CN105008911B - 制造期间复合材料结构超声检查的自动校准方法 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，借助不同类型的超声传感器的检查系统的自动校准，用于在制造期间检查复合材料部件(11)的结构，是通过使用所谓的参考传感器来实现的，参考传感器安装在参考垫(23，43)上并且放置在所考虑的部件的制造环境中。所述自动校准包括激励参考传感器使其发射超声波，以及测量由发射的超声波穿过传感器安装在上面的参考垫(23，43)后形成的所谓的参考回声(24)的振幅。该振幅与设定值进行比较，并且对施加到传感器的增益g’起作用，以获得基本上等于该值的参考回声振幅值。最后，施加给参考传感器的增益被施加给检查系统的与该传感器相同类型的传感器。依次针对部件的所有制造步骤，针对每个参考传感器实施所述操作。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料部件、更特别地涉及树脂基体和纤维增强的复合材料部件的制造的一般领域。
背景技术
复合材料部件的制造过程通常包括时间上连续的不同步骤，每个步骤应当在确定的压力和温度下执行，所述温度和压力在不同步骤之间可能不同。
那么，如果想有效地检查给定步骤的执行质量，即形成成品材料的每个步骤的生产质量，则必须考虑这些温度和压力参数。当用超声波进行检查时，在环境压力和温度影响所使用的超声传感器的响应(灵敏度)的情况下，上述这一点尤其如此。
在此，人们注意到超声传感器的使用允许有利地确保各种检查功能，例如：
-对由纤维增强的注塑树脂(树脂基体/纤维增强)的流动形成的纤维预制件的表征；
-在狭义的聚合周期期间树脂聚合的进度的确定；
-局部孔隙率和/或纤维体积率(taux volumique)的确定。
特别地，超声技术是能够以有效方式检查制造的材料有无孔隙的唯一深度分析技术。
然而，很少至少以“现场”的方式使用超声检查，这是因为，同样由于超声传感器的灵敏度随温度和压力而变，难以利用借助超声传感器获得的测量值。所述温度和压力是在复合材料部件的制造环境中可以实质性变化的量值。
因此，通常使用替代方法，例如基于介电测量技术(绝缘电阻的测量)、光学漫射或使用布拉格光栅光纤的系统。然而，这些方法仅允许在所部署的地方，即部件内部或表面，进行非整体的局部检查。
此外，即使当使用超声传感器时，也通常限于使用超声传感器测量超声波在所分析的介质(即制造期间的部件)中的传播时间，特别地，不考虑振幅的分析。
发明内容
本发明的目的是提出一种能够使用超声传感器用于在复合材料部件制造的不同步骤中检查复合材料部件的解决方案，该解决方案能够在不管传感器可能遭受的温度和压力的变化的情况下，使用超声传感器用于同时实现传播时间的测量和振幅的测量。
为此，本发明的目的是一种在复合材料部件制造期间用于检查复合材料部件的结构的超声传感器组的自动校准装置。所述自动校准是在制造过程中实现的。该装置包括一组参考超声传感器。每个参考传感器安装在校准垫上，能够被激励以实现对参考回声的振幅的测量，所述参考回声由传感器发射的超声波穿过上面安装所述参考传感器的垫之后形成。该组至少包括用于检查所述部件的结构的每种类型的测量传感器的参考传感器；每个参考传感器被放置在所述部件附近，处在与所述部件相同的环境中。
根据各种可能结合使用的布置或性质，根据本发明的装置还可以具有以下附加特征。
根据一种实施方式，装置还包括用于在确定时刻激励每个参考传感器的设备，实现由该传感器接收的参考回声的振幅的测量并且确定要施加于该传感器的增益控制的值以将参考回声的振幅保持在确定的设定值。
根据另一实施方式，装置还包括用于给每个测量传感器施加增益控制的设备，增益控制的值是针对与所考虑的测量传感器相同类型的参考传感器确定的增益控制的值的函数。
根据另一实施方式，装置还包括用于给每个测量传感器施加增益控制的设备，增益控制的值基本上等于针对与所考虑的测量传感器相同类型的参考传感器确定的增益控制的值。
根据另一实施方式，用与形成被检查部件相同的复合材料实现所述垫。
根据另一实施方式，作为前一实施方式的替代，垫由碳化硅或钢实现。
根据另一实施方式，每个参考超声传感器安装在分开的垫上。
本发明还有一个目的是用于在复合材料部件制造期间检查复合材料部件的结构的超声传感器组的自动校准方法。该方法使用根据本发明的装置以执行以下步骤:
-第一步骤，在第一步骤期间，在参考传感器上施加激励信号以使所述参考传感器向其上安装有所述参考传感器的参考垫中发射超声波，测量由该传感器接收的参考回声的振幅；
-第二步骤，在第二步骤期间，确定要施加给该传感器的增益控制的值以获得振幅值基本等于设定值的参考信号；
-第三步骤，在第三步骤期间，给与所考虑的参考传感器相同类型的测量传感器分配前一步骤确定的增益控制；
针对每个参考传感器，针对复合材料部件的制造过程的每个周期(温度、压力)，执行这个顺序的三个步骤至少一次。
根据本发明的方法还有利地允许消除温度对所使用的超声传感器的响应(灵敏度)的影响以确保检查。
其可以应用于在随时间的可变性(温度、湿度、咸度、压力等)可能影响传感器的灵敏度的环境中所使用的任何超声检查设备。
附图说明
本发明的特征和优点借助下面的依赖附图的描述将更明确，附图中：
-图1，与按照称为“LRI”(“LRI”是“液体树脂注入(Liquid ResinInfusion)”的英文首字母缩写)的方法实现复合材料部件有关的示意图。
-图2，描述本发明原理的示意图；
-图3，根据本发明的自动校准方法的原理的流程框图；
-图4，在由图1示出的LRI方法的框架中，使用根据本发明的自动校准方法的一种实现形式的示意图。
具体实施方式
在下文中，在将本发明的方法应用于检查按照LRI方法实现的复合材料结构的过程中来描述根据本发明的方法。该应用示例作为非限制性示例给出，其唯一目的是以简单和清楚的方式说明根据本发明的方法的特征和优点。
LRI方法允许在真空低压下制造复合材料部件。根据该方法，在由排水织物18、拉出装置(arrachage)171、172以及一个或更多个膜151、152组成的环境下，在模子12中布置干燥的织物预制件11。通过覆盖所述预制件的穿孔金属板14或英语中所谓的“压力均衡板(caul-plate)”，确保要制造的部件的平整度和厚度的校准。
注入方法本身包括连续地在模子中注入树脂，如图1所示，以浸透预制件11，随后加热树脂和预制件，以确保树脂的聚合。加热温度以及模子内部的压力在制造过程中根据确定的给定周期变化，以获得具有所需结构特征的部件。
在制造阶段，纤维预制件11中注入的树脂的状态也会在温度和压力的综合作用下变化，直到达到聚合状态。由此形成的复合材料部件11因此具有刚性结构。
在部件11的实现(即树脂的聚合)阶段，通常感兴趣的是知道聚合的进展程度以确保对工艺过程的控制。同样让人感兴趣的是，能够同样在制造中检验部件的健康状态即该部件的结构完整性，这尤其是通过下述检验进行的：检验是否存在会在部件中形成不想要的孔隙的气泡，以及是否存在形成部件的芯的层之间的、由部件的脱层引起的粘聚力损失。
这就是为什么在制造中在部件11附近通常放置测量传感器，特别是超声传感器，以实现用超声波探测不同实现阶段，即部件11受到的不同周期(温度、压力)中，部件的内部结构。
已知，根据所考虑的分析原理，即透射分析或反射分析，测量传感器布置在要制造的部件的每个面附近，如图2所示，一个面配备有超声发射器装置21e，另一个面配备有接收器装置21r；或者替代地，布置在单个面上，所使用的装置同时是发射器和接收器。
因此，在图2所示的配置中，可以例如通过使用超声传感器实现超声分析，超声传感器分别包括发射器21e和接收器21r，发射器21e整合在“压力均衡板”14中，这些装置以确定的方式分布在“压力均衡板”14的表面，并且布置成使得发射器21e的发射面面向预制件11，接收器21r整合在模子12中并且与同一传感器的发射器装置面对面布置，接收器21r的接收面布置成面向预制件11。包含由申请人提交的参考文献FR1258703的法国专利申请详细地描述了这样的布置。
传感器的这种布置在制造(例如交联)过程中，尤其通过测量发射的超声波在介质中的传播时间，能够实现对部件11的状态变化的超声检查。这种超声检查还可通过测量穿过材料的超声波所经历的衰减来实现，这种测量能够确定部件11的内部结构。
然而，超声传感器的灵敏度根据温度和压力变化这一事实使得这种对衰减的测量是难处理的。然而，原则上，其中放置这些传感器的介质，换句话说，在其中实现所考虑的部件的制造(即模铸)的空间中，经受不同制造步骤中的温度和压力的变化。
因此，由于传感器的灵敏度在不同步骤中变化，利用借助布置为面向预制件11的传感器针对制造的不同周期获得的、对超声波在制造中的材料中的衰减的测量通常是困难的。
为了解决该困难，本发明提出使用能够任何时候纠正超声传感器的灵敏度变化的自动校准，以能够与温度和压力的变化无关地处理对衰减的测量。图2的示意图示出了能够实现该自动校准的装置。
如图2所示，根据本发明的方法提出使用包括一个或更多个参考传感器的装置，这取决于针对实现过程中的部件的检查使用的超声传感器是相同类型的传感器或不同类型的传感器。在第二种情况下，根据本发明的装置包括用于所使用的每种类型的传感器的参考传感器。
根据本发明，每个参考传感器安装在墩状结构或参考垫23上，形成的组合体放置在与制造中部件11相同的环境中。
该参考垫23优选用具有一种结构的材料来实现，该结构使得穿过该垫的超声波的衰减在所考虑的温度和压力范围内是不变化的，或者至少，例如超声波随温度和压力的衰减变化是已知的。为此，可以例如使用其机械性质、特别是杨氏模量在所考虑的温度范围，通常是从20℃到200℃的范围内几乎不变，的钢或碳化硅垫(杨氏模量的变化小于10％)。
此外，根据超声传感器的宽度来限定该垫的尺寸，从而尤其使得传播时间足以在多次反射的情况下较好区分回声。优选地，选择其尺寸通常为50mm长、50mm宽、5mm厚的垫。传感器布置在50mm x 50mm的面上，由超声波穿过的厚度因此等于5mm。
值得注意的是，在知道衰减的特征，把所发射的超声波的振幅当做恒定的情况下，可以确定由安装在所考虑的参考垫23上的参考超声传感器示出的接收增益的变化，该变化尤其是该传感器所暴露的压力和温度变化的函数。那么，可以通过因此修改施加到参考传感器的接收器22r的增益控制值25补偿该变化，以在该传感器的输出26处获得具有给定恒定水平的信号。
随后可以有利地使用这样确定的增益控制25的修改的值g’，以在测量阶段修改与所考虑的参考传感器相同类型的测量传感器的接收器21r的增益，从而补偿这些测量传感器的接收增益的变化。由于这些传感器与参考传感器的类型相同，并且放置在相同环境中，这些传感器的增益的变化基本上与参考传感器的增益的变化基本相同，使得通过给测量传感器的接收器施加值等于g’的增益控制27，可以有利地纠正该变化。
从而，根据本发明的自动校准的方法利用对该增益变化的确定，以实现测量传感器的校准，这些测量传感器在制造过程中实现对所考虑的复合材料部件的检查。如图3所示，根据本发明的校准方法为此执行以下步骤：
-第一步骤31，在第一步骤31期间，首先，给所考虑的参考传感器的发射器22e施加由信号发生器29提供的激励电信号28，使得发射器22e发射给定振幅的超声波穿过在其上面安装参考传感器的垫23，然后，在该第一步骤期间，测量与由参考传感器的接收器22r接收的参考超声回声相对应的测量信号24的振幅，该回声对应于发射后穿过垫23之后的超声波。
-第二步骤32，在第二步骤32中，确定要施加给所述参考传感器的接收器22r的增益控制25的值g’，以便测量信号24的振幅值基本上等于另外确定的设定值。该步骤例如通过测量和控制设备211来实现，测量和控制设备211通过每个传感器(测量传感器或参考传感器)测量传送的信号24、26的振幅，并且分别控制施加给每个传感器的增益控制25、27。
该值的确定例如通过迭代来实现。在每次迭代中，在参考传感器上施加给定值的增益控制25并且确定由该传感器的接收器22r提供的测量信号的水平，重复该操作直到增益控制25的值g’能够获得基本上等于设定值的测量信号24。
该设定值通常被固定使得测量信号24与参考回声相对应，参考回声的水平明显大于噪声水平而不导致传感器饱和。
-第三步骤33，在第三步骤33期间，修改要施加给测量传感器的接收器21r的增益控制27的值，使之等于第二步骤中确定的增益控制25的值。
根据本发明，针对所考虑的参考传感器，执行上述顺序的三个步骤，优选地，针对涉及温度和/或压力的值的变化的部件11的制造的每个步骤，至少执行一次上述顺序的三个步骤。这样，对于每个步骤，可以调节不同的测量传感器的增益控制27，以优化由每个传感器检测的回声的水平。
值得注意的是，根据测试系统的结构而定，用于控制不同传感器(测量传感器或参考传感器)并且实现测试操作和校准操作的设备可以具有不同的性质。因此，可以使用能够同时控制所有传感器的设备，或者能够依次控制不同传感器的设备。图4示出了使用的示例，对应于被配置用于顺序而非同时地实现不同传感器的控制的测量系统。
在不限制在此示出的本发明的范围或目的的该应用示例中，部件11的测量装置包括两种类型的测量传感器，使得根据本发明的校准装置本身包括两个校准传感器。使用根据本发明的校准装置的元件的设备在此还完全整合到测量系统中。
其结果是，在运行中，测量和校准传感器轮流接收来自发生器29的激励信号，通过由控制部件例如测试系统的计算机(图4上未示出)控制的复用/解复用电路，该信号被交替提供到不同的传感器，即测量传感器或参考传感器。
在例如图4示出的配置中，当其被激发时，每个传感器的发射器21e、41e、22e或42e发射超声波，接收器21r、41r、22r或42r接收发射的波穿过部件11或参考垫23或43的传播所产生的回声。
相应的测量信号通过复用/解复用电路被传送到测量操作设备211。此外，系统的每个传感器通过复用/解复用电路接收由测量设备211提供的增益控制25、45、27或47。
将校准装置整合到整个测量系统中的这种结构能够交替地控制所述传感器组，以便在涉及狭义的测量方面，能够针对每个测量传感器交替地实现测量。
类似地，通过依次使用参考传感器和参考传感器，以及针对每个传感器执行根据本发明的校准方法来实现校准操作。在针对参考传感器的校准阶段这样确定的接收增益控制25、45值随后被施加给相应的测量传感器的接收增益控制。因此，施加给与校准传感器相同类型的测量传感器的增益控制27的值是执行校准过程之后针对传感器确定的增益控制25的值。同样，施加给与校准传感器相同类型的测量传感器的增益控制47的值是执行校准过程之后针对传感器确定的增益控制45的值。
值得注意的是，就图2所示的情况而言，根据本发明的校准装置是在被整合到全局测试系统中的大的测量环境中，所述全局测试系统负责使用测试传感器，以及利用由控制和测量设备211获得的测量结果。所述校准装置是在此未示出的测试系统的总计算机，执行描述每个参考传感器的校准方法的算法。
为此，在校准阶段，其控制参考传感器的激励，通过迭代修改施加给所述参考传感器的增益值，控制由该传感器提供的接收信号的测量信号的获得，以确定最佳增益值。针对不同的参考传感器依次执行校准阶段。
其结果是，在测量阶段，其进行控制，将针对每个参考传感器确定的接收增益的最佳值施加给与所考虑的参考传感器相同类型的每个测量传感器。
因此可以通过前面的描述看到，由于使用根据本发明的自动校准设备，借助超声传感器，可以明显改善复合材料部件制造期间在复合材料部件上实现的测量。事实上，由于制造过程中实现的校准操作，所分析的信号的振幅可以保持在最佳值，由传感器的接收处的固有增益变化引起的、传感器提供的信号的振幅的变化可以被消除，因此，该信号的振幅的任何变化可以直接归因于制造中的部件的结构的变化，尤其归因于树脂的粘弹性状态的变化、纤维密度的变化或者可能存在的气泡或空隙。
Claims (9)
1.一种用于在制造期间检查复合材料部件(11)的结构的测量超声传感器组的自动校准装置，其特征在于，其包括在与所述复合材料部件(11)相同的环境中，放置在所述复合材料部件(11)附近的一组参考超声传感器，每个参考超声传感器安装在校准垫(23，43)上，能够被激励以实现对参考回声的振幅的测量，所述参考回声由所述参考超声传感器发射的超声波穿过所述参考超声传感器安装在其上面的垫(23，43)之后形成，该组至少包括用于检查所述复合材料部件(11)的结构的每种类型的测量超声传感器的所述参考超声传感器；所述装置还包括用于在所考虑的复合材料部件的制造过程中在确定时刻激励每个参考超声传感器的设备，实现由该参考超声传感器接收的参考回声的振幅的测量并且确定要施加于该参考超声传感器的增益控制(25，45)的值以将参考回声的振幅保持在确定的设定值。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，其还包括用于给每个测量超声传感器施加增益控制(27，47)的设备(211)，增益控制(27，47)的值是针对与所考虑的测量超声传感器相同类型的参考超声传感器确定的增益控制(25，45)的值的函数。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，其还包括用于给每个测量超声传感器施加增益控制(27，47)的设备，增益控制(27，47)的值等于针对与所考虑的测量超声传感器相同类型的参考超声传感器确定的增益控制(25，45)的值。
4.根据任一项前述权利要求所述的装置，其特征在于，用与形成所述测量超声传感器组所检查的所述复合材料部件(11)的复合材料相同的复合材料实现垫(23，43)。
5.根据权利要求1至3的任一项所述的装置，其特征在于，所述垫(23，43)由碳化硅或钢实现。
6.根据权利要求1至3的任一项所述的装置，其特征在于，每个参考超声传感器安装在分开的垫(23，43)上。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，每个参考超声传感器安装在分开的垫(23，43)上。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，每个参考超声传感器安装在分开的垫(23，43)上。
9.一种用于在复合材料部件制造期间检查复合材料部件(11)的结构的测量超声传感器组的自动校准方法，其特征在于，其使用根据任一项前述权利要求所述的装置以执行以下步骤:
-第一步骤(31)，在第一步骤(31)期间，在参考超声传感器上施加激励信号以使所述参考超声传感器向上面安装有所述参考超声传感器的参考垫(23，43)中发射超声波，测量由该参考超声传感器接收的参考回声的振幅；
-第二步骤(32)，在第二步骤(32)期间，确定要施加给该参考超声传感器的增益控制(25，45)的值以获得振幅值等于设定值的参考信号；
-第三步骤(33)，在第三步骤(33)期间，给与所考虑的参考超声传感器相同类型的测量超声传感器分配前一步骤确定的增益控制；
针对每个参考超声传感器，针对复合材料部件(11)的制造过程的每个周期，执行这个顺序的三个步骤至少一次。
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