CN101300479A - 检测和定位飞行器夹层结构中的水的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测和定位飞行器夹层结构(1)中的水的系统，包括：加热存在于所述夹层结构的中间层中的水的装置，以及获取所述夹层结构的表面的至少一幅图像的装置，所述图像显示出所述表面上的注意得到的区域，所述区域对应于水在所述中间层中的存在，其中，用于加热水的装置包括用于在所述夹层结构内发射微波的装置(2、3、6)，所述微波的频率大致等于水分子的共振频率。本发明还涉及由该系统实施的方法。

Description

检测和定位飞行器夹层结构中的水的系统

技术领域

本发明涉及检测和定位存在于飞行器的箱式结构，尤其是夹层型复合结构中的水的系统。本发明应用于航空领域，尤其应用于对飞行器结构的无损探伤维护领域。本发明尤其应用于所谓的箱式结构，也就是用复合材料实现的封闭结构，所述复合材料具有碳外包层和蜂窝结构内层。

背景技术

在航空领域尤其是服役飞行器的维护领域，检测飞行器结构中存在的水是很重要的。事实上，水可能存在于飞行器的某些部件中，尤其是夹层结构类型的复合材料部件中。夹层结构类型的材料具有形成内层的蜂窝结构。该内层在每一侧被覆以外皮。所述蜂窝结构可以是纸板比如做的蜂窝层，或者玻璃纤维和泡沫做的蜂窝层。所述外皮可以用非渗透性的材料实现。它们可以被制造为在部件的边缘相互交接，从而形成围绕所述蜂窝结构的包皮。这样形成的部件被称为箱式结构。例如，起落架舱盖、升降舵、雷达天线罩(整流罩)，还有作动筒，是经常用夹层复合材料实现的部件。

然而，水在这些部件中的存在，尤其是在形成箱式结构的中间层的内层中的存在，影响这些结构的性能和重量，这可能导致飞行中的飞行器的性能不理想。

目前，这些结构中的水的存在的检测要么是通过在维护阶段的定期检查来实现的，要么是通过水的存在的一些表现(结构的膨胀，凝结斑等)来实现的，或者，在最为极端的情况下，是由因为结构重量的增加而导致的对机械作动器的影响来实现的。

目前，在飞行器维护任务期间的检查的情况下，通常是借助于外部热源来检测水在夹层结构中的存在。这种传统检测技术在于通过外部热源来加热夹层结构内部存在的水。这种热源可以是烘箱或者加热罩，也就是有电阻通过的罩，能够加热被其覆盖的整个表面。对水的加热要么引起结构的变形，要么提高结构表面的温度。在飞行器的维护期间，如果检测到结构的变形或者结构表面温度的升高，则维护人员会借助于干涉仪(错位散斑系统，système de shearographie)或者对红外辐射敏感的摄像装置推论出水在所述结构中的存在。

对夹层结构变形的检测是通过全息摄影干涉方法来实现的。全息摄影干涉法是一种基于两个重叠的全息摄影图像的使用的定位方法，所述两个重叠的全息摄影图像使得部件的表现出应力的部分显现出来。换句话说，全息摄影干涉法在于实现两个全息摄影图像，也就是两个形状图像，将它们进行重叠以显现出两幅图像之间的差别。这些差别对应于夹层结构的变形。由之推论出在变形的位置，在夹层结构的中间层中存在水。

结构表面温度的升高是通过热摄影机或者红外摄影机来检测的，所述摄影机的特点在于在图像上显出结构表面上温度不同的区域。在这些区域的位置，在夹层结构的中间层中存在水。

但是，该技术需要加热要检查的结构的整体，以加热可能渗入该结构的中间层中的水。然而，要注意到，结构的某些构造缺陷，比如树脂或者粘合剂的过量，也会与其中存在水的蜂窝结构一样呈现相同的热征象。因此，在热的作用下，这些缺陷在摄影机获得的图像上有与水的渗入相同的视觉呈现。因此，这种技术不能辨别所述缺陷。过量树脂或者粘合剂的存在被作为蜂窝中存在的水被检测出来。维护人员进而进行一些没有必要进行的修理。

另外，加热待检查结构的整体这件事导致使用用起来比较笨重的装置：在用烘箱加热的情况下，需要将待检查组件隔离在烘箱中；在使用加热罩的情况下，需要在待检查部件上安装非常扁平的加热罩，并将其连接到电源。

另外，为了实现对夹层结构的检查，需要在进行任何修理之前使飞行器停飞，以确定结构中是否有水的渗入。检查飞行器所需的时间是比较长的，大约在8小时左右。然而，飞行器停飞是很昂贵的。在此用于检查的停飞时间之外，还需加上结构整理所需的时间，即大约32小时，以及不能检查的部件在飞行器上的拆卸、重新安装和调整的时间。因此飞行器的总停飞时间是比较长的，这导致很大的成本。

发明内容

本发明的目的正是弥补上面提到的技术的缺陷。为此，本发明提出一种只加热渗入结构中的水的系统。结构的外皮完全不被加热，这样的效果是结构的可能存在的构造缺陷不被加热，从而不会被摄影机检测到。为此，本发明提出利用在待检查结构中产生的电磁微波来加热夹层结构中存在的水，所述微波具有加热水的效果。然后通过热摄影机或者全息摄影干涉装置进行水的检测。

这种系统的优点是容易检测水在结构中的存在而不需要长时间使飞行器停飞，这样就允许在早期进行维修，从而成本较低。

更为确切地说，本发明涉及检测和定位飞行器夹层结构中的水的系统，包括：加热存在于所述夹层结构的中间层中的水的装置，以及获取所述夹层结构的表面的至少一幅图像的装置，所述图像显示出所述表面上的注意得到的区域，所述区域对应于水在所述中间层中的存在，

其特征在于，用于加热水的装置包括用于在所述夹层结构内发射微波的装置(2、3、6)，所述微波的频率大致等于水分子的共振频率。

本发明还包括一个或者多个下述特征：

——微波发射装置包括在所述夹层结构外部的微波发生器、位于所述结构内部的至少一个微波发射器以及用于将所述微波从发生器传递到发射器的至少一个波导。

——所述微波发生器发射微波，所述微波的频率大致等于水分子的共振频率。

——用于获取图像的装置为适于检测结构表面上的热区域的热摄影机或者红外摄影机，该热区域对应于被微波加热的水的存在。

——用于获取图像的装置为全息摄影干涉装置，其适于检测所述夹层结构的表面的变形区域，所述变形区域对应于被微波加热的水的存在。

——所述微波发射装置包括两个微波发射器。

——所述两个微波发射器按不同的频率进行发射。

——一个微波发射器是固定天线。

——固定天线包括固定在结构上的基座和位于结构内的导体杆。

——一个微波发射器为活动天线。

——活动天线包括安装在所述结构的孔中的导体杆，该孔在飞行时由密封塞堵住。

本发明还涉及检测飞行器夹层结构中的水的方法，其特征在于包括下列操作：

——在所述夹层结构内发射微波，

——实现所述夹层结构的表面的至少一幅图像，以及

——在所述结构的所述表面的所述图像上检测可注意到的区域，所述区域对应于水在所述夹层结构的中间层中的存在。

附图说明

图1示意地图示了本发明的水检测系统的例子。

图2图示了按照本发明用红外摄影机获得的图像的例子。

图3图示了在热征象不均匀的情况下，用本发明的系统获得图像的另一个例子。

图4图示了在热征象不均匀的情况下，用本发明的系统获得图像的另另一个例子。

具体实施方式

本发明涉及一种通过将微波注入夹层结构中而检测水在所述夹层结构中的存在的系统。这样的系统示意地图示于图1中。图1图示了装备有本发明的系统的待检查结构的例子。待检查结构1为包括一个或者多个蜂窝结构的封闭结构或者部件。在图1的例子中，待检查结构1为矩形。当然它可以具有各种不同的形状，尤其是适合飞行器结构的形状。该待检查结构例如可以是飞行器的前起落架舱盖。

所述待检查结构为具有碳外皮和蜂窝中间层的夹层结构。蜂窝结构的优点是不吸收电磁波。碳的优点是电磁波不可通过。这样，使用这样的结构，注入夹层结构内部的波在蜂窝层中、在两个碳外皮之间传播。所述波遇到水时具有加热水的效果。

如图1所示，本发明的系统包括用于发射微波到待检查结构的内部的装置。该发射装置包括位于待检查结构1的外部的微波发生器2。发生器2产生的波为微波。该发射装置还包括安装在结构1中的发射器3或者说天线。在飞行器的每一个待检查部件中安装至少一个发射器。待检查部件1的发射器3通过波导6连接到发生器2。所述波导可以是同轴电缆。

所述波导6将发生器2生成的微波传递到发射器3。发射器3将微波传递到结构1的内层也就是蜂窝层中。在内层中传播时，微波将结构1中存在的水加热。

在本发明的一种优选实施方式中，微波生成的频率大致等于水分子的共振频率，其激励水分子。这种激励表现为水的温度的升高。水的温度的所述升高所发出的热传递到待检查结构的表面。所述热产生的结果是加热所述结构的表面的区域并使之变形。

本发明的系统还包括获取图像的装置5，其位于待检查结构1的外部，至少获得所述结构的表面的至少一幅图像。在本发明的一种实施方式中，获取图像的装置是热摄影机或者红外摄影机，其获取待检查结构的图像。热摄影机和红外摄影机具有根据热辐射分析所摄取的镜头的各个要素的特性。它们都允许识别图像上的热点。在本发明中，这样的摄影机允许识别待检查结构1的热区。每一个热区对应于所述结构的内层中渗入水的位置。

在另一种实施方式中，摄取图像的装置为全息摄影干涉装置，该装置获取待检查结构1的表面的两幅全息摄影图像。所述全息摄影图像被重叠起来，从而允许检测变形区域。在本发明中，所述全息摄影干涉装置检测所述结构1的表面的在热的作用下变形的区域。每一个变形区域对应于所述结构的内层中渗入水的位置。

无论摄取图像的装置的类型如何(全息摄影干涉装置或者摄影机)，所获得的待检查结构的表面的图像显示出所述表面的注意得到的区域，也就是对应于结构内部的水点的热区或者变形区。

在本发明的系统的一个例子中，发生器2发射频率为2.45GHz的微波。所述微波不穿过所述夹层结构的碳外皮，而是保持被约束在所述封闭结构中。因此所述微波的发射对于维护人员的安全来说没有风险。

在本发明的一种实施方式中，发射器是固定天线。其因此被安装而存续于所述结构中。在这种情况下，飞行器的每一个能够接受检查的部件包括至少一个固定天线。这样的天线可以包括：

——固定在待检查结构的碳外皮中的基座。该基座包括适合接纳波导6的输入端子。

——固定在所述基座上，在所述待检查结构的内层中形成隆起的导体杆。该导体杆将微波传递到结构1的内部。该导体杆的长度适合待检查结构。例如，导体杆的长度可以为大约30mm。

在另一种实施方式中，发射器是活动天线。在这种情况下，在待检查结构的碳外皮中预先形成孔。在检查期间，将天线安装在该孔中。不在维护期间时，用密封塞堵住所述孔。该塞例如可以旋入所述结构中。这样，当检查所述结构时，将所述塞旋出，所述发射器取代所述塞子被安装在所述孔中。当结束检查时，重新将所述塞子旋入所述孔中。这样的发射器的优点是在飞行中不产生任何阻力，尤其是当所述结构位于气动气流中时。

在另一种实施方式中，只要所述结构不在维护期间，都将所述孔用树脂填充。

无论是固定的还是活动的，所述发射器可以是径向天线，即在平面中的所有方向进行发射，尤其是当微波发射功率高时。所述发射器也可以是定向束天线，尤其是当可用的功率较小时。

在图2中，图示了渗入水的夹层结构的表面图像的一个例子，该图像是用红外摄影机获得的。在该图中，可以看到多个斑，每一个斑对应于在结构表面上检测到的一个热区。这些斑中的一个具有特别圆的形状，它对应于天线3。由于天线的位置是已知的，在该图像上就易于相对于其他斑而言标记出对应于天线的斑。待检测的其他斑对应于结构的表面的热点。每一个热点对应于渗入结构中的水的存在。这样，红外摄影机提供的图像允许在夹层结构的外皮上标记出其位置对应于水在内层中的存在的热区。由于只有水对微波敏感，在夹层结构的表面上检测到的所有热区都对应于渗入水的区域。构造缺陷检测不到。

在前面所描述的实施方式中，在待检查表面的内层中只使用一个发射器来发射微波。使用单个发射器可能使得结构中的电磁场不均匀。在这种情况下，渗入水的区域所呈现出的温度升高并不相同。图像上的斑具有不同的样子。在图3中图示了用红外摄影机获得的图像的一个例子，其中的热征象是不均匀的。在该例子中，发射器允许在800毫米的区域上检测水。在该区域中，沿着线L检测到四个热点外加天线3：8a、9a、10a、11a、12a。热点9a在400mm处，比其他的热点大。热点11a在800mm处，比其他的热点小。

为了在图像上获得对应于大致相同的斑的均匀的热征象，本发明提出一种实施方式，其中在待检查结构中安装两个发射器，这是为了使结构中的电磁场均匀。第二发射器的频率与第一发射器的频率可以不同。这样，渗入水的区域呈现出相似的温度升高。从而图像上的热点具有相似的尺寸，如图4的例子所示。这样，检测图像上的热点8b、9b、10b、11b、12b就变得容易了。

图3和图4的例子对应于通过红外摄影机获得的图像。当然，也可以用如前所述的全息摄影干涉装置获得具有均匀的热征象的渗水区检测。

刚刚描述的本发明的系统的优点是渗入的水的加热时间短。该加热时间大约为10秒到1分钟左右。待检查结构的表面的温度的升高因此也比现有技术要快，这使得部件的检查很快而不需要进行任何拆卸。实施和获取结果的总时间因此小于半小时。这种检测时间上的减少允许更频繁地实施检查，从而使维修工作不太繁重，因为维修工作是在结构尚未经受太强的退化的时候在早期进行的。

另外，该系统的优点是相对来说不那么笨重，因为为了加热水，其只需要体积较小的微波发生器和一个或者多个位于待检查结构的内部的发射器。

Claims (12)

1.一种检测和定位飞行器夹层结构(1)中的水的系统，包括：加热存在于所述夹层结构的中间层中的水的装置，以及获取所述夹层结构的表面的至少一幅图像的装置，所述图像显示出所述表面上的注意得到的区域，所述区域对应于水在所述中间层中的存在，

其特征在于，用于加热水的装置包括用于在所述夹层结构内发射微波的装置(2、3、6)，所述微波的频率大致等于水分子的共振频率。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述微波发射装置包括

在所述夹层结构外部的微波发生器(2)，

位于所述结构内部的至少一个微波发射器(3)，以及

用于将所述微波从发生器传递到发射器的至少一个波导(6)。

3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，用于获取图像的装置为适于检测结构表面上的热区域的热摄影机或者红外摄影机，所述热区域对应于被微波加热的水的存在。

4.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于，用于获取图像的装置为全息摄影干涉装置，其适于检测所述夹层结构的表面的变形区域，所述变形区域对应于被微波加热的水的存在。

5.如权利要求2到4之一所述的系统，其特征在于，所述微波发射装置包括两个微波发射器。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述两个微波发射器按不同的频率进行发射。

7.如权利要求2到6之一所述的系统，其特征在于，一个微波发射器是固定天线。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述固定天线包括固定在所述结构上的基座和位于所述结构内的导体杆。

9.如权利要求2到6之一所述的系统，其特征在于，一个微波发射器为活动天线。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述活动天线包括安装在所述结构的孔中的导体杆，该孔在飞行时由密封塞堵住。

11.一种检测和定位飞行器夹层结构(1)中的水的方法，其特征在于包括下列操作：

在所述夹层结构内发射微波，所述微波的频率大致等于水分子的共振频率，

实现所述夹层结构的表面的至少一幅图像，以及

在所述结构的所述表面的所述图像上检测可注意到的区域，所述区域对应于水在所述夹层结构的中间层中的存在。

12.一种飞行器，其特征在于包括如权利要求1到10之一所述的检测和定位水的系统。

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