CN108918640B - 一种用于机翼构件裂纹监测、修装置及用于机翼构件裂纹监测、修复的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于机翼构件裂纹监测、修装置及用于机翼构件裂纹监测、修复的方法，属于飞机构件性能安全监测设备技术领域。该发明旨在由电极片、单片机、电池、滤波器、热成像检测仪、电流计构成一种用于机翼构件裂纹监测与修复装置；飞机机翼的主骨架和蒙皮在飞行过程中由于震动积累的金属疲劳会使其产生不同程度的裂纹，利用电极片产生的面电流和电流计监测电流实现裂纹监测，电极片向有裂纹区域通强电流使裂纹处金属趋近熔点自动修复裂纹；滤波器排除干扰波保证裂纹监测正常进行；热成像检测仪监测金属小块修复裂纹时的温度；单片机整合监测信息和控制装置完成裂纹修复；电池提供裂纹监测和修复所需弱电流和强电流。该装置能够检测并排除机翼构件的金属裂纹形成的安全隐患。

Description

一种用于机翼构件裂纹监测、修装置及用于机翼构件裂纹监 测、修复的方法

技术领域

本发明涉及一种用于机翼构件裂纹监测、修装置及用于机翼构件裂纹监测、修复的方法，属于飞机构件性能安全监测设备技术领域。

背景技术

近年来，我国飞机事业取得突飞猛进的发展，C919等系列飞机相继问世。一架飞机是一整套系统的结合，任何一套系统或结构出现问题都可能造成事故。最常见的故障原因是金属疲劳，飞机飞行的时候会产生各种频率的震动，再加上每次起降的增压/减压循环，如果哪个部位没有检查到而发生了疲劳断裂的话就会引发事故。1992年的阿姆斯特丹空难，就是因为发动机架的销钉发生疲劳断裂，两个引擎同时掉落并且栽入住宅区，死亡47人；1980年中华航空611班机机尾一块蒙有严重的金属疲劳现象，最终导致坠机事件。机翼作为升力产生最重要的结构，在飞行中受到不同方向的力的作用，再加上飞行过程中飞机本身各种频率的震动，其主骨架及蒙皮等主要部件极易产生金属疲劳，以至于产生裂纹，对飞机安全造成极大隐患。因此，设计一种能够监测机翼部件裂纹和修复裂纹的装置尤为必要，在提升飞机整体安全性能方面有着重大意义。

本发明涉及的机翼构件裂纹监测及修复装置利用微电流监测裂纹的产生，利用强电流在飞行过程中就能修复裂纹，能够有效抑制机翼构件金属疲劳的堆积以及裂纹的进一步发展，提升机翼部件的安全性能。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明要解决的技术问题是由电极片、单片机、电池、滤波器、热成像检测仪、电流计构成一种用于机翼构件裂纹监测与修复装置；飞机机翼的主骨架和蒙皮在飞行过程中由于震动积累的金属疲劳会使其产生不同程度的裂纹，利用电极片产生的面电流和电流计监测电流实现裂纹监测，电极片向有裂纹区域通强电流使裂纹处金属趋近熔点自动修复裂纹；滤波器排除干扰波保证裂纹监测正常进行；热成像检测仪监测金属小块修复裂纹时的温度；单片机整合监测信息和控制装置完成裂纹修复；电池提供裂纹监测和修复所需弱电流和强电流。

本发明采用的技术方案是：一种用于机翼构件裂纹监测及修复装置，包括电极片、电流计、单片机、热成像检测仪、滤波器、电池；电极片、单片机、热成像检测仪和滤波器与电池连接；电流计、热成像检测仪与单片机连接；电流计与电极片连接；滤波器与电池和电极片连接；该装置运用于锻造铝合金、高强度合金钢制成的机翼主骨架和铝制蒙皮时，主骨架和蒙皮的金属部分分为多个小块，每个小块的两端分别安装正电极片负电极片，每个小块上的一对电极片在该小块上形成面电流；构件处于正常情况即无裂痕产生时，电极片上的电压和电流计检测到的各个小块上的电流大小值在稳定范围内，当构件各个小块上有裂纹产生时，电压不变但电阻变大，相应的电流会变小，单片机根据各个小块对应的电流计的检测结果计算分析出裂纹的大小以及根据相应电极片的位置得到裂纹的具体位置，根据裂纹大小控制电池给小块上的电极片通以相应强度的电流，在电阻值巨大的裂纹处的合金或合金钢会产生大量热量，热成像检测仪实时监测裂纹处的温度，单片机控制修复温度不断接近金属的熔点，细小的裂纹在机翼震动中慢慢融合，实现裂纹的自动修复。

进一步的，电极片为现有装置，采用导电型电极片，该种电极片不同于医用电极片，可以通微电流和强电流；一组完整的该种电极片包括正电极片和负电极片两种电极片，分别安装在金属“分块”的两端，正电极片向金属小块内输入电流，负电极片输出通过金属小块的电流，电池、正电极片、金属小块、负电极片通过导线共同构成一个闭合回路；监测裂纹时电极片通微电流，修复裂纹时电极片通强电流。

进一步的，电流计为现有装置，能够测量10^-7～10^-12A的微小电流，安装于负电极片之后，每个金属小块对应一个电流计，其作用是检测通过金属小块的电流大小，并将检测结果实时传输单片机，单片机根据电流大小计算分析各个金属小块是否出现裂纹。

进一步的，热成像检测仪为现有装置，采用FOTRIC 226型热成像仪，该种热成像检测仪能够检测监测区域内的温度变化及具体的温度值；在该装置中的热成像检测仪安装在机翼的翼梢小翼或者机身上，其安装原则是热成像检测仪的“视野范围”能够覆盖机翼构件的裂纹监测区域；当单片机计算分析出某小块上出现裂纹时，单片机控制热成像检测仪锁定特定区域，开始对该区域小块上的温度进行实时监测，并将实时温度值反馈给单片机，单片机据此控制电池给电极片通相应强度的电流，热成像检测仪、电池和单片机共同控制裂纹修复时金属小块上的温度；以机翼主骨架的主要材料铝合金为例，其熔点在475-650摄氏度范围内，修复过程中该装置控制小块上的温度趋近其熔点范围，使裂纹在飞机在飞行过程中就完成修复，具体的“裂纹融合温度”根据具体金属类别和实际情况而定。

为了防止热成像检测仪受到损坏，热成像检测仪可安装在飞机机翼内部，并设计了让热成像检测仪能够监测机翼。进一步的，为了实现热成像检测仪监测的效果最佳，热成像检测仪的数量不少于1个。

进一步的，滤波器为现有装置，安装于电池处；由于该装置在检测裂纹时采用的是微电流，所以很容易受到外界各种干扰波的影响，从而影响裂纹监测的正常进行，因此滤波器的作用就是排除外界各种干扰波对电池向电极片输出微电流的影响，保证电池能够输出连续、稳定的监测微电流。

进一步的，电池可为单独的仅供该装置使用的充电型电池，也可是飞机的供电系统。

进一步的，该装置中所用的裂纹检测方法不局限于利用电流计监测微电流大小的方法，还可利用超声波检测、脉冲涡流检测等金属裂纹检测方法，现有的金属裂纹检测方法运用到该装置中都在该发明的保护范围之内。

进一步的，单片机与一台微机连接，单片机负责收集监测数据和发送指令，微机负责对数据的计算与分析以及判断裂纹的位置，大小等情况。

在该装置的系系统电路图中，时钟电路里晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，通常一个系统公用一个晶振，以使各部分保持同步；两个谐振电容大小取决于晶振的负载电容值，作用是滤除干扰。

为了保障单片机运行，给单片机增加复位电路。复位电路有以下功能：

上电复位可以对内部存储器进行复位；同步内外的时钟信号；电压波动或不稳定时，复位电路给电路延时直到电路稳定；当程序出错时通过复位电路使单片机恢复正常运行状态。裂缝检测修补电路中电流计检测流过金属电流的大小，并将数据发送给单片机，单片机通过判断电流大小来检测是否由裂缝产生，如果有裂缝将通过增大三极管基极电流来增加电极片电流，从而使金属融化并自动修补，电极片与滤波器、电流计相连。滤波器排除干扰波并保证裂纹检测正常进行；热成像检测仪通过检测金属温度从而控制单片机电流。单片机型号为AT89C51。

一种用于机翼构件裂纹监测、修复方法，其采用上述装置进行机翼构件裂纹监测、修复，其控制方法如以下步骤：

步骤1、飞机起飞前，保证该装置的电池内有足够的电能或者将该装置与飞机的供电系统连通，保证该套装置能够正常持续的运行至航程结束。

步骤2、飞机起飞后，单片机按照预先设定的检测电流值控制电池给各个分块所对应的电极片供电，同时滤波器开始工作，保证电池能持续输出稳定的微电流。

步骤3、电流计对通过金属小块内的电流大小进行实时监测，并将监测结果反馈给单片机，单片机通过分析计算电流值对构件的裂纹情况实时监测。

步骤4、当电流计检测的电流大小小于判定范围时，装置系统认定该电流计所对应的金属小块上出现了裂纹。

步骤5、单片机控制电池给电极片通以相当强度的电流，强电流在具有超大电阻的裂缝处迅速产生热量，以至于裂纹处金属的温度不断升高。

步骤6、在电池输出强电流的同时热成像检测仪开始工作并锁定裂纹出现的金属区域并对金属块的温度进行监控并与单片机交换数据，使单片机更精确的控制电流强度来控制金属块的温度，是其温度趋近与“融合温度”。

步骤7、系统使裂纹处的金属温度保持在“融合温度”，金属块上的裂纹在高温下自动修复、融合。

该发明的工作原理是：由电极片、单片机、电池、滤波器、热成像检测仪、电流计构成一种用于机翼构件裂纹监测与修复装置；飞机机翼的主骨架和蒙皮在飞行过程中由于震动积累的金属疲劳会使其产生不同程度的裂纹，利用电极片产生的面电流和电流计监测电流实现裂纹监测，电极片向有裂纹区域通强电流使裂纹处金属趋近熔点自动修复裂纹；滤波器排除干扰波保证裂纹监测正常进行；热成像检测仪监测金属小块修复裂纹时的温度；单片机整合监测信息和控制装置完成裂纹修复；电池提供裂纹监测和修复所需弱电流和强电流。

与传统技术相比，该发明的有益效果是：1.使用极其微弱的电流进行实时监测，对飞机的正常通讯等系统不造成影响；2.该装置能在飞机飞行过程中就实施监测机翼构件的裂纹情况，减少飞机后期保养、检修的工作；3.可以对裂纹实时修复，降低飞机飞行过程中由于机翼问题造成的安全风险，同时也及时阻止了构件裂纹的进一步发展；4.该装置对裂纹的监测工作可为飞机保养、检修提供一定的数据，简化机翼保养的工序；5.对机翼构件分小块监测，提高了监测精度；6.对出现裂纹的分块单独处理，保证了修复效率，避免了对无裂纹区域的影响。

附图说明

图1为本发明运用于机翼上的的整体结构示意图；

图2为本发明的系统电路图；

图3为本发明的工作流程图；

图中各标号为：101-正电极片；102-负电极片；3-单片机；4-热成像检测仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

请参阅图1，一种用于机翼构件裂纹监测、修装置及用于机翼构件裂纹监测、修复的方法，包括：电极片1、电流计2、单片机3、热成像检测仪4、滤波器5、电池6；电极片1、单片机3、热成像检测仪4和滤波器5与电池6连接；电流计1、热成像检测仪4与单片机3连接；电流计2与电极片1连接；滤波器5与电池6和电极片1连接；该装置运用于锻造铝合金、高强度合金钢制成的机翼主骨架和铝制蒙皮时，主骨架和蒙皮的金属部分分为多个小块，每个小块的两端分别安装正电极片负电极片，每个小块上的一对电极片1在该小块上形成面电流；构件处于正常情况即无裂痕产生时，电极片上的电压和电流计检测到的各个小块上的电流大小值在稳定范围内，当构件各个小块上有裂纹产生时，电压不变但电阻变大，相应的电流会变小，单片机3根据各个小块对应的电流计2的检测结果计算分析出裂纹的大小以及根据相应电极片1的位置得到裂纹的具体位置，根据裂纹大小控制电池给小块上的电极片1通以相应强度的电流，在电阻值巨大的裂纹处的合金或合金钢会产生大量热量，热成像检测仪实时监测裂纹处的温度，单片机控制修复温度不断接近金属的熔点，细小的裂纹在机翼震动中慢慢融合，实现裂纹的自动修复。

所述的，电极片1为现有装置，采用导电型电极片，该种电极片不同于医用电极片，可以通微电流和强电流；一组完整的该种电极片包括正电极片101和负电极片102两种电极片，分别安装在金属“分块”的两端，正电极片101向金属小块内输入电流，负电极片102输出通过金属小块的电流，电池6、正电极片101、金属小块、负电极片102通过导线共同构成一个闭合回路；监测裂纹时电极片1通微电流，修复裂纹时电极片1通强电流。

所述的，电流计2为现有装置，能够测量10^-7～10^-12A的微小电流，安装于负电极片102之后，每个金属小块对应一个电流计2，其作用是检测通过金属小块的电流大小，并将检测结果实时传输单片机3，单片机3根据电流大小计算分析各个金属小块是否出现裂纹。

所述的，热成像检测仪4为现有装置，采用FOTRIC 226型热成像仪，该种热成像检测仪能够检测监测区域内的温度变化及具体的温度值；在该装置中的热成像检测仪4安装在机翼的翼梢小翼或者机身上，其安装原则是热成像检测仪4的“视野范围”能够覆盖机翼构件的裂纹监测区域；当单片机3计算分析出某小块上出现裂纹时，单片机3控制热成像检测仪4锁定特定区域，开始对该区域小块上的温度进行实时监测，并将实时温度值反馈给单片机3，单片机3据此控制电池6给电极片1通相应强度的电流，热成像检测仪4、电池6和单片机3共同控制裂纹修复时金属小块上的温度；以机翼主骨架的主要材料铝合金为例，其熔点在475-650摄氏度范围内，修复过程中该装置控制小块上的温度趋近其熔点范围，使裂纹在飞机在飞行过程中就完成修复，具体的“裂纹融合温度”根据具体金属类别和实际情况而定。

为了防止热成像检测仪4受到损坏，热成像检测仪4可安装在飞机机翼内部，并设计了让热成像检测仪4能够监测机翼。进一步的，为了实现热成像检测仪4监测的效果最佳，热成像检测仪4的数量不少于1个。

所述的，滤波器5为现有装置，安装于电池6处；由于该装置在检测裂纹时采用的是微电流，所以很容易受到外界各种干扰波的影响，从而影响裂纹监测的正常进行，因此滤波器5的作用就是排除外界各种干扰波对电池向电极片输出微电流的影响，保证电池6能够输出连续、稳定的监测微电流。

所述的，电池6可为单独的仅供该装置使用的充电型电池，也可是飞机的供电系统。

请参阅图2，在该装置的系系统电路图中，时钟电路里晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，通常一个系统公用一个晶振，以使各部分保持同步；两个谐振电容大小取决于晶振的负载电容值，作用是滤除干扰。为了保障单片机运行，给单片机增加复位电路。复位电路有以下功能：上电复位可以对内部存储器进行复位；同步内外的时钟信号；电压波动或不稳定时，复位电路给电路延时直到电路稳定；当程序出错时通过复位电路使单片机恢复正常运行状态。裂缝检测修补电路中电流计检测流过金属电流的大小，并将数据发送给单片机，单片机通过判断电流大小来检测是否由裂缝产生，如果有裂缝将通过增大三极管基极电流来增加电极片电流，从而使金属融化并自动修补，电极片与滤波器、电流计相连。滤波器排除干扰波并保证裂纹检测正常进行；热成像检测仪通过检测金属温度从而控制单片机电流。单片机型号为AT89C51。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的构思和保护范围进行限定，在不脱离本发明构思的前提下，本领域中普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于机翼构件裂纹监测及修复装置，包括：电极片（1）、电流计（2）、单片机（3）、热成像检测仪（4）、滤波器（5）、电池（6）；电极片（1）、单片机（3）、热成像检测仪（4）和滤波器（5）与电池（6）连接；电流计（1）、热成像检测仪（4）与单片机（3）连接；电流计（2）与电极片（1）连接；滤波器（5）与电池（6）和电极片（1）连接；该用于机翼构件裂纹监测及修复装置运用于锻造铝合金、高强度合金钢制成的机翼主骨架和铝制蒙皮时，主骨架和蒙皮的金属部分分为多个小块，每个小块的两端分别安装正电极片负电极片，每个小块上的一对电极片（1）在该小块上形成面电流；构件处于正常情况即无裂痕产生时，电极片上的电压和电流计检测到的各个小块上的电流大小值在稳定范围内，当构件各个小块上有裂纹产生时，电压不变但电阻变大，相应的电流会变小，单片机（3）根据各个小块对应的电流计（2）的检测结果计算分析出裂纹的大小以及根据相应电极片（1）的位置得到裂纹的具体位置，根据裂纹大小控制电池给小块上的电极片（1）通以相应强度的电流，在电阻值巨大的裂纹处的合金或合金钢会产生大量热量，热成像检测仪实时监测裂纹处的温度，单片机控制修复温度不断接近金属的熔点，细小的裂纹在机翼震动中慢慢融合，实现裂纹的自动修复；

电极片（1）采用导电型电极片，该种电极片不同于医用电极片，可以通微电流和强电流；一组完整的该种电极片包括正电极片（101）和负电极片（102）两种电极片，分别安装在金属“分块”的两端，正电极片（101）向金属小块内输入电流，负电极片（102）输出通过金属小块的电流，电池（6）、正电极片（101）、金属小块、负电极片（102）通过导线共同构成一个闭合回路；监测裂纹时电极片（1）通微电流，修复裂纹时电极片（1）通强电流；

电流计（2）为能够测量10^-7～10^-12A的微小电流，安装于负电极片（102）之后，每个金属小块对应一个电流计（2），其作用是检测通过金属小块的电流大小，并将检测结果实时传输单片机（3），单片机（3）根据电流大小计算分析各个金属小块是否出现裂纹；

热成像检测仪（4）采用FOTRIC226型热成像仪，该种热成像检测仪能够检测监测区域内的温度变化及具体的温度值；在该用于机翼构件裂纹监测及修复装置中的热成像检测仪（4）安装在机翼的翼梢小翼或者机身上，其安装原则是热成像检测仪（4）的“视野范围”能够覆盖机翼构件的裂纹监测区域；当单片机（3）计算分析出某小块上出现裂纹时，单片机（3）控制热成像检测仪（4）锁定特定区域，开始对该区域小块上的温度进行实时监测，并将实时温度值反馈给单片机（3），单片机（3）据此控制电池（6）给电极片（1）通相应强度的电流从而改变金属的温度，热成像检测仪（4）、电池（6）和单片机（3）共同控制裂纹修复时金属小块上的温度；修复过程中该用于机翼构件裂纹监测及修复装置控制小块上的温度趋近其熔点范围，使裂纹在飞机在飞行过程中就完成修复，具体的“裂纹融合温度”根据具体金属类别和实际情况而定；

该用于机翼构件裂纹监测及修复装置的控制方法包括以下步骤：

步骤1、飞机起飞前，保证该用于机翼构件裂纹监测及修复装置的电池内有足够的电能或者将该用于机翼构件裂纹监测及修复装置与飞机的供电系统连通，保证该套装置能够正常持续的运行至航程结束；

步骤2、飞机起飞后，单片机按照预先设定的检测电流值控制电池给各个分块所对应的电极片供电，同时滤波器开始工作，保证电池能持续输出稳定的微电流；

步骤3、电流计对通过金属小块内的电流大小进行实时监测，并将监测结果反馈给单片机，单片机通过分析计算电流值对构件的裂纹情况实时监测；

步骤4、当电流计检测的电流大小小于判定范围时，装置系统认定该电流计所对应的金属小块上出现了裂纹；

步骤5、单片机控制电池给电极片通以相当强度的电流，强电流在具有超大电阻的裂缝处迅速产生热量，以至于裂纹处金属的温度不断升高；

步骤6、在电池输出强电流的同时热成像检测仪开始工作并锁定裂纹出现的金属区域并对金属块的温度进行监控并与单片机交换数据，使单片机更精确的控制电流强度来控制金属块的温度，是其温度趋近与“融合温度”；

步骤7、系统使裂纹处的金属温度保持在“融合温度”，金属块上的裂纹在高温下自动修复、融合。

2.根据权利要求1所述的一种用于机翼构件裂纹监测及修复装置，其特征在于：滤波器（5）为安装于电池（6）处；由于该用于机翼构件裂纹监测及修复装置在检测裂纹时采用的是微电流，所以很容易受到外界各种干扰波的影响，从而影响裂纹监测的正常进行，因此滤波器（5）的作用就是排除外界各种干扰波对电池向电极片输出微电流的影响，保证电池（6）能够输出连续、稳定的监测微电流。

3.根据权利要求1所述的一种用于机翼构件裂纹监测及修复装置，其特征在于：电池（6）为单独的仅供该用于机翼构件裂纹监测及修复装置使用的充电型电池，或是飞机的供电系统。

4.根据权利要求1所述的一种用于机翼构件裂纹监测及修复装置，其特征在于：为了防止热成像检测仪（4）受到损坏，热成像检测仪（4）可安装在飞机机翼内部，并设计了让热成像检测仪（4）能够监测机翼。

5.根据权利要求1所述的一种用于机翼构件裂纹监测及修复装置，其特征在于：为了实现热成像检测仪（4）监测的效果最佳，热成像检测仪（4）的数量不少于1个。

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