飛機狀況監(jiān)視

飛機老化是許多空難事故的主要原因，為了盡可能地避免災(zāi)難發(fā)生，所有飛機都須定期接受機身維護檢查。大型機群的結(jié)構(gòu)疲勞曾經(jīng)是一個需要解決的嚴(yán)重問題，幸運的是，這個問題已經(jīng)解決了。通過進行更多的檢查、改進的結(jié)構(gòu)分析和跟蹤方法以及采用新的、創(chuàng)新性理念評估結(jié)構(gòu)的完整性，人們已經(jīng)解決了這個問題。這有時被稱為飛機狀況監(jiān)視。監(jiān)視飛機狀況的過程中采用了傳感器、人工智能和先進的分析方法，以連續(xù)、實時地評估飛機狀況。聲發(fā)射檢測是定位和監(jiān)視金屬結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的先進方法，它可以方便地診斷合成型飛機結(jié)構(gòu)的損壞。一個顯然的要求是，以簡單的通過、未通過形式指示結(jié)構(gòu)完整性，或者立即進行維修。這種檢測方法使用由壓電芯片構(gòu)成的扁平外形檢測傳感器和光傳感器，壓電芯片由聚合物薄膜密封。傳感器牢固地安裝到結(jié)構(gòu)體表面，通過三角定位能夠定位裝載有傳感器的結(jié)構(gòu)體的聲活動。然后用儀器捕捉傳感器數(shù)據(jù)，并以適合于窄帶存儲和傳送的形式用參數(shù)表示這些數(shù)據(jù)。因此，無線傳感器模塊常常嵌入到飛機的各種不同部分，例如機翼或機身，以進行結(jié)構(gòu)分析。不過為這些傳感器供電可能很復(fù)雜，因此，如果以無線方式供電甚至實現(xiàn)自助供電，那么這些傳感器模塊可能更方便使用，效率也更高。在飛機環(huán)境中，存在很多免費能源，可用來給這類傳感器供電。兩種顯然的方法是熱能收集和壓電能收集。這兩種方法各有優(yōu)缺點，下面將進行更詳細(xì)的討論。

能量收集的基本原理

從溫差(熱電發(fā)生器或熱電堆)、機械振動或壓力(壓電或機電器件)和光(光伏器件)等可方便得到的物理來源產(chǎn)生電的換能器，對于很多應(yīng)用來說是可行的電源。眾多無線傳感器、遠(yuǎn)端監(jiān)視器和其它低功率應(yīng)用正在變成接近零電源的設(shè)備，它們僅使用收集的能源。

盡管能量收集的概念已經(jīng)出現(xiàn)很多年了，但是在真實環(huán)境中實現(xiàn)的系統(tǒng)一直笨重、復(fù)雜并昂貴。不過，有些市場已經(jīng)采用了能量收集方法，其中包括運輸基礎(chǔ)設(shè)施、無線醫(yī)療設(shè)備、輪胎壓力檢測和樓宇自動化。

典型的能量收集配置或系統(tǒng)(由圖1所示的4個主要電路系統(tǒng)方框代表)通常含有一個免費能源。這類能源的例子包括附在飛機發(fā)動機等發(fā)熱源上的熱電發(fā)生器(TEG)或熱電堆，或者附在飛機機架或機翼等機械振動源上的壓電換能器。

在熱源情況下，一個緊湊型熱電器件可以將小的溫差轉(zhuǎn)換成電能。而在振動或壓力可用的情況下，一個壓電器件可以將小的振動或壓力差轉(zhuǎn)換成電能。在任何一種情況下，所產(chǎn)生的電能都可用一個能量收集電路(圖1中的第二個方框)轉(zhuǎn)換，并調(diào)整為可用形式，以給下游電路供電。這些下游電子組件通常由某種傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和超低功率微控制器(圖1中的第三個方框)組成。這些組件可以接受這種收集的能量，現(xiàn)在收集的能量以電流形式出現(xiàn)，并且喚醒一個傳感器以獲取讀數(shù)或測量值，然后通過一個超低功率無線收發(fā)器傳送這些數(shù)據(jù)，無線收發(fā)器由圖1所示電路鏈的第四個方框代表。

這個鏈中的每一個電路系統(tǒng)方框都有自己獨特的限制，能源本身可能例外，這些限制已經(jīng)削弱了電路系統(tǒng)經(jīng)濟上的可行性，直到現(xiàn)在情況一直如此。低成本和低功率傳感器及微控制器已經(jīng)上市兩三年了，不過最近超低功率收發(fā)器才提供商用產(chǎn)品。然而，在這個鏈中，最落后的一直是能量收集器。

能量收集器方框的已有方案一般采用低性能分立組件配置，通常由30個或更多組件組成。這種設(shè)計轉(zhuǎn)換效率低，靜態(tài)電流大，從而導(dǎo)致最終系統(tǒng)性能受損。低轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致了系統(tǒng)加電所需時間延長，反過來又延長了獲取傳感器讀數(shù)與發(fā)送數(shù)據(jù)之間的時間間隔。大靜態(tài)電流限制了能量收集源的輸出，因為能量收集器必須首先提供自身工作所需的電流，然后才能夠向輸出提供任何多余的功率。

能量收集換能器和IC
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