检测多层结构的隐藏层中的异常的系统和方法

摘要

提供了一种用于检测多层结构的第一层的隐藏部分中的异常的系统和方法。监控元件被提供在延伸通过多层结构的紧固件的至少一个暴露端上，并且另一监控元件被提供在第一层的暴露部分上。借助监控元件的至少一个，引入检查信号进入包括第一层的隐藏部分的多层结构。在检查信号传播通过包括第一层的隐藏部分的多层结构的至少一部分之后，用监控元件的至少另一个感测检查信号。最终，基于感测到的检查信号可以检测第一层的隐藏部分中的异常。

说明书

技术领域

本发明的实施例总体涉及结构健康监控，并更具体涉及多层结构 的隐藏层中的异常的检测。

背景技术

许多结构由多个层形成，这些层堆叠或者一层位于另一层上，从 而形成多层结构。例如，空中交通工具如飞行器，通常包括多层结构 从而形成机身的各个部分。结构的多个层可以通过一个或更多紧固件 保持在一起。为了安装紧固件，可以穿过多个层钻孔或形成孔，此后 紧固件插入穿过孔。然而，各种异常可能在紧固件穿过其延伸的孔处 或靠近该孔发生，例如孔附近可能存在的应力集中而引起的疲劳开裂。

由于是多层结构，贴近紧固件穿过其延伸的孔的一个或更多层的 至少一部分会不可见。例如，多层结构的中间层可以夹在用来隐藏内 层于视野外的两个外层之间。例如，空中交通工具可以包括安装在大 梁上的托架。大梁可以安装在舱壁凸缘上，其进而可以通过蒙皮覆盖。 这些层的每一个都可以通过一个或更多紧固件保持在一起，该紧固件 延伸穿过已经在多个层(例如托架、大梁、舱壁凸缘和蒙皮)中形成 的孔。由于各个层的堆叠，因此至少大梁和舱壁凸缘的一部分会从视 野中隐藏。

维护和修理人员会期望检查结构(例如空中交通工具)从而识别 异常，使得可以评估异常以便修理、替换等。然而，多层结构的隐藏 层可能不能可视化地检查，相反，多层结构可能需要被拆卸以便观察 隐藏层，例如识别在紧固件穿过的孔处或靠近该孔发生的任何异常。 这样的拆卸可能是相对劳动密集的并会增加检查的成本和时间需求。 另外，由于对结构的损坏会在重装配过程期间发生或结构的多个部分 可能错误重装配，因此在检查之后结构的重装配也会是有问题的。

为了有助于各种结构的检查，已经开发了多种非破坏性评估 (“NDE”)技术，其中信号传输进入结构，接着评估从结构出现的 信号以便检测结构内的异常。然而，由于对多层结构的多个层之间的 多个界面生成的信号的有害影响，NDE技术在检测多层结构的隐藏层 中的异常时会有困难。另外，多层结构的厚度也会负面影响用NDE 技术检测异常的能力，这里异常位于多层结构的隐藏层内。

因此，期望提供改进的用于检查多层结构的隐藏层的技术。

发明内容

根据本发明的实施例提供了一种用于检测多层结构的隐藏层中的 异常的系统和方法。在这点上，本发明的实施例的系统和方法容许可 靠地检查多层结构的隐藏层而不拆卸结构，由此避免与拆卸关联的时 间和成本损失以及重装配引入的风险。

根据一个实施例，提供了一种用于检测多层结构的第一层的隐藏 部分中的异常的方法。该实施例的方法在延伸通过多层结构的紧固件 的至少一个暴露端上提供监控元件，并在第一层的暴露部分上提供另 一监控元件。例如，第一层的暴露部分可以与第一层的隐藏部分隔开， 其中该隐藏部分在不拆卸多层结构的情况下物理不可接近。借助监控 元件中的至少一个，该方法接着可以引入检查信号(例如振动检查信 号)进入包括第一层的隐藏部分的多层结构。该实施例的方法接着可 以在检查信号传播通过包括第一层的隐藏部分的多层结构的至少一部 分之后，用监控元件的至少另一个感测检查信号。例如，可以在检查 信号传播通过紧固件的至少一部分和第一层贴近紧固件的隐藏部分之 后感测检查信号。最终，该实施例的方法可以基于感测到的检查信号 检测第一层的隐藏部分中的异常。

可以在多层结构的多个层的各自暴露部分上提供多个监控元件。 在该实施例中，多个层还包括可以通过检查信号检查的各自隐藏部分， 该检查信号传播通过紧固件并通过多个层的各自隐藏部分。

在另一实施例中，提供了一种用于检测多层结构的第一层的隐藏 部分中的异常的系统。该系统包括在延伸通过多层结构的紧固件的至 少一个暴露端上的监控元件，以及在第一层的暴露部分上的另一监控 元件。在一个实施例中，第一层的暴露部分与第一层的隐藏部分隔开， 其中该隐藏部分在不拆卸多层结构的情况下物理不可接近。监控元件 的至少一个被配置为操作为致动器，用于引入检查信号(例如振动检 查信号)进入包括第一层的隐藏部分的多层结构。监控元件的至少另 一个被配置为操作为传感器，用于在检查信号传播通过包括第一层隐 藏部分的多层结构的至少一部分之后感测检查信号，并且在一个实施 例中，在检查信号传播通过紧固件的至少一部分之后感测检查信号。 该实施例的系统还包括处理器，该处理器响应于传感器并被配置为基 于感测到的检查信号检测第一层的隐藏部分中的异常。

一个实施例的系统可以包括多个监控元件，该多个监控元件被配 置为操作为传感器并布置在多层结构的多个层的各自暴露部分上。在 该实施例中，多个层还包括各自的隐藏部分。

在另一实施例中，提供了一种飞行器，其包括机身，该机身包括 具有多层结构的结构组件和至少部分延伸通过多层结构的紧固件。多 层结构包括具有贴近紧固件的隐藏部分的第一层。该实施例的飞行器 还包括结构健康监控系统，该系统可以包括在延伸通过多层结构的紧 固件的至少一个暴露端上的监控元件，以及在第一层的暴露部分上的 另一监控元件。在一个实施例中，第一层的暴露部分与第一层的隐藏 部分隔开，其中该隐藏部分在不拆卸多层结构的情况下物理不可接近。 监控元件的至少一个被配置为操作为致动器，用于引入检查信号(例 如振动检查信号)进入包括第一层的隐藏部分的多层结构。监控元件 的至少另一个被配置为操作为传感器，用于在检查信号传播通过包括 第一层隐藏部分的多层结构的至少一部分之后感测检查信号，并且在 一个实施例中，在检查信号传播通过紧固件的至少一部分之后感测检 查信号。该实施例的结构健康监控系统还包括处理器，该处理器响应 于传感器并被配置为基于感测到的检查信号检测第一层的隐藏部分中 的异常。

讨论的特征、功能和优点可以在本发明的各种实施例中独立实现， 或可以在另外其它实施例中结合，参考下面描述和附图可见其进一步 细节。

附图说明

因此，以一般术语描述本发明的实施例之后，现在参照附图，这 些附图不必按比例绘制，其中：

图1是根据本发明一个实施例的系统的平面图；

图2是图1的系统沿线2-2的剖面图；

图3是根据本发明一个实施例的系统的框图；以及

图4是图解根据本发明一个实施例执行的操作的流程图。

具体实施方式

现在参考附图在下文中更完整描述本发明，其中示出本发明的一 些但非全部实施例。事实上，这些发明可以用许多不同形式实施，并 且不应解释为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例，使得 本公开满足可以应用的合法需求。相似标号始终指代相似元件。

根据本发明的实施例提供系统和方法，以便检查多层结构并检测 多层结构的隐藏层中的异常。根据本发明的实施例可以检查各种类型 的多层结构。例如，空中交通工具(例如飞行器)可以包括具有结构 组件的机身，该结构组件包括多层结构。如示出，例如在图1和2中， 机身的多层10结构可以包括叠加在舱壁14(例如舱壁凸缘)上的接合 板12，舱壁14进而叠加在大梁16和蒙皮18上。接合板、舱壁、大梁 和蒙皮的每一个都可以认为是多层结构的层。尽管对检测机身中的异 常有用，本发明的实施例的系统和方法还可以检测多种其它应用中(例 如其它类型的交通工具、建筑、建设项目等)采用的其它多层结构中 的异常。

不管应用，多层结构10的各层通过紧固件20例如螺栓、铆钉等 紧固在一起。在这点上，可以穿过多层结构的多个层钻孔22、形成孔 22或定义孔22。接着，紧固件可以穿过孔插入，从而使各层紧固在一 起。在紧固件是螺纹紧固件的一些实施例中，螺母24可以固定到紧固 件的远端26，以便使紧固件相对于多层结构固定。因此，紧固件可以 从第一端(例如紧固件的头部28)延伸通过多层结构定义的孔到第二 端，例如紧固件的远端，螺母安装在该第二端上。

如在图1和2中示出并如在上面描述的，由于多层结构的其它层 叠加或安置在这些隐藏部分上面从而遮蔽了这些隐藏部分的视野，因 此多层结构10的一个或更多层的各部分可以从视野中隐藏。多层结构 层的一个或更多层的隐藏部分包括贴近或靠近孔22的各部分，紧固件 20通过孔22延伸通过多层结构。参考图1和2的图解实施例，贴近紧 固件的舱壁14和大梁16的各部分被接合板12和蒙皮18从视野中隐 藏。尽管多层结构的一个或更多层的各部分可以从视野中隐藏，但这 些相同层的其它部分，例如图1和2的实施例中的舱壁和大梁，可以 是暴露的或可见的或可接近的。因此，同一层可以具有隐藏部分和暴 露部分。然而，多层结构的一个或更多层的暴露部分通常与紧固件隔 开，并可以与这些相同层的隐藏部分隔开。

因此，多层结构10的一个或更多层(例如一个或更多中间层)可 以包括贴近紧固件20延伸通过的孔22的隐藏部分，以及与紧固件延 伸通过的孔隔开的暴露部分，其中该隐藏部分被多层结构的另一层覆 盖或在视觉上被遮蔽，并且暴露部分是可见的而不被多层结构的任何 其它层覆盖或遮蔽(尽管多层结构保持在装配状态中)。通过参照在 图1和2中示出的实施例，接合板12覆盖舱壁14贴近紧固件通过其 延伸的孔的部分，其中舱壁被接合板覆盖的部分被认为是隐藏部分， 因为舱壁的该部分在不拆卸多层结构10的情况下不可见。然而，舱壁 的其它部分延伸超过接合板并可见，由此构成舱壁的暴露部分。

在多层结构10的隐藏部分内发生的异常在没有拆卸多层结构10 的情况下不可见。各种类型的异常可能存在于隐藏部分内，其中异常 由于各种原因而发生，包括例如可能贴近紧固件20通过的孔存在的应 力集中而引起的疲劳开裂。通过针对图1和2中示出的实施例的例子， 异常30示为在舱壁44被接合板12覆盖的隐藏部分中，并因此在视野 之外。

为了有助于多层结构10的隐藏部分内的异常的检测，本发明的实 施例的系统和方法包括结构健康监控系统，该系统提供布置在紧固件 20上的监控元件，以及布置在待测层的暴露部分(即也具有隐藏部分 的层的暴露部分)上的监控元件。参见图3和图4的操作50和52。在 这点上，例如通过胶水或另一粘合剂，监控元件32可以安装在延伸通 过多层结构定义的孔22的紧固件的一个端上。例如，监控元件可以安 装在紧固件的头部24或紧固件的远端26上，如在图1和2中示出。 如上面提到，例如通过胶水或另一粘合剂，另一监控元件34可以安装 在多层结构的层的暴露部分上。在这点上，监控元件可以安装在层的 暴露部分上，该层也包括贴近紧固件通过的孔的隐藏部分。对于在图1 和2中示出的实施例，例如，监控元件可以安装在舱壁14延伸超过接 合板12的暴露部分上。

为了容许多层结构10的多个层的检查，多个监控元件34可以安 装在多层结构的不同层(例如不同中间层)的暴露部分上。例如，一 个监控元件可以安装在舱壁14的暴露部分上，而另一监控元件可以安 装在大梁16的暴露部分上。如上面提到，监控元件一般安装在各层的 暴露部分上，这些层也包括贴近紧固件20延伸通过的孔22的各自暴 露部分。另外，监控元件可以安装在层的暴露部分的相对主表面的任 意一个上，与层边缘相对，以便有助于使层的监控元件牢固安装。尽 管监控元件可以安装到各自层的暴露部分，通过安装在面对相同方向 的表面上而处于多层结构的相同侧面上，但如果期望，该监控元件可 以安装到多层结构的不同侧面或表面上。此外，在一个实施例中，多 个监控元件可以安装在同一层的暴露部分上的不同位置，如在图1中 示出。

根据本发明的实施例，监控元件被配置为操作为致动器或传感器。 通常，安装在紧固件20上的监控元件32被配置为操作为致动器或传 感器中的一个，并且安装在暴露部分上的另一监控元件34被配置为操 作致动器或传感器中的另一个。在一个实施例中，例如，安装在紧固 件上的监控元件可以被配置为操作为致动器，以便发射检查信号，而 安装在暴露部分上的监控元件被配置为操作为传感器，以便在检查信 号传播通过多层结构10的至少一部分之后接收检查信号。相反，安装 在暴露部分上的监控元件可以被配置为操作为致动器，以便发射检查 信号进入多层结构，而安装在紧固件上的监控元件被配置为操作为传 感器，以便在检查信号传播通过多层结构的至少一部分之后接收检查 信号。仍进一步地，如果期望，那么监控元件可以被配置为交替操作 为致动器和传感器。

监控元件可以被配置为发射和接收各种类型的检查信号。然而， 在一个实施例中，监控元件是压电换能器，该压电换能器被配置为通 过以下方式操作为致动器：将用来控制或触发致动器的电信号转换为 机械振动信号，其作为振动检查信号引入多层结构10中，并且该压电 换能器被配置为通过以下方式操作为传感器：从多层结构接收机械振 动信号并将机械振动转换为此后分析的电信号，如下文中描述的。然 而，可以利用其它类型的监控元件，包括引入并接收涡流检查信号、 声音检查信号等的监控元件。

在安装在紧固件20上的监控元件12被配置为操作为致动器时， 安装在紧固件上的监控元件可以被驱动、触发或致动以便生成检查信 号。参见图4的操作54。这些检查信号一般沿紧固件的长度传播。在 多层结构10的邻近层之间的每个材料界面处，一部分检查信号从紧固 件传播离开并通过多层结构的相应层。在这点上，尽管没有在图1中 示出，但多层结构也可以在多层结构的紧固件层之间包括密封剂或其 它类型的传输增强材料，由此增强检查信号从紧固件到各个层的隐藏 部分的传播。对于包括安装在其暴露部分上的监控元件34的那些层， 可以接收传播通过检查层的检查信号。参见图4的操作56。参考在图 1和2中示出的实施例，例如，安装在贴近接合板12的紧固件的远端 26上的监控元件被配置为操作为致动器，并且被驱动以发射检查信号， 其沿紧固件向其头部28纵长行进。检查信号的第一部分从紧固件传播 离开通过接合板12，检查信号的第二部分从紧固件传播离开通过舱壁 14，检查信号的第三部分从紧固件传播离开通过大梁16，以及检查信 号的第四部分从紧固件传播离开通过蒙皮18。通过在舱壁和大梁的暴 露部分上安装各自的监控元件34，并通过配置这些监控元件操作为传 感器，这些监控元件可以接收从紧固件传播并传播通过多层结构的各 层(即通过舱壁和大梁)的检查信号。

通过利用紧固件20作为检查信号传播通过的导管，检查信号可以 以如下方式被引导进入多层结构10的每一层：减少检查信号由于例如 从各个层之间的材料界面干扰、反射、折射等而损失或浪费的百分比， 并因此增加输送到相应层的并且此后通常为检测可用的检查信号的百 分比。另外，通过有助于检查信号在紧固件和各个层的暴露部分之间 传播，检查信号将传播通过多层结构的各层的隐藏部分。对于在图1 和2中示出的实施例，例如，检查信号从紧固件向外传播分别通过舱 壁14和大梁16的隐藏部分到安装在舱壁和大梁的暴露部分上的监控 元件34。

检查信号受其传播通过的材料的影响，例如修改检查信号。在这 点上，层中(例如在层的隐藏部分中)的一个或更多异常将通过例如 引起检查信号的振幅、相位、频率或其它波传播特性改变而引起检查 信号被更改。由于检查信号传播通过多个层的隐藏部分，因此由被配 置为操作为传感器的监控元件34检测的检查信号将被更改或受各自隐 藏部分内的任何异常影响，并因此包括指示检查信号遇到的任何异常 的信息。

如在图3中示出，结构健康监控系统还包括可以与监控元件32、 34通信并响应于监控元件32、34的处理器40，例如微处理器或其它 计算设备。尽管处理器可以用各种方式配置，但一个实施例的处理器 在例如可以存储在存储器设备42中的计算机程序指令的引导和控制下 操作。因此，处理器可以提供触发信号，用于使被配置为操作为致动 器的监控元件发射检查信号，例如具有预定振幅并在预定时间的检查 信号。另外，处理器可以接收由被配置为操作为传感器的监控元件检 测到的检查信号。接着，处理器可以评估检查信号，以识别指示相应 层的隐藏部分内异常的检查信号。参见图4的操作58。如果期望，那 么处理器可以存储已经被检测到的检查信号和/或其评估的结果从而识 别异常。

处理器40可以被配置为以各种方式识别异常。例如，处理器可以 用预定阈值例如预定振幅相移和/或时间延迟配置，并可以进一步配置 从而识别由相应监控元件34检测的检查信号，从而在检查信号不满足 预定阈值的情况下(例如具有较低振幅、较大相移、较大时间延迟等) 指示相应隐藏部分具有异常。替换地，可以预先定义在隐藏层具有异 常的情况下预期接收的检查信号，例如通过测试具有已知异常的样品 来定义。接着，处理器可以被配置为比较从相应监控元件接收的检查 信号和在检查具有异常的结构之后预期接收的检查信号。相反，可以 通过测试没有已知异常的样品来预先识别在结构没有任何异常的情况 下预期接收的检查信号。在该实施例中，处理器可以被配置为比较从 监控元件接收的检查信号和预定检查信号，以便确定接收的检查信号 是否与指示检查结构中没有异常的检查信号相同或例如在预定范围内 充分接近，或替换地，检查信号是否以如下方式不同于预定检查信号： 例如偏离多于预定量，以便表示隐藏部分具有异常。在一个实施例中， 结构健康监控系统也可以包括显示器44，其中处理器被配置为在显示 器上提供关于异常的信息、描写等。

如上面提到，通过利用紧固件20以有助于检查信号在多层结构10 内或通过多层结构10传播，有意义百分比的检查信号被输送到并传播 通过多层结构的各个层，由此提供关于多层结构的多个层(例如中间 层)的隐藏部分内任何异常的识别和检测的高分辨率和详情，而不需 要拆卸多层结构。另外，本发明的实施例的系统和方法可以在异常相 对小时检测该异常，而不等待异常生长或传播到层的暴露部分，由此 有助于修理或其它矫正努力。

在上面描述和相关附图中呈现的教导的益处下，这些发明所属领域 技术人员将想到在此阐述的本发明的许多修改和其它实施例。因此， 应理解，本发明不限于公开的特定实施例，而且修改和其它实施例意 在包括在附属权利要求的范围内。尽管在此采用特定术语，但其仅以 一般和描述意义并且不为限制目的使用。