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    • 专利摘要:
    本实用新型提出一种航天器外壳监测系统，该航天器外壳监测系统包括应变片组件，应变片组件覆盖在航天器外壳的外表面上，与应变片组件相连接的监测电路，应变片组件和监测电路是采用3D增材制造技术打印在航天器外壳的外表面，并且采用多层隔热材料覆盖应变片组件和监测电路，其中，监测电路监测应变片组件的第一电阻变化信号，并分析第一电阻变化信号得到相应的外壳形变量。通过本实用新型能够有效提升航天器外壳的监测效果，有效减轻航天器外壳监测系统的重量和体积，从而降低航天器的运载成本。
    公开号:CN214333656U
    申请号:CN202022635808.0U
    申请日:2020-11-13
    公开日:2021-10-01
    发明作者:冯晨瑞；秦同；季宪泰；郭典
    申请人:Institute of Flexible Electronics Technology of THU Zhejiang；
    IPC主号:G01B7-16
    专利说明:
    [n0001] 本实用新型涉及电子设备技术领域，尤其涉及一种航天器外壳监测系统。
    [n0002] 航天器在外太空正常工作的环境十分恶劣，不仅环境温度在-50℃—120℃，而且还存在复杂的辐射环境。如果航天器的防护做的不到位，有很大概率使航天器的电子系统被宇宙中的带电粒子打翻，或者电子元器件因运行温度超范围而失效。所以，航天器的防护措施是保证航天器平稳运行的重要一部分。而这一部分重要的环节则在于航天器的外壳。外壳处于航天器的最外层，形成航天器的外表面，也可兼作承力构件。外壳的形状多种多样，如球形、多面柱形、锥形，或者各种不规则的多面体等。除维持外形外，外壳还应满足表面积、热控制、卫星内容积、各种表面开孔、空间辐射防护等要求。
    [n0003] 相关技术中，传统航天器外壳监测系统是利用各类电子传感器，均匀固定在在航天器的外壳表面。
    [n0004] 这种方式下，由于传统电子传感器较易受到外太空工作环境的影响，且功耗较大，占用航天器内部空间，无法在微小卫星和微纳卫星上加装，从而影响此系统实际的监测能力，并且传统航天器外壳监测系统的重量和体积均较大，导致航天器的运载成本增加。
    [n0005] 本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
    [n0006] 为此，本实用新型的目的在于提出一种航天器外壳监测系统，能够有效提升航天器外壳的监测效果，有效减轻航天器外壳监测系统的重量和体积，从而降低航天器的运载成本。
    [n0007] 为达到上述目的，本实用新型实施例提出的航天器外壳监测系统，包括：应变片组件，所述应变片组件覆盖在所述航天器外壳的外表面上，与所述应变片组件相连接的监测电路，所述应变片组件和所述监测电路是采用3D增材制造技术打印在所述航天器外壳的外表面，并且采用多层隔热材料覆盖所述应变片组件和所述监测电路，其中，所述监测电路监测所述应变片组件的第一电阻变化信号，并分析所述第一电阻变化信号得到相应的外壳形变量。
    [n0008] 本实用新型实施例提出的航天器外壳监测系统，通过配置应变片组件，应变片组件覆盖在航天器外壳的外表面上，与应变片组件相连接的监测电路，应变片组件和监测电路是采用3D增材制造技术打印在航天器外壳的外表面，并且采用多层隔热材料覆盖应变片组件和监测电路，监测电路监测应变片组件的第一电阻变化信号，并分析第一电阻变化信号得到相应的外壳形变量，从而能够有效提升航天器外壳的监测效果，有效减轻航天器外壳监测系统的重量和体积，从而降低航天器的运载成本。
    [n0009] 本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
    [n0010] 本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
    [n0011] 图1是本实用新型一实施例提出的航天器外壳监测系统的结构示意图；
    [n0012] 图2是本实用新型另一实施例提出的航天器外壳监测系统的结构示意图；
    [n0013] 图3是本实用新型又一实施例提出的航天器外壳监测系统的结构示意图；
    [n0014] 图4为本实用新型实施例中多路复用示意图；
    [n0015] 图5为本实用新型中航天器外壳监测系统的电路结构示意图。
    [n0016] 下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。相反，本实用新型的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
    [n0017] 图1是本实用新型一实施例提出的航天器外壳监测系统的结构示意图。
    [n0018] 参见图1，该航天器外壳监测系统10包括：
    [n0019] 应变片组件101，应变片组件101覆盖在航天器外壳的外表面上，与应变片组件101相连接的监测电路102，应变片组件101和监测电路102是采用3D增材制造技术打印在航天器外壳的外表面，并且采用多层隔热材料覆盖应变片组件101和监测电路102，其中，监测电路102监测应变片组件101的第一电阻变化信号，并分析第一电阻变化信号得到相应的外壳形变量。
    [n0020] 上述的应变片组件101可以具体是由应变片1011构成，比如应变片组件101可以包括一个应变片1011，或者，也可以为多个应变片1011构成。
    [n0021] 可以理解的是，本实用新型实施例中通过采用3D增材制造技术将应变片组件101和监测电路102打印在航天器外壳的外表面上，能够有效将应变片1011结合到实际的航天器外壳监测系统10当中，并且，由于是将应变片组件101和监测电路102打印在航天器外壳的外表面上，并采用多层隔热材料覆盖应变片组件101和监测电路102，由此，能够有效避免受到外太空工作环境的影响，从而有效提升实际的监测能力，还由于应用了3D增材制造技术，从而能够有效减轻航天器外壳监测系统10的重量和体积，从而降低航天器的运载成本。
    [n0022] 上述的隔热材料可以例如是聚酰亚胺，对此不做限制。
    [n0023] 本实用新型实施例中的应变片1011为导体，其具有相应的物理特性和几何特性，当其在弹性极限内受外力拉伸时，其不会被拉断或产生永久变形，而会变窄变长，这种形变导致了其端电阻变大。相反，当其被压缩后会变宽变短，这种形变导致了其端电阻变小。
    [n0024] 由此，本实施例中，通过测量应变片1011的电阻，则其覆盖区域的应变就可以相应的推算出来。应变片1011的敏感栅是一条窄导体条曲折排列成的一组平行导线，这样的布置方式可将基线方向的微小变形累积起来以形成一个较大的电阻变化量累计值，由此通过电桥测量两端的电压变化就可以得到外壳形变的数值。
    [n0025] 上述监测电路102监测应变片组件101的电阻变化信号，可以被称为第一电阻变化信号，该第一电阻变化信号，能够用于描述应变片组件101的电阻变化情况，而后，分析第一电阻变化信号得到相应的外壳形变量。
    [n0026] 上述的监测电路102中可以具体包括惠斯通电桥，从而基于该惠斯通电桥监测应变片组件101两端的电压变化量，并基于电压变化量分析电阻变化信号，对此不做限制。
    [n0027] 在本实用新型的一些实施例中，参见图2，应变片组件101为应变片1011矩阵，应变片1011矩阵由多个应变片1011组成，采用3D增材制造技术将各个应变片1011打印在航天器外壳的外表面上，应变片1011与监测电路102相连接。
    [n0028] 由此，本实用新型实施例中通过配置应变片1011矩阵，该应变片1011矩阵包括多个应变片1011，使得每个应变片1011对应一个覆盖区域，从而实现细粒度的监测，即可以监测到每个应变片1011所覆盖区域的微小的形变量，从而使得监测的结果更为准确。
    [n0029] 举例而言，假设本实用新型实施例中的应变片组件101包括多个应变片1011，各个应变片1011具有对应的覆盖区域，则监测电路102监测应变片组件101的第一电阻变化信号，并分析第一电阻变化信号得到相应的外壳形变量，可以具体是监测电路102确定第一电阻变化信号属于的目标应变片1011，目标应变片1011可以是多个应变片1011中的任一个应变片，而后，确定目标应变片1011对应的覆盖区域，并分析第一电阻变化信号得到第一电阻变化量，结合预设的对应关系，确定与第一电阻变化量对应的外壳形变量，并将外壳形变量作为与覆盖区域对应的外壳形变量，对应关系包括：第一电阻变化量，以及与第一电阻变化量对应的外壳形变量。
    [n0030] 在本实用新型的一些实施例中，参见图2，系统还包括：与监测电路102相连接的温度监测组件103，温度监测组件103与监测电路相匹配，温度监测组件103采用3D增材制造技术将安装热敏电阻(比如工业级的热敏电阻)所需的焊盘和线路打印在航天器外壳的外表面，并在焊盘上焊接热敏电阻所制得，其中，监测电路102监测温度监测组件103的第二电阻变化信号，并分析第二电阻变化信号得到相应的温度变化量。
    [n0031] 在本实用新型的一些实施例中，参见图2，温度监测组件103包括多个温度检测传感器1031，采用3D打印增材制造技术将各个所述温度检测传感器安装所需的焊盘和线路打印在航天器外壳的外表面，且置于多层隔热材料之下，温度检测传感器1031与监测电路102相连接，从而使得航天器外壳监测系统10能够实现航天器外壳的损伤和温度的双监测功能。
    [n0032] 也即是说，本实用新型实施例中能够实现对航天器外壳监测系统10的应变片和将安装热敏电阻所需的焊盘和线路进行3D打印，并在焊盘上焊接各个热敏电阻，从而实现在监测效果方面，不仅能够有效地监测到外壳形变量，还能够有效地监测到外壳的外表面的温度变化量，高精度3D增材制造技术可以使整套系统线路以及3D打印应变片遍布航天器外壳表面，从而能够有效地减轻航天器外壳监测系统10的质量。
    [n0033] 在本实用新型的一些实施例中，温度检测传感器1031为目标封装尺寸的热敏电阻(目标封装尺寸比如长0.6mm，宽0.3mm)，此目标封装尺寸的热敏电阻的封装极小，或者，也可以为其他任意可能的温度检测传感器1031，对此不做限制，当温度检测传感器1031为目标封装尺寸的热敏电阻时，能够减少占用航天器外表面和内部空间，降低星上总功耗。
    [n0034] 本实用新型中的各个温度检测传感器1031可以覆盖在对应的应变片1011表面上，则应变片1011对应的覆盖区域，同样可以被视为与覆盖在其表面的温度检测传感器1031对应的覆盖区域。
    [n0035] 举例而言，假设温度监测组件103包括多个温度检测传感器1031，各个温度检测传感器1031与监测电路102相连接，则监测电路102监测温度监测组件103的第二电阻变化信号，并分析第二电阻变化信号得到相应的温度变化量的步骤，可以具体为监测电路102确定第二电阻变化信号属于的目标热敏电阻，目标热敏电阻可以是多个热敏电阻中的任一个，并确定目标热敏电阻对应的覆盖区域，而后分析第二电阻变化信号得到第二电阻变化量，以及结合预设的对应关系，确定与第二电阻变化量对应的温度变化量，并将温度变化量作为与覆盖区域对应的温度变化量。
    [n0036] 在本实用新型的一些实施例中，参见图3，系统还包括：
    [n0037] 与应变片组件101相连接的第一模数转换模块104，第一模数转换模块104与监测电路102相连接，第一模数转换模块104用于采集第一电阻变化信号，并对第一电阻变化信号进行模数转换。
    [n0038] 本实用新型实施例中，通过配置与应变片组件101相连接的第一模数转换模块104，第一模数转换模块104与监测电路102相连接，第一模数转换模块104用于采集第一电阻变化信号，并对第一电阻变化信号进行模数转换，便于后续监测电路102对信号的处理，提升系统处理和响应效率。
    [n0039] 在本实用新型的一些实施例中，参见图3，系统还包括：
    [n0040] 与温度监测组件103相连接的第二模数转换模块105，第二模数转换模块105与监测电路102相连接，第二模数转换模块105用于采集第二电阻变化信号，并对第二电阻变化信号进行模数转换。
    [n0041] 本实用新型实施例中，通过配置与温度监测组件103相连接的第二模数转换模块105，第二模数转换模块105与监测电路102相连接，第二模数转换模块105用于采集第二电阻变化信号，并对第二电阻变化信号进行模数转换，便于后续监测电路102对信号的处理，提升系统处理和响应效率。
    [n0042] 在本实用新型的一些实施例中，第一模数转换模块104分别与各个应变片1011相连接。
    [n0043] 在本实用新型的一些实施例中，第二模数转换模块105分别与各个温度检测传感器1031相连接。
    [n0044] 也即是说，第一模数转换模块104分别与各个应变片1011相连接，第二模数转换模块105分别与各个温度检测传感器1031相连接，由此，第一模数转换模块104可以多路复用的方式采集各个应变片1011的第一电阻变化信号，第二模数转换模块105可以多路复用的方式采集各个温度检测传感器1031的第二电阻变化信号，从而有效地提升数据采集的效率，可以同时地对多个覆盖区域进行监测，在提升监测准确性的同时，提升了监测效率，从而从整体上提升监测能力。
    [n0045] 在本实用新型的一些实施例中，参见图3，系统还包括：与监测电路102相连接的显示组件106，显示组件106用于显示外壳形变量和/或温度变化量。
    [n0046] 也即是说，本实用新型实施例中不仅支持对外壳形变量和温度变化量的动态监测，还能够及实地将监测的结果发送至显示组件106进行显示，该显示组件106可以具体配置在航天器的监控操作台中，或者，也可以设置为地面监测系统中，从而便于相关技术人员及时地采取一些应对措施，能够有效提升航天器整体应用的安全性。
    [n0047] 参见图4，图4为本实用新型实施例中多路复用示意图。
    [n0048] 参见图5，图5为本实用新型中航天器外壳监测系统的电路结构示意图，其中包括：MCU数据采集计算模块51、应变片52、热敏电阻53、电源供电线路54、地线55、应变片信号线56，以及热敏电阻信号线57。
    [n0049] 本实施例中，通过配置应变片组件，应变片组件覆盖在航天器外壳的外表面上，与应变片组件相连接的监测电路，应变片组件和监测电路是采用3D增材制造技术打印在航天器外壳的外表面，并且采用多层隔热材料覆盖应变片组件和监测电路，监测电路监测应变片组件的第一电阻变化信号，并分析第一电阻变化信号得到相应的外壳形变量，从而能够有效提升航天器外壳的监测效果，有效减轻航天器外壳监测系统的重量和体积，从而降低航天器的运载成本。还通过采用3D增材制造技术将安装工业级热敏电阻所需的焊盘和线路打印在航天器外壳的外表面，在焊盘上焊接各个温度检测传感器(温度检测传感器比如热敏电阻)，温度检测传感器与监测电路相连接，从而使得航天器外壳监测系统能够实现航天器外壳的损伤和温度的双监测功能。实现对航天器外壳监测系统10的应变片和将安装工业级热敏电阻所需的焊盘和线路进行3D打印，并在焊盘上焊接各个温度检测传感器，从而实现在监测效果方面，不仅能够有效地监测到外壳形变量，还能够有效地监测到外壳的外表面的温度变化量，高精度3D增材制造技术可以使整套系统线路以及3D打印应变片遍布航天器外壳表面，从而能够有效地减轻航天器外壳监测系统10的质量。
    [n0050] 需要说明的是，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
    [n0051] 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本实用新型的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本实用新型的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
    [n0052] 应当理解，本实用新型的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
    [n0053] 本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
    [n0054] 此外，在本实用新型各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
    [n0055] 上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
    [n0056] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
    [n0057] 尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
    权利要求:
    Claims (10)
    [0001] 1.一种航天器外壳监测系统，其特征在于，所述系统包括：
    应变片组件，所述应变片组件覆盖在所述航天器外壳的外表面上，与所述应变片组件相连接的监测电路，所述应变片组件和所述监测电路是采用3D增材制造技术打印在所述航天器外壳的外表面，并且采用多层隔热材料覆盖所述应变片组件和所述监测电路，其中，
    所述监测电路监测所述应变片组件的第一电阻变化信号，并分析所述第一电阻变化信号得到相应的外壳形变量。
    [0002] 2.如权利要求1所述的航天器外壳监测系统，其特征在于，所述系统还包括：与所述监测电路相连接的温度监测组件，所述温度监测组件与所述监测电路相匹配，所述温度监测组件是采用所述3D增材制造技术将安装热敏电阻所需的焊盘和线路打印在航天器外壳的外表面，并在所述焊盘上焊接所述热敏电阻所制得，其中，
    所述监测电路监测所述温度监测组件的第二电阻变化信号，并分析所述第二电阻变化信号得到相应的温度变化量。
    [0003] 3.如权利要求1或2所述的航天器外壳监测系统，其特征在于，所述应变片组件为应变片矩阵，所述应变片矩阵由多个应变片组成，采用所述3D增材制造技术将各个所述应变片打印在所述航天器外壳的外表面上，所述应变片与所述监测电路相连接。
    [0004] 4.如权利要求2所述的航天器外壳监测系统，其特征在于，所述温度监测组件为温度监控阵列，所述温度监控阵列包括多个温度检测传感器，采用所述3D打印增材制造技术将各个所述温度检测传感器安装所需的焊盘和线路打印在所述航天器外壳的外表面，且置于所述多层隔热材料之下。
    [0005] 5.如权利要求4所述的航天器外壳监测系统，其特征在于，所述温度检测传感器为目标封装尺寸的热敏电阻。
    [0006] 6.如权利要求3所述的航天器外壳监测系统，其特征在于，所述系统还包括：
    与所述应变片组件相连接的第一模数转换模块，所述第一模数转换模块与所述监测电路相连接，所述第一模数转换模块用于采集所述第一电阻变化信号，并对所述第一电阻变化信号进行模数转换。
    [0007] 7.如权利要求4所述的航天器外壳监测系统，其特征在于，所述系统还包括：
    与所述温度监测组件相连接的第二模数转换模块，所述第二模数转换模块与所述监测电路相连接，所述第二模数转换模块用于采集所述第二电阻变化信号，并对所述第二电阻变化信号进行模数转换。
    [0008] 8.如权利要求6所述的航天器外壳监测系统，其特征在于，所述第一模数转换模块分别与各个所述应变片相连接。
    [0009] 9.如权利要求7所述的航天器外壳监测系统，其特征在于，所述第二模数转换模块分别与各个所述温度检测传感器相连接。
    [0010] 10.如权利要求2所述的航天器外壳监测系统，其特征在于，所述系统还包括：
    与所述监测电路相连接的显示组件，所述显示组件用于显示所述外壳形变量和/或所述温度变化量。
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    2021-10-01| GR01| Patent grant|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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