝网通断信息和传感器感应碰撞事件相结合的唤醒模式，可以有效降低功耗。[0048]信息采集部件2用于对金属丝网通断情况进行通电扫描，确认状态后传给控制及数据采集计算机5。信息采集部件2还能够接收控制及数据采集计算机5发送的控制信号，将设定的时间间隔写入内置芯片，实现定时通电唤醒系统工作的功能。当加速度传感器3输出电压发生变化，达到设定的阈值，即感知到碰撞事件的发生，无论系统处于唤醒休眠任何一种工作状态，信息采集部件2发出信号唤醒系统重新对金属丝网进行通断状态通电扫描。信息采集部件2每次扫描金属丝网通断情况并上传数据时，同时按照设定的采样间隔采集并上传加速度传感器3输出电压值，实现对传感器工作状态的监控。[0049]信息采集部件2与控制及数据采集计算机5以RS-485串行总线4连接，实现信息采集部件2供电和数据传输。[0050]控制及数据采集计算机5包括唤醒模块、数据采集模块、数据保存模块和定位精度评估计算模块。[0051]1唤醒模块[0052]唤醒模块用于切换系统工作模式，分为以下四种：[0053]单次唤醒-传感器静默模式:屏蔽加速度传感器3产生信号，唤醒模块控制系统单次工作，用于信号采集通电测试；[0054]单次唤醒-传感器工作模式:利用加速度传感器3产生信号，唤醒模块实现对系统的单次唤醒，用于检测加速度传感器唤醒功能，或实现在利用加速度传感器3唤醒使系统进行单次数据采集；[0055]等时间间隔唤醒-传感器静默模式：屏蔽加速度传感器3产生信号，唤醒模块按照设定的时间间隔定时对系统进行唤醒，实现等时间间隔采集断路情况；[0056]等时间间隔唤醒-传感器工作模式:系统按照唤醒模块设定的时间间隔对金属丝网通断状况进行扫描，同时当加速度传感器3感知到碰撞事件，产生信号，唤醒模块唤醒系统对金属丝网通断状况进行扫描。[0057]2数据采集模块[0058]数据采集模块将信息采集部件2采集到的通路、断路信息换算为金属丝网编号进行显示，同时将加速度传感器3输出电压按照内置的采样间隔进行采样输出显示。[0059]⑶数据保存模块[0060]由于单次唤醒模式常用于通电测试系统，因此设计单次唤醒模式下，无论加速度传感器3工作状态如何，数据采集模块采集数据后均通过手动存储在数据保存模块。[0061]等时间间间隔唤醒模式下，数据量较大，数据保存模块采用自动存储数据文件，满足较短时间间隔难以手动存储数据的困难。[0062]⑷定位精度评估计算模块[0063]定位精度评估计算模块利用垂直正交的金属丝网格来实现对碰撞点信息的精确测量，通过读取数据采集模块采集到的金属丝通断信号判断碰撞点位置，计算其几何中心表征碰撞点位置。具体计算方法如下：[0064]以Ni表不横向金属丝编号，Mj表不纵向金属丝编号，P表不横向连续断路数目，q表示纵向金属丝编号，用横纵向金属丝编号作为坐标来表征位置，如图4所示，则垂直正交的金属丝网格探测到的碰撞位置为矩形区域，且该矩形的几何中心NC，M。为：[0065]5.1[0066]该几何中心NC，M。即认为是测量到的碰撞位置。若弹丸真实碰撞区域的几何中心为Νο，Μο，则测量误差可以表征为测量到的碰撞位置到真实碰撞位置的距离，该距离最长为图5所示情形，最短为图6所示情形，因此，以w表示金属丝线宽，d表示金属丝间距，则测量误差E可表示为：[0067]5.2[0068]提高装置位置测量精度，减小测量误差的主要方法是减小金属丝线宽w和金属丝间距d。[0069]上面结合实施例对本发明的实施方法作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明说明书中未作详细描述的内容均可以采用现有技术。

权利要求：1.一种低功耗碰撞点信息测量装置，其特征在于:它包括金属丝网测量部件、加速度传感器、信息采集部件和控制及数据处理计算机;信息采集部件安装在金属丝网测量部件上，通过传输线缆分别与加速度传感器和控制及数据处理计算机连接;信息采集部件定期或因传感器受到振动产生信号唤醒整套装置，监测碰撞事件发生区域，根据正交金属丝网格网格线通断情况，对通断信号进行采集来得到碰撞区域，计算碰撞区域几何中心即得到碰撞发生位置。2.根据权利要求1所述的低功耗碰撞点信息测量装置，其特征在于:所述的金属丝网测量部件选取聚酰亚胺薄膜配合铜箱印刷形成挠性电路板，该挠性电路板为双面板结构，金属丝网采用双面印刷，双面金属丝为正交结构，双面金属丝两端集束至金属丝网下角，各路金属丝两端与信息采集部件连接。3.根据权利要求1所述的低功耗碰撞点信息测量装置，其特征在于:所述的加速度传感器用于感应撞击事件，加速度传感器在所处位置检测到振动时，输出电压升高唤醒信息采集部件对金属丝网断路信息进行扫描采集，并将信息上传到数据控制及数据处理计算机。4.根据权利要求3所述的低功耗碰撞点信息测量装置，其特征在于:所述的加速度传感器采用MSA1000-10变电容式加速度传感器，量程±10g，灵敏度200mVg，5V激励时零位输出为2500mV±50mV，分辨率为O.Olmg，输出电流为1mA，传感器自身质量为1.2g，测量时正敏感方向垂直于金属丝网表面。5.根据权利要求1所述的低功耗碰撞点信息测量装置，其特征在于:所述的信息采集部件用于对金属丝网通断情况进行通电扫描，确认状态后传给控制及数据采集计算机;信息采集部件还能够接收控制及数据采集计算机发送的控制信号，将设定的时间间隔写入内置芯片，实现定时通电唤醒系统工作的功能；当加速度传感器输出电压发生变化，达到设定的阈值，即感知到碰撞事件的发生，无论系统处于唤醒休眠任何一种工作状态，信息采集部件发出信号唤醒系统重新对金属丝网进行通断状态通电扫描;信息采集部件每次扫描金属丝网通断情况并上传数据时，同时按照设定的采样间隔采集并上传加速度传感器输出电压值，实现对传感器工作状态的监控。6.根据权利要求5所述的低功耗碰撞点信息测量装置，其特征在于:所述的信息采集部件与控制及数据采集计算机以RS-485串行总线连接，实现信息采集部件供电和数据传输。7.根据权利要求1所述的低功耗碰撞点信息测量装置，其特征在于:所述的控制及数据采集计算机包括唤醒模块、数据采集模块、数据保存模块和定位精度评估计算模块；1唤醒模块唤醒模块用于切换系统工作模式，分为以下四种：单次唤醒-传感器静默模式：屏蔽加速度传感器产生信号，唤醒模块控制系统单次工作，用于信号采集通电测试；单次唤醒-传感器工作模式:利用加速度传感器产生信号，唤醒模块实现对系统的单次唤醒，用于检测加速度传感器唤醒功能，或实现在利用加速度传感器唤醒使系统进行单次数据采集；等时间间隔唤醒-传感器静默模式:屏蔽加速度传感器产生信号，唤醒模块按照设定的时间间隔定时对系统进行唤醒，实现等时间间隔采集断路情况；等时间间隔唤醒-传感器工作模式：系统按照唤醒模块设定的时间间隔对金属丝网通断状况进行扫描，同时当加速度传感器感知到碰撞事件，产生信号，唤醒模块唤醒系统对金属丝网通断状况进行扫描；⑵数据采集模块数据采集模块将信息采集部件采集到的通路、断路信息换算为金属丝网编号进行显示，同时将加速度传感器输出电压按照内置的采样间隔进行采样输出显示；⑶数据保存模块在唤醒模块处于单次唤醒模式时，数据采集模块采集数据后均通过手动存储在数据保存模块；在唤醒模块处于等时间间间隔唤醒模式时，数据保存模块采用自动存储数据文件；⑷定位精度评估计算模块定位精度评估计算模块利用垂直正交的金属丝网格来实现对碰撞点信息的精确测量，通过读取数据采集模块采集到的金属丝通断信号判断碰撞点位置，计算其几何中心表征碰撞点位置。8.根据权利要求7所述的低功耗碰撞点信息测量装置，其特征在于:所述的定位精度评估计算模块计算碰撞点位置的具体计算方法如下：以化表示横向金属丝编号，表示纵向金属丝编号，p表示横向连续断路数目，q表示纵向金属丝编号，用横纵向金属丝编号作为坐标来表征位置，则垂直正交的金属丝网格探测到的碰撞位置为矩形区域，且该矩形的几何中心Κ，Μ。为：5.1该几何中心NC，M。）即认为是测量到的碰撞位置;若弹丸真实碰撞区域的几何中心为No，Mo，则测量误差表征为测量到的碰撞位置到真实碰撞位置的距离，以w表示金属丝线宽，d表示金属丝间距，则测量误差E表示为：

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