JP2020008562A

JP2020008562A - 温度に敏感でない損傷検出のためのシステム

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Publication number: JP2020008562A
Application number: JP2019077706A
Authority: JP
Inventors: ローレンス・イー・パド; E Pado Lawrence
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2019-04-16
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2039-04-16
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Abstract

【課題】温度に敏感でない損傷検出のためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】このシステムは、航空機構造と、航空機構造の健全性を温度と無関係に監視するための構造健全性監視（SHM）システムと、を含む。SHMシステムは、航空機構造に接合され、第1の時刻に航空機構造を通して伝搬する基準信号を有する基準振動信号を発生させ、そして第1の時刻の後の第2の時刻に航空機構造を通して伝搬する比較振幅を有する比較振動信号を発生させるアクチュエータを含む。比較振幅は、第1の時刻と第2の時刻との間に航空機構造が受けた損傷を表す。SHMシステムは、基準振動信号および比較振動信号を受信する航空機構造に接合されたセンサと、基準振幅を比較振幅で除算した値の関数として利得損傷指数を計算するプロセッサと、を含む。【選択図】図1

Description

本開示の分野は、概して構造健全性監視（SHM）に関し、より詳細には、温度に敏感でない損傷検出のためのシステムおよび方法に関する。

少なくともいくつかのSHMシステムは、構造内の損傷を、例えばその構造に接合された圧電トランスデューサ、すなわちアクチュエータを励起することで振動信号、すなわち波を発生させ、次いでその振動信号をその構造の別の箇所で接合された別の圧電トランスデューサで受信することにより検出する。伝搬波の経路内の構造内に存在する損傷は、伝搬波の特性、例えば振幅および位相などに影響を及ぼす。したがって、受信される振動信号（比較信号）の振幅および位相を以前に受信された振動信号（基準信号）の振幅および位相と比較することにより、基準信号と比較信号との間の期間に生じる損傷の検出が可能になる。さらに、このような比較により、構造内の伝搬波の経路に沿った箇所での損傷の検出が可能になる。

構造を通る波の伝搬は、例えば、SHMシステムが構造上で動作している周囲温度を含む環境パラメータによっても影響を受ける。一般に、構造を通して伝搬する振動信号の振幅は、温度の上昇で増大し、温度の低下で減少する。周囲温度は、伝搬波の位相をさらに変化させる、すなわちシフトさせることがある。このような環境影響は、構造内の損傷を隠す、すなわちフォールスネガティブとなる、または少なくともその損傷検出を妨げる可能性がある。逆に言うと、環境影響は、損傷のフォールスポジティブ検出を引き起こす可能性がある。

少なくともいくつかのSHMシステムは、試験中の所与の構造内の損傷を定量化すると共に環境干渉、例えば温度干渉の影響を軽減するために、アルゴリズムまたは他の信号処理を利用している。損傷の定量化は損傷指数（DI）と呼ばれる。この種の定量化により、所与の構造内の構造健全性を定期的に時間と共に監視することができる。DIを計算するためのかかるアルゴリズムの1つが、「誤差」信号の二乗平均平方根（RMS）または、言い換えると、比較信号と基準信号との差のRMSを計算することである。環境干渉を軽減するための様々な方法が存在する。例えば、一方法は、基準信号を様々な温度で収集し、比較信号と比較する適切な基準信号を選択することである。しかしながら、この種の方法は時間がかかり、例えばカ氏13度〜カ氏120度の温度範囲にわたる様々な温度をもたらすために冷却器、オーブン、および周囲温度制御の他の手段を必要とする。別の方法例、比較信号と基準信号との間の計算された相関関係を使用することであり、この方法は、振幅干渉を少なくともいくらか軽減するが、検出から損傷を隠す可能性がある。別の方法例は、環境干渉によって誘発される位相ずれを測定し補正することであり、米国特許第8,892,384号明細書に見られる。しかしながら、フォールスポジティブおよびフォールスネガティブを低減しながら温度干渉の影響を軽減するDIを作り出すSHMシステムの必要性がある。

この背景技術の項目は、以下に記載されかつ／または特許請求される、本開示に関係し得る様々な技術的側面を読者に紹介するためのものである。この議論は、本開示の様々な態様のさらなる理解を容易にするために読者に背景情報を提供するのに役立つと考えられる。したがって、これらの記述は、この点から読まれるべきであり、先行技術の承認として読まれるべきでないことが理解されるべきである。

一態様は、航空機構造内の損傷を検出するためのシステムを対象とする。このシステムは、航空機構造とアクチュエータ、センサ、およびプロセッサを有する構造健全性監視（SHM）システムとを含む。アクチュエータは航空機構造に接合され、第1の時刻に航空機構造を通して伝搬する基準振幅を有する基準振動信号を発生させるように構成されている。アクチュエータは、第1の時刻の後の第2の時刻に航空機構造を通して伝搬する比較振幅を有する比較振動信号を発生させるようにさらに構成されている。比較振幅は、第1の時刻と第2の時刻との間に航空機構造が受けた損傷を表す。センサは航空機構造に接合され、基準振動信号および比較振動信号を受信するように構成されている。プロセッサは、基準振幅を比較振幅で除算した値の関数として利得損傷指数を計算するように構成されている。利得損傷指数により、SHMシステムは航空機構造の構造健全性を温度と無関係に監視することができる。

別の態様は、構造内の損傷を検出する方法である。この方法は、メモリから構造のための基準振動信号を取得するステップであって、基準振動信号が以前に収集されたものである、ステップを含む。方法は、構造に接合された第1のトランスデューサに電圧を加えて、構造を通して伝搬する比較振動信号を発生させるステップを含む。方法は、比較振動信号を構造に接合された第2のトランスデューサで受信するステップを含む。方法は、基準振動信号および比較振動信号を利用して利得損傷指数アルゴリズムを実行して、基準振動信号の振幅を比較振動信号の振幅で乗算して比較振動信号の振幅の2乗で除算した値の関数として利得損傷指数を計算するステップを含む。方法は、利得損傷指数が正であるときに構造内の損傷を識別するステップを含む。

別の態様は、複数のトランスデューサ、データ収集（DAQ）回路、およびプロセッサを有する構造健全性監視（SHM）システムを含む。複数のトランスデューサは、構造のある領域にわたって分散されかつ構造に接合されるように構成されている。複数のトランスデューサは、第1の送信トランスデューサおよび少なくとも1つのセンサトランスデューサを含む。DAQ回路は複数のトランスデューサに結合され、第1の送信トランスデューサを作動させて、第1の時刻に構造を通して伝搬する比較振動信号を発生させるように構成されている。DAQ回路は、少なくとも1つのセンサトランスデューサを介して基準振動信号を受信するように構成されている。DAQ回路は、第1の送信トランスデューサを作動させて、第1の時刻の後の第2の時刻に構造を通して伝搬する比較振動信号を発生させるように構成されている。DAQ回路は、少なくとも1つのセンサトランスデューサを介して比較振動信号を受信するように構成されている。プロセッサは、少なくとも1つの受信トランスデューサのためのそれぞれの利得損傷指数を、基準振動信号の振幅を比較振動信号の振幅で除算した値の関数として計算するように構成され、利得損傷指数は、SHMシステムが航空機構造の構造健全性を温度と無関係に監視することを可能にする。

上述した態様に関連して留意される形態の様々な改良点が存在する。その上、他の形態が上述した態様に組み込まれてもよい。これらの改良点および追加の形態は、個々にまたは任意の組合せで存在し得る。例えば、図示の実施形態のいずれかに関連して以下で論じられる様々な形態が、上記の態様のいずれかに単独でまたは任意の組合せで組み込まれ得る。

SHMシステム例の概略ブロック図である。 SHMシステムからの基準振動信号例のグラフである。 SHMシステムからの比較振動信号例のグラフである。図2Aに示されている基準振動信号および図2Bに示されている比較振動信号からの誤差信号例のグラフである。様々な温度で収集された一基準振動信号例および一比較振動信号例の一連のグラフである。様々な温度で収集された別の基準振動信号例および別の比較振動信号例の一連のグラフである。構造内の損傷を検出する方法例の流れ図である。

様々な実施形態の特定の形態がいくつかの図面に示されており、他の図面には示されていないことがあるが、これは便宜のためにすぎない。任意の図面の任意の形態が、他の図面の任意の形態と組み合わせて参照されかつ／または特許請求され得る。

特に指示がない限り、本明細書で提供される図面は、本開示の諸実施形態の形態を例示することを意味する。これらの形態は、本開示の1つまたは複数の実施形態を備える多種多様なシステムに適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書で開示される実施形態の実施に必要な、当業者に知られているすべての従来の形態を含むことを意味する。

記載されているシステムの諸実施形態は、例えば航空機構造などの構造内の損傷を温度と無関係に検出できるようにする利得損傷指数（DI）を計算する構造健全性監視（SHM）システムを含む。本明細書に記載されているSHMシステムは、構造のある領域にわたって分散されかつ構造の表面に接合された複数のトランスデューサを含む。各トランスデューサは、構造を通して伝搬し、次いで複数のトランスデューサのうちの他のそれぞれのトランスデューサで受信される振動信号を発生させるために励起されるように構成されている。トランスデューサは、励起される場合、アクチュエータ、すなわち送信機と呼ばれる。したがって、複数のトランスデューサのうちの他のトランスデューサは、センサ、すなわち受信機と呼ばれる。最初に、アクチュエータトランスデューサは、構造を通して伝搬し、少なくとも1つのセンサトランスデューサによって受信され、データ収集（DAQ）回路によって収集され、そしてメモリに保存される基準振動信号を発生させる。その後、アクチュエータトランスデューサは、構造を通して伝搬し、センサトランスデューサによって受信され、そしてDAQ回路によって収集される比較振動信号を発生させる。次いで、プロセッサが、利得DIを、基準振動信号の振幅を比較振動信号の振幅で除算した値の関数として計算する。より具体的には、プロセッサは、複数のセンサトランスデューサのためのそれぞれの利得DIを計算し、各利得DIは、基準振動信号の振幅を比較振動信号の振幅で乗算して比較振動信号の振幅の2乗で除算した値の関数として計算される。基準振動信号が発生する時刻と比較基準信号が発生する時刻との間の期間に生じる損傷は、利得DIが正であるときに識別される。正利得は、一般に1より大きい利得を指す。ある実施形態では、利得DIは、利得値から1を減算することによりゼロに正規化されて、「正利得」が代わりにゼロより大きい利得値を指すようにする。各利得DI値は、その利得DI値のためのクチュエータトランスデューサとセンサトランスデューサとの間の経路に沿った、構造、例えば金属構造または複合構造の健全性の定量化を表す。したがって、この定量化により、構造の構造健全性を定期的に時間と共に監視することができる。

図1は、構造102内の亀裂や層間剥離などの損傷を検出するためのSHMシステム例100の概略図である。SHMシステム100は、構造102の表面に接合された複数のトランスデューサ104を含む。トランスデューサ104は、構造102のある領域にわたって分散され、例えば、構造102を試験するためのアレイ106または他の任意適当な配置構成で配置される。例えば航空機構造の場合、トランスデューサ104は、トランスデューサ104が所与の航空機構造の高応力領域に集中するように配置することができ、所与の航空機構造は、例えば多層、すなわち積層を有する金属材料または複合材料で構成され得る。トランスデューサ104は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）トランスデューサなどのセラミック圧電トランスデューサを含むことができる。構造102に接合されたトランスデューサ104のうちの1つに電圧が印加されると、このトランスデューサ104は作動され、構造102を通して伝搬する振動、すなわち振動信号を発生させる。得られる波形は、いくらかの振幅、位相、および周波数を有する。本明細書に記載されているSHMシステム100の実施形態では、トランスデューサ104は、典型的には約200キロヘルツ〜約450キロヘルツの範囲内の周波数を有する振動信号を発生させる。しかしながら、代替実施形態では、その範囲の外側の振動信号を発生させるトランスデューサ104が利用されてもよく、本開示の範囲内にある。

トランスデューサ104は、配線束110によってDAQ回路108に結合される。DAQ回路108は、トランスデューサ104の両端間の電位を印加または測定するための複数のアナログ入力／出力チャネルを含むことができる。測定された電位は、例えば、DAQ回路108内の1つまたは複数のアナログデジタル変換器によってデジタル値に変換され得る。DAQ回路108は、振動信号を発生させるためにトランスデューサ104に電圧を加えることを制御すると共に、センサトランスデューサ104を通して振動信号を受信する。より具体的には、例えば、DAQ回路108は、送信機として動作するアクチュエータトランスデューサ104aを選択し、他のトランスデューサ104は、普通なら例えばセンサトランスデューサ104bおよび104cと呼ばれる受信機として動作する。DAQ回路108は、アクチュエータトランスデューサ104aに電圧を印加し、その結果、例えばセンサトランスデューサ104bへの経路112およびセンサトランスデューサ104cへの経路114に沿って構造102を通して伝搬する基準振動信号の発生をもたらす。センサトランスデューサ104bおよび104cは基準振動信号を受信し、それによって装置の端子間に電位、すなわち電圧を発生させる。所与のセンサトランスデューサの両端間に時間と共に現れる電圧は、そのセンサトランスデューサ向けの基準振動信号、より具体的には、アクチュエータトランスデューサとそのセンサトランスデューサとの間の経路、例えばアクチュエータトランスデューサ104aとセンサトランスデューサ104bとの間の経路112およびアクチュエータトランスデューサ104aとセンサトランスデューサ104cとの間の経路114向けの基準振動信号を表す。

SHMシステム100は、プロセッサ116およびメモリ118を含む。プロセッサ116は、メモリ118などのメモリに保存された一連のコンピュータ実行可能命令、プログラムコード、またはソフトウェアを実行する。この種のプログラムコードを実行することにより、プロセッサ116は、利得DIを計算することに向けた様々なステップを行うように構成されている。例えば、メモリ118に保存されたプログラムコードを実行する際、プロセッサ116は、DAQ回路108から基準振動信号を受信するように構成されている。プロセッサ116は、基準振動信号をメモリ118に書き込むようにさらに構成されている。ある実施形態では、プロセッサ116は、メモリ118に書き込む前に基準振動信号を処理してもよい。代替実施形態では、基準振動信号は、DAQ回路108からメモリ118に直接書き込まれてもよい。

DAQ回路108は、第1の時刻に、例えば構造が新しいまたはそうでなければ損傷を受けていないことが知られているときに基準振動信号が発生し収集されるように、トランスデューサ104を制御する。DAQ回路108は、第1の時刻の後の第2の時刻に比較振動信号を発生させるようにトランスデューサ104を制御する。SHMシステム100は、構造102の構造健全性を試験するために定期的に利用され得る。例えば、基準振動信号および比較振動信号を収集する間の期間は1年または複数年の運転である。あるいは、この期間はずっと短くてもよく、例えば、数日、数週間、または数カ月程度でもよい。SHMシステム100は、収集、すなわち「スキャン」の間の期間と無関係に損傷を検出することができる。この種の検出は、基準振動信号および比較振動信号の収集の間の期間に単純に限定される。期間は、一般に、構造102のライフサイクルにわたる予想される摩耗および疲労に基づいて選択される。ある実施形態では、トランスデューサ104は、収集相互間の期間にわたって適所に構造102に接合されたままにされる。他の実施形態では、トランスデューサ104は、基準振動信号を収集するために構造102に接合され、その後、構造102の通常の運転または使用のために除去される。次いで、トランスデューサ104は、後で比較振動信号を収集するために構造102に再び接合される。一般に、トランスデューサ104は、基準振動信号および比較振動信号を収集するために、ほぼ同じ箇所に配置されるべきである。

図2Aは、図1に示されているSHMシステム100などの、試験下のSHMシステムおよび所与の構造からの基準振動信号例202のグラフである。基準振動信号202は、時間206と共に振幅204としてグラフが描かれている。振幅204はボルトで表され、基準振動信号202は、約25マイクロ秒の期間にわたって約1ボルト〜約-1ボルトの範囲である。基準振動信号202は約200キロヘルツの周波数（または約5マイクロ秒の周期）を有する。

再び図1を参照すると、比較振動信号を収集する場合、DAQ回路108は、送信機として動作するアクチュエータトランスデューサ104aを選択し、他のトランスデューサ104は、普通なら例えばセンサトランスデューサ104bおよび104cと呼ばれる受信機として動作する。DAQ回路108は、アクチュエータトランスデューサ104aに電圧を印加し、その結果、例えばセンサトランスデューサ104bへの経路112およびセンサトランスデューサ104cへの経路114に沿って構造102を通して伝搬する比較振動信号の発生をもたらす。センサトランスデューサ104bおよび104cは比較振動信号を受信し、それによって装置の端子間に電位、すなわち電圧を発生させる。所与のセンサトランスデューサの両端間に経時的に現れる電圧は、そのセンサトランスデューサ向けの比較振動信号、より具体的には、アクチュエータトランスデューサとそのセンサトランスデューサとの間の当該経路、例えば、アクチュエータトランスデューサ104aとセンサトランスデューサ104bとの間の経路112およびアクチュエータトランスデューサ104aとセンサトランスデューサ104cとの間の経路114向けの基準振動信号を表す。

図2Bは、図1に示されているSHMシステム100などの、試験下のSHMシステムおよび所与の構造からの比較振動信号例208のグラフである。比較振動信号208は、時間206と共に振幅204としてグラフが描かれている。振幅204はボルトで表され、比較振動信号208は、約25マイクロ秒の期間にわたって約1.1ボルト〜約-1.1ボルトの範囲である。比較振動信号208は約200キロヘルツの周波数（または約5マイクロ秒の周期）である。とりわけ、比較振動信号208の振幅および位相は、図2Aに示されている基準振動信号202に対してひずんでいる。

再び図1を参照すると、収集相互間の期間中に構造102内に生じる損傷は、比較振動信号に、対応する基準振動信号に対する比較振動信号の振幅および位相の変化として表される。さらに、振幅および位相の変化は、基準振動信号が収集されるとき対比較振動信号が収集されるときの周囲温度の差によっても誘起され得る。

図2Cは、図2Aに示されている基準振動信号202および図2Bに示されている比較振動信号208からの誤差信号例210のグラフである。誤差信号210は、時間206と共に振幅204としてグラフが描かれている。振幅204はボルトで表され、誤差信号210は、約25マイクロ秒の期間にわたって約0.25ボルト〜約-0.25ボルトの範囲である。誤差信号210はでこぼこのDIを表し、振幅が大きくなると、一般に損傷が増大することを示す。とりわけ、誤差信号210は、例えば、基準振動信号202および比較振動信号208を収集する間の温度の変化を反映していない。

再び図1を参照すると、トランスデューサ104相互間の各経路、例えば経路112および114の場合、プロセッサ116は、メモリ118から基準振動信号を取得し、DAQ回路108から対応する比較振動信号を受信する。プロセッサ116は、利得DIを、基準振動信号の振幅（基準振幅）を比較振動信号の振幅（比較振幅）で除算した値の関数として計算するように構成されている。利得DIは、比較振動信号の振幅が基準信号の振幅に整合するようにするのに必要な「利得」を表す。典型的な「利得」表記法によれば、1より大きい利得は、この利得を適用すると合成信号の振幅を増大させるので、「正」利得と呼ばれる。同様に、1未満の利得は、この利得を適用すると合成信号の振幅を減少させるので、「負」利得と呼ばれる。このような表記法の下では、「正」利得DIは、比較振幅が基準振幅未満であることを示し、さらに、損傷がトランスデューサ相互間の経路、例えば経路112または114に沿って構造102内に生じていることを示す。一般に、損傷は、波が構造102を通して伝搬するときに波の振幅を抑制する。同様に、比較振動信号が収集されるときの温度は、基準振動信号が収集されたときの温度に比べると、比較振動信号の振幅および位相に影響を及ぼす。

図3Aおよび図3Bは、図1に示されているSHMシステム100などのSHMシステムおよび所与の構造を使用して様々な温度で収集された基準信号例および比較信号例の一連のグラフ302、304、306、308、310、および312である。とりわけ、基準信号および比較信号は、試験下の構造への何の介在摩耗、疲労、またはその他の損傷もなしに、ほぼ同時に収集された。したがって、グラフ302、304、306、308、310、および312は、時間316と共に電圧314で表される、基準振動信号の収集対比較信号の収集の間の温度変化の位相および振幅の影響を示す。グラフ302は、カ氏64度（F）、すなわちほぼ室温で収集された基準振動信号318、および9度Fで収集された比較振動信号320を示す。比較振動信号320が収集されたときの温度が低いほど、少なくとも、基準振動信号318の振幅に対する比較振動信号320の振幅の減少に反映される。比較振動信号320もまた、基準振動信号318に比べるといくらかの負の位相ずれを示す。

グラフ304は、64度F、すなわちほぼ室温で収集された基準振動信号318、および26度Fで収集された比較振動信号322を示す。比較振動信号322が収集されたときの温度が低いほど、グラフ302に示されている比較振動信号320におけるより少ない程度にではあるが、少なくとも、基準振動信号318の振幅に対する比較振動信号322の振幅の減少に反映される。比較振動信号322もまた、この場合もグラフ302に示されている比較振動信号320におけるより少ない程度にではあるが、基準振動信号318に比べるといくらかの負の位相ずれを有する。

グラフ306は、64度F、すなわちほぼ室温で収集された基準振動信号318、および同じく64度Fで収集された比較振動信号324を示す。温度が同じであると、基準振動信号318および比較振動信号324はグラフ306で区別できなくなる。

グラフ308は、64度F、すなわちほぼ室温で収集された基準振動信号318、および80度Fで収集された比較振動信号326を示す。比較振動信号326が収集されたときの温度が高いほど、少なくとも、基準振動信号318の振幅に対する比較振動信号326の振幅の増大に反映される。比較振動信号326もまた、基準振動信号318に比べるといくらかの小さい正の位相ずれを有する。

グラフ310は、64度F、すなわちほぼ室温で収集された基準振動信号318、および100度Fで収集された比較振動信号328を示す。比較振動信号328が収集されたときの温度が高いほど、グラフ308に示されている比較振動信号326におけるよりも大きな程度にではあるが、少なくとも、基準振動信号318の振幅に対する比較振動信号328の振幅の増大に反映される。比較振動信号328もまた、この場合もグラフ308に示されている比較振動信号326におけるよりも大きな程度にではあるが、基準振動信号318に比べるといくらかの正の位相ずれを有する。

グラフ312は、64度F、すなわちほぼ室温で収集された基準振動信号318、および120度Fで収集された比較振動信号330を示す。比較振動信号330が収集されたときの温度が高いほど、グラフ308および310にそれぞれ示されている比較振動信号326および328におけるよりも大きな程度にではあるが、少なくとも、基準振動信号318の振幅に対する比較振動信号330の振幅の増大に反映される。比較振動信号330もまた、この場合も、グラフ308および310にそれぞれ示されている比較振動信号326および328におけるよりも大きな程度にではあるが、基準振動信号318に比べると正の位相ずれを示す。

再び図1を参照すると、より具体的には、利得DIは、基準振幅を比較振幅で乗算し比較振幅の2乗で除算した値の関数として計算され、このことは瞬時利得DIを与える。基準振動信号および比較振動信号は、一般に、時系列と呼ばれる、一定期間にわたって振幅サンプルとして収集される。それぞれN個のサンプルを有する基準時系列および比較時系列に対する利得DIは、下記のアルゴリズムで表される。

上式で、Refは基準時系列を表し、Compは比較時系列を表し、nは時系列の指数を表す。少なくともいくつかのSHMシステムは、数式1に示されている利得計算を、DIを計算するための前処理段階として利用する。例えば、いくつかのSHMシステムは、数式1に示されているものと同様の利得計算を利用する平均2乗誤差（MSE）DIを中間段階として利用し、DI自体を利用するのではない。再び利得DIを参照すると、一般に、「正」利得DIは損傷の存在を示す。構造内の損傷の箇所は、アクチュエータトランスデューサとセンサトランスデューサとの間の所与の経路に沿っている。「負」利得DIは、その所与の経路に沿って損傷がないことを示す。負利得DIは、一般に、基準振動信号が収集されたときの温度、例えば室温に比べると比較振動信号が収集されるときに温度が上昇することに関連することができる、というのは、構造102への損傷の結果として比較振動信号の振幅が増大するからである。逆に言うと、正利得DIは、比較振動信号が収集されるときの温度とトランスデューサ104相互間の経路に沿って生じる損傷の両方に関連することができる。しかしながら、温度の低下は、比較振動信号の振幅に損傷より少ない程度で影響を及ぼして、影響の区別が可能になる。したがって、利得DIは、試験下の構造内の亀裂や層間剥離などの損傷の存在または不存在のより確実な検出をいっそう可能にする。逆に言うと、MSEなどのDIおよび相関係数は、基準振動信号と比較振動信号との間の振幅差の方向、すなわち記号を考慮しない。

利得DI評価をより直感的なものにするために、ある実施形態では、利得DIはゼロに正規化される。
Gain DI = Gain’ - 1 数式2

したがって、「正」利得DIはゼロより大きい利得値に対応し、「負」利得DIはゼロ未満の利得値に対応する。

ある実施形態では、プロセッサ116は、基準振動信号が収集されるときの時間と比較振動信号が収集されるときの時間との間の温度変化に起因する比較振動信号の位相ずれを測定し除去するようにさらに構成されている。この種の位相ずれにより、基準振動信号および比較振動信号の適時の正確な比較が可能になる。例えば、比較振動信号が基準振動信号から位相がずれているとき、比較振動信号の所与のピークの振幅は、基準振動信号の対応するピークから適時に斜めにずれることになる。一般に、米国特許第8,892,384号明細書に説明されているように、温度は、時間と共に斬進的に増大する位相ずれを引き起こし、そこで位相ずれは、特に金属などの均質構造内で、時間と共に線形に増大する、または「延伸する」。複合物などの非均質構造は、時間と共に位相ずれの非線形増大を引き起こす傾向がある。このような延伸は、時間遅延で測定されるので位相ずれを呼ばれることがある。損傷は、時間と共に非線形に増大する位相ずれを引き起こす傾向がある。したがって、温度に起因する比較振動信号の位相ずれは、プロセッサ116が上記の数式1に従って利得DIを計算する前に近似され補正される。

より具体的には、温度に起因する比較振動信号の位相ずれを補正するために、プロセッサ116は、比較振動信号および基準振動信号を複数の時間窓にわたって分割するか、さまなければ比較振動信号および基準振動信号をサンプリングする。次いで、プロセッサ116は、各時間窓に対する比較振動信号と基準振動信号との間の相互相関を計算する。相互相関は、所与の時間窓に対して比較振動信号および基準振動信号を最大に相関させるために必要な時間シフトの量を計算することよって決定される。次いで、加重回帰が定刻に実行される、ただし、加重値は、各時間窓内の基準振動信号からの相対信号エネルギー量をベースとする。時間窓エネルギーを重み関数として使用する加重回帰は、信号の最も重要な部分に焦点を合わせることにより、位相ずれ補償の有効性を最大限にする。加重回帰は、時間と時間シフトとの間の関係を二次方程式または高次方程式として与える。次いで、この関係により、プロセッサ116は比較振動信号の位相ずれを補正することができる。

図4は、図1に示されているSHMシステム100などのSHMシステムを使用して構造内の損傷を検出する方法例400の流れ図である。第1の時刻に、SHMシステム100は、例えばアクチュエータトランスデューサ104aに電圧を加えて、構造102を通して伝搬し、例えばセンサトランスデューサ104bおよび104cで受信される基準振動信号を発生させる。次いで、収集された基準振動信号は、その信号がその後のSHMシステム100での試験に必要とされるまでメモリ118に保存される。以前に収集された基準振動信号はメモリから取得される410。アクチュエータトランスデューサ104aは、再び電圧を加えられて、構造102を通して伝搬する比較振動信号を発生させる420。次いで、比較振動信号は、センサトランスデューサ104bおよび104cで受信される430。プロセッサ116は、各経路112および114に対する基準振動信号と比較振動信号の両方を受信し、対応する対の基準振動信号および比較振動信号を使用して数式1に示されているような利得DIアルゴリズムを実行して、利得DIを計算する440。例えば経路112および114に沿った損傷は、その経路に対する当該利得DIが正であるときに識別される450。

本明細書に記載されている方法、システム、および装置の技術的効果例は、（a）基準振動信号に対する比較振動信号の振幅および位相に対する温度の影響を軽減すること、（b）基準振動信号の収集と比較振動信号の収集との間の温度変化と無関係に試験下の構造内の損傷を検出すること、（c）金属や複合物などの構造内の損傷検出のための偽陽性率および偽陰性率を改善すること、および（d）複数の温度で基準振動信号を収集する必要性をなくすことにより基準振動信号収集に要する時間を短縮すること、のうちの少なくとも1つを含む。

さらに、本開示は下記項による諸実施形態を含む。

1項：航空機構造の損傷を検出するためのシステムであって、航空機構造と、航空機構造の構造健全性を監視する構造健全性監視（SHM）システムと、を備え、SHMシステムが、航空機構造に接合され、第1の時刻に航空機構造を通して伝搬する基準振幅を有する基準振動信号を発生させ、第1の時刻の後の第2の時刻に航空機構造を通して伝搬する比較振幅を有する比較振動信号を発生させるように構成されたクチュエータであって、比較振幅が第1の時刻と第2の時刻との間に航空機構造が受けた損傷を表す、アクチュエータと、航空機構造に接合され、基準振動信号および比較振動信号を受信するように構成されたセンサと、基準振幅を比較振幅で除算した値の関数として利得損傷指数を計算するように構成されたプロセッサであって、利得損傷指数は、SHMシステムが航空機構造の構造健全性を温度と無関係に監視することを可能にする、プロセッサと、を備える、システム。

2項：利得損傷指数が、航空機構造内の亀裂の存在または不存在を示す、1項に記載のシステム。

3項：航空機構造が複数の積層を有する複合構造を備える、1項に記載のシステム。

4項：アクチュエータがチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）トランスデューサを備える、1項に記載のシステム。

5項：プロセッサが、第1の時刻と第2の時刻との間の温度変化に起因する比較振動信号の位相ずれを除去するようにさらに構成された、1項に記載のシステム。

6項：プロセッサが、基準振幅を比較振幅で乗算して比較振幅の2乗で除算した値の関数として利得損傷指数を計算するようにさらに構成された、1項に記載のシステム。

7項：正利得損傷指数が損傷の存在を示す、6項に記載のシステム。

8項：構造内の損傷を検出する方法であって、構造のための基準振動信号をメモリから取得するステップであって、基準振動信号が以前に収集されたものである、ステップと、構造に接合された第1のトランスデューサに電圧を加えて、構造を通して伝搬する比較振動信号を発生させるステップと、比較振動信号を構造に接合された第2のトランスデューサで受信するステップと、基準振動信号および比較振動信号を使用して利得損傷指数アルゴリズムを実行して、基準振動信号の振幅を比較振動信号の振幅で乗算した値を比較振動信号の振幅の2乗で除算した値の関数として利得損傷指数を計算するステップと、利得損傷指数が正であるときに構造内の損傷を識別するステップと、を含む、方法。

9項：基準振動信号が以前に収集されたときの温度に対する、比較振動信号が受信されるときの温度の変化に起因する比較振動信号の位相ずれを検出するステップと、利得損傷指数アルゴリズムを実行する前に比較振動信号から位相ずれを除去するステップと、をさらに含む、8項に記載の方法。

10項：位相ずれを検出し除去するステップが、比較振動信号および基準振動信号を複数の時間窓にわたって分割するステップと、比較振動信号および基準振動信号を最大に相関させるために必要な時間シフトの量を計算することより、複数の時間窓のそれぞれに対して比較振動信号と基準振動信号との間の相互相関を計算するステップと、加重回帰を実行して、時間シフトを時間の関数として推定するステップと、比較振動信号の位相ずれを時間の関数として収集するステップと、を含む、9項に記載の方法。

11項：ほぼ第1のトランスデューサの位置において、第1のトランスデューサを接合する前に、構造に接合された第3のトランスデューサに電圧を加えて基準振動信号を発生させるステップと、ほぼ第2のトランスデューサの位置において、第2のトランスデューサを接合する前に、構造に接合された第4のトランスデューサにおいて基準振動信号を受信するステップと、基準振動信号をメモリに保存するステップと、をさらに含む、8項に記載の方法。

12項：基準振動信号が第4のトランスデューサによって取得されるときの第1の温度が、比較振動信号が第2のトランスデューサによって受信されるときの第2の温度と少なくともカ氏20度異なる、11項に記載の方法。

13項：構造内の損傷を識別するステップが、構造内の亀裂を検出するステップを含む、8項に記載の方法。

14項：構造健全性監視（SHM）システムであって、構造のある領域にわたって分散されかつ構造に接合される複数のトランスデューサであって、複数のトランスデューサが第1の送信トランスデューサおよび少なくとも1つのセンサトランスデューサを含む、複数のトランスデューサと、複数のトランスデューサに結合され、第1の送信トランスデューサを作動させて、第1の時刻に構造を通して伝搬する基準振動信号を発生させ、少なくとも1つのセンサトランスデューサを介して基準振動信号を受信し、第1の送信トランスデューサを作動させて、第1の時刻の後の第2の時刻に構造を通して伝搬する比較振動信号を発生させ、少なくとも1つのセンサトランスデューサを介して比較振動信号を受信するように構成されたデータ収集（DAQ）回路と、少なくとも1つのセンサトランスデューサのためのそれぞれの利得損傷指数を、基準振動信号の振幅を比較振動信号の振幅で除算した値の関数として計算するように構成されたプロセッサであって、それぞれの利得損傷指数は、SHMシステムが構造の構造健全性を温度と無関係に監視することを可能にする、プロセッサと、を備える、SHMシステム。

15項：プロセッサが、基準振動信号および比較振動信号を利用して利得損傷指数アルゴリズムを実行して、少なくとも1つのセンサトランスデューサのためのそれぞれの利得損傷指数を、基準振動信号の振幅を比較振動信号の振幅で乗算して比較振動信号の振幅の2乗で除算した値の関数として計算し、それぞれの利得損傷指数のうちの少なくとも1つが正であるときに構造内の損傷を識別するようにさらに構成されている、14項に記載のSHMシステム。

16項：DAQ回路が、複数のトランスデューサに対応する複数のアナログ入力／出力チャネル、およびアナログデジタル変換器を備える、14項に記載のSHMシステム。

17項：プロセッサは、基準振動信号が以前に収集されたときの温度に対する、比較振動信号が受信されるときの温度の変化に起因する比較振動信号の位相ずれを検出し、そしてそれぞれの利得損傷指数を計算する前に比較振動信号から位相ずれを除去するようにさらに構成されている、14項に記載のSHMシステム。

18項：プロセッサは、基準振動信号と比較振動信号との間の線形に進む位相ずれを検出するようにさらに構成されている、17項に記載のSHMシステム。

19項：プロセッサは、それぞれの利得損傷指数のうちの少なくとも1つが負であるときに、基準振動信号が以前に収集されたときの温度に対する比較振動信号が受信されるときの温度の変化に起因する基準振動信号に対する比較振動信号の振幅差を識別するようにさらに構成されている、14項に記載のSHMシステム。

20項：プロセッサは、それぞれの利得損傷指数のうちのどれが正であるかに基づいて構造内の損傷の箇所を識別するようにさらに構成されている、14項に記載のSHMシステム。

いくつかの実施形態は、1つまたは複数の電子処理装置または電子計算装置を使用する必要がある。本明細書では、用語「プロセッサ（processor）」および「コンピュータ（computer）」、ならびに関連用語、例えば「処理装置（processing device）」、「計算装置（computing device）」、および「コントローラー（controller）」は、当技術分野でコンピュータと称されるような集積回路だけに限定されるものではなく、広義には、プロセッサ、処理装置、コントローラー、汎用中央処理装置（CPU）、グラフィックス処理ユニット（GPU）、マイクロコントローラー、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理コントローラー（PLC）、縮小命令セットコンピュータ（RISC）プロセッサ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、デジタル信号処理（DSP）装置、特定用途向け集積回路（ASIC）、ならびに本明細書に記載されている機能を実行することができる他のプログラマブル回路または処理装置のことであり、これらの用語は本明細書では区別なく用いられる。上記は単なる例であり、したがって、用語のプロセッサ、処理装置、および関連用語の定義または意味を何ら限定するものではない。

本明細書に記載されている実施形態では、メモリは、フラッシュメモリ、ランダムアクセスメモリ（RAM）、リードオンリメモリ（ROM）、消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（EPROM）、電気的消去可能プログラマブルリードオンリメモリ（EEPROM）、不揮発性RAM（NVRAM）などの非一時的コンピュータ可読媒体を含むことができるが、これらに限定されるものではない。本明細書では、用語「非一時的コンピュータ可読媒体（non-transitory computer-readable media）」は、揮発性媒体および不揮発性媒体を制限なく含む非一時的コンピュータ記憶装置を制限なく含む任意の有形コンピュータ可読媒体、ファームウェア、物理記憶装置、仮想記憶装置、CD-ROM、DVD、ネットワークやインターネットなどの他のデジタル供給源などの取外し可能媒体および取外し不可能媒体、ならびに未開発のデジタル手段を表すためのものであり、唯一の例外は非一時的伝搬信号である。あるいは、フロッピーディスク、コンパクトディスク・リードオンリメモリ（CD-ROM）、光磁気ディスク（MOD）、デジタル多目的ディスク（DVD）、あるいはコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュールおよびサブモジュール、またはその他のデータなどの情報の短期および長期保存のための任意の方法または技術で実装される他のコンピュータベースの装置が使用されてもよい。したがって、本明細書に記載されている方法は、非一時的コンピュータ可読媒体で具現化される実行可能命令、例えば「ソフトウェア（software）」および「ファームウェア（firmware）」として符号化され得る。さらに、本明細書では、用語「ソフトウェア」および「ファームウェア」は互換性があり、パーソナルコンピュータ、ワークステーション、クライアントおよびサーバで実行するためにメモリに保存される任意のコンピュータプログラムを含む。この種の命令は、プロセッサによって実行されるときに、プロセッサに本明細書に記載されている方法の少なくとも一部を実行させる。

また、本明細書に記載されている実施形態では、追加の入力チャネルが、マウスやキーボードなどのオペレータインタフェースに関連するコンピュータ周辺装置とすることができるが、これらに限定されるものではない。あるいは、例えば、スキャナを含むことができるが、これに限定されるものではない他のコンピュータ周辺装置が使用されてもよい。さらに、本明細書に記載されている実施形態では、追加の出力チャネルがオペレータインタフェースモニタを含むことができるが、これに限定されるものではない。

本明細書に記載されているシステムおよび方法は、本明細書に記載されている特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、システムの各構成要素および／または方法の各ステップが、本明細書に記載されている他の構成要素および／またはステップから独立してかつ別々に利用され得る。

本開示の様々な実施形態の特定の形態がいくつかの図面に示され、他の図面には示されていないことがあるが、これは便宜のためにすぎない。本開示の原理によれば、図面の任意の形態が、他の図面の任意の形態と組み合わせて参照されかつ／または特許請求され得る。

本明細書では、単数形で記載され、「1つの（a）」または「1つの（an）」という語が前に付く要素またはステップは、複数の要素またはステップの除外が明示されていない限り、複数の要素またはステップを除外しないものとして理解されるべきである。さらに、本開示の「一実施形態（one embodiment）」または「一実施形態例（an example embodiment）」への言及は、記載された形態も取り入れた追加の実施形態の存在を除外すると解釈されるものではない。

本明細書は、最良の形態を含む様々な実施形態を開示するために、それに、任意の装置もしくはシステムを製作し使用すること、および任意の組み入れられた方法を実行することを含むそうした実施形態を当業者が実施できるようにするために、複数の例を使用している。特許可能な範囲は特許請求の範囲によって定義され、当業者が想起する他の例を含むことがある。そのような他の例は、それらの例が特許請求の範囲の文言と異ならない構造要素を有する場合、またはそれらの例が特許請求の範囲の文言との非実質的な差異を有する同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲内にあることを意図している。

100 構造健全性監視（SHM）システム
102 構造
104 トランスデューサ
104a アクチュエータトランスデューサ
104b センサトランスデューサ
104c センサトランスデューサ
106 アレイ
108 データ収集（DAQ）回路
110 配線束
112 経路
114 経路
116 プロセッサ
118 メモリ
202 基準振動信号
204 振幅
206 時間
208 比較振動信号
210 誤差信号
302 グラフ
304 グラフ
306 グラフ
308 グラフ
310 グラフ
312 グラフ
314 電圧
316 時間
318 基準振動信号
320 比較振動信号
322 比較振動信号
324 比較振動信号
326 比較振動信号
328 比較振動信号
330 比較振動信号
400 方法

Claims

航空機構造の損傷を検出するためのシステムであって、前記システムが、
航空機構造（102）と、
前記航空機構造の構造健全性を監視するように構成された構造健全性監視（SHM）システム（100）と、
を備え、前記SHMシステムが、
前記航空機構造に接合され、
第1の時刻に前記航空機構造を通して伝搬する基準振幅を有する基準振動信号を発生させ、
前記第1の時刻の後の第2の時刻に前記航空機構造を通して伝搬する比較振幅を有する比較振動信号を発生させるように構成されたアクチュエータ（104a）であって、前記比較振幅が前記第1の時刻と前記第2の時刻との間に前記航空機構造が受けた損傷を表す、アクチュエータ（104a）と、
前記航空機構造に接合され、前記基準振動信号および前記比較振動信号を受信するように構成されたセンサ（104b、104c）と、
前記基準振幅を前記比較振幅で除算した値の関数として利得損傷指数を計算するように構成されたプロセッサ（116）であって、前記利得損傷指数は、前記SHMシステムが前記航空機構造の前記構造健全性を温度と無関係に監視することを可能にする、プロセッサ（116）と、
を備える、システム。
前記利得損傷指数が前記航空機構造（102）内の亀裂の存在または不存在を示す、請求項1に記載のシステム。
前記航空機構造（102）が複数の積層を有する複合構造を備える、請求項1または2に記載のシステム。
前記アクチュエータ（104a）がチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）トランスデューサを備える、請求項1から3のいずれか一項に記載のシステム。
前記プロセッサ（116）が、前記第1の時刻と前記第2の時刻との間の温度変化に起因する前記比較振動信号の位相ずれを除去するようにさらに構成された、請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム。
前記プロセッサ（116）が、前記基準振幅を前記比較振幅で乗算して前記比較振幅の2乗で除算した値の関数として前記利得損傷指数を計算するようにさらに構成された、請求項1から5のいずれか一項に記載のシステム。
構造（102）内の損傷を検出する方法（400）であって、
前記構造のための基準振動信号をメモリから取得するステップ（410）であって、前記基準振動信号が以前に収集されたものである、ステップ（410）と、
前記構造に接合された第1のトランスデューサに電圧を加えて、前記構造を通して伝搬する比較振動信号を発生させるステップ（420）と、
前記構造に接合された第2のトランスデューサにおいて前記比較振動信号を受信するステップ（430）と、
前記基準振動信号および前記比較振動信号を使用して利得損傷指数アルゴリズムを実行して、前記基準振動信号の振幅を前記比較振動信号の振幅で乗算して前記比較振動信号の前記振幅の2乗で除算した値の関数として利得損傷指数を計算するステップ（440）と、
前記利得損傷指数が正であるときに前記構造内の損傷を識別するステップ（450）と、
を含む、方法（400）。
前記基準振動信号が以前に収集されたときの温度に対する、前記比較振動信号が受信される（430）ときの温度の変化に起因する前記比較振動信号の位相ずれを検出するステップと、
前記利得損傷指数アルゴリズムを実行する（440）前に前記比較振動信号から前記位相ずれを除去するステップと、
をさらに含む、請求項7に記載の方法（400）。
ほぼ前記第1のトランスデューサの位置において、前記第1のトランスデューサを接合する前に、前記構造に接合された第3のトランスデューサに電圧を加えて前記基準振動信号を発生させるステップと、
ほぼ前記第2のトランスデューサの位置において、前記第2のトランスデューサを接合する前に、前記構造に接合された第4のトランスデューサにおいて前記基準振動信号を受信するステップと、
前記基準振動信号を前記メモリに保存するステップと、
をさらに含む、請求項7または8に記載の方法（400）。
前記構造内の損傷を識別するステップ（450）が、前記構造内の亀裂を検出するステップを含む、請求項7から9のいずれか一項に記載の方法（400）。