CN101095045B - 检测、量化和/或定位飞行器夹层结构中的水的系统及使用该系统的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测飞行器夹层结构中的水的系统，包括：微波发生器(2)；安装在该结构中的至少两个微波发射器/传感器(3)；能够在微波在该结构中传播之后检测所述微波的微波检测器(4)；以及与库(5)相关联的数据处理单元，该库(5)包含空结构(1)的至少一个模型。本发明还涉及使用该系统的方法以及配备有该系统的飞行器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测、量化和定位飞行器盒型结构中、尤其夹层型复合结构中的水的存在的系统和方法。本发明在航空学中、尤其在对飞行器结构进行非破坏性控制的维护领域中有应用。更具体地，本发明可以应用于所谓盒结构，即由夹层型复合材料制成的封闭结构，其中，该封闭结构具有外部碳封皮和由例如Nomex
的硬板制成的内部蜂窝层或使用玻璃纤维的蜂窝结构。
背景技术
在航空学中，尤其在对服役中的飞行器的维护中，检测飞行器结构中的水的存是重要的。水可存在于飞行器的特定部件中，尤其是在由夹层型复合材料制成的部件中。“夹层”型材料是一种具有蜂窝型细胞状或肺泡状结构的材料，该结构在每侧覆盖有蒙皮(skin)。这些蒙皮可以由不渗透性材料制成。它们可被成形为在该部件的边缘会合，从而形成围绕所述肺泡状结构的封皮。这些部件被称为是盒装的。例如，起落架舱门或舱口盖、舵、天线屏蔽器或还有升降舵是常常由夹层复合材料制成的部件。如今，这些部件中、尤其中间区中的水的存在影响了这些结构的性能和重量。这在飞行中可能导致飞行器部件上的有害行为。目前，这些结构中的水的存在要么通过在维护阶段中进行定期检查来检测，要么通过其存在的迹象(结构的膨胀、凝结斑等)来检测，或者在极端情况下，通过这些结构的重量的增加对机械致动器的影响来检测。
在特定情形下，部件可能被损坏，导致部件的完全改变。尤其当在夹层型复合部件中检测到水时，必须强制性地移除该部件，并且，必须修理由该水造成的损坏。为此，飞行器不得不停航一定时间。而且，在任何修理之前，必须使飞行器停航以检查这些部件，来确定水的存在或不存在。为执行飞行器的检查，必须使飞行器停航相对长的时段。目前，使飞行器停航是成本高的。此外，目前使用的检查技术也是成本高的，并且常常难以实施。例如，通过热摄像术(thermography)或放射线摄像术(radiography)技术来进行飞行器的结构的检查，以检测水的存在。热摄像术必须对整个结构进行加热，而放射线摄像术必须隔离待被检查的部件。这些非破坏性检查技术是复杂的，它们的实施是冗长的，并且，它们要求特别小心地使用。
发明内容
本发明的精确目的在于克服上面解释的技术的缺点。为此，本发明提出了一种借助于在待被检查的结构中产生的电磁微波来检测、量化和/或定位夹层结构中的水的存在的系统和方法。该系统和该方法用于容易地检测所述结构中水的存在，使得能够提早并因此以较低成本进行修理。
更具体地说，本发明涉及一种用于检测飞行器的夹层结构中的水的系统，其特征在于其包括：
-微波发生器；
-安装在所述结构中的至少两个微波发射器/传感器；
-能够在微波在所述结构中传播之后检测微波的微波检测器；以及
-与库(library)相关联的数据处理单元，其中，该库包含当为空时的所述结构的至少一个模型。
该系统可因此用于检测夹层结构中的水的存在并且量化该水。
本发明还可以包括一个或多个下述特征：
-每个发射器/传感器具有固定到所述结构的基座和定位于所述结构内的传导棒；
-所述发生器产生关于中心频率而频率调制的微波，其中，所述中心频率根据所述结构来选择；
-关于水的激发频率以1GHz量级的频率间隔来调制微波，该激发频率取决于所述结构；
-所述系统具有分布在所述结构中以通过三角测量来定位水的至少三个发射器/传感器。以此方式，本发明的系统可用于确定水点的一个或多个位点；
-所述发生器产生脉冲；
-微波发射器/传感器被嵌入所述的结构中，而微波发生器、微波检测器、数据处理单元和库位于地上；
-夹层结构包括由不透微波的材料制成的两个蒙皮以及由低微波吸收材料制成的中间区；
-蒙皮由碳制成，而中间区由蜂窝材料、Nomex或玻璃纤维或诸如特定合成泡沫材料的低微波吸收材料制成。本发明还涉及一种用于检测飞行器夹层结构中的水的方法，其特征在于其包括：
-在夹层结构中发射微波；
-在微波在所述结构中传播之后由传感器接收这些微波；
以可变频率连续扫描，以确定水的存在以及该水的量。
本发明还涉及一种检测飞行器夹层结构中的水的方法，其特征在于其包括：
-在夹层结构中发射微波；
-在微波在所述结构中传播之后由传感器接收这些微波；
-确定这些微波在所述结构中的传播时间；并且
-对这些传播时间进行处理，以据此推断水的位置。
在此情况下，微波以固定的频率发射。
本发明还涉及一种包括如上所述的系统和夹层结构的飞行器。
附图说明
图1是配备了本发明的水检测系统的结构的实例的示意图；
图2是本发明的系统的天线的透视图；
图3是安装在夹层结构上的本发明的系统的天线的横截面图；
图4表示根据本发明第一实施例的用本发明的系统产生的信号的实例；
图5表示根据本发明第一实施例的在不存在水和存在水的情况下检测到的信号的实例；
图6表示根据第二实施例的夹层结构中的天线的分布的实例；
图7表示本发明第二实施例中的在存在水和不存在水的情况下检测到的信号的实例；
具体实施方式
本发明涉及一种通过将微波通过集成天线注入所述结构中来检测夹层结构中的水的存在的系统。这种类型的系统在图1中示意性地示出。更具体地说，这个图1例示了配备有本发明的系统的结构或部件。在这个实例中，待被检查的部件1是矩形的。显然该部件可以具有各种形状，特别是适于飞行器结构的形状。例如，这个部件1可以是飞行器的前起落架舱门。
根据本发明，图1的系统具有：电磁波发生器2；发射器/传感器3；波检测器4，例如由肖特基二极管4a和数据处理单元4b构成。如下面将看到的那样，这个数据处理单元4b与库5相关联。发生器2产生电磁波，电磁波由发射器3发射到部件1的内部。电磁波是可以以脉冲发送或连续发送(调制频率为1GHz量级)的、频率为2.45GHz量级(取决于所述结构的形状)的微波。
如下面更详细地解释的那样，这些微波可以以连续信号的形式或以脉冲的形式发射。
部件1以夹层结构的形式制成，该夹层结构具有由例如Nomex
或玻璃纤维的蜂窝材料制成的中间区和碳蒙皮。碳具有不透电磁波的优点。蜂窝材料具有不吸收电磁波的优点。这样，在这种部件中，波由发生器2产生，并由发射器3发送到夹层结构1中。当波在结构1中时，波就在两个碳蒙皮之间传播。
根据本发明，发射器/传感器3被安装在部件1上。它们的作用是发射和拾取在部件1的中间区中传播的微波。通过标准的连接端子连接到发射器/传感器3的检测器4检测并处理由微波提供的信息。正是对这些微波的传播的处理，使得部件1中的水的存在能够被检测、定位和量化。
在图1的实例中，三个传感器已被表示在部件1中。如下面解释的那样，有用的传感器的数目取决于所考虑的应用(检测和量化或定位)，并且取决于待被检查的结构的形状。
在图1的实例中，库5与数据处理单元4b相关联。这个库5具有为空时的部件1的模型，即当部件1不包含水时部件1的表示。该模型包括部件1的不同发射器/传感器3的位置。例如，存储在库5中的模型可以是空部件的映射，或作为空部件的模型的表。空部件的该模型用于通过比较来确定部件是否包含水。更具体地说，在传感器3接收到微波时，检测器4确定关于波的传播时间和形状的信息。然后，它将该信息与库5中记录的模型的数据进行比较。取决于波的形状，并且通过与所述模型的比较，检测器4确定所述结构中的水的量并因此确定所述结构中水点9的存在。此外，取决于在发射器/传感器3和所述结构中不同障碍或壁之间的传播时间，并且通过与所述模型的比较，检测器4确定该水在所述结构中的位置，即该水位于所述结构中的位点。
如上面所解释的那样，传感器被固定在所述结构中；它们因此与所述结构一起装载在飞行器上。相反，发生器和检测器可以是外部设备，即保留在地面上并且唯有在维护的时候才使用的设备。该系统易于实施。在飞行器维护阶段期间，可以在地上定期检查部件，从而防止过长的停航。此外，该系统使得能够进行少量水的检测，从而使得能够在部件过度损坏之前将其修理。因此，修理迅速完成，并且花费很少。飞行器停航的时间短。
在本发明的一个变种中，发生器和检测器也装载在飞行器上。
发射器/传感器3的一个实例也称为天线，其在图2和图3中示出。更具体地说，图2示出了非安装天线的透视图。图3示出了同一天线当被安装在必须被检查的夹层结构1中时的横截面图。
这个天线3具有固定到部件1的结构的基座6和延伸超出基座6的传导棒7。传导棒7被插入到中间蜂窝区1a。这个棒7的长度适合于待被控制的结构。这个长度可以具有50毫米的量级。基座6的一端固定到部件1的蒙皮1b之一。基座6的另一端例如通过线链接8连接到发生器2并连接到检测器4。每个天线3的作用是发射和拾取在部件1的中间区1a，即在碳蒙皮1b之间的区中传播的微波。
如上面所解释的那样，本发明的系统可以用于检测夹层结构中的水的存在。其还可以用于定位和/或量化该水。
在本发明的第一实施例中，通过能够使所述结构中的波的吸收均匀化的扫描，所述结构中的水可以被量化。由于水在系统的工作频率(例如2GHz到3GHz之间)处显示的介电损耗，波的透射和反射的参数被用于确定所述结构中的水的量。为了实施此工作模式，发生器2产生关于中心频率以1GHz量级的频率间隔来频率调制的微波，该中心频率根据待被控制的结构来确定。该中心频率可以是水的激发频率，即约2.45GHz。该频率取决于待被测试的结构的形状和特性。图4中示出了针对此工作模式所产生的信号的实例。更具体地说，图4给出了发生器2以可变频率连续发射来发射的信号的实例。在这个实例中，波是以在1.8GHz到2.8GHz之间线性变化的幅度调制而连续产生的。
在这个实施例中，发生器2连接到固定于所述结构中的天线3。也固定于所述结构中的另一个天线3连接到检测器4。这个检测器4与具有长响应时间的积分器电路相关联，所述积分器电路给出在预定的扫描时段接收到的信号的平均值。所述积分器电路的输出电压与存在于所述结构中的水的量成比例。
频率变化的这个实施例具有的优点是：其中在所述结构中建立的电场平均而言是均匀的。传感器在特定时间段期间测量所述结构中的不同电压值，并将结果发送到处理单元4b。由于电场的均匀性，在将传感器3所测量的信号作为时间的函数而积分之后，处理单元4b可以计算是在所述结构中传播的能量的特性的电压Vmoy的平均值。图5中示出了在所述结构中存在和不存在水时所获得的信号的平均值的一个实例。更具体地说，曲线C1表示不存在水时信号的平均值，而曲线C2表示存在水时信号的平均值。
不存在水时，平均值Vmoy1与所测量的信号的电压的平均值相对应。在所述结构中存在水时，电压的平均值降低到值Vmoy2。因为，当水被微波激发时，水吸收一部分发射的能量，从而减少了在传感器3处以电压的形式恢复的能量。通过与包含在与处理单元4b相关联的库中的无水结构的模型相比较，由处理单元4b计算的电压的平均值由此反映了所述结构中水的存在或不存在。此外，电压Vmoy的平均值作为存在于所述结构中的水的量的函数而线性地增长。因此，该模型和被测试的结构之间的电压变化使得可以确定存在于所述结构中的水的量。
在第二实施例中，可以借助于由波发生器发射的且通过三角测量检测的脉冲来在所述结构中定位水。换句话说，在这个实施例中，微波发生器2产生微波脉冲，这具有防止在夹层结构中产生驻波模式并因此使得能够定位水的优点。
在这个实施例中，至少三个发射器/传感器被放置在所述结构中的不同位置。通过将所述结构中路径的形状和传播时间的信息与来自记录在库中的模型的数据相比较，这些信息使得可以通过三角测量来精确定位包含水的区域。图6中示出了此第二实施例的传感器的定位的实例。更具体地说，此图6是顶视图，表示在结构1中围绕水点9的三个传感器3a、3b和3c的分布的实例。这种系统被用来计算微波在所述结构中的传播时间，并据此推断水的位置。
图7例示了在此第二实施例中由天线检测到的信号。更具体地说，曲线C3示出了当结构中没有水时的脉冲的实例；而曲线C4示出了在缺陷上反射之后，即当存在水(例如5毫升水)时的回波的实例。
一旦已确定了水的精确位点，在将修理区域仅仅限制于水的位点时，就可以修理所述结构的被损坏区域。
刚才描述的本发明的系统可以实施一种用于检测和量化夹层结构中的水的方法。该方法包括下述步骤：
-借助于脉冲发生器2和发射器3在部件1中发射微波；
-借助于连接到检测器4的传感器3接收在部件1中传播的这些微波；所述传感器接收已由系统的其他发射器拾取的微波；
-在部件1中以可变频率(三角脉冲)用微波执行连续扫描；
-与库5中存储的所述部件的模型相比较，并确定该水点的量并由此确定所述结构中水的存在。
本发明可以实施一种检测和定位夹层结构中的水的方法。该方法包括下述步骤：
-在夹层结构中发射微波；
-在这些微波在所述结构中传播之后，由传感器接收这些微波；每个传感器接收其自身发射的并由所述结构中的水反射的微波；
-确定这些微波在所述结构中的传播时间；并且
-处理这些传播时间，以据此推断水的位置。
在这种定位所述结构中的水的方法中，微波以固定频率发射。
恰好已经被刚才描述的两种方法可以由上述类型的同一系统来实施。它们可以在飞行器的同一检查期间一个接一个地应用，或者相反地，彼此独立地应用。
Claims (10)
1.一种用于检测飞行器的夹层结构(1)中的水的系统，所述夹层结构(1)包括由不透微波的材料制成的两个蒙皮和由低微波吸收材料制成的中间区，其特征在于：其包括：
微波发生器(2)，产生关于根据所述夹层结构(1)选择的中心频率而频率调制的微波；
安装在所述夹层结构(1)中的至少两个微波发射器/传感器(3)，以通过连接到所述微波发生器(2)来将微波发射到所述夹层结构(1)内部以及拾取在所述夹层结构(1)的两个蒙皮之间传播的微波；以及
微波检测器(4)，能够在微波在所述夹层结构(1)中传播之后检测由连接到所述微波检测器(4)的所述微波发射器/传感器(3)拾取的所述微波的形状信息；
与库(5)相关联的数据处理单元(4b)，所述库(5)包含所述夹层结构(1)为空时的至少一个模型，所述数据处理单元(4b)对所述形状信息与所述模型进行比较。
2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于：每个发射器/传感器(3)具有固定到所述夹层结构(1)的基座(6)和定位于所述夹层结构(1)内的传导棒(7)。
3.如权利要求1或2所述的检测系统，其特征在于：关于水的激发频率以1GHz量级的频率间隔来调制所述微波。
4.如权利要求1到2中的任何一项所述的检测系统，其特征在于：所述系统具有分布在所述夹层结构(1)中以通过三角测量来定位水的至少三个发射器/传感器(3)。
5.如权利要求4所述的检测系统，其特征在于：所述发生器产生脉冲。
6.如权利要求1到2中的任何一项所述的系统，其特征在于：
-所述微波发射器/传感器(3)被嵌入在所述夹层结构(1)中；
-所述微波发生器(2)、所述微波检测器(4)、所述数据处理单元和所述库(5)在地上。
7.如权利要求1或2所述的检测系统，其特征在于：所述蒙皮由碳制成，而所述中间区由蜂窝材料、
或玻璃纤维制成。
8.一种用于检测飞行器夹层结构(1)中的水的方法，其特征在于包括：
在所述夹层结构(1)中发射微波；
以关于根据所述夹层结构(1)选择的中心频率而可变的频率用所述微波连续扫描；
在这些微波在所述夹层结构中传播之后，由传感器接收这些微波；
对所接收的可变频率的微波的形状信息进行处理以与所述夹层结构(1)为空时的模型进行比较，以确定水的存在以及该水的量。
9.如权利要求8所述的用于检测水的方法，其特征在于：所述方法还包括：
以固定频率发射所述微波；
通过分布在所述夹层结构(1)的不同位置的至少三个发射器/传感器(3)来确定这些固定频率的微波在所述夹层结构(1)中的所述传播时间；并且
通过三角测量对这些传播时间进行处理，以据此推断该水的位置。
10.一种包括夹层结构的飞行器，其特征在于：其包括如权利要求1到7中的任何一项所述的系统。
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