专利名称：飞行器中的结构的无损探伤的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测金属结构中的缺陷、更特别地用于检测无法进入或者只是难以进入的飞行器结构区域中的裂纹的无损探伤技术领域。
背景技术：
对飞行器的结构或者机械部分进行定期探伤，特别是用于检测可能存在的裂纹， 从而在需要时进行适当维修。通过专利申请ΕΡ2037^1已知一种无损探伤系统，其包括由附接在要探伤的表面上的多个固定线圈构成的探头。这些线圈的子集被依次馈电并串联连接，以模拟对探头要探伤的表面的连续扫描。在把线圈安装到该表面之前，在空气中进行线圈的初始化，并对线圈子集发出的信号进行相互比较，以检测该结构中的表面裂纹。然而，该系统触发的报警未必都表示有裂纹。的确，电磁干扰和/或者温度变化和/或者结构的机械特性的变化(例如，材料的硬化)都可能干扰涡流的循环 (circulation)，并引起线圈处阻抗的变化。本发明的目的在于提供一种使用涡流检测金属结构中的可能缺陷的无损探伤方法，特别地，其能够不受外界因素或结构中的自然变化的干扰地检测裂纹，从而克服了上述缺点。

发明内容
本发明的目的在于提供一种借助附接到金属结构的表面的线圈阵列、使用涡流来检测所述结构中的缺陷的无损探伤方法，该方法包括激励线圈以及测量表示涡流的电信号，所述方法还包括使用与安装在表面边缘处的至少一个线圈发出的特定电信号对应的边缘效应作为参考，来估算每个线圈的电信号随时间的变化，所述变化的程度指示结构中是否存在缺陷。因此，根据本发明的方法使得可以自动、精确并且可靠地检测无法进入的区域中的缺陷，同时还避免错误报警。有利地，该方法包括对安装在表面边缘处的线圈的特定电信号进行相互比较的步
马聚ο这使得能够与先前结果进行交叉对比，以进一步保证不发生错误诊断。根据本发明的一个有利特征，该方法还包括以下步骤-通过在线圈的电信号相对于阻抗平面中的边缘效应的级别与所述表面上的所述线圈的空间分布之间建立对应关系，来确定空间映射，以及-显示所述空间映射。这使得可以直接定位任何指示存在缺陷的线圈的位置。有利地，该方法包括以下步骤-使用具有粘性的柔性材料来将所述线圈阵列中的每个线圈装配到所述结构的表
-使用所述柔性材料覆盖线圈阵列，以及-借助所述柔性材料来保持线圈阵列与所述表面的接触。这使得线圈能够完美地适合于任意几何形状的表面、更好地接触并且更好地保护阵列。根据本发明的一个方面，该方法包括针对根据所述线圈在表面上的位置确定的检测阈值，来分析线圈发出的电信号。这些裂纹检测阈值使得可以快速并有效地确定线圈的电信号的级别是否是该结构可接受的。有利地，该方法包括按预定时间间隔校准所述线圈阵列，以分析所述结构的表面上的变化。这使得在任何时候都能有效地诊断每个线圈的工作状态。有利地，该方法包括排除任何表现异常的线圈的电信号。这使得即使一个或者多个线圈故障，也能执行检测。根据本发明的另一方面，该方法包括以下步骤-在取边缘效应作为参考的同时确定线圈发出的所述电信号的相位，以及-分析所述电信号的与表面涡流对应的相对于参考相位的相移。这使得除了表面裂纹以外，还能够检测位于深处(de印-lying)的缺陷。本发明还涉及一种借助附接到金属结构的表面的线圈阵列、使用涡流来检测所述结构中的缺陷的无损探伤设备，该设备包括激励装置，用于激励线圈；测量装置，用于测量表示涡流的电信号；以及数据处理装置，用于使用与安装在该表面的边缘处的至少一个线圈发出的特定电信号对应的边缘效应作为参考，来估算每个线圈的电信号随时间的变化，所述变化的程度指示该结构中是否存在缺陷。本发明还涉及一种飞行器，其包括金属结构和用于对该结构进行探伤、实现根据上述特征之一的方法的设备。


在参照附图阅读本发明的优选实施例时，本发明的其它特征和优点将显而易见， 附图中图IA和IB示意性地示出根据本发明的可以用于执行无损探伤方法的设备，所述方法使用涡流来检测飞行器的金属结构中的缺陷；图2示出阻抗平面上的图1所示设备的线圈的常规阻抗图的一个例子；图3A和;3B示出根据线圈在飞行器的结构上的位置的线圈发出的归一化阻抗的分布；图4A至4C示出可以用于诊断飞行器结构中是否存在缺陷的阻抗平面上的检测阈值；图5示出检测飞行器结构中的位于深处的缺陷的一个例子；图6示出描述了根据本发明的在飞行器结构上安装线圈阵列的不同步骤的流程图；以及
图7示出描述了根据本发明特定实施例的用于检测飞行器结构中的缺陷的方法的不同步骤的流程图。
具体实施例方式本发明涉及使用机载线圈阵列通过涡流来检测金属结构中的缺陷。本发明的基本原理在于通过与边缘效应的比较来分析线圈发出的信号。图IA和IB示意性地示出根据本发明的设备，该设备可被用于执行使用涡流来检测飞行器的金属结构中的缺陷的无损探伤方法。设备1包括线圈阵列5 ；激励装置7，用于激励线圈；测量装置9，用于测量表示涡流的电信号；计算或者数据处理装置11，用于处理和分析电信号；以及存储装置13，用于记录计算机程序的数据或者代码指令。线圈阵列5包括多个并联连接以各自当作涡流传感器的线圈511至536。应注意， 取决于要探伤的结构的厚度、体积及其它因素，线圈511至536可以是平面形式的，也可以是立体形式的。例如，每个线圈都可以具有约0. 5mm至Imm的直径和约Imm至5mm的高度。 因此，线圈511至536的直径可以与通常是Imm的数量级的要检测的最小缺陷匹配，且甚至允许检测小于Imm的裂纹。此外，取决于线圈511至536的高度，设备1可以检测结构3中处于几种深度的缺陷。这在不能直接进入结构表层的组件中尤为有利。排列线圈阵列5，以覆盖要探伤的结构3的整个表面31。应注意，线圈阵列5包括框架15或者电磁屏蔽，从而在将其与其环境隔离的同时使得每个线圈能够具有相当大的独立检测域，以避免在线圈511至536之间存在盲区。因此，线圈阵列5可以连续诊断由框架15限制的整个表面。有利的是，例如，用具有粘性、属于填缝胶型(从而不侵蚀要探伤的结构)并且耐受比如煤油的侵蚀性液体的柔性材料17，将线圈阵列5保持在要探伤的表面上。柔性材料 17用于将每个线圈装配到该结构的表面上。该柔性材料17使得线圈阵列5能够适合任意几何形状(例如，平面、凹形或者凸形的)的表面31且保持与其的接触。有利的是，柔性材料17被用于覆盖线圈阵列5，以固定并防止它受到侵蚀性产品的影响。在将线圈阵列5附接到该结构的表面31上后，线圈被激励，且测量其电信号。的确，激励装置7包括例如正弦型的可变电流发生器71，用于分别激励线圈511至 536。发生器71将激发频率馈送给线圈511至536，该激发频率可取决于与结构3的材料相关的参数，比如例如电导率、其导磁率以及结构3的几何形状和厚度等选择的。测量装置9包括信号的放大装置、滤波装置以及有功分量和无功分量的检测器 (未示出)，和例如用于显示该信号的幅值和相位甚或复平面上的有功分量和无功分量的显示装置91。测量装置9可以包括自动平衡装置。按照本发明，该方法包括使用与安装在表面31的边缘33处的至少一个线圈511 至516发出的特定电信号对应的边缘效应作为参考，来估算每个线圈511至536的电信号随时间的变化，所述变化的程度指示结构中是否存在缺陷。的确，处理装置11被配置为确定或者估算该电信号随时间的变化。应注意，每个线圈的电信号可以被表示在复平面上，或者更精确地说，阻抗平面上(请参见图2至4C)，从而电信号的变化程度指示结构3中存在还是不存在缺陷。因此，通过相对于边缘效应分析例如信号的幅值或者每个线圈的阻抗随时间的变化，可以检测结构3中的可能缺陷。应注意，边缘效应是随结构3的变化和老化而改变的相对参考，因此，通过与该参考的比较确定的信号相对于外因保持不变。的确，如果发生因为材料的老化或者硬化、因为存在外部电磁场、因为结构过热或者因为任何其它外来作用的一般变化，则结果材料的响应发生变化。但是这种变化以实质上相同的方式同时影响线圈511至536的所有信号，因此，通过与边缘效应的比较来确定信号，所有这些材料的老化现象或者外因现象都不影响对裂纹或缺陷的检测，并因此避免了错误报警。此外，使用边缘效应作为参考，可以在结构3上直接执行阵列5的初始化，并且不再需要在空气中将线圈“归零”。因此，处理装置11可以被配置为按设定的时间间隔(例如，在每次探伤之前)校准(初始化或重新初始化)线圈网络5，同时线圈网络5被附接在结构3的表面31上。记录这些校准使得可以分析结构3的表面上的变化。在阵列5仍永久安装在结构3上时，校准使得可以分析线圈511至536的信号的一致性，因此，可以对不同时刻的信号进行比较，从而有效、可靠地诊断每个线圈的工作状态。 特别是，这样可以避免因为接触不良而错误解读信号的风险。处理装置11可以被配置为排除任何表现异常的线圈的信号，因此，即使一个或者多个线圈故障，也能够使用该探伤设备 1。根据一个特定实施例，处理装置11可以被配置为在阵列5的线圈511至536之中细分或者限定线圈分组，以使得每个分组均包括至少一个属于安装在表面31的边缘33上的线圈511至516之中的边缘线圈。每个线圈分组可以例如对应于基本上垂直于表面的一排(an alignment)线圈。例如，阵列5 可以被细分成如下分组(511、521、531)，(512、522、532)，· · .，(516、 526、536)。第一分组(511、521、531)中的第一边缘线圈511可被用作用于确定属于该第一分组的线圈511、521、531的信号或者阻抗的参考。第二边缘线圈512可被用作第二分组的参考等。的确，对于每个分组，处理装置11通过取与属于所述分组的边缘线圈发出的特定信号对应的边缘效应作为参考，来确定其线圈中的每个线圈的电信号。这样对于每个分组， 允许处理装置11对其线圈中的每个线圈在不同时刻的电信号上的变化进行比较。应注意，通过例如以二维方式进行分组，每个线圈分组都可以包括两个或者更多个边缘线圈。此外，通过具备共用线圈，可将分组选择成不独立的。此外，根据第一变型，线圈分组可以被激励装置7同时激励。根据第二变型，它们可以被依次(每次一个分组)激励，以模拟对要探伤的表面31的机械扫描。图2示出阻抗平面上的线圈的常规阻抗图的一个例子。曲线21上的每个点表示归一化有功分量RzlciCO和归一化无功分量Lω/Ltlω限定的归一化阻抗Z(R是线圈的电阻， L是线圈的电感，Ltl是线圈在初始化之前的电感，ω是脉冲率(pulse rate))。图3A示出根据线圈在没有缺陷的初始或者参考结构3a上的位置的、线圈发出的归一化阻抗Z的分布。曲线21上的每个小圆圈代表线圈的阻抗，该阻抗尤其取决于线圈与结构3的边缘33之间的距离。安装在表面3的边缘33处的线圈511至516的阻抗最高， 而距离边缘33最远的线圈531至536的阻抗最低。更具体地说，根据该例子，小圆圈C1、C2和C3从边缘33开始表示第一行中的线圈 511至516、第二行中的线圈521至526以及第三行中的线圈531至536。边缘效应根据每个线圈与边缘33的距离来作用在每个线圈上。特别是，边缘33可以被看作防止涡流循环的无穷截面裂纹。反之，裂纹可以被看作边缘，因此，裂纹附近的线圈具有与安装在边缘处的线圈的阻抗等效或者相当可比的阻抗。因此，通过对线圈511至536中每个线圈的电信号进行测量并与在边缘上的线圈 511至516进行比较，可以检测并监视裂纹的发展。通过出现与边缘线圈的信号可比的信号，可以识别裂纹的发展，因此，可以被归类为“裂纹信号”类。图;3B示出根据线圈在有缺陷的结构北上的位置的、线圈发出的信号的分布。例如，在其附近具有裂纹Kl和K2的边缘线圈511、512和515的阻抗(小圆圈Cl 1 表示的)比紧邻位置没有裂纹的线圈513和514的阻抗(小圆圈C12表示的)高。同样，第二行中的线圈521、5M和525的阻抗(小圆圈C12表示的)比线圈522和523的阻抗(小圆圈C13表示的)高。此外，第三行的线圈531至536的阻抗由小圆圈C14表示。如上所述，裂纹或者裂缝阻止涡流循环，因此，紧邻该裂纹的线圈的阻抗升高。此外，裂纹的作用与边缘效应共同作用，因此，与边缘等距的两个线圈发出的信号可例如仅因为在这两个线圈之一或者另一的紧邻位置存在裂纹而不同。实际上，通过将这些信号与允许直接诊断结构3中的缺陷或者裂纹的检测阈值进行比较，可以分析线圈发出的电信号随时间的变化。的确，图4A至4C示出可以用于诊断结构3中是否存在缺陷的阻抗平面上的检测阈值Si。根据该例子，阈值Sl用于安装在第二行中的一组线圈521至526。更一般地说，处理装置11被有利地配置为针对根据线圈在表面31上的位置确定的检测阈值，分析线圈发出的电信号。这样，检测阈值可以对应于与边缘33等距的每个线圈或者每组线圈。换句话说，检测阈值取决于线圈的空间分布，且尤其取决于其与表面31 的边缘33的距离。例如，使用不同阈值来处理边缘线圈，这是因为在开头时由于边缘效应它们具有较高的阻抗级别。通常，检测阈值使得可以确定线圈的电信号的级别是否是结构3可接受的。图4A示出结构3a没有缺陷的情况，并且示出对应于安装在第二行中的线圈521 至526的检测阈值Si。根据该例子，这些线圈发出的信号(小圆圈C2表示的)当然低于相应的检测阈值Si。图4B示出结构3c具有一些小裂纹Kll、K12的情况，因为线圈521至5 发出的信号(小圆圈C23表示的)即使非常接近相应的检测阈值Sl也仍然小于该阈值，所以这些小裂纹Kll、K12被认为是可接受的。另一方面，图4C示出结构北上的裂纹Κ1、Κ2较大的情况，其中线圈521至5 发出的信号(使用小圆圈C13表示的)超过相应的检测阈值Si。在后面这种情况下，发出报
Sfc目。此外，处理装置11被配置为分析电信号的级别超过检测阈值的那些线圈的空间分布。该分析使得可以检验这些级别是否超过另一被表示为裂纹长度的可接受阈值，以便检测未被超过的裂缝或者裂纹的长度。此外，处理装置11还可以被配置为对安装在表面31的边缘33处的线圈511至 516的特定信号相互进行比较。对排列在结构3的边缘处的所有线圈511至516的并行分析使得可以交叉比较先前结果，以便更有把握未进行错误诊断。的确，这样使得可以精确地检查通过分析线圈的电信号的变化进行的报警或者缺陷检测是否真的对应于裂纹或者缺陷，和是否不对应于例如由于热场、电磁场、从表面卸下线圈或者任何其它外部作用导致的材料特性的局部变化。特别地，如果边缘线圈511至516中的大部分的幅值或者阻抗级别都指示存在缺陷，则可以推断很可能是除结构3中的裂纹以外的其它原因。的确，边缘裂纹通常仅被一个(有可能两个)边缘线圈检测到，因此，大量边缘线圈均检测到的缺陷可被视为有问题，因为已知存在与线圈数量一样多的裂纹是极其不可能的。此外，有利的是，处理装置11可以被配置为根据给出检测到缺陷或者裂纹的线圈的相应位置的c扫描型报告模式，确定空间映射。通过在线圈的电信号相对于阻抗平面中的边缘效应的级别与结构3的表面31上的这些线圈的空间分布之间建立对应关系，可以执行这种空间映射。然后，显示装置91可以直接显示该空间映射，这样使得可以确定裂纹或者缺陷在该结构中的位置。例如，图4A至4C中示出的线圈511至536和相应信号(C1、C2、 C3、C21 ；C22、C23、C24 ;C11、C12、C13和C14)被以相同方式施加了交叉阴影线。应注意，为了便于诊断，可以用对应于不同信号级别的不同颜色来在显示装置91上显示线圈。应注意，在阵列包括立体线圈(例如，高度的量级是5mm的线圈)情况下，可以使用复平面上的阻抗的有功分量或者无工分量来检测位于深处的缺陷，如图5所示。因此，处理装置11被配置为确定已相对于边缘效应限定的信号的相位。处理装置 11分析信号的与表面涡流对应的相对于参考相位的相移。的确，表面涡流具有可以被看作参考相位的特定相位，并且缺陷在结构3中越深，则相对于参考相位的相移越大。特别地， 由相对于表面涡流的57°的相移来定义标准深度，因此，可以使用角度变化诊断缺陷在结构3的厚度内的位置。因此，信号的相移指示裂纹的深度或者结构3中隐藏的缺陷所处的水平。在由多个叠层构成的结构的情况下，这尤其有利于诊断可能例如在中间层开始的裂纹。图5的例子示出具有第一表面缺陷D1、第二位于深处的缺陷D2和甚至更深的第三缺陷D3的结构3的一部分。小圆圈C31、C32和C33分别示出检测缺陷D1、D2和D3的线圈发出的信号。信号C31、C32和C33的角度变化指示缺陷在结构3中的深度。此外，应注意，根据本发明的探伤设备1可以被集成在飞行器健康监控系统中。可以在静止时甚或在飞行器的结构工作期间连续检验由探伤设备执行的诊断。这样使得可以充实飞行器的健康监控。图6示出描述了根据本发明的一个特定实施例将线圈阵列5安装在飞行器的结构 3上的不同步骤的流程图。在步骤E1，成型工具被安装在要覆盖的表面31的区域上。在步骤E2，由并联连接的小线圈构成的阵列5被安装在成型工具上，并与结构3的要探伤的表面31接触。在步骤E3，柔性填充材料17 (粘胶)被注入成型工具于整个线圈阵列5之上，以覆盖线圈，同时还使它们保持与表面31的接触。在该粘胶发生聚合作用之后，其可以将线圈阵列5粘附到结构3的金属表层(表面)。在步骤E4，可变发电机分别激励线圈。在步骤E5，线圈发出的电信号被测量装置9采样。在步骤E6，处理装置11使用边缘效应作为参考确定线圈发出的信号在阻抗平面上的分布。在步骤E7，通过分析每个线圈的电子阈值的一致性，处理装置11对线圈执行电子诊断或者自动校准。更具体地说，针对结构的几何形状分析线圈发出的信号。如果阻抗平面上的信号的间距是均勻的(换句话说，如果与边缘33等距设置的线圈具有相同的阻抗级别)，则可以推断线圈正常工作。然而，如果信号的间距不均勻，则可以推断该阵列中存在至少一个线圈在安装时损坏。对于后者，可以卸下阵列5进行修理或者更换，并重复上述安装步骤。应注意，针对可能检测到由于电缆或者电连接的最初断开导致的线圈信号的异常变化，基于随时间的电子阈值比较的诊断可以补充该分析。如果线圈表现出这种类型的异常， 则自动排除其信号。在步骤E8，处理装置11将对应于构成阵列5的线圈的各信号的特征的参考数据记录在存储装置13内，以随时间用于进一步比较和正确工作的诊断。图7示出描述了根据本发明一个特定实施例的缺陷检测方法中的不同步骤的流程图。在步骤E21，线圈511至536分别被发电机激励。线圈可以被同时激励；也可以按照将预定数量的线圈分为多组、每组中包括至少一个边缘线圈的的模式被激励，以提供对表面31的虚拟扫描。在步骤E22，处理装置11将对应于线圈的初始信号的初始数据记录在存储装置13 内。在步骤E23，处理装置将该初始数据与参考数据进行比较，以使用边缘效应作为参考来确定每个线圈的电信号随时间的变化。如果对于给定的线圈，该变化超过预定值，则可以推断该线圈检测到缺陷。当存在两个或者更多个相邻线圈也指示出变化大于预定值时， 可确认该缺陷。在步骤E24，处理装置11对安装在表面31的边缘33处的线圈的信号相互进行比较。这样使得可以交叉比较先前的结果，以检验该检测是否真实地对应于裂纹或者缺陷，而不是错误报警。此外，应注意，存储装置13可以包括含有代码指令的计算机程序，这些代码指令被设计为在被处理装置11执行时实施如上所述的根据本发明的方法。
权利要求
1.一种借助附接到金属结构⑶的表面(31)的线圈阵列(5)、使用涡流来检测所述结构(3)中的缺陷的无损探伤方法，所述方法包括激励所述线圈和测量表示所述涡流的电信号，其特征在于，所述方法还包括通过取与安装在所述表面的边缘上的至少一个线圈发出的特定电信号对应的边缘效应作为参考，来估算每个线圈(511至536)的电信号随时间的变化，所述变化的程度指示所述结构中是否存在所述缺陷。
2.根据权利要求1所述的探伤方法，包括如下步骤对安装在所述表面(31)的边缘 (33)处的所述线圈(511至536)的所述特定电信号相互进行比较。
3.根据权利要求1或者2所述的探伤方法，包括以下步骤-通过在所述线圈的电信号相对于所述阻抗平面中的边缘效应的级别与所述表面上的所述线圈的空间分布之间建立对应关系，来确定空间映射，以及-显示所述空间映射。
4.根据上述权利要求之一所述的探伤方法，包括以下步骤-借助具有粘性的柔性材料(17)，将所述线圈阵列(5)中的每个线圈装配到所述结构的表面(31)，-借助所述柔性材料(17)覆盖所述线圈阵列(5)，以及-借助所述柔性材料(17)使所述阵列( 保持与所述表面的接触。
5.根据上述权利要求之一所述的探伤方法，包括通过与根据所述线圈在所述表面 (31)上的位置来确定的检测阈值(Si)进行比较，分析所述线圈发出的电信号。
6.根据上述权利要求之一所述的探伤方法，包括按预定时间间隔校准所述线圈阵列 (5)，以分析所述结构(3)的表面(31)上的变化。
7.根据上述权利要求之一所述的探伤方法，包括排除任何表现异常的线圈的电信号。
8.根据上述权利要求之一所述的探伤方法，包括以下步骤-取所述边缘效应作为参考，确定所述线圈发出的所述电信号的相位，以及-分析所述电信号的与表面涡流对应的相对于参考相位的相移。
9.一种借助附接到金属结构(3)的表面(31)的线圈阵列(5)、使用涡流来检测所述结构(3)中的缺陷的无损探伤设备，所述设备包括用于激励所述线圈的激励装置(7)和用于测量表示涡流的电信号的测量装置，其特征在于，所述设备还包括数据处理装置(11)，所述数据处理装置(11)用于通过取与安装在所述表面的边缘上的至少一个线圈发出的特定电信号对应的边缘效应作为参考，来估算每个线圈(511至536)的电信号随时间的变化，所述变化的程度指示所述结构中是否存在所述缺陷。
10.一种飞行器，包括金属结构和用于所述结构的、实现根据权利要求1至8之一所述的方法的探伤设备。
全文摘要
公开了飞行器中的结构的无损探伤。本发明涉及一种借助附接到金属结构(3)的表面(31)的线圈阵列(5)、使用涡流来检测所述结构(3)中的缺陷的无损探伤方法，所述方法包括激励所述线圈；测量表示所述涡流的电信号；以及通过取与安装在所述表面的边缘上的至少一个线圈发出的特定电信号对应的边缘效应作为参考，来估算每个线圈(511至536)的电信号随时间的变化，所述变化的程度指示所述结构中是否存在所述缺陷。
文档编号G01N27/90GK102565186SQ201110299558
公开日2012年7月11日 申请日期2011年9月23日 优先权日2010年9月23日
发明者马里耶-安妮·德斯梅特 申请人:空中客车营运有限公司