CN105372497B - 用于电导率评估的磁耦合 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于电导率评估的磁耦合，本申请公开一种方法，该方法包括建立在发射线圈和接收线圈之间的被测的复合材料结构(SUT)。发射线圈由在多个频率上的RF信号来驱动，从而使发射线圈产生磁场，该磁场通过穿过SUT磁耦合在接收线圈中感应电压。接收线圈上的电压被测量，并且根据该电压产生由发射线圈和接收线圈之间的SUT引起的RF信号的衰减的测量值。而且SUT的有效导电率根据衰减的测量值被计算。

Description

用于电导率评估的磁耦合
技术领域
本发明总体涉及无损检测(NDT)，并且具体涉及具有复合材料的面板或部件的NDT，该复合材料具有导电元素，诸如碳纤维增强塑料(CFRP)、硼纤维复合材料、介电复合改性导电成分或具有至少一个导电层的混合物。
背景技术
传统的铝飞行器结构通常具有固有的防雷保护。铝蒙皮结构具有均匀性和可预测性，包括电性能。电导率影响电磁效应(EME)，例如，闪电、屏蔽、沉积静电和静电性能。铝的高导电性提供了固有屏蔽。因此，电流被引导在外部结构上，而不是在内部结构和系统上，减少额外的保护功能的需求，诸如电缆屏蔽或燃料罐密封，以控制火花。对由雷电所致的蒙皮击穿的防护可以通过调整铝蒙皮厚度来提供。在传统的飞行器结构区域，其中蒙皮是非导电的，例如，天线罩、气动整流罩、金属母线可用于外部表面，以直接将雷击电流引到铝结构。防雷的展开的金属箔、金属丝编织网和互交金属线形式往往共同固化成复合保护层，以防止雷电击穿部件和/或提供电磁屏蔽。
提供针对导电复合材料结构(诸如碳纤维增强塑料(CFRP))的防雷保护比针对典型的铝结构的更为困难和复杂。导电复合材料是非均匀的，电导率比铝小很多。导电复合材料结构诸如CFRP板的电导率可因此是重要的参数，以确定在雷击期间的复合材料的性能。在另一环境中，电导率可以是在涉及这些结构的感应加热过程中获知的重要的参数。电导率和厚度也决定屏蔽特性。不同的频率对应于不同类型的屏蔽。
对于多层复合材料结构，了解结构在层(ply)、横向于层以及层间的方向的电导率可是期望的。层间电导率可尤其重要，因为它可以根据边缘发光和紧固件的火花驱动雷电性能。对于感应加热，层间电导率的知识可表明局部热点。
目前存在用于测量复合材料结构的层间电导率的技术。在一种技术中，层间电导率可以用样本结构的多个样品上的电流脉冲测量值来测量。这种技术要求与样本的直接电接触，并且准备样品可是耗时的。此外，测试本身需要显著的时间量。不同的样本结构往往产生不同的层间电导率，而不知道这是否是由于测试样本的变化或测试本身的变化。目前的技术要求加工、打磨、电镀样本结构为小的紧公差样本；并且在结构被测试之后，它们不能被再次使用。表征新型复合材料结构的层间电导率是一个漫长而费力的过程。测量值需要针对接触电阻进行校正。
还没有可靠的方法用于在经受环境调节时监控某些类型的样本的腐蚀降解。现有技术需要用探头(probe)接触它们，通常是在通过复合材料上的树脂层的打磨后。这可比如果将样本全部完好无损地留在贯穿整个调整中导致更多的降解。这对于需要以规则的间隔检查样本的盐雾尤其有问题的，因为打磨创建可加速腐蚀的水通道。探头的共固化(co-curing)或安装特殊特性用于接触，而不是砂纸打磨(sanding)来改变测试物品。
因此，具有考虑以上所讨论的问题中的至少一些依据其他可能问题的系统和方法可以是期望的。
发明内容
本公开的示例实施方式通常涉及用于对具有形成结构的至少一个导电层或特征的复合材料结构的无损检验(NDT)的系统和方法，该结构的电导率可以是各向异性的。碳纤维增强塑料(CFRP)板是合适的结构的一个示例，尽管还有其他的。该系统和方法避免破坏或另外修改结构。并且此外，该系统和方法可以允许在服务中评估以维护和修理可足够进入的部件或其它结构。
该系统可以包括一对线圈，其中被测的结构(SUT)(structure under test)(例如，CFRP板)可放置在该对线圈之间。线圈之一可以利用在宽的频率范围内的源来驱动，并且在另一线圈上的电压可以被测量。SUT的屏蔽效力可以测量屏蔽效力，从而计算其电导率。在一些示例中，诸如在多层SUT的情况下，利用多组不同尺寸的线圈可获得测量值。因为在层间方向的电导率不同于在层方向的电导率，来自不同线圈大小的响应可以被用于确定层间电导率。
根据示例实施方式的一个方面，一种方法被提供，该方法包括建立在发射线圈和接收线圈之间的被测的复合材料结构(SUT)。该方法包括利用在多个频率上的射频(RF)信号驱动发射线圈，从而使发射线圈产生磁场，该磁场通过穿过SUT的磁耦合在接收线圈中感应电压。该方法包括测量在接收线圈上的电压，并且根据该电压产生由发射线圈和接收线圈之间的SUT引起的RF信号在多个频率上的衰减的测量值。而且该方法包括根据衰减的测量值计算SUT的有效电导率。
在一些示例中，有效电导率在全局坐标系的各个正交轴具有分量。在这些示例中，计算有效电导率包括具体计算一个或多个分量，例如，以包括根据布置的有限元模型来执行有限元分析的方式，其中该布置包括发射线圈和接收线圈以及在它们之间的SUT。
在一些示例中，SUT具有平行于发射线圈和接收线圈的相对主表面(opposingmajor surface)，并且有效电导率的分量包括平行于SUT的主表面的第一分量。在这些示例中，具体计算的一个或多个分量包括具体计算第一分量。
在一些示例中，SUT具有平行于局部坐标系的主轴取向的嵌入纤维。在这些示例中，具体计算一个或多个分量包括根据局部坐标系的主轴偏离全局坐标系的各个正交轴中的相应的一个的任何角偏移来计算具体一个或多个分量。
在一些进一步的示例中，SUT(106)是多层结构，所述多层结构包括第一层和第二层，该第一层具有取向平行于第一局部坐标系的第一主轴的嵌入纤维，该第二层具有平行于第二局部坐标系的第二主轴的嵌入纤维取向。在这些更进一步的示例中，具体计算一个或多个分量包括进一步根据第一局部坐标系的第一主轴和第二局部坐标系的第二主轴中的每个偏离全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个分量。
在一些示例中，发射线圈和接收线圈形成布置。在这些示例中，建立、驱动和测量针对第一布置被执行，在第一布置中，发射线圈和接收线圈具有第一直径以产生衰减的第一测量值。该建立、驱动和测量针对第二布置被重复，在第二布置中，发射线圈和接收线圈具有不同的第二直径以产生衰减的第二测量值。具体计算一个或多个分量接着包括从衰减的第一测量和衰减的第二测量值来具体计算一个或多个分量。在此，用于具体计算一个或多个分量的有限元分析可以根据第一布置和第二布置的有限元模型来执行，第一布置和第二布置的每个在其之间具有SUT。
在示例实施方式的其它方面中，一种用于SUT的无损检测的系统被提供。在此所讨论的特征、功能和优点可在多种示例实施方式中独立地实现，或在其它示例实施方式中被组合，其它示例实施方式的进一步的细节可以参照以下的描述和附图获知。
附图说明
已经以通用术语描述本公开的示例实施方式，现在将参考附图，该附图不必要按比例绘制，并且其中：
图1是根据本公开的示例实施方式的系统的图示；
图2根据示例性实施方式示出在多个不同的环境中在期望的频率范围内的衰减的图；
图3和图4根据示例实施方式示出在两种环境中的二维轴向对称的有限元模型；
图5根据一些示例实施方式示出可对应于被测结构(SUT)的多层结构的示例；
图6根据一些示例实施方式示出可对应于多层SUT的SUT或层的结构；
图7A和图7B根据一些示例实施方式示出不同的相应直径的发射电磁线圈和接收电磁线圈的布置；
图8是根据一些示例实施方式示出方法中的各个步骤的流程图；以及
图9示出根据一些示例可被配置为至少部分地实现图1的系统的分析系统的装置。
具体实施方式
现在将参照以下附图更详细地描述本公开的一些实施方式，其中本公开的一些实施方式而不是全部被示出。事实上，本公开的各个实施方式可以多种不同的方式被实施，并且不应被解释为限制在此阐述的实施方式；相反，这些示例性实施方式被提供以使本公开将是彻底的和完整的，并且将充分地向本领域技术人员传达本公开的范围。例如，除非另外指出，以第一，第二等呈现的参考事物不应该被解释为暗含特定的顺序。另外，一些可被描述为可在以下被替代的上述其他事物(除非另有说明)，反之亦然；同样地，被描述为其他事物的左侧的事物可以替代成右侧，反之亦然。在全文中，相同的附图标记指代相同的元件。
图1根据本公开的各种示例实施方式示出系统100。该系统可用于具有各向异性电导率的导电性复合材料结构的无损测试。该结构可以具有受控的几何形状，诸如在碳纤维增强塑料(CFRP)板的情况下。合适结构的其它示例包括可被共固化或附连到电介质基片或导电基片的金属化层。这些金属化层诸如镍涂覆的纤维、交织金属丝、扩展箔、导电贴花以及类似物。这些及类似的结构可被表征为它们的面积属性以及它们的接头的电导率。
如图所示，该系统可包括包含发射电磁线圈102和接收电磁线圈104(电磁线圈有时简称为线圈)的布置。在一些示例中，发射线圈和接收线圈可以是50匝线圈，并且可以间隔开小于或等于线圈的半径的距离。例如，发射线圈和接收线圈具有大约2.5英寸的半径(大约5英寸的直径)，并且该发射线圈和接收线圈可以间隔开小于或等于大约2.5英寸的距离。
发射线圈102和接收线圈104可被配置为接收(receive)在它们之间的被测结构(SUT)106，其中在一些示例中的SUT是正在经受无损测试的导电性复合材料结构的具体实例。在一些示例中，可以在线圈之间接收SUT，使得SUT物理上不接触任一线圈。在CFRP板的情况下，一些示例的SUT可具有大约1/16英寸和1英寸之间的厚度。
发射线圈102和接收线圈104可以耦合到信号发生器108、接收器对110、112以及信号处理电路，在一些示例中，信号处理电路可以由网络分析仪114提供。在一些示例中，发射线圈可通过适当的非线性晶体至BNC(banana-to-BNC)适配器116耦合到信号发生器，并且通过适当的电流探头118耦合到接收器对中的一个。类似地，在一些示例中，接收线圈可通过适当的非线性晶体至BNC适配器120耦合到接收器对中的另一个。本公开的示例实施方式可在以下网络分析仪的上下文中被描述，该网络分析仪包括信号发生器、接收器对和信号处理电路。然而，应理解的是，相应组件中的任何一个或多个可以是独立的组件，并且可以不需要网络分析仪。
耦合到发射线圈102的信号发生器108可以被配置为产生在期望的频率范围内的多个频率(例如，100Hz到10MHz)上的射频(RF)信号。信号发生器可以由此使用多个频率上的RF信号驱动发射线圈。RF信号可以为(在示出为通道R的接收器中的一个处所测量的)穿过发射线圈的电流的形式，并且使得发射线圈产生磁场，该磁场通过穿过SUT 106的磁耦合感应出(在示出为通道A的接收器处所测量的)在接收线圈104中的电压。耦合到发射线圈和接收线圈的接收器对110、112和信号处理电路可以被配置为测量在接收线圈中的电压(VA)除以(divided by)穿过发射线圈的电流(/IR)(VA/IR)。
在一些示例中，在测量SUT 106之前，系统100可以不具有放置在发射线圈102和接收线圈104之间的结构在期望的频率范围内被校准，并且从而去除可能与SUT无关的频率依赖响应，例如，发射线圈102和接收线圈104或电流探头118的频率响应。在这点上，类似于上述的操作系统的过程可以被执行，而无需在线圈之间的结构，并且接收线圈中的电压(V1)的测量值可被产生。然后高导电性、非磁性的金属结构诸如铝板可在线圈之间被接收，并且重复该过程以产生在接收线圈中的，随后电压(Vpanel)的测量值可以被校准测量值(Vpanel/V1)参考。
在一些示例中，高导电性非磁性结构可以是电气厚的(electrically thick)(例如，超过三个蒙皮深度的厚)，并且显著地衰减扩散穿过结构的场。高导电性非磁性结构可以电气地比SUT 106厚，使得SUT的所测量的衰减可以由高导电性非磁性结构的测量的衰减(高衰减界限)和没有任何结构下的测量的衰减(低衰减界限)为界。测量的高导电性非磁性结构的衰减可受限于环绕结构边缘周围的场，并且用作为来自SUT的测量的噪声基底(noise loor)。
接收器对110、112和网络分析仪114的信号处理电路可以产生由发射线圈102和接收线圈104之间的SUT 106所导致的在多个频率上的RF信号的衰减的测量值。图2是根据本公开的示例实施方式示出在多种不同环境中的在期望的频率范围内的衰减的图。也就是说，该图示出在没有线圈之间的结构的系统的环境中和在具有线圈之间的各种结构的系统的环境中的衰减的测量值，所述各种结构包括高导电非磁性的铝板、准各向同性CFRP板以及单向CFRP板。铝板的衰减的测量值是低的，并且可随噪声出现(高衰减界限)，而在没有线圈之间的结构的系统的环境中的铝板的衰减测量值在期望的频率范围内大约为0dB(低衰减界限)。
RF信号衰减的测量值可以反映作为频率的函数的由发射线圈102产生的磁场的衰减。衰减可以是SUT的有效电导率(σeff)、频率(ω)、磁导率(μ)和厚度(t)的函数或记作：
衰减＝f(σeff,ω,μ,t)
在一些示例中，SUT 106可以是非磁性的并且具有大约为1的相对磁导率(μr≈1)。SUT的频率(ω)和厚度(t)可以是已知的，并且因此SUT的有效电导率(σeff)的值可以从衰减的测量值来计算。
为在一些示例中计算有效电导率，信号处理电路或者更加总体上的网络分析仪114可以耦合到分析系统122。衰减可以是有效地电导率的函数。而且分析系统可以被配置为根据衰减的测量值来计算SUT的有效电导率，诸如以包括被配置为根据发射线圈102和接收线圈104以及它们之间的SUT 106的有限元模型来执行有限元分析的分析系统的方式。
图3和图4根据本公开的示例实施方式示出在两种环境中的二维轴向对称的有限元模型300。该模型描述了发射线圈302和接收线圈304。图3示出由RF信号以一种频率驱动的发射线圈，并且显示在发射线圈和接收线圈之间无结构的来自发射线圈的磁场磁通线。图4示出在线圈之间具有SUT 402的相同的模型，对磁场线具有明显的扰动。接收线圈中感应出的电压可表示磁场磁通匝链数(flux linkage)，可看出磁场磁通匝链数由SUT降低。
在一些示例中，SUT 106的有效电导率在全局坐标系(x，y，z)的各个正交轴上具有分量，并且分析系统122可配置为具体计算一个或多个分量。SUT可具有与发射线圈102和接收线圈104平行的相对主表面(opposing major surface)，并且有效电导率的分量可包括平行于SUT的主表面的第一分量。然后具体计算的(多个)分量可至少包括该第一分量，在多个SUT的环境中具体计算的(多个)分量可以是有效电导率的层间分量(interplycomponent)。
图5示出包括第一层和第二层500a、500b的多层(multiply)结构500的示例。图5的结构在一些示例中可以对应于图1的SUT 106，并且参照全局坐标被示出，在一些示例中可涉及伴随由发射线圈102产生的并入射在SUT上的磁场的电场。图6示出可对应于多层SUT中的SUT或层诸如图1的SUT106(或它的层)的结构600的示例，并且图6参考SUT/层的局部坐标系统(被示为主要坐标)。
如图5和图6所示，结构500、600可以包括平行于SUT/层的局部坐标系统(x'，y'，z')的主轴(例如，x'轴)取向的嵌入纤维502、602。在一些示例中，多层SUT的不同层的主轴可以是相同或不同的，并且局部坐标系的任一或两个可以偏离全局坐标系具有角偏移(φ)。在图5中，纤维和由此第一层500a的第一主轴可以与全局坐标系(φ＝0°)对齐，而纤维和由此第二层500b的第二主轴可以偏移于全局偏移坐标系(φ＝90°)。在一些示例中，然后，分析系统122可以被配置为进一步根据SUT/层的局部坐标系的主轴(例如，x'轴)偏离全局坐标系的各个主轴(例如，x'轴)的相应的一个主轴的任何角偏移来具体计算有效电导率的分量。
根据示例实施方式的SUT 106的有效电导率可如下表示为：
σeff*E＝J
其中，E表示在SUT中产生的电场的量级(magnitude)，并且J表示SUT中电流密度的量级。有效电导率、电场以及电流密度也可以通过其矩阵形式的分量表示如下：
Figure BDA0000781283130000081
甚至进一步，对于不均匀的多层SUT，每层可具有如下的电导率矩阵：
Figure BDA0000781283130000082
在全局坐标系与多层SUT的SUT 106或层的主轴对齐的示例中，如果假定入射电场不具有z轴分量，则电导率矩阵可以表示为：
Figure BDA0000781283130000083
在全局坐标系统不与SUT/层的主轴对齐的其它实例中，
Figure BDA0000781283130000084
并且电导率矩阵可以旋转角度φ以消除交叉项σxy：
Figure BDA0000781283130000085
SUT/层的有效电导率矩阵可因此表示如下：
Figure BDA0000781283130000086
多层SUT的有效电导率接着可以被计算自上面的等式σeff，作为每层有效电导率的总和，均说明了层的主轴偏离全局坐标系的任何角偏移。在一个示例中，其中多层SUT包括具有角偏移φ＝0°、90°以及+/-45°取向的层，SUT的有效电导率可如下计算为：
σeff_SUT＝n0σeff(0°)+n9Oσeff(90°)+n45σeff(45°)+n-45σeff(-45°)
这里n0、n90、n45和n-45分别表示0°层、90°层、45°层以及-45°层的数量。
分析系统122可以利用有限元分析工具来计算σeff，这可对更复杂的驱动器诸如从发射线圈102入射到多层SUT上的场尤其有利。合适的有限元分析工具的一个示例是购自马萨诸塞州伯灵顿的COMSOL公司的COMSOL
Figure BDA0000781283130000091
(FEMLAB)。在一些示例中，多层SUT中的单层的有效电导率的分量可以被输入到有限元分析工具，然后该有限元分析工具可以在SUT由复杂的场驱动时计算SUT的层的组合的有效电导率。在一些示例中，层的主轴方向上的有效电导率(例如，σxx)可以是已知的，这仅留下两个未知分量(σyy，σzz)。
在一些示例中，可以期望重复以上具有不同直径的线圈的布置以产生多个独立表达式，根据这些表达式SUT 106的有效电导率的多个未知分量可以被计算。如图7A和图7B所示，该布置可包括第一布置和第二布置，在第一布置中，发射线圈102a和接收线圈104a具有第一直径d1，并且在第二布置中，发射线圈102b和接收线圈104b具有不同的第二直径d2。在这些示例中，信号发生器108可以被配置为分别驱动第一布置和第二布置的发射线圈。同样地，接收器对110、112和信号处理电路可被配置为分别产生针对第一布置的RF信号的衰减的第一测量值，以及针对第二布置的RF信号的衰减的第二测量值。分析系统122可以被配置为根据第一衰减测量值和第二衰减测量值具体计算有效电导率的(多个)分量。这里，用于具体计算有效电导率的(多个)分量的有限元分析可以根据第一布置和第二布置的有限元模型来执行。
进一步到涉及线圈102、104的多种设置的以上方面，返回参照图5，图5也示出在多层结构500中感应的在第一层500a和第二层500b之中和之间的涡流路径，然后以针对其维度分离地相同的电流路径。另外，为了便于说明，正方形的电流路径可以被假定，尽管电流路径可以是更圆的。在如此的SUT中，如所示，有效电导率(σeff)不与电流路径的尺寸成比例。因此，使用两组不同直径的线圈可产生两个独立的等式，等式的两个未知数σyy和σzz可被计算。
在已知的长度(L)、宽度(w)和厚度(t)的多层结构500中，第一层500a的电流可扩展结构的宽度，使得在x方向上的电阻可如下为：
Rx＝1/(σxx*t)*(L/w)＝1/(σxx*Δt)*(x1/y1)
其中，x1、y1和△t分别表示x、y和z方向上的电流路径的尺寸。
在到达第一层500a的x方向上的最远点时，电流可试图以第一层中的y方向流动，但y定向的电导率可以足够大以至电流反而以z方向从第一层流到第二层500b。虽然z定向的电导率往往是最低的，电流必须过渡的距离(t)通常是非常小的。这可以导致电流在层之间过渡和沿第二层的主轴的流动，而不是保留在第一层并以垂直于主轴的y方向流动。
z方向上的电阻可表达为：
Rz＝Δt/(σzz*x1*y1)
第二层500b的(90°层)的电阻可以类似于第一层500a的电阻的方式来表示，例如，如下所示：
Ry＝1/(σxx*Δt)*y1/x1)
其中，这里σxx是第二层的主轴上的有效电导率。并且回路的总电阻可以表示为：
RTotal＝2*Rx+2*Ry+4*Rz
对于方形结构500的方形电流路径(square current path)，其中：L＝w和x1＝y1，Rx和Ry可缩放为(x1/x1)，因此增加电流回路的尺寸不能明显改变Rx和Ry。然而，Rz缩放为(1/w*L)，使得增加环路尺寸可对Rz产生显著影响。针对不同直径的发射线圈102和接收线圈104的两个不同的组，RTotal与电流路径的尺寸不成比例。不同线圈尺寸可产生两个不同的RTotal值，根据这两个不同的RTotal值可计算y方向和z方向(σyy，σzz)的电导率值。
来自发射线圈102和接收线圈104的场及它们与SUT 106的相互作用可以是复杂的，这可能在分析解决问题中产生困难。如以上所建议的，然后，分析系统122可利用能够处理几何复杂性的有限元分析工具诸如COMSOL来求解SUT中的电磁涡流流量。电导率矩阵具有其正交轴分量(σxx，σyy，σzz)的三个未知数，但是这些分量中的一个(例如，σxx)实际上可是已知的，从而将该问题的复杂性降低到两个未知数(σyy，σzz)。这些未知的值可以被假定直到测量的σeff可以被匹配。
在一些示例中，SUT 106的几何形状，例如，在多层SUT的情况下的SUT106的厚度或SUT 106的层的厚度、层的数量及方向等，可以是已知的和良好控制的。合适的有限元模型可在期望的频率范围内的多个频率上运行，其中固定的发射线圈102和接收线圈104被驱动以已知的RF信号电流。网络分析仪114可计算到接收线圈的磁通匝链数(考虑未知板的衰减)，网络分析仪114也可以用于计算接收线圈的电压。分析系统122可以对多组不同直径的线圈的布置建模，并且计算或以其他方式调整σyy和σzz的值以匹配来自测量值的结果。
图8是根据本公开的一些示例实施方式示出的方法800的各个步骤的流程图。如框802所示，该方法可包括设置包括在发射线圈102和接收线圈104之间的SUT 106的布置，其中SUT是具有各向异性电导率的导电性复合材料结构。如框804所示，该方法可包括以在多个频率上的RF信号驱动发射线圈。RF信号可以电流穿过发射线圈的方式，这可导致发射线圈产生磁场，该磁场通过穿过SUT的磁耦合在接收线圈中感应电压。如框806所示，该方法可包括测量接收线圈中的电压除以穿过发射线圈的电流。这样产生由发射线圈和接收线圈之间的SUT引起在多个频率上的RF信号的衰减的测量值。在一些示例中，可针对第一和第二布置重复这些步骤，其中发射线圈和接收线圈具有第一直径和不同的第二直径以分别产生衰减的第一测量值和第二测量值，如框808所示。而且该方法可以包括根据衰减(或衰减的第一和第二测量值)的测量值计算SUT的有效电导率，其中衰减是有效电导率的函数，如框810所示。
根据示例实施方式，SUT 106的有效电导率可被计算为SUT的有效电导率的绝对值或者相对变化，并且可用于多种环境中。例如，SUT的有效电导率可以规则的间隔被计算同时其是受环境制约的。特别是当仅检查材料结构时，简单绘制具有一组发射线圈102和接收线圈104的测量值以监测随时间的相对差可更具有成本效益。在环境调节结束时，该材料结构的示例可以利用传统的电导率测量值被加权重、破坏性检查以及测量，以便更好地理解示例实施方式的值。接着，有效电导率中的这些变化可与腐蚀、破裂或其他降解机构关联在一起，并被用于以后的测试。
在其他示例中，其中材料结构被限定为特定应用，更复杂的算法方法和来自多组发射线圈102和接收线圈104的测量值对优化屏蔽和/或雷电设计是有益的。
考虑涂覆金属复合材料，其是一种特定类型的材料结构，没有已知可靠的方法在不损害其完整性的情况下监测在湿度调节期间的电导率。在其他情况下，用于雷电保护的材料结构的类型的示例包括编织金属织物、扩展箔和交织金属丝织物(结合碳织物的金属丝)，该材料结构的电导率通常难以表征。这些雷电保护的材料结构可与复合材料结合或共固化。它们在空中或空间飞行器的外部上具有某种形式的树脂，该树脂提供了用于油漆的平滑表面和某些环境保护。传统的电阻测量技术需要打磨通过保护的树脂层以到达金属，从而获得可靠的测量。树脂层的这种打磨以及去除树脂顶部的油漆损害测试。舍弃胶带或脱落边缘油漆以使探头接入也损害样本。许多不同的技术已与现有的电阻测量技术一起被尝试，但没有一个是可靠的和具有成本效益的。
经常“X”被刻划在材料结构的示例中，以制造优选的腐蚀位置，这可进一步复杂化传统电导率测量的使用。
本公开的实例实施方式可在启动材料结构的示例的调理之前并且接着周期性地在延长的持续时间(例如，3000小时)高湿暴露期间和其后被使用。示例实施方式可只需要一两分钟来运行，并且不会损害油漆或树脂。结构的边缘可被油漆和/或压胶，因为探头不是必需的。示例实施方式可用于表征无接头以表征面积的和接头结构的两种结构，在接头结构处金属接头的类型和大小是变化。接头易于腐蚀更多面积，因此根据预期降解适当地调整它们的大小可是重要的。实施实施例也可对金属化混合物有益。在至少一层是导电的示例中，至少相对的测量值是可以有价值的。
这是公认的，即电导率影响电磁效应(EME)诸如雷电、屏蔽、沉积静态和静电性能。甚至了解材料结构的相对性能可提供重要的益处。裂化和EME性能之间的关系未很好地建立。示例实现方式可以提供一种低成本非侵入的方法来评估其它变量。示例实施方式可以结合热液循环使用以评估微裂化和腐蚀。对于传统的电阻测量，打磨以提供探头进入嵌入式金属防雷也可能影响这些结果。类似于湿度测试，在测试需要处的破坏性检查可以结合来自示例实施方式的数据来使用以评估材料的性能。
另一示例，其中相对比较的一个尺寸的线圈可建立用于雷电火花试验的初始测试水平，特别是当已经存在相同的材料而具有不同结构或类似材料的数据。这可减少样本数量和做测试的时间。
根据本公开的示例实施方式，分析系统122可以通过各种方式实现，该方式可包括硬件，单独或在一个或多个计算机程序代码指令、来自计算机可读存储介质的程序指令或可执行计算机可读程序代码指令的指导下。在一个示例中，一个或多个装置可以被提供，该装置被配置为用作或另外实现分析系统。在涉及多于一个设备的示例中，各装置可以多种不同的方式相互连接或另外相互通信，例如，经由有线或无线网络等直接或间接地。
图9示出装置900，其根据一些示例可被配置为至少部分地实现分析系统122。通常，本公开的示例性实施方式的装置可以包括、包含或体现在一个或多个固定的或便携式电子设备。适合的电子设备的示例包括智能手机、平板计算机、膝上型计算机、台式计算机、工作站计算机、服务器计算机等。该装置可以包括多个部件中的每个的一个或多个，例如，连接到存储器904的处理器902。
处理器902通常是能够处理的信息，例如，数据、计算机可读程序代码、指令或类似物(有时通常称为“计算机程序”，例如，软件，固件等)，和/或其他合适的电子信息的任何计算机硬件。该处理器由电子电路的集合组成，该电子电路的一些可被封装为集成电路或多个互连的集成电路(有时集成电路更一般地被称为“芯片”)。该处理器可经配置以执行计算机程序，该计算机程序可以存储在处理器上或另外存储在存储器904(相同或其他装置的)。
处理器902根据特定的实施方式可以是多个处理器、多处理器核或某些其它类型的处理器。此外，处理器可以使用多个异构处理器系统来实现，在多个异构处理器系统中，主处理器与一个或多个次级处理器一起存在于单个芯片上。在另一说明性示例中，处理器可以是包含相同类型的多个处理器的对称多处理器系统。在另一示例中，处理器可以表现为或另外包括一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。因此，虽然该处理器可能够执行计算机程序以执行一种或多种功能，多种实施例的处理器可以能够执行一个或多个功能而无需计算机程序的帮助。
存储器904一般是任何计算机硬件能够存储信息，例如，在临时基础和/或永久基础上的数据、计算机程序(例如，计算机可读程序代码906)和/或其它合适的信息。存储器可包括易失性和/或非易失性存储器，并且可以是固定的或可移动的。合适的存储器的示例包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、硬盘驱动器、快闪存储器、拇指驱动器、可移动计算机磁盘、光盘、磁带或以上的某些组合。光盘可包括压缩盘-只读存储器(CD-ROM)、压缩盘-读/写(CD-R/W)、DVD等。在各种情况下，该存储器可被称为计算机可读存储介质，其作为能够存储信息的非暂时性器件，可区别于计算机可读传输介质诸如能够将信息从一个位置携带到另一个位置的电子暂时信号。如本文所述的计算机可读介质一般可涉及计算机可读存储介质或计算机可读传输介质。
除了存储器904，处理器902还可以连接到用于显示、传输和/或接收信息的一个或多个接口。该接口可以包括通信接口908和/或一个或多个用户接口。通信接口可以被配置为发送和/或接收信息，例如，传输到其他设备、网络等的信息和/或来自其他设备、网络等的信息。该通信接口可以被配置为发送和/或接收通过物理(有线)信息和/或无线通信链路的信息。合适的通信接口的示例包括网络接口控制器(NIC)、无线NIC(WNIC)等。
用户接口可以包括显示器910和/或一个或多个用户输入接口912。显示器可以被配置为呈现或另外将信息显示给用户，该显示器的合适的示例包括液晶显示器(LCD)、发光二极管显示器(LED)、等离子显示器(PDP)等。用户输入接口可以是有线或无线的，并且可以被配置为接收来自用户的信息到装置中，诸如用于处理、存储和/或显示。用户输入接口的合适的示例包括麦克风、图像或视频捕捉设备、键盘或小键盘、鼠标、操纵杆、触敏表面(例如，触摸板、触摸屏)、生物识别传感器等。用户界面进一步可以包括用于与外围设备诸如打印机、扫描仪等通信的一个或多个接口。
如上所示，程序代码指令可以存储在存储器中，并且由处理器执行，以实现在此所描述的系统、子系统及其相应元件的功能。如将认识到，任何适当的程序代码指令可以从计算机可读存储介质被加载到的计算机或其他可编程设备以产生特定的机器，使得特定的机器成为用于实现本文所指定的功能的装置。这些程序代码指令还可以存储在计算机可读存储介质中，该程序代码指令可以指引计算机、处理器或其他可编程设备以特定方式运行，从而产生特定的机器或制造特定的物品。存储在计算机可读存储介质中的指令可生产制造的物品，其中制造的物品成为用于实现在此所描述的功能的装置。程序代码指令可以从计算机可读存储介质中检索并被加载到计算机、处理器或其它可编程设备，以配置计算机、处理器或其它可编程设备，从而在计算机、处理器或其他执行可编程设备上或由计算机、处理器或其他执行可编程设备执行操作。
程序代码指令的检索、加载和执行可以顺序地被执行，使得每次一个指令被检索、加载和执行。在某些示例实施方式中，检索、加载和/或执行可并行被执行，使得多个指令一起被检索、加载和/或执行。程序代码指令执行可产生计算机实现的过程，使得由计算机、处理器或其他可编程设备执行的指令提供用于实现在此描述的功能的操作。
进一步的替代布置还根据以下条款被描述：
条款1.系统(100)包括发射线圈(102)和接收线圈(104)，发射线圈(102)和接收线圈(104)被配置为接收在它们之间的被测的复合材料结构(composite materialstructure under test)(SUT)(106)；
信号发生器(108)，其被配置为利用在多个频率上的射频(RF)信号驱动发射线圈(102)，由此使发射电磁线圈产生通过穿过SUT(106)的磁耦合在接收线圈(104)中感应电压的磁场；
耦合到发射线圈(102)和接收线圈(104)的接收器对(110，112)和信号处理电路，并且接收器对(110，112)和信号处理电路被配置为测量在接收线圈(104)中的电压，并且从该电压产生由发射线圈(102)和接收线圈(104)之间的SUT(106)引起的在多个频率上的RF信号衰减的测量值；以及分析系统(122)，其耦合到信号处理电路并且被配置为根据衰减的测量值计算SUT(106)的有效电导率。
条款2.根据条款1的系统，其中有效电导率在全局坐标系的各个正交轴上具有分量，并且分析系统(122)被配置为计算有效电导率包括被配置为具体计算一个或多个分量。
条款3.根据条款2的系统，其中SUT(106)具有平行于发射线圈(102)和接收线圈(104)的相对主表面，并且有效电导率的分量包括平行于SUT(106)的主表面的第一分量，并且其中分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个分量包括被配置为具体计算第一分量。
条款4.根据条款2的系统，其中分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个分量包括被配置为根据包括发射线圈(102)和接收线圈(104)以及在它们之间接收的SUT(106)的布置的有限元模型执行有限元分析。
条款5.根据条款2的系统，其中SUT(106)具有平行于局部坐标系的主轴取向的嵌入纤维，并且其中分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个分量包括被配置为根据局部坐标系的主轴偏离全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个分量。
条款6.根据条款5的系统，其中SUT(106)是多层结构，多层结构包括第一层以及第二层，该第一层具有平行于第一局部坐标系的第一主轴取向的嵌入纤维，该第二层具有取向平行于第二局部坐标系的第二主轴的嵌入纤维，并且其中分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个分量包括被配置为进一步根据第一局部坐标系的第一主轴和第二局部坐标系的第二主轴中的每个偏离全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个分量。
条款7.根据条款2的系统，其中发射线圈(102)和接收线圈(104)形成包括第一布置和第二布置的布置，并且在第一布置中，发射线圈(102a)和接收线圈(104a)具有第一直径，在第二布置中，发射线圈(102b)和接收线圈(104b)具有不同的第二直径，
其中，信号发生器(108)被配置为分别驱动第一布置和第二布置的发射线圈(102a，102b)，并且接收器对(110，112)和信号处理电路被配置为分别产生针对第一布置的RF信号的衰减的第一测量值和针对第二布置的RF信号的衰减的第二测量值，并且其中分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个分量包括被配置为根据衰减的第一测量值和衰减的第二测量值具体计算一个或多个分量。
条款8.根据条款7的系统，其中SUT(106)具有平行于发射线圈(102)和接收线圈(104)的相对主表面，并且有效电导率的分量包括平行于SUT(106)的主表面的第一分量，并且其中分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个分量包括被配置为具体计算第一分量。
条款9.根据条款7的系统，其中分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个分量包括被配置为根据第一布置和第二布置的有限元模型执行有限元分析，第一布置和第二布置中的每个具有在它们之间接收的SUT(106)。
条款10.根据条款7的系统，其中SUT(106)具有平行于局部坐标系的主轴取向的嵌入纤维，并且其中分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个分量包括被配置为根据局部坐标系的主轴偏离全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个分量。
条款11.一种包括建立(802)在发射线圈(102)和接收线圈(104)之间的被测的复合材料结构(SUT)(106)的方法，
利用在多个频率上的射频(RF)信号驱动(804)发射线圈(102)，从而使发射线圈(102)产生通过穿过SUT(106)的磁耦合在接收线圈(104)中感应电压的磁场；
测量(806)接收线圈(104)中的电压，并且根据电压产生由在发射线圈(102)和接收线圈(104)之间的SUT(106)引起的在多个频率上的RF信号衰减的测量值；以及根据衰减的测量值计算(810)SUT(106)的有效电导率。
条款12.根据条款11的方法，其中有效电导率在全局坐标系的各个正交轴上具有分量，以及计算(810)有效电导率包括具体计算一个或多个分量。
条款13.根据条款12的方法，其中SUT(106)具有平行于发射线圈(102)和接收线圈(104)的相对主表面，并且有效电导率的分量包括平行于SUT(106)的主表面的第一分量，并且其中具体计算一个或多个分量包括具体计算第一分量。
条款14.根据条款12的方法，其中具体计算一个或多个分量包括根据布置的有限元模型执行有限元分析，布置包括发射线圈(102)和接收线圈(104)以及在它们之间的SUT(106)。
条款15.根据条款12的方法，其中SUT(106)具有平行于局部坐标系的主轴取向的嵌入纤维，并且其中具体计算一个或多个分量包括根据局部坐标系的主轴偏离全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个分量。
条款16.根据条款15的方法，其中在SUT(106)是包括第一层和第二层的多层结构，第一层具有平行于第一局部坐标系的第一主轴取向的嵌入纤维，第二层具有平行于第二局部坐标系的第二主轴取向的嵌入纤维，并且其中具体计算一个或多个分量包括进一步根据第一局部坐标系的第一主轴和第二局部坐标系的第二主轴中的每个偏离全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个分量。
条款17.根据条款12的方法，其中发射线圈(102)和接收线圈(104)形成布置，其中建立(802)、驱动(804)和测量(806)针对第一布置被执行，并且针对第二布置被重复，其中在第一布置中，发射线圈(102a)和接收线圈(104a)具有第一直径以产生衰减的第一测量值，在第二布置中，发射线圈(102b)和接收线圈(104b)具有不同的第二直径以产生衰减的第二测量值，并且其中具体计算一个或多个分量包括根据衰减的第一测量值和衰减的第二测量值来具体计算一个或多个分量。
条款18.根据条款17的方法，其中SUT(106)具有平行于发射线圈(102)和接收线圈(104)的相对主表面，并且有效电导率的分量包括平行于SUT(106)的主表面的第一分量，并且其中具体计算一个或多个分量包括具体计算第一分量。
条款19.根据条款17的方法，其中具体计算一个或多个组件包括根据第一布置和第二布置的有限元模型执行有限元分析，第一布置和第二布置的每个具有在它们之间的SUT(106)。
条款20.根据条款17的方法，其中SUT(106)具有平行于局部坐标系的主轴取向的嵌入纤维，并且其中具体计算一个或多个分量包括根据局部坐标系的主轴偏离全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个分量。
处理器对指令的执行或者指令在计算机可读存储介质中的存储支持用于执行特定功能的操作的组合。以这种方式，装置900可包括处理器902和耦合到处理器的计算机可读存储介质或存储器904，其中处理器被配置为执行存储在存储器中的计算机可读程序代码906。还应理解的是，一个或多个功能以及功能的组合也可以由执行特定功能或专用硬件和程序代码指令的组合的基于硬件的专用计算机系统和/或处理器来实现。
本文阐述的许多修改和其他实施方式将使本领域技术人员想到，属于许多修改和其他实施方式的这些公开具有在前面描述和相关附图中呈现的教导的益处。因此，应理解的是，本公开并不限于所公开的具体实施方式，并且修改和其他实施方式旨在被包括在所附权利要求的范围之内。而且，尽管前面描述和相关附图在元件和/或功能的某些示例组合的情况下描述示例实施方式，但应认识到，在不背离所附权利要求的范围的情况下，元件和/或功能的不同组合可以由替代实施方式提供。在这方面，例如，除以上明确描述的那些之外的元件和/或功能的不同组合也被认为是可被列在某些所附权利要求中。尽管本文使用了特定术语，但它们仅以一般的和描述性的意义来使用，而不为限制的目的。

Claims (9)

1.一种用于复合材料结构的无损检测的系统(100)，其包括：
发射线圈(102)和接收线圈(104)，所述发射线圈(102)和所述接收线圈(104)被配置为接收在它们之间的被测的复合材料结构即SUT(106)；
信号发生器(108)，其被配置为利用在多个频率上的射频信号即RF信号驱动所述发射线圈(102)，所述RF信号的形式为穿过所述发射线圈的电流，所述电流使所述发射线圈产生通过穿过所述SUT(106)的磁耦合在所述接收线圈(104)中感应电压的磁场；
耦合到所述发射线圈(102)和所述接收线圈(104)的接收器对(110，112)和信号处理电路，并且所述接收器对(110，112)和所述信号处理电路被配置为测量在所述接收线圈(104)中的电压，并且从所述电压产生所述多个频率上的所述RF信号的衰减的测量值，所述衰减由所述发射线圈(102)和所述接收线圈(104)之间的所述SUT(106)引起；以及
分析系统(122)，其耦合到所述信号处理电路并且被配置为根据所述衰减的测量值计算所述SUT(106)的有效电导率，其中所述有效电导率在全局坐标系的各个正交轴上具有分量，并且所述分析系统(122)被配置为计算所述有效电导率包括被配置为具体计算一个或多个所述分量，
其中所述发射线圈(102)和接收线圈(104)形成布置并包括第一布置和第二布置，在所述第一布置中，所述发射线圈(102)和接收线圈(104)具有第一直径，在所述第二布置中，所述发射线圈(102)和接收线圈(104)具有不同的第二直径，
其中，所述信号发生器(108)被配置为分别驱动所述第一布置和第二布置的发射线圈(102)，以及所述接收器对(110，112)和信号处理电路被配置为分别产生针对所述第一布置的所述RF信号的衰减的第一测量值和针对所述第二布置的所述RF信号的衰减的第二测量值，以及
其中所述分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个所述分量包括被配置为根据衰减的所述第一测量值和衰减的所述第二测量值具体计算一个或多个所述分量。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述SUT(106)具有平行于所述发射线圈(102)和所述接收线圈(104)的相对主表面，并且所述有效电导率的分量包括平行于所述SUT(106)的主表面的第一分量，以及
其中所述分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个所述分量包括被配置为具体计算所述第一分量。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个所述分量包括被配置为根据包括所述发射线圈(102)和所述接收线圈(104)以及在它们之间接收的SUT(106)的布置的有限元模型执行有限元分析。
4.根据权利要求2所述的系统，其中所述SUT(106)具有平行于局部坐标系的主轴取向的嵌入纤维，以及
其中所述分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个所述分量包括被配置为进一步根据所述局部坐标系的主轴偏离所述全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个所述分量；以及
其中所述SUT(106)是多层结构，所述多层结构包括具有平行于第一局部坐标系的第一主轴取向的嵌入纤维的第一层，以及具有平行于第二局部坐标系的第二主轴取向的嵌入纤维的第二层，以及
其中所述分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个所述分量包括被配置为进一步根据所述第一局部坐标系的第一主轴和所述第二局部坐标系的第二主轴中的每一个偏离所述全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个所述分量。
5.根据权利要求2所述的系统，其中所述分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个所述分量包括被配置为根据所述第一布置和第二布置的有限元模型执行有限元分析，所述第一布置和所述第二布置中的每个具有在它们之间接收的所述SUT(106)。
6.根据权利要求2所述的系统，其中所述SUT(106)具有平行于局部坐标系的主轴取向的嵌入纤维，以及
其中所述分析系统(122)被配置为具体计算一个或多个所述分量包括被配置为进一步根据所述局部坐标系的主轴偏离所述全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个所述分量。
7.一种用于复合材料结构的无损检测的方法，其包括：
建立(802)在发射线圈(102)和接收线圈(104)之间的被测的复合材料结构即SUT(106)；
利用在多个频率上的射频信号即RF信号驱动(804)发射线圈(102)，所述RF信号的形式为穿过所述发射线圈的电流，所述电流使所述发射线圈(102)产生通过穿过所述SUT(106)的磁耦合在所述接收线圈(104)中感应电压的磁场；
测量(806)所述接收线圈(104)中的电压，并且根据所述电压产生由在所述发射线圈(102)和所述接收线圈(104)之间的所述SUT(106)引起的在多个频率上的所述RF信号的衰减的测量值；以及
根据衰减的所述测量值计算(810)所述SUT(106)的有效电导率，其中所述有效电导率在全局坐标系的各个正交轴上具有分量，并且计算(810)所述有效电导率包括具体计算一个或多个所述分量，
其中所述发射线圈(102)和接收线圈(104)形成布置，
其中针对第一布置执行所述建立(802)、驱动(804)和测量(806)以产生衰减的第一测量值，在第一布置中，所述发射线圈(102)和接收线圈(104)具有第一直径，并且针对第二布置重复(808)所述建立(802)、驱动(804)和测量(806)以产生衰减的第二测量值，在第二布置中，所述发射线圈(102)和接收线圈(104)具有不同的第二直径，以及
其中具体计算一个或多个所述分量包括根据衰减的所述第一测量值和衰减的所述第二测量值来具体计算一个或多个所述分量；以及
其中具体计算一个或多个所述分量包括具体计算第一分量，所述SUT(106)具有平行于所述发射线圈(102)和所述接收线圈(104)的相对主表面，并且所述第一分量平行于所述SUT(106)的主表面；
其中具体计算一个或多个所述分量包括根据所述第一布置和第二布置的有限元模型执行有限元分析，所述第一布置和第二布置中的每个具有在它们之间的所述SUT(106)；以及
其中所述SUT(106)具有平行于局部坐标系的主轴取向的嵌入纤维，以及
其中具体计算一个或多个所述分量包括进一步根据所述局部坐标系的主轴偏离所述全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个所述分量。
8.根据权利要求7所述的方法，其中具体计算一个或多个所述分量包括根据包括所述发射线圈(102)和所述接收线圈(104)以及在它们之间的所述SUT(106)布置的有限元模型执行有限元分析。
9.根据权利要求7所述的方法，
其中所述SUT(106)是多层结构，所述多层结构包括第一层和第二层，所述第一层具有平行于第一局部坐标系的第一主轴取向的嵌入纤维，所述第二层具有平行于第二局部坐标系的第二主轴取向的嵌入纤维，以及
其中具体计算一个或多个所述分量包括进一步根据所述第一局部坐标系的第一主轴和所述第二局部坐标系的第二主轴中的每个偏离所述全局坐标系的各个正交轴中的相应一个的任何角偏移来具体计算一个或多个所述分量。
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