美国国家航空航天局(NASA)技术

当涉及到监控和管理任何系统的健康时,传感器是前线技术。它们衡量系统的生命体征,例如温度,压力,流体流动和电压测量,可用于检测甚至预测故障和故障。但是如果在传感器中发生故障怎么办?

Stennis Space Center火箭试验站
斯坦尼斯航天中心多年来已授予美国GNC公司几份SBIR和STTR合同,以开发智能传感器网络,以监控火箭发动机试验台内和周围的火箭发动机和系统。

一家开发先进传感器网络技术的公司现在有了答案,这是它与美国宇航局合作的结果。

潜在故障的传感器是Fernando Figueroa的熟悉问题,是Stennis Space Center的自主系统和操作的领导。他说,系统健康管理对于自主权至关重要。“如果你想制作一个系统自主,它必须能够检测到异常,进行诊断,减轻任何故障,并继续运行。”

美国宇航局对这类技术有着明显的兴趣。美国航天局操作着无数大型复杂的系统,其中的小故障就可能引发灾难性的故障。例如,菲格罗亚一直在监督斯坦尼斯的高压气体设施实现自主操作的努力,该设施为中心的火箭试验台提供空气、氦、氮和氢。这些气体被储存在低温下,任何故障都是危险且代价高昂的。

设施的自主行动是NASA平台的自治系统(NPAS)项目的一部分,最终旨在实现航天器系统的自主权,如计划的网关月球前哨。Stennis是该项目的铅中心,雕像为主要调查员。

“自主系统的工作也可以移植到太空中,”他说。“它不仅可以帮助NASA,还可以帮助工业界开发自动系统。”

技术转让

在超过10年的时间里,Stennis已经授予位于加州西米谷的美国GNC公司几个小型企业创新研究(SBIR)和小型企业技术转让(STTR)合同,以开发监控系统、检测和预测故障的软件和硬件。其中一些工作集中于火箭发动机的健康维护和预测性故障诊断,以及为发动机试验台配备传感器网络。两份2015年STTR合同为一个标准化的“智能”传感器系统提供了资金,该系统在传感器和网络层面具有诊断软件,以及安全无线通信。

所有这些都导致了所谓的智能换能器积分器(STI)。换能器是一种设备,其以一种形式接收能量,并将其转换为另一种有用的形式 - 通常是某种信号。一个示例是扬声器中的设备,它将电信号转换为声音。在这种情况下,换能器是传感器,并且积分器是一种设备,其收集和合成来自各种传感器的信息,以在系统的健康中提供结果。

传感器和集成商之所以聪明,部分原因在于它们不仅能检测到所监控系统的故障,还能检测到自身的故障。这在很大程度上归功于菲格罗亚早期的参与,当时他建议美国GNC为每个传感器嵌入一个传感器电子数据表(TEDS)。TEDS包括给定传感器的规格和校准数据,可用于检测传感器偏离正常行为的情况。电气和电子工程师协会(IEEE)现在将TEDS纳入其传感器标准。

“这个想法是传感器应该包含有关自己的信息,”Figueroa说。“TEDS是其中的一部分。”他指出,合并IEEE标准,让组件可互换使用。同样,他建议该公司使其算法用于检测系统标准化和模块化的系统中的异常,因此任何人都可以将它们纳入其系统,从而可以更广泛地使用。Fifueroa和美国GNC自发发了健康电子数据表(HEDS),这是一种新型TED,可以使用常用的标准格式在智能传感器中使用不同的故障诊断算法。

该公司目前正在一对Stennis合同下工作,为其STI设计提供独特的沟通和充电能力,它与Rensselaer Polytechnic Institute开创。Rensselaer发明了一种方法来使用超声波充电,并通过将阻挡无线电信号的金属屏障无线地与设备通信。充电依赖于压电元件 - 在变形时产生电荷的物质。两个换能器放置在屏障的相对侧。一个人产生通过屏障的超声波振动,并在另一个上撞击压电材料,这可能是温度或压力传感器。振动产生电荷以为传感器供电,然后将其调制通过屏障反射反射的振动以发送温度或压力数据而没有电线或无线电信号。

美国GNC的可重构嵌入式智能传感器节点和智能传感器集成商
美国GNC对STENNIS智能传感器网络的工作导致公司的COROMERO可重新配置嵌入式智能传感器节点(左)和智能传感器集成器,可以从传感器网络(右)收集和包装信息。

美国GNC首席科学家Stephen Oonk说:“Rensselaer发明了这款设备,我们把它变得更实用,更小,更嵌入式,更适合在现场使用。”他指出,Rensselaer的原始设备覆盖了整个桌面。该超声波设备现在可以安装在该公司3.5英寸的STI上。“它将测量能力和传感网络的范围扩大到以前无法到达的地方,”他补充说。

好处

该公司的STI和coremicro可重构嵌入式智能传感器节点(CRE-SSN)都得益于该公司与Stennis的合作,现在已成为美国GNC的商用产品。目前,该公司正在与美国宇航局和海军合作,进一步开发STI用于不同的应用,并扩大其能力。

STI转换来自各种传感器的不同类型的信号,并使其有意义地组合在一起。有些传感器是数码数字,而其他传感器是模拟的,OONK笔记,它们都有不同的数据速率,并且需要不同的信号调节。STI和CRE-SSN都充当桥梁“在最终用户和所有不同类型的这些传感器之间 - 中间处理校准,转换,信号调理和通信中的设备。

它们已被用于高级系统运行状况监控应用程序。例如,该公司在设备上演示了一种训练有素的神经网络,可以检测和分类管道泄漏。

这两种产品都通过智能设备向客户发送警报,让他们知道何时何地检测到故障。所有故障和其他有关传感器和被监控系统的数据都会自动记录在数据库中。

该技术可以应用于大型传感器使用的任何地方,该公司希望随着超声波穿墙通信能力的扩展,该技术能够在许多行业流行起来。美国GNC产品开发总监弗朗西斯科•马尔多纳多(Francisco Maldonado)指出,它可以监测压力容器内部的腐蚀情况,或者从飞机外部的传感器向内部发送信号。在这两种情况下,刺穿加压结构使电线穿过都会损害其完整性。

Oonk表示:“油气行业将是一个重要的客户。“他们已经有了与管道相关的传感器网络,但其中很多都在使用传统技术。”

海军希望它通过船体沟通,美国宇航局有兴趣从内部加压罐和真空夹紧管道中获取传感器数据。

“我们通过纳入数据和功率虽然障碍的能力来扩展传感器网络的范围,”Oonk说。

“我们觉得这个产品在市场上有很大的潜力,”Maldonado补充道。