用于检测结构元件之间粘合强度的弱化的系统和方法

摘要

本发明的方面涉及用于检测两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间粘合强度的弱化的方法和系统。系统包括一个或更多个负荷销(LP)以及控制器。一个或更多个LP可以垂直于两个或更多个接合表面而被插入穿过两个或更多个结构元件，使得LP最初没有感测到剪切负荷。系统还包括控制器，该控制器被配置成：在从一个或更多个LP接收到剪切负荷值时，检测两个或更多个接合表面之间的粘合强度的弱化。

说明书

发明背景

使用各种胶水粘合结构元件是一种广泛使用的附接方法，尤其是由两种不同类型的材料(例如复合材料和金属)制成的结构元件的附接。这种附接的主要问题之一是两个结构元件的分离或部分分离，这是由于结构元件的接合表面之间的粘合强度的弱化。这种分离或弱化很难检测，特别是在结构元件的使用寿命期间。例如，当两个结构元件被包括在交通工具(例如，飞行器、海船或汽车)中时，在交通工具行驶(例如，驾驶、俯冲、航行或飞行)时，几乎不可能检测弱化。

目前已知的方法使用负荷销(load pin)(LP)来测量结构中的负荷(例如，动态负荷)。LP安装到结构上，使得LP承载从作用在接合结构上的负荷衍生出的负荷。因此，这种LP以高精度测量作用在结构上的动态负荷。例如，位于飞行器机翼中的LP将测量飞行期间作用在机翼上的动态负荷。

当开始检测两个元件(例如，机翼中的两个元件)之间的分离或粘合强度的弱化时，可以采取不同的方法。测量作用在整个接合结构(例如，机翼)上的实际负荷不能指示分离或粘合的弱化是否已经发生，因为它没有测量粘合力本身。虽然接合结构可能负荷很重，但是粘合力仍然可以保持两个元件而不失效。

有几种已知的检测分离或弱化的方法，其通过将传感器放置在两个结构元件之间的粘合层内而使用对粘合强度的直接测量。应变仪(例如，压电设备)可以嵌入粘合层中，直接感测作用在粘合层中的负荷的变化。该方法限于插入传感器的区域，并且可能通过将异物体插入粘合层而削弱粘合强度。另外的方法是使用放置在结构元件中各个区域处的声学传感器。由于声学传感器及附属装备的尺寸，这种方法非常有限，且无法应用于空间和可达性有限的结构中，这些结构是不可接近的，并且位于封闭组件中。此外，声学方法只能在组件(交通工具)静止时使用。

因此，需要一种简单的系统来测量接合结构中两个或更多个元件之间的分离或粘合的弱化。根据本发明的一些实施例的这种系统可以使用LP来间接检测接合结构中两个或更多个元件之间的分离或粘合的弱化。根据本发明的一些实施例的LP可以插入到接合结构，使得LP本身不测量作用在接合结构上的动态负荷，并且即使接合结构被动态地加载，最初(当粘合强度足够保持接合结构时)也没有负荷作用在LP上。

发明概述

需要一种可靠的系统和方法，用于在结构的使用寿命期间检测结构元件的接合表面之间的分离或粘合强度的弱化。还需要一种系统，用于检测由作用在两个或更多个粘合结构元件上的意外负荷(例如，外部负荷)引起的两个或更多个粘合结构元件的意外快速分离。特别地，需要一种系统，该系统可以在结构失效之前警告分离过程(例如，部分分离或弱化)的开始。在交通工具中，这一点在交通工具行驶时例如当无人驾驶飞行器(UAV)飞行或者赛车比赛或潜艇潜水时尤其重要。根据本发明的实施例的系统可以使用一个或更多个负荷销(LP)来实时感测两个结构元件之间的粘合强度的弱化，从而警告在粘合完全失效之前可能发生严重损坏。根据本发明的实施例的LP是感测换能器，其可以包括插入销内的传感器(例如，应变计)，用于感测作用在销上的负荷(例如，力、应力和应变)。可附接到销内壁的传感器可以感测作用在销外壁上的负荷，并将感测到的负荷转换成电信号。一个或更多个LP可以基本上垂直于粘合的表面而被插入(并固定)到两个或更多个粘合的结构元件中，使得LP最初没有感测到剪切负荷。当两个或更多个结构元件之间的粘合强度良好时，负荷销可能检测到很少至没有负荷。当两个或更多个结构元件之间的粘合强度发生弱化或失效时，负荷(例如，剪切应力)可以施加在负荷销上，并被传感器感测到。警报可以启动一组动作来处理即将到来的失效，例如，降低交通工具的速度，限制飞行器的飞行机动，以及使交通工具返回。

本发明的一些方面可以涉及一种系统，该系统用于检测两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间的粘合强度的弱化。此外或可替代地，系统可以检测由于施加在结构元件上的意外负荷所导致的结构元件的快速分离(例如，粘合层的快速脱离)。系统可以包括一个或更多个负荷销(LP)以及控制器。在一些实施例中，一个或更多个LP可以垂直于两个或更多个接合表面而被插入穿过两个或更多个结构元件，使得LP最初没有感测到剪切负荷。在一些实施例中，控制器可以被配置成在从负荷销(LP)接收到负荷值时，基于负荷值检测两个或更多个接合表面之间的粘合强度的弱化。

本发明的一些其它方面可以涉及一种方法，该方法检测两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间的粘合强度的弱化。该方法可以包括在从负荷销(LP)接收到负荷值时，LP可以垂直于两个或更多个接合表面而被插入穿过两个或更多个结构元件，使得LP最初没有感测到剪切负荷；基于负荷值检测两个或更多个接合表面之间的粘合强度的弱化。

附图简述

视为本发明的主题在说明书的结束部分被特别指出并被清楚地要求保护。然而，本发明关于操作的系统和方法以及其目的、特征和优点，在参照附图一起阅读时，通过参考以下详细描述可得到最好的理解，在附图中：

图1A是根据本发明的一些实施例的系统的高级框图，该系统用于检测无人驾驶交通工具中包括的两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间的粘合强度的弱化；

图1B是根据本发明的一些实施例的系统的高级框图，该系统用于检测人工操作交通工具中包括的两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间的粘合强度的弱化；

图2A是根据本发明的一些实施例的穿过结构元件插入的负荷销(LP)的图示；

图2B-2C是根据本发明的一些实施例的位于组件中的LP的图示，该组件具有两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面；以及

图3是根据本发明的一些实施例的方法的流程图，该方法检测两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间的粘合强度的弱化。

将认识到，为了说明的简单和清楚，图中所示的元素不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元素的尺寸可以相对于其他元素被放大。此外，在认为适当的情况下，参考数字可在多个图中重复以指示对应的或类似的元素。

发明的具体实施方式

在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程和部件，以免模糊本发明。

虽然本发明的实施例在这方面不受限制，但是使用诸如例如“处理”、“计算(computing)”、“计算(calculating)”、“确定”、“建立”、“分析”、“检查”等的术语的讨论可以指计算机、计算平台、计算系统或其它电子计算设备的操作和/或过程，该其它电子计算设备将表示为计算机的寄存器和/或存储器内的物理(例如，电子)量的数据操纵和/或转换为类似地表示为计算机的寄存器和/或存储器或者可存储用于执行操作和/或过程的指令的其它信息非暂时性存储介质内的物理量的其它数据。虽然本发明的实施例在这方面不受限制，但是如本文所使用的术语“多个(plurality)”和“多个(a plurality)”可以包括例如“多个(multiple)”或“两个或更多个”。在整个说明书中可以使用术语“多个(plurality)”或“多个(a plurality)”来描述两个或更多个部件、设备、元件、单元、参数等。术语集当在本文中使用时可以包括一个或更多个项目。除非明确说明，本文描述的方法实施例不限于特定的顺序或序列。另外，所描述的方法实施例或其元素中的一些可以同步、在同一时间点或同时地发生或执行。

本发明的一些实施例涉及用于检测两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间粘合强度的弱化的方法和系统。这种系统可以组装在有人驾驶或无人驾驶的交通工具(例如飞行器、海船、UAV和汽车)中，以便在失效发生之前检测粘合强度的潜在弱化。根据本发明的实施例的结构元件可以包括任何元件、梁(beam)、支撑件(support)、板(board)、片(sheet)、盖(cover)、基部(base)、壁(wall)、部件(part)、配件(fitting)、区段(section)、块(piece)、部件(component)等，这些元件可以包括或组装在交通工具中。

根据本发明的实施例的系统可以包括穿过两个或更多个结构元件(垂直于粘合层)插入的一个或更多个负荷销(LP)以及控制器(例如，交通工具控制器)。根据本发明的实施例的LP是测量设备，其具有插入销内的传感器，并被配置成测量作用在销上的负荷，如以下详细公开的。控制器可以被配置成从LP接收负荷值，并确定粘合层中的粘合强度是否已经发生弱化。控制器(例如，交通工具控制器)可以进一步与同交通工具相关联的远程站控制器或处理器(例如，地面控制站)通信，并且发送已经检测到粘合强度的弱化的警报。

根据本发明的实施例的系统可以具有紧凑的尺寸，该尺寸可以允许将系统插入交通工具中的任何地方、任何需要的位置，而不管该位置的可达性如何。

参考图1A，图1A是根据本发明的一些实施例的系统的高级框图，该系统用于检测两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间的粘合强度弱化。系统100可以组装在无人驾驶交通工具中，例如，无人驾驶潜艇、UAV和自动驾驶汽车。系统100可以包括一个或更多个负荷销(LP)102以及控制器120，例如，交通工具控制器或附加控制器。在一些实施例中，LP可以直接连接到控制器120。在一些实施例中，系统100还可以包括一个或更多个信号处理单元108和一个或更多个通信单元110。在一些实施例中，信号处理单元108和通信单元110中的每一个可以与对应的LP 102相关联。

在一些实施例中，LP 102可以包括在图2中示出的传感器104和销壳体106。LP 102可以间接测量两个或更多个接合表面之间粘合强度的弱化。传感器104可以是任何传感器，其被配置成感测作用在传感器上的负荷、作用在销上的负荷、或作用在粘合层中的负荷的变化。例如，传感器104可以包括应变仪、光纤、声学传感器等。LP 102穿过两个或更多结构元件被插入时的详细公开在下面参考图2A给出。

信号处理单元108可以被配置成处理从传感器104接收的信号，使得该信号可被控制器120接收和读取。例如，传感器104可以被配置成产生模拟信号，并且信号处理单元108可以将模拟信号转换成数字信号。此外或可替代地，信号处理单元108可以处理该信号以适合标准通信配置文件，例如将由USB传送。在一些实施例中，信号处理单元108可以放大从传感器104接收的信号。在一些实施例中，信号处理单元108和通信单元110可以处理来自多个LP的信号，并将处理后的信号传递到控制器120。每个信号可以包括每个LP 102的标识、LP的状态(例如，有效/无效)以及LP 102感测到的负荷值。

在一些实施例中，信号处理单元108可以包括在LP 102中，并且可以被定位成紧邻传感器104，在其它实施例中，信号处理108可以包括在控制器120中作为输入/输出板，然而在一些其它实施例中，成对的信号处理108和通信单元110可以位于LP和控制器120之间的中间位置，以集中交通工具中安装了几个LP的区域并将LP数据传送给控制器120。由信号处理单元108处理过的信号可以经由通信单元110传递到控制器120。通信单元110可以包括可允许从LP 102和/或信号处理单元108到控制器120的内部通信和反之亦然的任何设备。例如，通信单元110可以包括通信线，该通信线以点对点通信的方式或通过通信总线将LP 102和/或信号处理单元108连接到控制器120。可替代地，通信单元110可以包括收发器，用于LP102和/或信号处理单元108与控制器120之间的无线通信。

控制器120可以是无人驾驶交通工具的控制器，或者可以是与无人驾驶交通工具的控制器通信的附加控制器。控制器120可以包括处理器122和存储器126，处理器122例如可以是中央处理单元(CPU)、芯片或任何合适的计算或计算化设备。可选地，控制器120可以包括操作系统124。控制器120可以包括交通工具的主控制器或者可以是交通工具的主控制器。处理器122可以被配置成执行根据本发明的实施例的方法，例如，通过执行存储在存储器如存储器126中的指令。

操作系统124可以是或可以包括被设计和/或配置成执行涉及协调、调度、仲裁、监督、控制或以其它方式管理控制器120的操作(例如，调度程序的执行)的任务的任何代码段。操作系统124可以是商业操作系统。存储器126可以是或者可以包括易失性存储器和非易失性存储器。存储器126可以是或者可以包括多个可能不同的存储器单元。

存储器126可以储存任何可执行代码，例如应用、程序、进程、任务或脚本。可执行代码可以包括用于检测两个或更多个接合表面之间粘合强度弱化的数据和软件代码，或者用于执行根据本发明的实施例的方法的任何其它代码或指令。可能在操作系统124的控制下，可执行代码可以由处理器122执行。

在一些实施例中，控制器120(例如，交通工具控制器或附加控制器)可以与交通工具通信单元128通信。交通工具通信单元128可以是或者可以包括可允许交通工具控制器120与远程站200(例如，地面控制站)之间的外部通信的任何设备(例如，天线、收发器等)。

控制器120可以被配置成基于从LP 102接收的信号自动控制交通工具。例如，如果从LP 102接收到指示两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间的粘合强度弱化的负荷信号，则控制器120可以自动进行若干操作。例如，如果负荷信号高于临界阈值，控制器120可以决定将交通工具引导至紧急停止(例如，紧急着陆)。在又一示例中，如果检测到的负荷值高于基准(例如，正常、无负荷等)值但低于临界阈值，控制器120可以决定在预定的时间长度上监控负荷值，并且只要没有检测到负荷值的增加，就继续交通工具的任务或交通工具当前的操作。如果已经检测到负荷值的增加，则控制器可以将交通工具引导至紧急停止、将交通工具引导回基站、改变驾驶(例如，飞行、潜水等)参数等。

远程站200可以包括用于与交通工具通信单元128无线通信的远程站通信单元208、远程站控制器210和远程站用户接口240。远程站控制器210可以是被配置成执行根据本发明的一些实施例的指令和方法的任何控制器或处理器。用户接口240可以是或者可以包括可允许用户与控制器210通信的任何设备。用户接口240可以包括屏幕(例如，监视器、显示器、CRT等)、指向设备和音频设备。用户接口240可以包括或者与其它输入设备相关联，如键盘、触摸屏等。在一些实施例中，控制器210可以被配置成经由用户设备240从用户接收指令，以对交通工具做出指示和/或推翻交通工具控制器120做出的决定。例如，如果交通工具控制器120在从LP 102接收到指示两个或更多个接合表面之间粘合强度弱化的信号之后，做出将交通工具引导至紧急停止(例如，紧急着陆)的决定，则远程站中的用户可以决定推翻该决定并迫使无人驾驶交通工具继续其任务。

参考图1B，图1B是根据本发明的一些实施例的系统的高级框图，该系统用于检测两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间的粘合强度弱化。系统100可以组装在人工操作的交通工具中(例如，由驾驶员驾驶的汽车、由飞行员飞行的飞机(aero-plan)等)。图1B的系统100可以包括与图1A的系统100基本相同的元件。系统100可包括一个或更多个负荷销(LP)102以及控制器120，例如，交通工具控制器或附加控制器。在一些实施例中，系统100还可以包括一个或更多个信号处理单元108和一个或更多个通信单元110。在一些实施例中，信号处理单元108和通信单元110中的每一个可以与对应的LP 102相关联。在图1B的实施例中，交通工具控制器120可以与用户接口140和存储单元130通信。用户接口140可以包括可允许用户在交通工具中时控制该交通工具的任何设备。用户接口140可以包括屏幕(例如，飞行员头盔上的屏幕)、按钮、键盘、触摸屏、手柄、轮子等。在一些实施例中，控制器120可以(例如，在屏幕上)向用户呈现警报，警告已经检测到两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间的粘合强度弱化。在一些实施例中，用户可以决定是继续任务、改变任务的参数还是停止任务，或者在客用交通工具的情形中停止驾驶、降低速度等。在一些实施例中，用户可以要求或允许控制器120做出决定。

储存器130可以存储或者可以包括关于过去任务的数据或关于当前任务的数据，这些数据可允许控制器120做出关于交通工具任务的决定。储存器130可以是或者可以包括，例如硬盘驱动器、光盘(CD)驱动器、CD可记录(CD-R)驱动器、通用串行总线(USB)设备或其它合适的可移动和/或固定的存储单元。内容可以存储在储存器130中，并且可以从储存器130加载到存储器126中，在存储器126中，内容可由处理器122进行处理。

在一些实施例中，图1B的系统还可以包括交通工具通信单元，如图1A的单元128，用于允许交通工具以与图1A的系统100类似的方式与远程站(例如，用于命令和控制的远程站200)通信。

参照图2，其是根据本发明的一些实施例的穿过结构元件插入(并固定)的负荷销(LP)(示出为结构元件中的切口)。LP 102可以包括插入销状壳体106中的传感器104。在一些实施例中，一个或更多个LP 102可以垂直于两个或更多个相应的接合表面215和225插入(并固定)穿过两个或更多个结构元件210和220。粘合层230可以位于接合表面215和225之间。结构元件210和220可由类似或不同类型的材料制成，或者可以包括类似或不同类型的材料。例如，结构元件210和220都可以包括复合材料。可替代地，结构210可以是由金属合金(例如，铝合金)制成的配件，并且结构210可以是由复合材料制成的梁。

图2中示出的单个LP 102和两个结构元件210和220仅作为简化示例给出，并且如本领域技术人员将理解的，本发明不限于图2中给出的示例(例如，参见图1A-1B中示出的n个LP 102)。本发明的实施例可以包括插入到粘合组件中的任何数量的LP 102，该粘合组件包括2、3、4个或更多个彼此粘合的结构元件。

在一些实施例中，接合表面215和225可以包括不同类型的材料。在一些实施例中，材料的类型可以包括复合材料、金属合金、陶瓷和塑料中的至少两种。在一些实施例中，表面215可以包括与结构210基本相同的材料，并且表面225可以包括与结构220基本相同的材料。

在一些实施例中，当结构元件210和220彼此粘合时，粘合层230被恒定地加载。当层230中的粘合强度发生弱化时，表面215和225之间可能发生分离或部分分离。在一些实施例中，只要表面215和225之间的粘合强度高于期望的水平(例如，粘合良好，足以将结构元件210和220保持在一起)，没有负荷或者基本上没有负荷(或者低于预定义的阈值的小负荷)被施加到LP 102上并由传感器104检测到。当粘合强度发生弱化(例如，两个或更多个接合表面215和225的部分分离或者两个或更多个接合表面215和225的完全分离)时，在结构元件210和220之间可能形成相对运动，导致例如销106上的剪切应力或高于预定义的阈值的任何其它负荷。该应力可促使传感器104检测作用在LP 102上的负荷F(例如，应变、应力、力等)。传感器104可经由通信单元110的线144(图2A中示出)向(图1中示出的)控制器120发送负荷值。

在一些实施例中，一个或更多个LP 102可以位于应该识别两个或更多个接合表面的失效的位置。例如，如果计算机模拟得出，在结构中的几个位置，粘合层中可能会产生导致这个层弱化的高应力。因此，LP 102可以插入到组件的这些位置中。

在一些实施例中，附加的附接装置(例如，销和/或螺钉)可以将结构210附接到结构220，并且系统100可以被配置成检测结构210和结构220之间的附接力的弱化。

在一些实施例中，系统100可以组装在交通工具中，使得一个或更多个LP(例如，LP102)被插入穿过包括在交通工具中的彼此粘合的至少两个结构元件。另外，控制器110可被配置成与同交通工具相关联的处理器通信，以警告处理器检测到至少两个结构元件之间的粘合强度弱化。

参考图3，图3是根据本发明的一些实施例的方法的流程图，该方法检测两个或更多个结构元件的两个或更多个接合表面之间的粘合强度弱化。图3的方法的实施例可以被控制器——如控制器120(例如，包括在交通工具的控制器中的处理器122)——执行，或者由任何其它合适的控制器或处理器来执行。在操作310中，实施例可以包括从LP(例如LP102)接收负荷值。在一些实施例中，LP可以垂直于两个或更多个接合表面(例如，表面215和225)插入穿过两个或更多个结构元件(例如，结构元件210和220)。负荷值可以包括从包括在LP(例如，LP 102)中的传感器(例如，传感器104)接收的读数。负荷值可以包括应变值、力值、应力值等。负荷值可以指示力F(例如，剪切力)被施加在销状壳体(例如，LP 102的LP壳体106)上。

在一些实施例中，两个或更多个接合表面在两个或更多个结构元件的使用寿命期间可能受到动态负荷。例如，结构元件210和220可以包括在交通工具中，并且当交通工具行驶(例如，飞行、驾驶等)时，接合表面215和225之间的粘合层230可能承受动态负荷。在一些实施例中，当交通工具行驶时，交通工具可能受到极端负荷(例如，空气湍流、G力等)。这些动态和/或极端负荷可能会随着时间的推移影响粘合强度，并且可能除了例如由于疲劳、粘合层130中包含的材料老化、粘合层130中的不均匀性(在生产过程中)等而导致的其他影响还导致粘合强度弱化或甚至完全失效。

在操作320中，实施例可包括基于负荷值检测两个或更多个接合表面之间粘合强度的弱化。在一些实施例中，两个或更多个接合表面中粘合强度的弱化包括以下中的至少一个：两个或更多个接合表面的部分分离和两个或更多个接合表面的完全分离。在一些实施例中，完全分离可以是可能导致结构元件完全失效的快速分离。在一些实施例中，当LP指示负荷值增大时，接收两个或更多个接合表面中粘合强度弱化的指示。例如，只要表面215和表面225之间有良好的粘合(例如，粘合层230被加载并且基本上没有缺陷)，LP 102就可以感测到无负荷或初始较低的负荷值。当分离或部分分离发生时，施加在LP 102上的力F可能会增加，因此LP 102可以检测到负荷值的增大。测量由LP 102的传感器104感测到的负荷值的增大是对两个或更多个接合表面中粘合强度弱化的间接测量。这个间接测量结果可以进一步指示粘合层230的粘合强度的变化。当粘合层受到部分分离或完全分离的影响时，粘合层230内部的负荷发生变化。与通过在粘合层中放置传感器直接感测粘合层230中负荷变化的已知现有技术方法相反，本发明的实施例使用粘合层230中负荷变化或粘合层230中粘合强度弱化的间接测量。

在一些实施例中，该方法可以进一步包括基于检测到的负荷值做出操作决定。在一些实施例中，当检测到的负荷值高于可指示高失效概率的预定临界阈值时，控制器120可被配置成引导或指导交通工具紧急停止。例如，控制器120可以引导UAV紧急着陆，使无人驾驶潜艇上升到海平面，或者呼叫赛车返回维修站。在一些实施例中，检测到的负荷值可以在基准值和临界阈值之间，这意味着粘合强度已经弱化，但是失效的概率不高。在这种情况下，控制器120可以被配置成在预定的时间量上监视负荷值，以检测负荷值的增大。只要没有检测到增大，控制器120可以决定继续交通工具的任务。控制器120还可以向远程站(例如，远程站200)发送警报，以在交通工具从其任务返回时检查结构元件之间的粘合质量(例如，在地面上的工作间中检查UAV或潜水艇)。如果已经检测到负荷值的增大，则控制器120可以决定改变任务的参数(例如，降低飞行高度、避免剧烈机动、降低潜水深度、降低速度、缩短任务以尽早返回维修等)，或者可以将交通工具引导至紧急停止。

虽然本文已经图示和描述了本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员现在将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应当理解，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和改变。