CN102159930B - 航空器结构的不规则性检测 - Google Patents

Abstract

提出一种检测航空器结构中的不规则性的设备、系统和方法。所述设备包含具有谐振频率的谐振电路，和调谐谐振电路的谐振频率的探针。按照如果所述结构因不规则性的形成而发生变化，那么探针改变谐振电路的谐振频率的方式，使谐振电路和探针在操作上被连接。

Description

航空器结构的不规则性检测

技术领域

本发明涉及航空器结构的不规则性检测。具体地说，本发明涉及检测航空器结构中的不规则性的设备。此外，本发明涉及检测航空器结构中的不规则性的系统，检测航空器结构中的不规则性的方法，包含上述设备的航空器，和上述设备的应用。

背景技术

在航空运输中，飞行器的安全性至关重要。在各次飞行之间，针对故障和不规则性监测每个飞行器，并进行大量工作，以在维护期间保持和提高安全性。

对于航空器组件的表面上或者接合点中的裂纹的检测，可以采用不同的传感器。例如，可以使用电探针，由于裂纹的形成，所述电探针改变其电性能。不过，为了检测裂纹，这样的传感器需要电源和与分析单元连接。可能需要经过较长的距离才能到达分析单元。从而，电缆敷设费时，占空间，重量大，并且费用高。此外，电源的维护费时。

发明内容

因此，需要一种检测航空器结构中的不规则性的改进设备。此外，需要一种检测航空器结构中的不规则性的系统和方法。

按照独立权利要求的主题可满足这些需要。在从属权利要求中描述了本发明的优选实施例。

按照本发明的第一方面，提供一种检测航空器结构中的不规则性的设备。所述设备包括具有谐振频率的谐振电路，和调谐谐振电路的谐振频率的探针。所述探针可附到所述结构上，按照如果所述结构因 不规则性的形成而发生变化，那么探针改变谐振电路的谐振频率的方式，使谐振电路和探针在操作上连接。

换句话说，本发明的第一方面可被看作以能够无线监测航空器结构的完好性的思想为基础。具有谐振频率的谐振电路在操作上与探针连接。所述探针适合于通过抑制谐振电路中能量的振动，或者通过改变谐振电路中能量的分散，改变谐振电路的谐振频率。探针可被附到航空器的结构上，更改它所连接到的谐振电路的谐振频率。谐振频率的更改是由航空器结构的变化引起的。结构变化归因于不规则性的形成，例如，所述不规则性可以是裂纹的产生，或者航空器的结构形状的变化。

下面详细说明按照本发明的第一方面的设备的可能特性和优点。

如上所述的设备可按照下述方式起作用：带谐振电路的探针被附到航空器的结构上。随后，形成结构中的不规则性，例如，蒙皮表面中的不规则性，所述不规则性造成对探针的损伤。损伤的探针导致与之连接的谐振电路的谐振频率的变化。谐振频率的变化随后可被检测设备检测。

不过应注意，不规则性的形成并不必然损伤探针。按照本发明的另一个例证实施例，不规则性的形成(例如，航空器结构的弯曲)会弯曲探针，从而改变探针的导电率，导电率的变化再导致谐振电路的谐振频率的变化。

例如，不规则性可以是裂纹，或者航空器的结构形状的变化，比如航空器的元件的弯曲。例如，不规则性可由外力的施加，例如强风或者航空器的起飞和着陆阶段内的巨大压差引起。

航空器可以是适合于航空运输的任何飞行器，例如飞机或直升机。例如，要监测的航空器的结构可以是航空器的机翼、蒙皮或尾部。结构也可以是航空器的不同元件的接合点。结构可以是平面，或者例如可以是边缘。

所述设备的谐振电路可包含电容器(C)，电感器(L)，和可能有的电阻器(R)。这些组件可以被串联或并联。在电感器的磁场和电容器的 电场之间将周期性地交换能量，从而引起电振荡。从而，在谐振电路的不同元件表现出高电流和高电压。可从外部或内部电源供给能量。能量发生变化的频率(f)是描述谐振电路的一个典型参数。谐振频率反比于电感L和电容C的平方根。谐振频率可在千赫兹(kHz)、兆赫兹(MHz)或千兆赫兹(GHz)范围内。对比如无源RFID标签之类的系统来说，可以使用几kHz的谐振频率，对可在几米的距离内检测的系统来说，可以使用10-1000MHz的谐振频率，对远距离系统来说，可以使用几GHz的谐振频率。

例如，谐振频率的变化可以是按照谐振电路与探针的交互作用抑制或者阻止振荡，从而抑制或阻止谐振的方式的谐振频率的更改。例如，在这种情况下，如果结构未受损，那么不可能出现振荡，只有当结构受损，从而探针也受损(或者以其它方式被改变)时，才可能出现振荡，从而才能够检测到谐振频率信号。

另一方面，谐振频率的变化可以是按照如果结果未受损，那么谐振电路中的能量能够以第一谐振频率振荡，从而能够检测到第一谐振信号的方式的谐振频率的调制。如果结构受损，那么谐振电路中的能量能够以不同于第一谐振频率的第二谐振频率振荡。从而，能够检测第二谐振频率。

操作上与谐振电路连接的探针可以是传感器元件，例如，可灵敏地附着到航空器的结构上的裂纹导线。这里，可附着意味探针可按照如果结构以任何方式受损或者被改变，那么探针会受到破坏的方式，被粘贴、胶合、固定或连接到结构的表面。探针也可被机械固定到结构上。

例如，探针可以代表电导体，例如，诸如具有一定电阻(R)的折裂纹(crack)导线之类的导线。此外，探针可包含单导线或者几根导线的排列，比如导线网。电阻(R)的值会影响谐振电路的谐振频率(f)。例如，如果由于航空器结构的变化，导线断裂，那么导线的电阻值变化，从而，谐振电路的谐振频率也会变化。

通过采用按照本发明的第一方面的设备，关于航空器结构的完好性的信息可被保存或者留在设备上，可在任何时候以无线方式读出。从而，对于航空器的安全性的监测来说，不需要大范围的电缆敷设。由于避免了大范围的电缆敷设，可以节省时间、成本和重量。此外，现有技术中，电缆敷设所需的空间可被用于其它用途。另外，由于二元信息输出的可能性：如果结构完好无损，那么无信号，如果结构受损或者破裂，那么输出已定义的信号，或者如果结构完好无损，那么输出第一信号，如果结构受损，那么输出第二信号，因此能够节省维护时间。

按照本发明的一个例证实施例，由于不规则性的形成，结构的变化引起探针的损伤。

探针可适合于按照跟随和适应所述结构的形状的方式，被固定到所述结构上。例如，探针可被固定到比如薄膜之类的支撑物上，所述薄膜可被胶粘到结构的表面上。由被监测结构中不规则性的形成所引起的对探针的即时损伤可提供对在飞机结构的表面中的裂纹产生的直接检测，从而降低严重损伤的风险。

按照本发明的一个例证实施例，如果探针未受损，那么适合于以第一谐振频率激励所述设备，如果探针受损，那么适合于以第二谐振频率激励所述设备。

第一频率可以是带有完好无损的探针的谐振电路的谐振频率，而第二谐振频率可以是带有并非完好的探针的谐振电路的谐振频率。第二频率可高于第一频率，例如，第二频率远远高于第一频率，从而差异可被常规检测器检测出。例如，如果探针是细导线，那么在谐振电路中，它具有接近于0的电阻(R)。当导线破裂时，电阻变成接近于无穷大。在设计恰当的谐振电路中，导线的电阻接近于0会使具有完好探针的谐振电路的谐振频率低于具有受损探针的谐振电路的谐振频率。

探针还可使谐振电路短路。例如，它可使谐振电路的电感(L)和/或电容(C)短路。另外在这里，探针可以是闭合的从而使谐振电路短路并且具有接近于0欧姆的电阻的细导线。如果导线因结构中不规则性 的形成而破裂，那么谐振电路不再被短路，谐振电路中的能量能够以预定的第二频率振荡。这种情况下，如果探针未受损，那么不能检测到第一谐振频率。

通过向设备发送具有适当频率的电磁波，比如无线电波，可以实现谐振频率的激励。

两种不同谐振频率的存在是非常有利的，因为设备从而能够提供不同种类的信息。一方面，如果能够以第一谐振频率激励设备，那么可认为探针未受损，从而监测的结构也未受损，是完好无缺的。另一方面，在能够以第二谐振频率激励设备的情况下，可认为探针受损，从而监测的结构也受损。随后能够启动必要的步骤，例如，结构或其部件的替换。此外，如果不能以这两种谐振频率任意之一激励设备，那么可认为设备整体受损，不能推断得出和结构的状态有关的任何结论。这样，可监测设备的功能性，以及结构的完好性。

按照本发明的另一个例证实施例，谐振电路是RFID标签的一部分。

射频识别(RFID)是一种以利用RFID标签或者所谓的应答器保存和远程取回数据为基础的自动识别方法。数据的保存和取回是利用无线电波完成的。

RFID标签是能够贴在或者包含在结构中，并且当用无线电波激励时，能够在离结构几毫米到几百米的距离被读取的物体。RFID标签可包含用于保存和处理信息，以及调制和解调射频信号的集成电路。例如，可用标识集成电路(IDIC)调制和解调射频信号，IDIC也可以是RFID标签的一部分。RFID标签还包含接收和发射信号的天线，例如，所述天线可以是作为谐振电路的一部分的电感器。

所述设备的RFID标签可以是有源或无源元件。有源RFID标签可连续发射信息，而无源RFID标签只有当受到外部能量源激励时，才发射信息，比如像IDIC一样。RFID标签可包含内部能量源，或者可由外部能量源激发。无源RFID标签可用于按照本发明的设备，因为在这种情况下，不需要任何连续的能量供给，只有当需要时，例如 在维护期间，无源RFID标签才会被激励。通过避免使用电池，这可节省成本。

作为RFID标签的一部分的谐振电路的实施例是有利的，因为已有并且确定的技术可被用作设备的一部分，这可使设备的开发和设计更容易，从而可能降低成本。此外，通过对每个设备使用RFID标签，能够检测单独的标识号(IDIC)，从而能够在短时间内较准确地定位和识别每个故障或损伤。

按照本发明的另一个例证实施例，探针是裂纹导线，谐振电路是LC电路。

LC电路由串联或并联连接在一起的电感(L)和电容(C)，可能还有电阻(R)组成。电流能够以频率(f)在这些组件之间交变，频率(f)间接地正比于电感和电容的平方根。在电路中可直接加入电源，另一方面，振荡能量由例如作为射频发射器的外部电源提供。

裂纹导线是类似导线的电导体，它可附着到结构上，并且可以适应和匹配结构的形状。此外，如果裂纹导线附着于的结构经历变化或者调整，例如由于在结构的表面上产生裂纹，那么裂纹导线易于破裂、损伤或断裂。例如，裂纹导线可在一端被供电，并在另一端恢复与电源对应的电压，如果被监测结构未破裂的话。结合LC电路采用裂纹导线可相对简单地设计用于检测航空器结构中的不规则性的设备。裂纹导线可用作谐振电路的一部分，并代表随裂纹导线的完好性而调整的电阻。

按照本发明的另一个实施例，结构是航空器的机翼、蒙皮和尾部单元之一。

结构还可以是上面提及的元件的任意接合点，或者航空器的任何其它元件。

按照本发明的第二方面，提供一种检测航空器结构中的不规则性的系统。所述系统包括按照上述实施例之一的设备，和适合于以非接触方式读出所述设备的读出单元。

读出单元适合于发送和接收信号。所述信号最好是无线电波信 号，所述无线电波信号包含上述设备的谐振频率下的信号。例如，设备的第一和第二谐振频率包括在信号之中。可接连地或者同时地发射不同频率下的读出单元的信号。

读出单元可包含电源，或者可与外部电源连接。此外，读出单元可包含借助图像和/或声音，指示可能影响被监测结构的安全性的故障、损伤和危险的显示器和/或传音单元。读出单元还可包含评估和/或分析单元，并且可与另外的系统连接。

例如，如果被监测结构受损，即，包含不规则性，那么上述设备的探针也受损，从而改变谐振电路的谐振频率。当读出单元以第一谐振频率发送信号时，它收不到从设备返回的任何有效信号。当读出单元以与结构中的损伤对应的第二谐振频率发送信号时，它收到可能与IDIC一起返回的信号，从而能够正确地识别且能够定位所述损伤。

这里，非接触方式表示不利用电缆或导线的信号传输。这里，可不利用电导体，在一定距离内传送信息。所述系统有助于避免大范围的电缆敷设，从而节省空间、时间、成本和重量。

按照本发明的第三方面，提供一种检测航空器结构中的不规则性的方法。所述方法包含下述步骤：以谐振电路的谐振频率激励谐振电路；接收来自谐振电路的信号，其中来自谐振电路的信号与由不规则性的形成所引起的结构的变化相对应。

按照本发明的另一个实施例，利用按照上述实施例的设备执行所述方法。

按照本发明的另一个实施例，如果探针未受损，那么不能读取其中包含谐振电路的RFID标签的ID号。如果探针受损，那么能够读取其中包含谐振电路的RFID标签的ID号。

例如，可用如上所述的读出单元实现所述激励。

按照本发明的第四方面，提供一种包含如上所述的设备的航空器。

按照本发明的第五方面，提供如上所述的设备在航空器中的应用。

要注意的是，关于不同的主题说明了本发明的实施例。特别地，关于设备权利要求说明了一些实施例，相反，关于方法权利要求说明了其它实施例。不过，本领域的技术人员将从上面和下面的描述中获悉，除非另有说明，否则除了属于一种主题的特征的任意组合之外，属于不同主题的特征之间的任意组合也被认为被本申请所公开。

本发明的上述各个方面，以及其它各个方面、特征和优点也可从下面说明的实施例的例子获得，并参考实施例的例子予以解释。下面将参考实施例的例子更详细地说明本发明，不过，本发明并不局限于这些实施例的例子。

附图说明

图1表示按照本发明的一个例证实施例的检测航空器结构中的不规则性的设备的示意图。

图2A表示按照本发明的另一个例证实施例的检测航空器结构中的不规则性的设备的示意图。

图2B表示和图2A中给出的实施例类似的，检测航空器结构中的不规则性的设备的一部分的示意图。

具体实施方式

附图中的图解说明只是示意性的。注意在不同的附图中，相似或相同的元件具有相同的附图标记。

图1描述按照本发明的一个实施例的检测航空器结构中的不规则性的设备，它具有使谐振电路短路的裂纹导线。

检测不规则性的设备21包括裂纹导线13和RFID标签3。在图1的设备21中，探针(这里是裂纹导线13)无损伤，并被附到航空器的结构1上。裂纹导线13包含电阻11。裂纹导线13还与作为RFID标签3的一部分的谐振电路17电连接。RFID标签3也可被附到结构1上，或者另一方面可以是自由的。谐振电路17包含呈环形天线形式的电感7。谐振电路17中还包括与电感7并联的第一电容9。IDIC5是RFID标签3的一部分，也是谐振电路17的一部分。裂纹15存在于航空器的结构1中，在图1中，所述裂纹15不在检测不规则性的设备21的范围中。

在裂纹导线13未受损，即完整无缺的时候，谐振电路17被短路。从而，如果以谐振电路17的谐振频率，在读出单元23激励设备21，那么借助于读出单元23，不能读出保存在IDIC 5中的ID号。只有在裂纹导线13受损的情况下，所述ID号才是可读的。从而，例如通过扫描应用了几个设备21的被监测航空器的结构1，只有具有断裂的裂纹导线13的设备21的RFID标签3才向读出单元23通告它们自己。在维护过程中，这种方法能够节省许多时间。

在图2A中，描述了按照本发明的另一个实施例的检测航空器结构中的不规则性的设备。在图2A的实施例中，裂纹导线13调谐/解谐谐振电路17。

图2A中的设备21的设计与图1中的设备21的设计类似，不过图2A中的设备21还包括与第一电容9并联的第二电容19。具有电阻11的裂纹导线13与第二电容19串联。在这个实施例中，如果裂纹导线13破裂，那么电阻11近似于无穷大。如果不出现裂纹15，那么电阻近似为0。在图2A中，由于在航空器的结构1中出现裂纹15，因此裂纹导线13受损。按照关于图2A中所示电路的下述等式，可近似计算谐振电路17的谐振频率：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L\·(C_2/R+C_1)}}$

其中L是电感7，C₁是第一电容9，C₂是第二电容19，R是电阻11。

如果裂纹导线13未受损，那么电阻11可被近似为接近于0的值：R≈0Ω。从而，第一谐振频率f₁收敛于较小的值。

如果裂纹导线13受损，那么电阻11可被近似为接近无穷大的值：R≈∞。从而，可按照下面的等式计算第二谐振频率f₂：

$f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L\·C_1}}$

从而，如果裂纹导线13被截断，那么谐振频率被移向较高的频率。在图2A中所示的情况下，读出单元23可按第二谐振频率激励设备21，从而以这种方式检测航空器的结构1中的裂纹15。

在图2B中，描述与图2A中给出的实施例类似的，检测航空器结构中的不规则性的设备的一部分。图2B中表示的谐振电路17与图2A的谐振电路17类似。这里，能够容易地看出裂纹导线13是如何连同其电阻11一起结合到谐振电路17中的。

应注意术语“包含”并不排除其它项或步骤，“一个”不排除多个。另外，结合不同实施例描述的元件可被组合。另外应注意，权利要求中的附图标记不应被解释成对权利要求范围的限制。

附图标记的列表

1 航空器的结构

3 RFID标签(射频识别标签)

5 IDIC(标识集成电路)

7 电感

9 第一电容

11 电阻

13 裂纹导线

15 裂纹

17 谐振电路

19 第二电容

21 检测不规则性的设备

23 读出单元

Claims (10)

1.一种用于检测航空器的结构(1)中的不规则性的设备(21)，所述设备包括：

RFID标签(3)；

具有确定激励所述RFID标签的频率的谐振频率的LC谐振电路(17)；

要附接到所述结构(1)的裂纹导线(13)；

其中，所述裂纹导线在未破裂时被连接，从而使所述LC谐振电路(17)的电感(L)和/或电容(C)短路，使得当所述裂纹导线(13)完好无损时，所述LC谐振电路(17)具有第一谐振频率，而当所述裂纹导线(13)被损伤时，所述LC谐振电路(17)具有与第一谐振频率不同的第二谐振频率。

2.按照权利要求1所述的设备，

其中当所述裂纹导线(13)被附接到结构(1)时，在结构由于不规则性的形成而变化的情况下，所述裂纹导线被损伤。

3.按照权利要求1或2所述的设备，

其中当在与所述裂纹导线(13)连接的所述LC谐振电路(17)的第二谐振频率下被激励时，所述RFID标签(3)发出标识号。

4.一种用于检测航空器结构中的不规则性的系统，所述系统包括：

按照权利要求1-3之一所述的设备；

适合于以非接触方式读取所述设备的读出单元。

5.一种使用RFID标签(3)检测航空器的结构(1)中的不规则性的方法，所述RFID标签(3)由所述RFID标签的LC谐振电路(17)的谐振频率的无线电信号来激励，其中：

裂纹导线(13)连接到所述LC谐振电路(17)，使得所述谐振频率从第二谐振频率被显著改变成第一谐振频率，所述裂纹导线在未破裂时被连接，从而使所述LC谐振电路(17)的电感(L)和/或电容(C)短路，使得当所述裂纹导线(13)完好无损时，所述LC谐振电路(17)具有第一谐振频率，而当所述裂纹导线(13)被损伤时，所述LC谐振电路(17)具有与第一谐振频率不同的第二谐振频率；

所述裂纹导线(13)被附接到所述结构，所述裂纹导线在结构由于不规则性的形成而变化的情况下被损伤；

所述方法包含下述步骤：

使用所述LC谐振电路(17)的第二谐振频率的激励信号来激励所述RFID标签(3)；

如果从所述RFID标签(3)接收到返回信号，那么推断所述结构存在不规则性。

6.按照权利要求5所述的方法，

其中如果所述RFID标签(3)在使用第一谐振频率的激励信号被激励时返回信号，那么推断所述裂纹导线(13)未损伤并且所述结构(1)没有不规则性。

7.按照权利要求6所述的方法，

其中如果所述RFID标签对于使用第一谐振频率和第二谐振频率的激励信号都不会被激励，那么推断所述RFID标签被损伤。

8.根据权利要求5至7中的一项所述的方法，

其中使用根据权利要求1至3中的一项所述的设备或根据权利要求4所述的系统来执行所述方法。

9.一种包含按照权利要求1-3之一所述的设备的航空器。

10.按照权利要求1-3之一所述的设备在航空器中的应用。