專利名稱：含磁致伸縮材料的粘接接頭中應(yīng)變的測(cè)量的制作方法
含磁致伸縮材料的粘接接頭中應(yīng)變的測(cè)量
背景技術(shù)：
輕質(zhì)復(fù)合材料在航空器工業(yè)中有極大的前途。纖維復(fù)合材料在比強(qiáng)度和比勁度上 比傳統(tǒng)金屬合金有顯著的改進(jìn)。更好的比強(qiáng)度和比勁度轉(zhuǎn)化為重量減少，這轉(zhuǎn)化為節(jié)約燃 料以及降低運(yùn)行成本。此外，復(fù)合材料像鋁一樣不腐蝕，而且更加抗疲勞。復(fù)合元件，如蒙皮(skin)、加強(qiáng)肋(Stiffener)、機(jī)架(frame)和翼梁(spar)，連接 在一起形成主要部件，如機(jī)翼、機(jī)身和尾翼。復(fù)合元件可以用聚合物膠粘劑粘接在一起。理 論上，僅粘合劑(adhesive bonds)本身就有足夠的強(qiáng)度和完整性(integrity)來支持這些 部件的載荷。因此，粘合劑應(yīng)當(dāng)能夠大大減少主要部件中金屬緊固件(fastener)的數(shù)目。然而，實(shí)際上，某些聯(lián)邦航空規(guī)定要求證明，任意兩個(gè)主要結(jié)構(gòu)部件之間的粘接接 頭(bonded joint)將支撐具有最大脫粘(maximum disbond)(即整個(gè)膠層(bond line)缺 失的情況)的規(guī)定載荷。這種對(duì)膠粘接接頭(adhesively bondedjoint)缺乏信心的一個(gè) 解決方案是增加金屬緊固件。如果膠粘接接頭失效，金屬緊固件會(huì)繼續(xù)將接頭保持在一起。金屬緊固件的使用增加了航空部件的重量。具有復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的金屬緊固件的使 用也會(huì)增加制造的時(shí)間、成本和復(fù)雜性。使用高精密機(jī)器和復(fù)雜程序來鉆通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。 而且，穿透緊固件為雷擊和腐蝕提供了不必要的通道。復(fù)合材料層——其添加在鉆孔周圍以滿足旁路承載載荷(by-pass bearing load)的要求——也增加重量。緊固件孔的存在也迫使對(duì)降低板(parmel)和粘接接頭強(qiáng)度 (與沒有緊固件的優(yōu)化設(shè)計(jì)的板和接頭相比)的復(fù)合材料層鋪層方向進(jìn)行選擇。據(jù)認(rèn)為，如果被合理地設(shè)計(jì)、制備以及控制，僅粘合劑本身就有足夠的強(qiáng)度和完整 性來使主要結(jié)構(gòu)粘接在一起。然而，無法獲得證明一致性(consistency)和可靠性的數(shù)據(jù)?？梢酝ㄟ^測(cè)量粘合劑中的應(yīng)變來收集有關(guān)粘合劑的數(shù)據(jù)。弱粘接和其它的結(jié)構(gòu)不 一致會(huì)影響膠粘劑中應(yīng)變的分布?？善谕黾訖z測(cè)膠粘接接頭中應(yīng)變的靈敏度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本文的實(shí)施方式，檢測(cè)膠粘接接頭中應(yīng)變的方法包括誘導(dǎo)接頭中的應(yīng)變波， 以及檢測(cè)接頭中局部磁特性變化。根據(jù)本文另一個(gè)實(shí)施方式，系統(tǒng)包括具有包含由磁致伸縮材料制成的微粒的膠粘 接接頭的結(jié)構(gòu)；用于誘導(dǎo)接頭選定區(qū)域中應(yīng)變波的裝置；以及用于檢測(cè)選定區(qū)域中局部磁 特性變化的裝置。根據(jù)本文另一個(gè)實(shí)施方式，陣列包括用于檢測(cè)和誘導(dǎo)具有膠粘接接頭的結(jié)構(gòu)的選 定區(qū)域中應(yīng)變波的多個(gè)元件。所述元件包括至少一個(gè)用于誘導(dǎo)選定區(qū)域中應(yīng)變波的微機(jī)械 驅(qū)動(dòng)器(micromechanical driver)；多個(gè)用于測(cè)量由誘導(dǎo)的應(yīng)變波產(chǎn)生的振動(dòng)的機(jī)械傳感 器；多個(gè)用于在選定區(qū)域上方產(chǎn)生弱磁場(chǎng)的微磁性驅(qū)動(dòng)器；以及多個(gè)用于檢測(cè)選定區(qū)域?qū)?應(yīng)變波的磁響應(yīng)的微磁性傳感器(micromagneticsensor)。根據(jù)本文又一個(gè)實(shí)施方式，對(duì)航空器結(jié)構(gòu)進(jìn)行非破壞性檢驗(yàn)的方法包括應(yīng)用正弦磁激發(fā)(sinusoidal magnetic excitation)和在該結(jié)構(gòu)的膠粘接接頭中誘導(dǎo)應(yīng)變波；檢測(cè) 接頭中局部磁特性的變化；以及利用檢測(cè)到的變化評(píng)價(jià)膠粘接接頭。


圖1圖解了具有膠粘接接頭的結(jié)構(gòu)。圖2圖解了檢測(cè)具有膠粘接接頭的結(jié)構(gòu)中應(yīng)變的方法。圖3圖解了通過具有膠粘接接頭的結(jié)構(gòu)傳播的應(yīng)變波。圖4圖解了誘導(dǎo)膠粘接接頭中應(yīng)變波的各種方式。解了具有膠粘接接頭的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀況的評(píng)估方法。圖6圖解了用于檢測(cè)具有膠粘接接頭的結(jié)構(gòu)中應(yīng)變的系統(tǒng)。圖7a和7b圖解了用于誘導(dǎo)和檢測(cè)含有應(yīng)變敏感性(strain-sensitive)磁致伸 縮材料的膠粘接接頭中應(yīng)變波的陣列。圖8-9圖解了用于誘導(dǎo)和檢測(cè)含有應(yīng)變敏感性磁致伸縮材料的膠粘接接頭中應(yīng) 變波的陣列。圖10圖解了用于誘導(dǎo)和檢測(cè)含有應(yīng)變敏感性磁致伸縮材料的粘接接頭中應(yīng)變波 的陣列。圖11圖解了用圖10的陣列改變檢驗(yàn)的深度。圖12-14圖解了對(duì)航空器結(jié)構(gòu)進(jìn)行非破壞性檢驗(yàn)的方法。
具體實(shí)施例方式參考圖1。第一和第二結(jié)構(gòu)110和120通過膠粘劑130粘接在一起，形成粘接接 頭。膠粘劑130可以是熱固性聚合物或熱塑性聚合物。膠粘劑130可以包含附加的材料，如 纖維氈(fiber mats)(稀紗布)或其它填充物。膠粘劑130可以形成膠層、膠瘤(fillet)、 密封劑、翼段上的蒙皮等。膠粘劑130可以用于粘接主要和非主要的結(jié)構(gòu)。膠粘劑130包含應(yīng)變敏感性磁致伸縮材料。磁致伸縮是鐵磁性材料的特性，其在 遭受磁場(chǎng)時(shí)引起鐵磁性材料改變其形狀。相反，使磁致伸縮材料遭受任意水平的物理應(yīng)變 (低至幾個(gè)微應(yīng)變或更多)產(chǎn)生磁疇結(jié)構(gòu)(magnetic domain structure)的變化，這改變?cè)?應(yīng)用小磁場(chǎng)時(shí)所述材料磁化的特有方式。這些變化是可測(cè)量的。膠粘劑130中應(yīng)變的水平提供膠粘劑130與結(jié)構(gòu)110和120之間粘合強(qiáng)度的指示。 膠粘劑130中的應(yīng)變由于聚合過程中發(fā)生的化學(xué)和物理變化，以及由于膠粘劑130與結(jié)構(gòu) 110和120之間熱膨脹系數(shù)差異而發(fā)生。膠粘劑130中的應(yīng)變可以通過有限元分析來預(yù)測(cè)。 如果粘接接頭是規(guī)則的話，粘接接頭的應(yīng)變圖應(yīng)當(dāng)匹配有限元分析。更高或更低水平的膠 粘劑應(yīng)變(與有限元分析相比)將出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)-膠粘劑界面區(qū)域中，所述結(jié)構(gòu)-膠粘劑界面 是直接接觸的，但卻不能在不改變尺寸的情況下(即通過更低模量的材料)轉(zhuǎn)移載荷。這 會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域與a)其它區(qū)域的應(yīng)變，b)計(jì)算或預(yù)期的應(yīng)變，c)不同時(shí)間的相同區(qū)域，以 及d)損害后的相同區(qū)域中任意一個(gè)之間磁特性局部可測(cè)量的變化。更高或更低的應(yīng)變水 平表明，結(jié)構(gòu)不一致如脫膠、分層(delamination)、以及局部空化(localized cavitation) (大小范圍從10微米到整個(gè)接頭)的存在或傾向。通過測(cè)量磁特性的局部差異，能夠?qū)Ρ碚鹘Y(jié)構(gòu)不一致的應(yīng)變進(jìn)行定位。例如，“輕觸脫膠(Kissing disbond)，，出現(xiàn)在膠粘劑130與結(jié)構(gòu)表面接觸但載荷沒有在接頭的荷載 下經(jīng)過界面轉(zhuǎn)移的情況下。輕觸脫膠可能由于污染物如硅氧烷剝離劑的低模量區(qū)的存在而 出現(xiàn)。磁致伸縮材料并不限于任何具體的成分。在一些實(shí)施方式中，磁致伸縮材料可以 包括磁性金屬氧化物，如磁鐵礦、無定形金屬以及鐵磁性金屬和合金如鎳-鐵(NiFe)。在 一些實(shí)施方式中，磁致伸縮材料也可以包括鐵磁性金屬或合金的鐵素體(ferrite)或氧化 物。在一些實(shí)施方式中，磁致伸縮材料可以包括Terfenol-D。Terfenol-D是鋱、鏑和 鐵金屬的合金。它是固體狀態(tài)的換能器，能夠?qū)⒎浅８叩哪芗?jí)從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形 式。在從電至機(jī)械轉(zhuǎn)換的情況下，Terfenol-D的磁致伸縮產(chǎn)生的應(yīng)變比傳統(tǒng)磁致伸縮材料 如鐵-鈷合金大十到二十倍，并且比傳統(tǒng)壓電陶瓷大二到五倍。Terfenol-D具有高居里溫 度(380°C)，能夠使磁致伸縮性能從室溫至200°C大于lOOOppm。航空器的常用工作溫度可 能在-65° F到300° F的范圍內(nèi)，以及一些樹脂體系在此范圍之外被使用。由于接近發(fā)動(dòng) 機(jī)或內(nèi)部航空器系統(tǒng)在有限區(qū)域中發(fā)出的熱量，航空器的一些部件甚至在高處飛行的時(shí)候 可能依然是熱的。在一些實(shí)施方式中，磁致伸縮材料可以包括feilfenol，其是具有與Terfenol-D明 顯不同的物理特性和磁特性的鐵-鎵合金。雖然feilfenol的磁致伸縮僅是Terfenol-D的 三分之一到四分之一，但felfenol是更加結(jié)實(shí)的材料，這使其可以用在具有最小沖擊硬化 (shock hardeing)的苛刻機(jī)械環(huán)境中。膠粘劑130的厚度將取決于要粘接的結(jié)構(gòu)。例如，粘層可以有約10密耳的厚度。磁致伸縮材料的形狀范圍可以從納米顆粒到膜。顆粒，如薄片(flakes)、纖維形 狀(fiber shapes)和涂層纖維(coated fibers)在膠粘劑130與磁性微粒之間通常比球 形或立方樣形狀具有更高的應(yīng)變偶合，因而是可期望的。顆粒大小和膜厚度可以由膠粘劑 130所允許的大小和厚度極限來確定。然而，顆粒尺寸應(yīng)當(dāng)小得足以最小化對(duì)膠粘劑結(jié)構(gòu)特 性的不利影響。盡管如此，根據(jù)形狀存在范圍廣泛的從納米到微米的有用顆粒尺寸。磁致 伸縮膜厚度范圍可以從納米到幾微米。磁致伸縮材料與膠粘劑130的比例范圍可以從按體積計(jì)0. 到30%。然而，為 了獲得膠粘劑機(jī)械性能和較低重量，可期望在0. 到體積范圍內(nèi)的較低比例。粘接接頭中的應(yīng)變引起磁致伸縮材料中的應(yīng)變。該應(yīng)變進(jìn)而產(chǎn)生磁致伸縮材料可 測(cè)量的磁化變化。參考圖2，其圖示了檢測(cè)包含應(yīng)變敏感性磁致伸縮材料的膠粘接接頭中應(yīng)變的方 法。在方框200，可以將弱外部磁場(chǎng)施加到粘接接頭上。弱外部磁場(chǎng)產(chǎn)生弱正弦場(chǎng)。作為響 應(yīng)，磁致伸縮材料變得部分或全部磁化。在方框210，在粘接接頭中誘導(dǎo)應(yīng)變波。可以誘導(dǎo)縱波或橫波。結(jié)果，粘接接頭遭 受振動(dòng)。所述振動(dòng)——通過結(jié)構(gòu)傳播的時(shí)變應(yīng)力(time varying stress)——誘導(dǎo)磁致伸 縮材料磁特性的時(shí)變變化(time-varying change) 0應(yīng)變波通過結(jié)構(gòu)在粘接接頭中的每一 點(diǎn)進(jìn)行傳播，引起局部剩余應(yīng)力/應(yīng)變以及磁化發(fā)生變化。應(yīng)變波可以作為單脈沖或重復(fù)應(yīng)力/應(yīng)變脈沖而被施用。每個(gè)脈沖對(duì)磁致伸縮材 料的磁效應(yīng)是瞬變的、衰變的。
另外參考圖3，其圖示了外部磁場(chǎng)線310和沿膠粘接接頭130傳播的應(yīng)變波 320(在其它實(shí)施方式中，應(yīng)變波可以跨過接頭130進(jìn)行傳播)。通過膠粘劑的磁場(chǎng)受應(yīng)變 影響。如果傳感器置于磁場(chǎng)線310上方并且磁場(chǎng)源(source)提供dH/dt磁場(chǎng)，則傳感器電 壓大致為dB(H，B4ftss4t取決于沿磁場(chǎng)線的B的積分(類似于電流取決于 沿通路的所有電阻的總和)。磁場(chǎng)源頻率和傳感器與磁場(chǎng)源之間間距的選擇決定了磁場(chǎng)線 的深度和清晰度。應(yīng)變波的特殊效應(yīng)將改變磁致伸縮材料的磁各向異性(類似于機(jī)械彈性常數(shù))， 這進(jìn)而改變所述材料被外部磁場(chǎng)磁化的方式。磁化強(qiáng)度(magnetization)與外部磁場(chǎng)強(qiáng)度 的斜率為磁導(dǎo)率。由于外部磁場(chǎng)是正弦式的，傳感器以通常稱為BH回路(BH loop)的方式 測(cè)量磁化強(qiáng)度與外部磁場(chǎng)強(qiáng)度的正弦關(guān)系。斜率(磁導(dǎo)率)取決于應(yīng)變。在方框220，檢測(cè)接頭中局部磁特性的變化。局部磁化強(qiáng)度可以在沿著接頭的各點(diǎn) 上進(jìn)行測(cè)量。每個(gè)傳感器均監(jiān)測(cè)接頭的位點(diǎn)的局部變化。例如，傳感器可以在每個(gè)位點(diǎn)檢 測(cè)磁感應(yīng)的變化率(dB/dt)。在一些實(shí)施方式中，僅在應(yīng)變波的方向上測(cè)量磁化強(qiáng)度。在其它實(shí)施方式中，也可 以在與應(yīng)變波方向垂直的方向上測(cè)量磁化強(qiáng)度。效應(yīng)可以如垂直方向上的一樣大，但根據(jù) 泊松比應(yīng)當(dāng)有不同的符號(hào)(sign)。因?yàn)楣腆w中的波可以是縱向的或橫向的，所以磁致伸縮 效應(yīng)(盡管一個(gè)波比另一波傳播的快，從而能夠從時(shí)間上分開)可能是復(fù)雜的。磁傳感器陣列可以用于產(chǎn)生接頭的應(yīng)變圖像。然而，在一些結(jié)構(gòu)中，傳感器陣列可 能并不是大得足以監(jiān)測(cè)整個(gè)接頭。因此，傳感器陣列可以移動(dòng)到接頭的不同位點(diǎn)上。例如， 可以最初監(jiān)測(cè)已知或預(yù)測(cè)對(duì)缺陷敏感的區(qū)域，如應(yīng)力集中的銳角和邊緣附近。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)變波提高檢測(cè)應(yīng)變的靈敏度。除此之外，由于熱剩余應(yīng)變，應(yīng)變波提高 磁致伸縮材料的磁響應(yīng)。應(yīng)變波增加缺陷的磁效應(yīng)。也即，通過應(yīng)用應(yīng)變波放大了缺陷信 號(hào)。甚至提高對(duì)幾何學(xué)、材料特性的偶然變化、尤其是對(duì)粘接接頭中剩余應(yīng)變變化的檢測(cè)靈 敏度。—些類型的弱粘接可能被檢測(cè)到，因?yàn)槟z粘劑中誘導(dǎo)的應(yīng)變對(duì)鄰近材料如低模量 污染物的模量是敏感的。如果進(jìn)行高能振動(dòng)或載荷并且檢測(cè)弱粘接中的塑性應(yīng)變，本文方 法也可以用作局部驗(yàn)證試驗(yàn)。此外，小的脫膠可以使用測(cè)量局部磁場(chǎng)的非常小的磁傳感器 的陣列來進(jìn)行檢測(cè)。應(yīng)變波振動(dòng)的頻率和振幅可以被選擇，以便不將粘接接頭推入塑性區(qū)域(plastic regime) 0安全的最大應(yīng)變可以大約為1000微應(yīng)變。振幅應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生時(shí)變應(yīng)變，所述時(shí)變應(yīng) 變大得足以(至少1微應(yīng)變)產(chǎn)生可測(cè)量的磁效應(yīng)。在一些實(shí)施方式中，應(yīng)變可以作為連續(xù)波而被施用。組合有外部磁場(chǎng)的連續(xù)波允 許測(cè)量隨著時(shí)間積分，并增加靈敏度和噪聲抑制。在其它實(shí)施方式中，應(yīng)變可以作為脈沖而 被施用，并且衰蕩時(shí)間(ring-down time)(磁效消失所用的時(shí)間)可以用來表征粘接接頭。頻率可以是機(jī)械波在膠粘劑中傳播的任意頻率。僅穿透小距離進(jìn)入膠粘劑的高頻 率的使用可以用于限定正被監(jiān)測(cè)的區(qū)域。應(yīng)變波的頻率可以變化以監(jiān)測(cè)不同深度的結(jié)構(gòu)。參考圖4，其圖示了誘導(dǎo)膠粘接接頭中應(yīng)變波的不同方式。在一些實(shí)施方式(方 框410)中，應(yīng)變波可以通過聲學(xué)方法進(jìn)行誘導(dǎo)(例如通過超聲波)。在其它實(shí)施方式(方 框420)中，應(yīng)變波可以通過機(jī)械方法進(jìn)行誘導(dǎo)(例如所附加的振動(dòng)器)。在其它實(shí)施方式(方框430)中，應(yīng)變波可以通過瞬變熱激發(fā)進(jìn)行誘導(dǎo)(例如閃光燈)。在其它的實(shí)施方式 (方框440)中，應(yīng)變波可以通過瞬變或周期性真空進(jìn)行誘導(dǎo)(例如真空頭或真空室)。用 于誘導(dǎo)應(yīng)變波的驅(qū)動(dòng)器(driver)可以包括，例如機(jī)械阻抗設(shè)備(mechanical impedence device)、聲喇叭(acoustic horn)、壓電換能器、激光、電磁脈沖儀、瞬變或周期性真空源或 瞬變熱源中的任意一種。圖5a_5c圖示了評(píng)估具有粘接接頭的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)狀況的方法。在圖fe的方法中， 應(yīng)變波在接頭的局部區(qū)域被誘導(dǎo)(方框510)。誘導(dǎo)的應(yīng)變和磁特性取決于局部膠粘劑機(jī)械 特性。鄰近脫膠或弱粘接的膠粘劑將會(huì)有反常應(yīng)變，因而產(chǎn)生不同于良好粘接區(qū)域的磁響應(yīng)。在方框520，在局部區(qū)域的局部磁響應(yīng)在應(yīng)變正被誘導(dǎo)時(shí)進(jìn)行測(cè)量。在方框530，該區(qū)域的機(jī)械振動(dòng)被測(cè)量并且與磁測(cè)量相關(guān)聯(lián)。由于機(jī)械波和磁波 傳播速度的巨大差異，結(jié)構(gòu)不一致的位點(diǎn)可以通過同時(shí)檢測(cè)并關(guān)聯(lián)磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)來確 定。這種關(guān)聯(lián)增加了對(duì)例如弱粘接的靈敏度并且降低了對(duì)其它非結(jié)構(gòu)效應(yīng)的靈敏度。應(yīng)變 波與磁信號(hào)的關(guān)聯(lián)應(yīng)當(dāng)僅僅選擇誘導(dǎo)的應(yīng)變(從而表明粘接強(qiáng)度)。不是因應(yīng)變(如膠粘劑厚度的變化或傳感器和膠粘劑之間距離的變化)而產(chǎn)生的 磁效應(yīng)可以被選出來。例如，不是因應(yīng)變而產(chǎn)生的磁效應(yīng)可以通過減去沒有施用應(yīng)變獲得 的磁測(cè)量來選出來。在圖恥的方法中，應(yīng)變波在粘接接頭的局部區(qū)域被誘導(dǎo)(方框510)，該區(qū)域的局 部磁響應(yīng)被測(cè)量(方框520)，并且將磁測(cè)量與基線數(shù)據(jù)進(jìn)行比較(方框M0)?；€數(shù)據(jù)可 以包括先前測(cè)量的磁化強(qiáng)度，或者代表良好粘接的預(yù)期數(shù)據(jù)。例如，預(yù)期數(shù)據(jù)可以從結(jié)構(gòu)的 有限元分析而獲得。在圖5c的方法中，應(yīng)變波被施用于每個(gè)感興趣區(qū)域，并隨后從每個(gè)感興趣區(qū)域中 除去(方框550)，然后每個(gè)區(qū)域磁響應(yīng)的衰變率被測(cè)量(方框560)。該衰變率可能對(duì)表示 弱粘接的缺陷或塑性形變敏感。因此，該衰變率和衰蕩時(shí)間(磁效應(yīng)消失所用的時(shí)間)可 以用于表征膠粘劑(方框570)?，F(xiàn)參考圖6，其圖示了用于檢測(cè)具有膠粘接接頭的結(jié)構(gòu)中應(yīng)變的系統(tǒng)610。系統(tǒng) 610包括驅(qū)動(dòng)器620，用于誘導(dǎo)粘接接頭中感興趣區(qū)域的應(yīng)變波。驅(qū)動(dòng)器620可以是將可控 振動(dòng)或脈沖給予感興趣區(qū)域的多種裝置中的任意一種。在低頻率方法中，驅(qū)動(dòng)器620的位 置可以是所述結(jié)構(gòu)的任何地方，并可以遠(yuǎn)離感興趣的區(qū)域。較高頻率方法如壓電換能器將 是定向性的，并且粘接接頭的小選定區(qū)域可以被激發(fā)。系統(tǒng)610還包括傳感器頭630，其可以是手動(dòng)的或自動(dòng)定位的。傳感器頭630可 以是沿接頭進(jìn)行掃描的單磁傳感器(single magnetic sensor)，或者其可以包括微磁傳感 器元件的陣列。微磁傳感器可以是巨磁電阻裝置(GMR)、隧道式磁阻(TMR)裝置、微磁線圈 等。所述陣列并不限于任意具體大小或形狀或傳感器元件的數(shù)目。傳感器頭630的形狀可 以包括用以放置在待檢測(cè)結(jié)構(gòu)上的平表面。傳感器頭630的表面可以是彈性和柔性的，以 在平表面或彎曲表面上緊密接觸所述結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)610也包括磁場(chǎng)產(chǎn)生線圈640，用于在感興趣區(qū)域產(chǎn)生外部磁場(chǎng)。以DC或交 變頻率(alternating frequency)工作的非接觸驅(qū)動(dòng)線圈640能夠在感興趣區(qū)域上產(chǎn)生外 部磁場(chǎng)或者其能夠使磁致伸縮材料磁化。
對(duì)于那些使磁測(cè)量與測(cè)量的應(yīng)變相關(guān)聯(lián)的實(shí)施方式，系統(tǒng)610也可以包括振動(dòng)傳 感器655，用于在感興趣的區(qū)域測(cè)量振動(dòng)。例如，振動(dòng)傳感器655可以包括記錄振幅和振動(dòng) 衰變的微機(jī)械傳感器、光學(xué)傳感器或電磁傳感器。系統(tǒng)610還可以包括控制器650和信號(hào)處理器或計(jì)算機(jī)660?？刂破?50控制驅(qū) 動(dòng)器620、傳感器頭630、以及磁場(chǎng)產(chǎn)生線圈640的工作。信號(hào)處理器或計(jì)算機(jī)660接收傳 感器頭630的輸出結(jié)果，并分析這些輸出結(jié)果，以評(píng)估根據(jù)本文實(shí)施方式的粘接接頭的結(jié) 構(gòu)狀況。信號(hào)處理器或計(jì)算器660也可以在顯示器670上顯示實(shí)時(shí)應(yīng)變圖像。這將允許技 術(shù)人員通過重復(fù)測(cè)量或改變磁信號(hào)或機(jī)械信號(hào)(如改變頻率，或改變對(duì)傳感器陣列元件的 選擇，或增加增高的靈敏度的積分時(shí)間)來更近的查看可疑區(qū)域?，F(xiàn)參考圖7a，其圖示了單陣列710，所述單陣列710在感興趣區(qū)域誘導(dǎo)應(yīng)變波、在 感興趣區(qū)域產(chǎn)生外部磁場(chǎng)、檢測(cè)感興趣區(qū)域的振動(dòng)以及檢測(cè)感興趣的選定區(qū)域的磁化強(qiáng) 度。陣列710的元件712 —個(gè)或多個(gè)微機(jī)械驅(qū)動(dòng)器、多個(gè)機(jī)械傳感器以及多個(gè)微磁驅(qū)動(dòng)器 和微磁傳感器。一個(gè)或多個(gè)微機(jī)械驅(qū)動(dòng)器在感興趣的選定區(qū)域誘導(dǎo)應(yīng)變波。微機(jī)械傳感器 檢測(cè)選定區(qū)域的振動(dòng)，記錄振動(dòng)的振幅和衰變。例如，微機(jī)械驅(qū)動(dòng)器和傳感器可以包括壓電 元件，所述壓電元件能夠超聲誘導(dǎo)聲波并檢測(cè)反射的聲波。所述壓電元件可以使用作為單 獨(dú)元件的超聲脈沖儀/接收器和多路調(diào)制器(multiplexer)進(jìn)行觸發(fā)。同樣的壓電元件也 可以用于檢測(cè)感興趣的選定區(qū)域的振動(dòng)。微磁驅(qū)動(dòng)器(例如微小線圈(tiny coil))在感興趣的選定區(qū)域產(chǎn)生弱外部磁場(chǎng)。 微磁傳感器檢測(cè)在感興趣區(qū)域應(yīng)變影響的磁響應(yīng)的振幅和相位。例如，微磁傳感器可以包 括磁阻裝置。另外參考圖7b。在通過聲學(xué)方法誘導(dǎo)應(yīng)變波710的實(shí)施方式中，聲學(xué)襯料720被 提供在陣列710的一側(cè)，而柔性墊片730被提供在陣列710的相對(duì)側(cè)。柔性墊片730可以 是澆注的橡膠墊片。這類實(shí)施方式710是柔性的，這使得它們匹配正檢測(cè)的結(jié)構(gòu)的輪廓。 柔性墊片730可以提供有分割的延遲線740，用于產(chǎn)生聲信號(hào)進(jìn)出陣列710的超聲路徑 (ultrasonic path)0柔性墊片730可以提供有密封槽750。密封槽750使墊片730真空附著到正檢測(cè) 的結(jié)構(gòu)上。信號(hào)處理器或計(jì)算器可以程序化成使磁信號(hào)與聲信號(hào)彼此關(guān)聯(lián)，并與發(fā)射信號(hào) (emitter signal)關(guān)聯(lián)，以產(chǎn)生接頭中誘導(dǎo)應(yīng)變的二維0-D)或三維(3-D)圖像。陣列710的選定元件可以用于執(zhí)行圖fe所示的方法。選定的多個(gè)傳感器元件與 應(yīng)變信號(hào)的關(guān)聯(lián)(即使用多個(gè)元件同時(shí)關(guān)聯(lián)磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng))導(dǎo)致高清晰度和選擇性。陣列并不限于形成圖案的元件(patterned element) 0不含形成圖案的元件的陣 列的第一個(gè)實(shí)例示于圖8-9中，第二個(gè)實(shí)例示于圖10中?，F(xiàn)參考圖8和圖9。陣列800有兩個(gè)水平的傳感器條高水平的微磁傳感器條820 和低水平的聲學(xué)條(acoustic strip) 810。聲學(xué)條810在y方向上延伸，而微磁傳感器條在 χ方向上延伸。聲學(xué)條可以由傳遞性聚偏氟乙烯(transmitting PVDF)或其它聲學(xué)產(chǎn)生材 料(acoustic generation material) 810制成。微磁傳感器條820可以由磁傳感器材料制 成。
具體的聲傳感器條810和磁傳感器條820被選擇來檢測(cè)感興趣區(qū)域(在圖8中標(biāo) 記為“X”)下方的應(yīng)變。選定的聲學(xué)條810可以被觸發(fā)以在感興趣區(qū)域下方產(chǎn)生聲學(xué)應(yīng)變 波(acoustic strain wave)910o包埋的磁致伸縮顆粒產(chǎn)生相對(duì)于膠粘接接頭130中局部 應(yīng)變的磁場(chǎng)920。選定的磁傳感器條820當(dāng)被訪問時(shí)檢測(cè)感興趣區(qū)域的磁化強(qiáng)度。每個(gè)磁致伸縮顆 粒的磁效應(yīng)被局部化(localized)，并且應(yīng)當(dāng)隨距離的平方分別下降。感興趣區(qū)域的磁信號(hào) 可以測(cè)量和儲(chǔ)存為該位點(diǎn)的局部應(yīng)變值。選定的聲學(xué)條810(由傳遞設(shè)備(transmitting device)的校準(zhǔn)的振巾畐機(jī)電振巾畐(calibrated amplitudeelectro-mechanical amplitude) 確定)和選定的微磁傳感器條820 (Vmag-Vmech)輸出結(jié)果的相關(guān)性提供了感興趣位點(diǎn)的磁 化強(qiáng)度(以及因而磁導(dǎo)率)與應(yīng)變的測(cè)量。聲學(xué)條810也可以測(cè)量從粘接接頭反射的應(yīng)變波響應(yīng)。該測(cè)量使各種結(jié)構(gòu)特征和 缺陷(其產(chǎn)生不同的反射聲學(xué)響應(yīng))與粘接接頭中的應(yīng)變直接相關(guān)?，F(xiàn)參考圖10-11。陣列1000具有高水平的條1010和低水平的條1020。高水平的 條在X方向上延伸，而低水平的條在1方向上延伸。每個(gè)水平都包括交替的聲學(xué)材料和微磁 傳感器材料條。為簡(jiǎn)單起見，僅三個(gè)條一微磁傳感器條1012位于聲學(xué)條1014和1016之 間——顯示于高水平1010中，而僅三個(gè)條——微磁傳感器條1022位于聲學(xué)條IOM和10 之間——顯示于低水平1020中。感興趣區(qū)域由“X”標(biāo)記。通過選擇兩個(gè)在同一方向上(例如，χ方向)運(yùn)行的聲 學(xué)條和選擇一個(gè)在垂直方向(例如，y方向)上運(yùn)行的微磁傳感器條進(jìn)行感興趣區(qū)域的檢 驗(yàn)。兩個(gè)選定的聲學(xué)條可以同時(shí)或相繼產(chǎn)生脈沖。選定的聲學(xué)條可以被切換來監(jiān)測(cè)不同深度的選定區(qū)域。隨著聲學(xué)條和微磁傳感器 條之間間隔的增加，監(jiān)測(cè)的深度也增加(例如，從Dl到D2)。用這種方式，檢驗(yàn)的深度可以變化。聲響應(yīng)和磁響應(yīng)之間的關(guān)聯(lián)減少了僅用磁方法(magnetic-only approach)的背 景噪聲，并增加了對(duì)非常小的缺陷或接頭弱點(diǎn)的靈敏度。這種方法也降低了對(duì)非結(jié)構(gòu)磁效 應(yīng)(如，傳感器之間或傳感器和膠粘劑邊緣之間變化的間隔距離)的靈敏度。此外，聲速和 磁效應(yīng)速度(光速)的差異，當(dāng)與非常小的磁傳感器和聲傳感器或微機(jī)械傳感器的陣列的 信號(hào)相關(guān)聯(lián)時(shí)，能夠用于對(duì)缺陷進(jìn)行精確定位。同樣，使用通常的超聲測(cè)量技術(shù)，聲學(xué)條本 身能夠用來定位弱區(qū)域。對(duì)于基于圖像的方法，每一個(gè)條的關(guān)聯(lián)信號(hào)是接頭顯示圖像的一 個(gè)像素的輸入。應(yīng)用傅里葉逆變換處理和機(jī)械振動(dòng)的有限傳播速度也能為更厚的結(jié)構(gòu)提供 綜合孔徑技術(shù)。綜合孔徑技術(shù)利用機(jī)械波或應(yīng)力波的頻率和基于時(shí)間的特征來定位結(jié)構(gòu)內(nèi) 深處的特征。本文的系統(tǒng)和方法可以用于膠粘接結(jié)構(gòu)、復(fù)合結(jié)構(gòu)(其中各層可被認(rèn)為是單獨(dú)膠 接)、以及復(fù)合材料或金屬或混雜復(fù)合材料的粘接修補(bǔ)，而沒有限制。本文的系統(tǒng)和方法可 以用來進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)、建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)、船舶結(jié)構(gòu)等的非破壞性檢驗(yàn)而沒有限制。然而， 本文的系統(tǒng)和方法能夠有利地用于航空器結(jié)構(gòu)的非破壞性檢驗(yàn)。圖12-14圖示了對(duì)航空器結(jié)構(gòu)之間的膠粘接接頭進(jìn)行非破壞性檢驗(yàn)的方法，其中 所述接頭包括應(yīng)變敏感性磁致伸縮材料。航空器結(jié)構(gòu)不限于任何具體的結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)可 以包括元件，如蒙皮、加強(qiáng)肋、機(jī)架和翼梁。結(jié)構(gòu)可以包括主要部件(或其部分)，如機(jī)翼、機(jī)身和尾翼。結(jié)構(gòu)可以是主要結(jié)構(gòu)或非主要結(jié)構(gòu)。它們可以有相同的組成(例如，復(fù)合材料、 金屬、塑料)，或者它們可以有不同的組成。在一些實(shí)施方式中，磁致伸縮材料可以施用于整個(gè)粘接接頭。在其它實(shí)施方式中， 可能僅對(duì)膠粘劑區(qū)域感興趣，由此磁致伸縮材料僅僅被施用到該區(qū)域。例如，磁致伸縮材料 可以僅僅施用于那些應(yīng)變高的區(qū)域和可能發(fā)生空化和脫膠的區(qū)域，而不施用到整個(gè)粘接縫 層(bonded joint line)。對(duì)于通常的搭接接頭構(gòu)造，一個(gè)這樣的區(qū)域是膠粘劑膠瘤下方或 鄰近膠粘劑膠瘤的區(qū)域。圖12-14的方法可用于檢測(cè)航空器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中脫膠、分層、以及其它的結(jié) 構(gòu)不一致。應(yīng)變的檢測(cè)可以不必將導(dǎo)線連接到航空器結(jié)構(gòu)上，并且也不用將導(dǎo)線伸出于航 空器結(jié)構(gòu)或膠粘劑。導(dǎo)線伸出于膠粘劑是不期望的，因?yàn)樗鼈儠?huì)為接頭周圍空氣中的濕氣 和液體進(jìn)入膠粘劑內(nèi)部因而增加接頭過早破裂的機(jī)會(huì)創(chuàng)造通道。參考圖12。作為制造過程中部分過程控制，磁化強(qiáng)度的變化被檢測(cè)。在聚合和通 常冷卻過程中，聚合物收縮，這導(dǎo)致取決于粘接強(qiáng)度以及幾何特性和材料特性的應(yīng)變水平 的局部變化。過程控制可以包括對(duì)接頭進(jìn)行有限元分析(方框1210)、以及在聚合和冷卻后 檢測(cè)接頭中的磁化強(qiáng)度以形成基線數(shù)據(jù)(方框1220)。然后，在聚合和冷卻后或者在使用時(shí) 間后，檢測(cè)其它結(jié)構(gòu)的其它接頭中的磁化強(qiáng)度(方框1230)。隨后，將其它接頭的檢測(cè)數(shù)據(jù) 同時(shí)與有限元分析和基線數(shù)據(jù)作比較(方框1240)。FEM分析解釋了幾何結(jié)構(gòu)和材料的差 異，并能表示理想的接頭和實(shí)際的接頭。測(cè)量結(jié)果可以與基線數(shù)據(jù)相比較以評(píng)估老化趨勢(shì)。 比較結(jié)果將表明中固化過程中污染、部件組裝問題、以及不均勻壓力的存在。比較結(jié)果也可 以提供對(duì)制造過程的反饋。反饋信息可以用于改進(jìn)制造過程?，F(xiàn)參考圖13。作為航空器狀況監(jiān)測(cè)的一部分，磁化強(qiáng)度的變化被實(shí)時(shí)測(cè)量?？?以足夠接近地放置探針的地方，都可以進(jìn)行接頭實(shí)際數(shù)目的實(shí)時(shí)檢測(cè)(由于重量、訪問權(quán) 限(access power)、存儲(chǔ)器等的實(shí)際限制)。在方框1310進(jìn)行接頭的有限元分析。在方 框1320，接頭的磁化強(qiáng)度可以被測(cè)量以記錄接頭的多維(例如，2-D或3-D)圖像。在方框 1330，將該圖像與數(shù)據(jù)集和有限元分析比較，以確定接頭的狀態(tài)。作為第一個(gè)實(shí)例，數(shù)據(jù)集 可以包括不同載荷和條件的應(yīng)變的2-D或3-D參考圖像。將檢測(cè)到的圖像與參考圖像比 較。比較結(jié)果表明，局部區(qū)域與臨界應(yīng)變水平(critical strain level)有多接近。作為 第二個(gè)實(shí)例，測(cè)量的應(yīng)變圖像與一組可允許的變化比較。進(jìn)行該比較，以識(shí)別那些經(jīng)歷過損 壞或破損初始并需要修復(fù)的粘接。作為例行到訪維修廠等過程中定期監(jiān)測(cè)航空器結(jié)構(gòu)的一 部分，可以在飛行過程中或者地面維修過程中進(jìn)行比較。現(xiàn)參考圖14。檢測(cè)磁化強(qiáng)度的變化以更好地了解用于航空器結(jié)構(gòu)的膠粘劑粘接。 在不同載荷和條件下，檢測(cè)用不同膠粘劑或在不同粘接工藝下粘接的結(jié)構(gòu)(方框1410)，并 評(píng)價(jià)不同的膠粘劑或粘接工藝(方框1420)。評(píng)價(jià)結(jié)果提供應(yīng)變數(shù)據(jù)，這允許選擇最好的膠 粘劑。該數(shù)據(jù)可以與對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)接頭中應(yīng)變的計(jì)算機(jī)模擬進(jìn)行比較，并可用于設(shè)計(jì)改進(jìn)的 結(jié)構(gòu)接頭。數(shù)據(jù)可以被積累，以追蹤在重負(fù)荷使用的幾年內(nèi)“良好”膠粘劑接頭的結(jié)構(gòu)完整 性。
權(quán)利要求
1.檢測(cè)膠粘接接頭中應(yīng)變的方法，所述方法包括誘導(dǎo)所述接頭的應(yīng)變波；和檢測(cè)所述接頭中局部磁特性變化。
2.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述接頭包括膠粘劑和所述膠粘劑中的應(yīng)變敏感性磁 致伸縮材料。
3.權(quán)利要求1所述的方法，還包括當(dāng)應(yīng)變波被誘導(dǎo)的時(shí)候施用正弦外部磁場(chǎng)到所述粘 接接頭上。
4.權(quán)利要求1所述的方法，其中磁誘導(dǎo)的變化率(dB/dt)被檢測(cè)。
5.權(quán)利要求1所述的方法，還包括改變所述應(yīng)變波的頻率，以監(jiān)測(cè)不同深度的所述結(jié)構(gòu)。
6.權(quán)利要求1所述的方法，其中所述應(yīng)變波在所述粘接接頭的局部區(qū)域被誘導(dǎo)；和其 中所述局部區(qū)域的磁響應(yīng)被測(cè)量。
7.權(quán)利要求6所述的方法，其中局部區(qū)域的機(jī)械振動(dòng)被測(cè)量，并與所述局部區(qū)域的相 應(yīng)磁測(cè)量相關(guān)聯(lián)。
8.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述局部區(qū)域的所述磁測(cè)量被與基線數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
9.權(quán)利要求6所述的方法，其中所述應(yīng)變被施用到每個(gè)局部區(qū)域，然后從每個(gè)局部區(qū) 域中除去，并且每個(gè)區(qū)域的所述磁響應(yīng)的衰變率被測(cè)量。
10.權(quán)利要求6所述的方法，其中單陣列被用于誘導(dǎo)感興趣的選定區(qū)域的應(yīng)變波，并檢 測(cè)所述選定區(qū)域的局部磁特性變化。
11.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述陣列包括在一個(gè)方向上延伸的聲學(xué)材料條和在 垂直方向上延伸的微磁感應(yīng)材料條，并且其中所述聲學(xué)材料條之一被選擇來誘導(dǎo)所述應(yīng)變 波，其中所述微磁傳感器材料條之一被選擇來檢測(cè)所述局部磁特性變化，由此所述兩個(gè)選 定條的所述交叉點(diǎn)的選定區(qū)域被檢驗(yàn)。
12.權(quán)利要求10所述的方法，其中所述陣列包括在一個(gè)方向上延伸的聲學(xué)材料條和微 磁傳感器材料條以及在垂直方向上延伸的聲學(xué)材料條和微磁感應(yīng)材料條，其中在所述一個(gè) 方向上延伸的所述聲學(xué)材料條中的兩個(gè)被選擇來誘導(dǎo)選定區(qū)域的應(yīng)變波，其中在所述垂直 方向上延伸的所述微磁傳感器材料條之一被選擇來檢測(cè)所述選定區(qū)域的局部磁特性變化。
13.權(quán)利要求12所述的方法，其中選定的聲學(xué)材料條之間的距離被改變，以監(jiān)測(cè)不同 深度的所述選定區(qū)域。
14.檢測(cè)膠粘接接頭中應(yīng)變的系統(tǒng)，包括具有膠粘接接頭的結(jié)構(gòu)，所述膠粘接接頭包含由磁致伸縮材料制成的顆粒；用于誘導(dǎo)所述接頭選定區(qū)域中的應(yīng)變波的裝置；和檢測(cè)所述選定區(qū)域的局部磁特性變化的裝置。
全文摘要
檢測(cè)膠粘接接頭中的應(yīng)變包括誘導(dǎo)所述接頭的應(yīng)變波，以及檢測(cè)所述接頭的局部磁特性變化。
文檔編號(hào)G01L1/12GK102076481SQ200980124324
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2009年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月9日
發(fā)明者G·E·喬治森, R·J·米勒 申請(qǐng)人:波音公司