用于電導(dǎo)率評(píng)估的磁耦合的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體涉及無(wú)損檢測(cè)（NDT)，并且具體涉及具有復(fù)合材料的面板或部件的 NDT，該復(fù)合材料具有導(dǎo)電元素，諸如碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP)、硼纖維復(fù)合材料、介電復(fù)合改 性導(dǎo)電成分或具有至少一個(gè)導(dǎo)電層的混合物。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的鋁飛行器結(jié)構(gòu)通常具有固有的防雷保護(hù)。鋁蒙皮結(jié)構(gòu)具有均勻性和可預(yù)測(cè) 性，包括電性能。電導(dǎo)率影響電磁效應(yīng)（ΕΜΕ)，例如，閃電、屏蔽、沉積靜電和靜電性能。鋁的 高導(dǎo)電性提供了固有屏蔽。因此，電流被引導(dǎo)在外部結(jié)構(gòu)上，而不是在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)上， 減少額外的保護(hù)功能的需求，諸如電纜屏蔽或燃料罐密封，以控制火花。對(duì)由雷電所致的蒙 皮擊穿的防護(hù)可以通過(guò)調(diào)整鋁蒙皮厚度來(lái)提供。在傳統(tǒng)的飛行器結(jié)構(gòu)區(qū)域，其中蒙皮是非 導(dǎo)電的，例如，天線罩、氣動(dòng)整流罩、金屬母線可用于外部表面，以直接將雷擊電流引到鋁結(jié) 構(gòu)。防雷的展開(kāi)的金屬箱、金屬絲編織網(wǎng)和互交金屬線形式往往共同固化成復(fù)合保護(hù)層，以 防止雷電擊穿部件和/或提供電磁屏蔽。
[0003] 提供針對(duì)導(dǎo)電復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（諸如碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP))的防雷保護(hù)比針對(duì)典 型的鋁結(jié)構(gòu)的更為困難和復(fù)雜。導(dǎo)電復(fù)合材料是非均勻的，電導(dǎo)率比鋁小很多。導(dǎo)電復(fù)合材 料結(jié)構(gòu)諸如CFRP板的電導(dǎo)率可因此是重要的參數(shù)，以確定在雷擊期間的復(fù)合材料的性能。 在另一環(huán)境中，電導(dǎo)率可以是在涉及這些結(jié)構(gòu)的感應(yīng)加熱過(guò)程中獲知的重要的參數(shù)。電導(dǎo) 率和厚度也決定屏蔽特性。不同的頻率對(duì)應(yīng)于不同類(lèi)型的屏蔽。
[0004] 對(duì)于多層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，了解結(jié)構(gòu)在層（ply)、橫向于層以及層間的方向的電導(dǎo)率 可是期望的。層間電導(dǎo)率可尤其重要，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)邊緣發(fā)光和緊固件的火花驅(qū)動(dòng)雷電 性能。對(duì)于感應(yīng)加熱，層間電導(dǎo)率的知識(shí)可表明局部熱點(diǎn)。
[0005]目前存在用于測(cè)量復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的層間電導(dǎo)率的技術(shù)。在一種技術(shù)中，層間電導(dǎo) 率可以用樣本結(jié)構(gòu)的多個(gè)樣品上的電流脈沖測(cè)量值來(lái)測(cè)量。這種技術(shù)要求與樣本的直接電 接觸，并且準(zhǔn)備樣品可是耗時(shí)的。此外，測(cè)試本身需要顯著的時(shí)間量。不同的樣本結(jié)構(gòu)往往 產(chǎn)生不同的層間電導(dǎo)率，而不知道這是否是由于測(cè)試樣本的變化或測(cè)試本身的變化。目前 的技術(shù)要求加工、打磨、電鍍樣本結(jié)構(gòu)為小的緊公差樣本；并且在結(jié)構(gòu)被測(cè)試之后，它們不 能被再次使用。表征新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的層間電導(dǎo)率是一個(gè)漫長(zhǎng)而費(fèi)力的過(guò)程。測(cè)量值需 要針對(duì)接觸電阻進(jìn)行校正。
[0006] 還沒(méi)有可靠的方法用于在經(jīng)受環(huán)境調(diào)節(jié)時(shí)監(jiān)控某些類(lèi)型的樣本的腐蝕降解?，F(xiàn) 有技術(shù)需要用探頭（probe)接觸它們，通常是在通過(guò)復(fù)合材料上的樹(shù)脂層的打磨后。這可 比如果將樣本全部完好無(wú)損地留在貫穿整個(gè)調(diào)整中導(dǎo)致更多的降解。這對(duì)于需要以規(guī)則 的間隔檢查樣本的鹽霧尤其有問(wèn)題的，因?yàn)榇蚰?chuàng)建可加速腐蝕的水通道。探頭的共固化 (co-curing)或安裝特殊特性用于接觸，而不是砂紙打磨（sanding)來(lái)改變測(cè)試物品。
[0007] 因此，具有考慮以上所討論的問(wèn)題中的至少一些依據(jù)其他可能問(wèn)題的系統(tǒng)和方法 可以是期望的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本公開(kāi)的示例實(shí)施方式通常涉及用于對(duì)具有形成結(jié)構(gòu)的至少一個(gè)導(dǎo)電層或特征 的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢驗(yàn)（NDT)的系統(tǒng)和方法，該結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率可以是各向異性的。碳 纖維增強(qiáng)塑料（CFRP)板是合適的結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例，盡管還有其他的。該系統(tǒng)和方法避免破 壞或另外修改結(jié)構(gòu)。并且此外，該系統(tǒng)和方法可以允許在服務(wù)中評(píng)估以維護(hù)和修理可足夠 進(jìn)入的部件或其它結(jié)構(gòu)。
[0009] 該系統(tǒng)可以包括一對(duì)線圈，其中被測(cè)的結(jié)構(gòu)（SUT)(structureundertest)(例 如，CFRP板）可放置在該對(duì)線圈之間。線圈之一可以利用在寬的頻率范圍內(nèi)的源來(lái)驅(qū)動(dòng)， 并且在另一線圈上的電壓可以被測(cè)量。SUT的屏蔽效力可以測(cè)量屏蔽效力，從而計(jì)算其電導(dǎo) 率。在一些示例中，諸如在多層SUT的情況下，利用多組不同尺寸的線圈可獲得測(cè)量值。因 為在層間方向的電導(dǎo)率不同于在層方向的電導(dǎo)率，來(lái)自不同線圈大小的響應(yīng)可以被用于確 定層間電導(dǎo)率。
[0010] 根據(jù)不例實(shí)施方式的一個(gè)方面，一種方法被提供，該方法包括建立在發(fā)射線圈和 接收線圈之間的被測(cè)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)（SUT)。該方法包括利用在多個(gè)頻率上的射頻（RF)信 號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)射線圈，從而使發(fā)射線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)通過(guò)穿過(guò)SUT的磁耦合在接收線圈中 感應(yīng)電壓。該方法包括測(cè)量在接收線圈上的電壓，并且根據(jù)該電壓產(chǎn)生由發(fā)射線圈和接收 線圈之間的SUT引起的RF信號(hào)在多個(gè)頻率上的衰減的測(cè)量值。而且該方法包括根據(jù)衰減 的測(cè)量值計(jì)算SUT的有效電導(dǎo)率。
[0011] 在一些示例中，有效電導(dǎo)率在全局坐標(biāo)系的各個(gè)正交軸具有分量。在這些示例中， 計(jì)算有效電導(dǎo)率包括具體計(jì)算一個(gè)或多個(gè)分量，例如，以包括根據(jù)布置的有限元模型來(lái)執(zhí) 行有限元分析的方式，其中該布置包括發(fā)射線圈和接收線圈以及在它們之間的SUT。
[0012] 在一些示例中，SUT具有平行于發(fā)射線圈和接收線圈的相對(duì)主表面（opposing majorsurface)，并且有效電導(dǎo)率的分量包括平行于SUT的主表面的第一分量。在這些示 例中，具體計(jì)算的一個(gè)或多個(gè)分量包括具體計(jì)算第一分量。
[0013] 在一些示例中，SUT具有平行于局部坐標(biāo)系的主軸取向的嵌入纖維。在這些示例 中，具體計(jì)算一個(gè)或多個(gè)分量包括根據(jù)局部坐標(biāo)系的主軸偏離全局坐標(biāo)系的各個(gè)正交軸中 的相應(yīng)的一個(gè)的任何角偏移來(lái)計(jì)算具體一個(gè)或多個(gè)分量。
[0014] 在一些進(jìn)一步的示例中，SUT(106)是多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)包括第一層和第二 層，該第一層具有取向平行于第一局部坐標(biāo)系的第一主軸的嵌入纖維，該第二層具有平行 于第二局部坐標(biāo)系的第二主軸的嵌入纖維取向。在這些更進(jìn)一步的示例中，具體計(jì)算一個(gè) 或多個(gè)分量包括進(jìn)一步根據(jù)第一局部坐標(biāo)系的第一主軸和第二局部坐標(biāo)系的第二主軸中 的每個(gè)偏離全局坐標(biāo)系的各個(gè)正交軸中的相應(yīng)一個(gè)的任何角偏移來(lái)具體計(jì)算一個(gè)或多個(gè) 分量。
[0015] 在一些示例中，發(fā)射線圈和接收線圈形成布置。在這些示例中，建立、驅(qū)動(dòng)和測(cè)量 針對(duì)第一布置被執(zhí)行，在第一布置中，發(fā)射線圈和接收線圈具有第一直徑以產(chǎn)生衰減的第 一測(cè)量值。該建立、驅(qū)動(dòng)和測(cè)量針對(duì)第二布置被重復(fù)，在第二布置中，發(fā)射線圈和接收線圈 具有不同的第二直徑以產(chǎn)生衰減的第二測(cè)量值。具體計(jì)算一個(gè)或多個(gè)分量接著包括從衰減 的第一測(cè)量和衰減的第二測(cè)量值來(lái)具體計(jì)算一個(gè)或多個(gè)分量。在此，用于具體計(jì)算一個(gè)或 多個(gè)分量的有限元分析可以根據(jù)第一布置和第二布置的有限元模型來(lái)執(zhí)行，第一布置和第 二布置的每個(gè)在其之間具有SUT。
[0016] 在示例實(shí)施方式的其它方面中，一種用于SUT的無(wú)損檢測(cè)的系統(tǒng)被提供。在此所 討論的特征、功能和優(yōu)點(diǎn)可在多種示例實(shí)施方式中獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)，或在其它示例實(shí)施方式中 被組合，其它示例實(shí)施方式的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以參照以下的描述和附圖獲知。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 已經(jīng)以通用術(shù)語(yǔ)描述本公開(kāi)的示例實(shí)施方式，現(xiàn)在將參考附圖，該附圖不必要按 比例繪制，并且其中：
[0018] 圖1是根據(jù)本公開(kāi)的示例實(shí)施方式的系統(tǒng)的圖示；
[0019] 圖2根據(jù)示例性實(shí)施方式示出在多個(gè)不同的環(huán)境中在期望的頻率范圍內(nèi)的衰減 的圖；
[0020] 圖3和圖4根據(jù)示例實(shí)施方式示出在兩種環(huán)境中的二維軸向?qū)ΨQ(chēng)的有限元模型；
[0021] 圖5根據(jù)一些示例實(shí)施方式示出可對(duì)應(yīng)于被測(cè)結(jié)構(gòu)（SUT)的多層結(jié)構(gòu)的示例；
[0022] 圖6根據(jù)一些示例實(shí)施方式示出可對(duì)應(yīng)于多層SUT的SUT或?qū)拥慕Y(jié)構(gòu)；
[0023] 圖7A和圖7B根據(jù)一些示例實(shí)施方式示出不同的相應(yīng)直徑的發(fā)射電磁線圈和接收 電磁線圈的布置；
[0024] 圖8是根據(jù)一些示例實(shí)施方式示出方法中的各個(gè)步驟的流程圖；以及
[0025] 圖9示出根據(jù)一些示例可被配置為至少部分地實(shí)現(xiàn)圖1的系統(tǒng)的分析系統(tǒng)的裝 置。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 現(xiàn)在將參照以下附圖更詳細(xì)地描述本公開(kāi)的一些實(shí)施方式，其中本公開(kāi)的一些實(shí) 施方式而不是全部被示出。事實(shí)上，本公開(kāi)的各個(gè)實(shí)施方式可以多種不同的方式被實(shí)施，并 且不應(yīng)被解釋為限制在此闡述的實(shí)施方式；相反，這些示例性實(shí)施方式被提供以使本公開(kāi) 將是徹底的和完整的，并且將充分地向本領(lǐng)域技術(shù)人員傳達(dá)本公開(kāi)的范圍。例如，除非另外 指出，以第一，第二等呈現(xiàn)的參考事物不應(yīng)該被解釋為暗含特定的順序。另外，一些可被描 述為可在以下被替代的上述其他事物（除非另有說(shuō)明），反之亦然；同樣地，被描述為其他 事物的左側(cè)的事物可以替代成右側(cè)，反之亦然。在全文中，相同的附圖標(biāo)記指代相同的元 件。
[0027] 圖1根據(jù)本公開(kāi)的各種示例實(shí)施方式示出系統(tǒng)100。該系統(tǒng)可用于具有各向異性 電導(dǎo)率的導(dǎo)電性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無(wú)損測(cè)試。該結(jié)構(gòu)可以具有受控的幾何形狀，諸如在碳纖 維增強(qiáng)塑料（CFRP)板的情況下。合適結(jié)構(gòu)的其它示例包括可被共固化或附連到電介質(zhì)基 片或?qū)щ娀慕饘倩瘜?。這些金屬化層諸如鎳涂覆的纖維、交織金屬絲、擴(kuò)展箱、導(dǎo)電貼 花以及類(lèi)似物。這些及類(lèi)似的結(jié)構(gòu)可被表征為它們的面積屬性以及它們的接頭的電導(dǎo)率。
[0028] 如圖所示，該系統(tǒng)可包括包含發(fā)射電磁線圈102和接收電磁線圈104 (電磁線圈有 時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為線圈）的布置。在一些示例中，發(fā)射線圈和接收線圈可以是50匝線圈，并且可以 間隔開(kāi)小于或等于線圈的半徑的距離。例如，發(fā)射線圈和接收線圈具有大約2. 5英寸的半 徑（大約5英寸的直徑），并且該發(fā)射線圈和接收線圈可以間隔開(kāi)小于或等于大約2. 5英寸 的距離。
[0029] 發(fā)射線圈102和接收線圈104可被配置為接收（receive)在它們之間的被測(cè)結(jié)構(gòu) (SUT) 106,其中在一些示例中的SUT是正在經(jīng)受無(wú)損測(cè)試的導(dǎo)電性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的具體實(shí) 例。在一些示例中，可以在線圈之間接收SUT，使得SUT物理上不接觸任一線圈。在CFRP板 的情況下，一些示例的SUT可具有大約1/16英寸和1英寸之間的厚度。
[0030] 發(fā)射線圈102和接收線圈104可以耦合到信號(hào)發(fā)生器108、接收器對(duì)110、112以及 信號(hào)處理電路，在一些示例中，信號(hào)處理電路可以由網(wǎng)絡(luò)分析儀114提供。在一些示例中， 發(fā)射線圈可通過(guò)適當(dāng)?shù)姆蔷€性晶體至BNC(banana-to-BNC)適配器116耦合到信號(hào)發(fā)生器， 并且通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娏魈筋^118耦合