CN104937410A - 用于使用超声来检验复合材料结构的可重构设备 - Google Patents

用于使用超声来检验复合材料结构的可重构设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于在制造周期期间检验复合材料结构(11)的品质的超声设备。该设备旨在被引入使得LRI工艺能够被执行的类型的制造工具中，其中在制造周期期间复合材料结构置于两个模具之间。为此，该设备包括：沉积在模具中的一个模具(13)的与结构(1)接触的面相反的面上的压电材料层(22)；以及柔性材料膜(21)，柔性材料膜(21)是电绝缘的并且一个面设置为倚靠层(22)的外面。膜的这个面还包括导电焊盘(31)，因此导电焊盘(31)设置为接触压电材料，可以通过经由导电条(32)所施加的电压来使每个焊盘加电。每个焊盘(31)与层(22)的面对每个焊盘(31)设置的区域形成独立的超声换能器。

Description

用于使用超声来检验复合材料结构的可重构设备
技术领域
本发明涉及用于在整个制造过程中监测由复合材料制成的结构的制造品质的仪器装置的一般领域。具体涉及实施传感器、换能器以及超声以执行该监测的装置。
背景技术
为了在整个制造过程期间检测由复合材料制成的结构的制造品质，已知的做法是，使用实施超声换能器的测量装置，其功能是在制造期间发射超声波穿过结构并且收取穿过该结构的波，这些换能器以已知的方式通过透射或反射来操作。因此，通常经由超声传感器、压电换能器来执行通过超声对制造过程的监测，压电换能器支持在该过程中施加的烘焙温度。
然而，这些设备通常引入制造工具本身中，使得所使用的换能器相对于当前被制造的结构的表面通常占据固定、预定的位置。这些传感器持久性地布置在用于制造的工具和模具上。这些传感器通常胶合在这些工具的与当前被制造的结构接触的元件上，或者，替选地，被插入到这些相同的元件中，然后，这些相同的元件经历使它们能够结合这些传感器的加工。
现在，尤其在用于制造由复合材料制成的这些结构的方法的开发阶段期间，特别是在实施LRI(液体树脂注入)技术的制造方法的情况下，超声仪器的使用提供了很有价值的帮助。然而，目前该帮助受下述事实所限制：使用位置在工具中不可以容易地更改的超声传感器，这样的更改必然导致对制造装置本身进行更改。
然而，看起来特别有利的是，如果必要，通过增加例如所关注区域中的测量路径的数量并在观察所需要的时间内这样做，能够更加准确地观察要制造的结构的一个区域而不是另一区域，然后，能够恢复为更加标准的传感器配置，其中传感器是例如面向当前被制造的结构而均匀分布的。对于这一切，仅在对传感器的分布的重构的实施既不冗长，制造设备或过程的成本也不高昂的情况下，这样的可能性是真正有利的，而当前使用的超声测量设备并非如此。
发明内容
本发明的一个目的是提出下述解决方案：具有包括多个超声传感器的测量装置，旨在在由复合材料制成的部件的整个制造过程中对这些部件执行超声测量，超声传感器定位在被分析的部件的表面的水平处，该装置可以用不同传感器布置来简单地和廉价地执行测量。
本发明的另一目的是提出一种超声测量装置，虽然其与用于制造在整个制造过程中要检验的复合材料制成的部件的装置相配合，但该超声测量装置不同于这些装置。
换言之，本发明的一个目的在于找到下述解决方案：具有可以容易地被重构和更改的仪器，以优化本身旨在优化制造过程的超声测量。
为此，本发明的主题是一种用于在由复合材料制成的结构的制造期间检验该结构的设备，所述结构制造于由第一形体的内面和由第二形体的内面限制的空间中，所述设备包括多个超声传感器，多个超声传感器布置在该结构的附近使得每个超声传感器可以将超声波发射到该结构中并且收取由该结构返回的回波。该设备包括压电材料层和电绝缘柔性材料膜，压电材料层的内面布置在第二形体的外面上，电绝缘柔性材料膜布置为压靠压电材料层的外面。所述柔性材料膜在其与压电材料层接触的面上包括多个电极，每个电极可以由经由导体传输的控制信号单独地激发。电极中的每个的导电表面布置为接触压电材料层的表面，使得每个电极与压电材料层的面对每个电极设置的区域形成独立的超声传感器。
根据可能结合使用的各种布置和性能，根据本发明的设备还可以呈现附加的特征。
因此，根据一个实施方案，压电材料层通过实施溶胶凝胶型方法直接形成在第二形体的外面上。
根据另一实施方案，用聚酰亚胺类型的聚合材料来制造电绝缘柔性材料膜。
根据另一实施方案，在所述膜的接触压电材料层的面上，通过布置在所述表面的导电焊盘来形成电极，经由导电元件对每个电极加电，导电元件包括布置在膜的相反面上或者布置在膜的厚度中的导电迹线。
根据前述实施方案的变型，对不同的电极加电的导电迹线在导电迹线的末端处设置有连接器系统，使得能够对每个电极施加激发电压。
根据另一实施方案，每个电极由单个导电焊盘构成，单个导电焊盘的尺寸限定为使得由该电极和压电材料层形成的超声传感器发射基本平面超声波。
根据可替代前述实施方案的另一实施方案，每个电极由多个个体焊盘形成的导电焊盘构成，多个个体焊盘的尺寸限定为使得由个体焊盘和压电材料层形成的超声传感器发射基本球面超声波或基本柱面超声波；个体焊盘配置为使得可以单独地被控制。
根据前述实施方案的变型，个体焊盘相对于彼此布置为使得它们能够被激发以构成单一超声传感器。
根据另一实施方案，针对每个电极，在所述电极与由第二形体构成的公共接地之间施加激发电压。
根据另一实施方案，沉积在第二形体的外面上的压电材料层具有大约数十微米的厚度e2。
根据另一实施方案，柔性材料膜具有大约数百微米的厚度e1。
此外，本发明的一个主题是一种用于实施LRI方法来制造复合材料制成的结构的工具，所述工具包括第一元件或模具、以及面向第一元件的第二元件或垫板，该结构被置于这两个元件的内面之间来制造。该工具包括根据本发明的超声检验设备，在垫板的外面上形成有超声检验设备的压电材料层，柔性材料膜就其本身而言被压靠在所述层上。
附图说明
根据下面的描述将会更好地理解本发明的特征和优点，所述描述基于附图，附图呈现了：
图1，在通过LRI方法的制造的上下文中，根据现有技术的用于通过超声来检验复合材料结构的制造的设备的示意图；
图2，在通过LRI方法的制造的上下文中，根据本发明的用于通过超声来检验复合材料结构的制造的设备的示意图；
图3，结合了根据本发明的设备的、用于通过LRI方法来制造结构的工具的部分示意图；
图4，根据本发明的设备的实施方案的示意图；
图5，图4的实施方案中的设备的操作原理的图解；
图6，根据本发明的设备的另一实施方案的示意图；
图7，图6的实施方案中的设备的操作原理的图解。
具体实施方式
为了清楚起见，下文通过对根据本发明的设备在用于实施LRI(液体树脂注入)方法来制造复合材料制成的结构的工具的上下文中的应用的描述来呈现根据本发明的设备。该示例性实施方案当然绝不限制本发明的范围或主题，根据本发明的设备能够被实施以及引入用于制造复合材料制成的结构的任何类型的工具中，只要这些工具包括与根据本发明的设备相配合的元件即可。
图1尤其示意性地呈现了根据现有技术的在用于实施LRI方法来制造复合材料制成的结构的工具的上下文中通过超声来检验复合材料结构的制造的设备。
已知的是，该制造工具具体包括：元件12，被称为模具，用于形成要被制造的复合材料制成的结构11的树脂被注入到元件12中；以及元件13，被称为垫板或“盖板”，元件13确保了要被注入的结构11在厚度和平整度方面的测定，布置为使得当前被制造的结构放置在模具12与垫板13之间。
该工具还包括至少一个膜14，柔性壁，布置为使得与模具12一起限定包围结构11和垫板13二者的空间15。该膜14还配置为使得能够在空间15中产生真空，使得在膜夹紧垫板13和结构11的情况下，垫板13和结构11相互压靠并压靠模具12。
引入该制造工具中的超声检验设备由布置在垫板上的一定数量的超声传感器16构成，传感器16的有效表面置于垫板的面向结构11的表面的表面上，以便使超声波可以传播穿过结构11。
传感器16的数量和布置取决于制造的结构11的尺寸以及结构11的要分析的区域的分布。因此，如果希望例如一致地分析制造的结构11，则超声传感器16布置为有规律地面向结构11的表面。
为了确保传感器16相对于要制造的结构11的正确定位和正确取向，并且在该结构的整个制造周期内这样做，传感器16通常直接被引入垫板13中，如图1所示。由于传感器16被置入垫板13中的事实，这种类型的安装实际上可以确保传感器16的有效面相对于当前被制造的结构11的表面的正确定位，并且可以简化将这些传感器保持在适当位置。
取决于执行的超声分析的类型，通过透射进行的分析还是通过反射进行的分析，所使用的超声传感器16可以各自由配置为发射超声波或接收超声波的单个元件、或者发射元件16e和接收元件16r构成。在第一种情况下，传感器16仅位于垫板13中，然而，在第二种情况下，如图1所示，发射元件16e位于垫板13中，并且接收元件16r位于模具12中，然后接收元件16r的有效面直接朝向结构11的表面。
如先前所述，制造工具中的这样的传感器布局提供的主要优点为使这些传感器的设置简单和持久。因此，如果目的是制造一系列相同的结构11，则正如不需要对传感器进行新安装以开始下一结构的制造一样，不需要在制造结束时放下传感器16以取出该结构。
另一方面，这样的布局存在的主要不便之处为创建特定垫板13和可能的模具12，然后使模具和垫板适于面向要被检验的结构11的表面的传感器16的特定测试、固定的布置以及特定分布。
因此，由于各种原因，如果希望对传感器16进行不同布置，则变得有必要更改垫板13和可能的模具12，这构成了昂贵的操作并需要将时间投入到这些元件的拆解和重组，这不利于制造率。
如根据现有技术已知的在类似于图1的设备的配置的设备配置中所示出的，图2呈现了根据本发明的超声检验设备的一般示意图。此处呈现的与反射分析对应的配置可以容易地适用于透射分析。
如图2所示，根据本发明的设备包括相配合的两个不同的元件，压电陶瓷层22和柔性材料膜21。
压电陶瓷层22是布置在垫板13的外面即与结构11的表面接触的面相反的面上的薄层，压电陶瓷层22覆盖整个垫板，或者至少覆盖垫板的处于面向要被检验的结构11的整个表面。
根据本发明的一个优选实施方案，通过溶胶凝胶型方法，根据通过例如“压电喷涂”技术以液相或黏稠相沉积在垫板的外表面上并且硬化的衬底来制造压电陶瓷层22。
然而，可替选地，本领域的技术人员已知的任何方法可用于在垫板的表面上沉积压电材料的薄层以制造层22。
就其本身而言，柔性材料膜21配置为压靠在压电陶瓷层22的外表面，即与垫板13的表面所接触的面相反的面上。
根据本发明，如由图3的详细视图示出的，该膜21包括布置在表面上的多个小厚度的电极31。旨在承载电极31的所述膜21的面33压靠在压电材料层22的外面上。膜21还包括电导体组32，电导体组32通过适当的连接器系统从膜中暴露，并且电导体组32使得可以将电信号施加到电极31中的每个电极。
此外，根据本发明，可以用尤其表现出必要的温度和压力耐受特性的任何适当的柔性电绝缘材料来制造膜21，温度和压力条件为通过用于制造结构11的方法所施加的温度和压力条件。优选地，膜21是聚酰亚胺的聚合物材料膜，例如膜。
关于电极31和导体32，优选地以导电材料的焊盘和迹线例如金属焊盘和金属迹线的形式、以印刷电路的方式来制造电极31和导体32。
如图3所示，形成电极31的焊盘被沉积在旨在设置为与压电材料层22接触的柔性膜21的面的表面上。就导电迹线32本身而言，导电迹线32位于另一面上，或者如图3所示，在膜的厚度中，以免接触到压电材料层22。
还通过本领域的技术人员已知的任何柔性印刷电路制造方法来制造导电电极迹线组并且将导电电极迹线组引入柔性膜中。
从尺寸的角度来看，沉积在垫板上的压电材料层22具有大约数十微米，典型地大约70μm的厚度e2，而柔性材料膜21具有大约数百微米，典型地大约200μm的厚度e1。就电极31和导电迹线32本身而言，位于膜21上的电极31和导电迹线32具有约10微米左右至大约数十微米的厚度。还应注意的是，压电材料膜的厚度和性质确定层22的共振频率。
从功能角度来看，由沉积在垫板上的压电材料层以及布置在柔性材料膜21的表面上的电极31构成的组件形成布置在垫板的面向要被分析的结构11的表面上的多个超声传感器，以这样的方式形成的超声传感器的分布由柔性膜的表面上的电极的布置来简单限定。
当电极中的每个电极被电信号、电压激发时，利用压电材料层的处于每个电极与垫板的表面之间的区域，每个电极均形成能够发射超声波穿过结构11并能够收取由信号穿过结构11产生的回波的压电换能器。因此，有利于制造原理上其操作与图1中呈现的单独的传感器16的操作完全相同的一组超声传感器。
应注意的是，为了确保适时地制造的超声传感器的良好操作，有必要确保一方面电极31以及另一方面压电材料层22的表面之间的最佳可能的接触。通过以适于结合有根据本发明的超声检验设备的制造工具的操作的任何适当的手段，将柔性膜的承载这些电极的面压到层22的表面上来保证这种接触。在实施LRI类型方法的制造工具的上下文中，如图2和图3中所示意性地表示的，可以附带地通过引入空间15的部分真空来有利地保持膜21与压电层22之间的接触，空间15由膜14、垫板13以及柔性膜21来界定，膜14在制造期间包围结构11，在垫板13上沉积有压电材料层22，在柔性膜21上布置有电极31。
上文中描述的结构可以有利地制造包括多个超声传感器的设备，即声换能器，其功能类似于通常使用的超声传感器的功能，同时提供了放置和使用的更大方便。实际上，在通常使用的已知设备中，传感器被引入垫板13和可能的模具12的所述结构中。因此，更改在要检验部分的表面上的传感器的数量和分布需要更改或替换垫板13和可能的模具12，以根据期望的新布置将传感器容置在垫板13和可能的模具12中。
现在，在根据本发明的设备的情况下，只要沉积在垫板的表面上的压电材料层是均匀层，并且是其中传感器的布置由在柔性膜21的表面上形成电极31的导电焊盘的布置来简单限定的压电材料层，则改变传感器的布置和数量变得有利地简单，并且仅需要替换柔性膜21。因此，检验设备是可用的，可以通过简单替换或重新定位柔性膜21来容易地重构检验设备，用具有不同电极布置的另一膜替换现有的膜有利地具有比通过更改或替换垫板13和可能的模具12所产生的成本更低的成本。
图4至图7示出了由使用根据本发明的设备提供的另一优点，即源于由于根据本发明的设备的所述结构可以被实施的各种传感器配置的优点。
如先前所述，根据本发明的设备的每个传感器由布置在柔性膜21上的相应电极以及压电材料层22的处于面向该电极的区域构成。用这种方式，可以通过简单地作用于布置在柔性膜21上的电极31的形式来单独地限定根据本发明的设备的每个传感器的特性，每个电极可以具有其自身的形式和尺寸。
图4示出了可以通过根据本发明的设备实施的第一种类型的电极的平面一般性视图。
在图4的情况下，电极由以下单个导电焊盘41构成，该单个导电焊盘41的取决于电极的形式的尺寸、长度以及宽度或者甚至直径限定为使得将基本平面波发射到被分析的结构11中，针对发射的声频率，该平面波具有足够能量以穿过结构，同时保持足够的分析分辨率。因此，针对5MHz的声频率即由压电涂层的特性确定的频率，将选择例如5mm边长的正方形的形式的焊盘。
通过经由外部连接至电压发生器的导电迹线42施加适当电压来激发这样的焊盘，迹线例如在膜21的厚度中延伸。
如图5所示，配备有这样的焊盘，根据本发明的设备以类似于包括引入制造工具中的单一传感器的已知超声检验设备的方式运转，但根据本发明的该设备保留其在放置和可交换性方面的有利特性。
图6呈现了可以由根据本发明的装置在更复杂的实施方案中实施的第二种类型的电极61的一般性视图。图6中呈现的电极由多个个体电极62构成，多个个体电极62组合在一起以形成显示出特定布置例如在图6的情况下的矩阵式布置的设置。
在本示例性实施中，个体电极62中的每个电极配置为使得能够通过经由外部连接至电压发生器的导电迹线63施加适当电压来单独地激发。
个体电极62的尺寸和形式限定为使得每个个体电极被激发时产生基本球面波或基本柱面波。用这种方式，取决于施加到个体电极中的每个电极的电压和不同电极的各自的激发时刻，可以发射显示出特定特征的声波。然后，设备的每个电极61可以以有利的简单方式来形成多元件超声传感器，在准确度和分辨率方面，多元件超声传感器的声特性可以显著不同于传统声传感器例如配备有已知的测试设备的传统声传感器的声特性。
作为示例，图7的图解呈现了特定的应用，针对该特定的应用，形成一个同一电极61的个体电极62激发为使得每个个体电极发射传播穿过结构11的个体声波。

Claims (12)

1.一种用于在由复合材料制成的结构(11)的制造期间检验所述结构的设备，所述结构制造于由第一形体(12)的内面以及由第二形体(13)的内面限制的空间(15)中，所述设备形成布置在所述结构的附近的多个超声传感器，每个超声传感器发射超声波进入所述结构(11)中并且收取由该结构返回的回波，其特征在于，所述设备包括：压电材料层(22)，所述压电材料层(22)的内面置于所述第二形体(13)的外面上；以及电绝缘柔性材料膜(21)，所述电绝缘柔性材料膜(21)布置为压靠所述压电材料层(22)的外面，所述柔性材料膜(21)在接触所述压电材料层(22)的面上包括多个电极(31)，每个电极(31)能够通过经由导体(32)传输的控制信号单独地激发，所述电极(31)中的每一个的导电表面布置为接触所述压电材料层(22)的表面，使得每个电极(31)与所述压电材料层面对所述电极(31)设置的区域形成独立的超声传感器。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述压电材料层(22)通过实施溶胶凝胶型方法制造，所述压电材料层(22)直接形成在所述第二形体(13)的外面上。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其特征在于，所述电绝缘柔性材料膜(21)用聚酰亚胺类型的聚合材料制造。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其特征在于，所述电极(31)通过在所述膜(21)的接触所述压电材料层(22)的面上的布置在表面上的导电焊盘形成，每个电极(31)经由导电元件(32)加电，所述导电元件(32)由布置在所述膜(21)的相反面上或者在所述膜的厚度中的导电迹线构成。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，对不同的电极(31)加电的所述导电迹线(32)在所述导电迹线(32)的末端处设置有连接器系统，使得能够对每个电极施加激发电压。
6.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，每个电极(41)由单个导电焊盘构成，所述导电焊盘的尺寸限定为使得通过该电极和所述压电材料层形成的超声传感器发射基本平面超声波。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，每个电极(61)由通过多个个体焊盘(62)形成的导电焊盘构成，所述个体焊盘(62)的尺寸限定为使得通过所述个体焊盘(62)和所述压电材料层(22)形成的超声传感器发射基本球面超声波或基本柱面超声波；所述个体焊盘(62)配置为使得能够单独地被控制。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述个体焊盘(62)相对于彼此布置为使得它们能够被激发以构成单一超声传感器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述第二形体(13)构成公共接地，每个电极配置为使得能够通过施加在所述电极(31)与所述公共接地之间的激发电压来激发。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，沉积在所述第二形体(13)的外面上的所述压电材料层(22)具有大约数十微米的厚度e2。
11.根据前述权利要求中任一项所述的设备，其特征在于，所述柔性材料膜(21)具有大约数百微米的厚度e1。
12.一种用于实施LRI方法来制造由复合材料制成的结构(11)的工具，所述工具包括：第一元件(12)或模具、以及面向所述第一元件的第二元件(13)或垫板，所制造的所述结构(11)置于这两个元件的内面之间，其特征在于，所述工具包括根据权利要求1至11中任一项所述的超声检验设备，所述压电材料层(22)形成在所述垫板(13)的外面上，所述柔性材料膜(21)压靠所述层(22)。
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