用于電導率評估的磁耦合的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明總體涉及無損檢測（NDT)，并且具體涉及具有復合材料的面板或部件的 NDT，該復合材料具有導電元素，諸如碳纖維增強塑料（CFRP)、硼纖維復合材料、介電復合改 性導電成分或具有至少一個導電層的混合物。
【背景技術】
[0002] 傳統的鋁飛行器結構通常具有固有的防雷保護。鋁蒙皮結構具有均勻性和可預測 性，包括電性能。電導率影響電磁效應（ΕΜΕ)，例如，閃電、屏蔽、沉積靜電和靜電性能。鋁的 高導電性提供了固有屏蔽。因此，電流被引導在外部結構上，而不是在內部結構和系統上， 減少額外的保護功能的需求，諸如電纜屏蔽或燃料罐密封，以控制火花。對由雷電所致的蒙 皮擊穿的防護可以通過調整鋁蒙皮厚度來提供。在傳統的飛行器結構區域，其中蒙皮是非 導電的，例如，天線罩、氣動整流罩、金屬母線可用于外部表面，以直接將雷擊電流引到鋁結 構。防雷的展開的金屬箱、金屬絲編織網和互交金屬線形式往往共同固化成復合保護層，以 防止雷電擊穿部件和/或提供電磁屏蔽。
[0003] 提供針對導電復合材料結構（諸如碳纖維增強塑料（CFRP))的防雷保護比針對典 型的鋁結構的更為困難和復雜。導電復合材料是非均勻的，電導率比鋁小很多。導電復合材 料結構諸如CFRP板的電導率可因此是重要的參數，以確定在雷擊期間的復合材料的性能。 在另一環境中，電導率可以是在涉及這些結構的感應加熱過程中獲知的重要的參數。電導 率和厚度也決定屏蔽特性。不同的頻率對應于不同類型的屏蔽。
[0004] 對于多層復合材料結構，了解結構在層（ply)、橫向于層以及層間的方向的電導率 可是期望的。層間電導率可尤其重要，因為它可以根據邊緣發光和緊固件的火花驅動雷電 性能。對于感應加熱，層間電導率的知識可表明局部熱點。
[0005]目前存在用于測量復合材料結構的層間電導率的技術。在一種技術中，層間電導 率可以用樣本結構的多個樣品上的電流脈沖測量值來測量。這種技術要求與樣本的直接電 接觸，并且準備樣品可是耗時的。此外，測試本身需要顯著的時間量。不同的樣本結構往往 產生不同的層間電導率，而不知道這是否是由于測試樣本的變化或測試本身的變化。目前 的技術要求加工、打磨、電鍍樣本結構為小的緊公差樣本；并且在結構被測試之后，它們不 能被再次使用。表征新型復合材料結構的層間電導率是一個漫長而費力的過程。測量值需 要針對接觸電阻進行校正。
[0006] 還沒有可靠的方法用于在經受環境調節時監控某些類型的樣本的腐蝕降解。現 有技術需要用探頭（probe)接觸它們，通常是在通過復合材料上的樹脂層的打磨后。這可 比如果將樣本全部完好無損地留在貫穿整個調整中導致更多的降解。這對于需要以規則 的間隔檢查樣本的鹽霧尤其有問題的，因為打磨創建可加速腐蝕的水通道。探頭的共固化 (co-curing)或安裝特殊特性用于接觸，而不是砂紙打磨（sanding)來改變測試物品。
[0007] 因此，具有考慮以上所討論的問題中的至少一些依據其他可能問題的系統和方法 可以是期望的。
【發明內容】
[0008] 本公開的示例實施方式通常涉及用于對具有形成結構的至少一個導電層或特征 的復合材料結構的無損檢驗（NDT)的系統和方法，該結構的電導率可以是各向異性的。碳 纖維增強塑料（CFRP)板是合適的結構的一個示例，盡管還有其他的。該系統和方法避免破 壞或另外修改結構。并且此外，該系統和方法可以允許在服務中評估以維護和修理可足夠 進入的部件或其它結構。
[0009] 該系統可以包括一對線圈，其中被測的結構（SUT)(structureundertest)(例 如，CFRP板）可放置在該對線圈之間。線圈之一可以利用在寬的頻率范圍內的源來驅動， 并且在另一線圈上的電壓可以被測量。SUT的屏蔽效力可以測量屏蔽效力，從而計算其電導 率。在一些示例中，諸如在多層SUT的情況下，利用多組不同尺寸的線圈可獲得測量值。因 為在層間方向的電導率不同于在層方向的電導率，來自不同線圈大小的響應可以被用于確 定層間電導率。
[0010] 根據不例實施方式的一個方面，一種方法被提供，該方法包括建立在發射線圈和 接收線圈之間的被測的復合材料結構（SUT)。該方法包括利用在多個頻率上的射頻（RF)信 號驅動發射線圈，從而使發射線圈產生磁場，該磁場通過穿過SUT的磁耦合在接收線圈中 感應電壓。該方法包括測量在接收線圈上的電壓，并且根據該電壓產生由發射線圈和接收 線圈之間的SUT引起的RF信號在多個頻率上的衰減的測量值。而且該方法包括根據衰減 的測量值計算SUT的有效電導率。
[0011] 在一些示例中，有效電導率在全局坐標系的各個正交軸具有分量。在這些示例中， 計算有效電導率包括具體計算一個或多個分量，例如，以包括根據布置的有限元模型來執 行有限元分析的方式，其中該布置包括發射線圈和接收線圈以及在它們之間的SUT。
[0012] 在一些示例中，SUT具有平行于發射線圈和接收線圈的相對主表面（opposing majorsurface)，并且有效電導率的分量包括平行于SUT的主表面的第一分量。在這些示 例中，具體計算的一個或多個分量包括具體計算第一分量。
[0013] 在一些示例中，SUT具有平行于局部坐標系的主軸取向的嵌入纖維。在這些示例 中，具體計算一個或多個分量包括根據局部坐標系的主軸偏離全局坐標系的各個正交軸中 的相應的一個的任何角偏移來計算具體一個或多個分量。
[0014] 在一些進一步的示例中，SUT(106)是多層結構，所述多層結構包括第一層和第二 層，該第一層具有取向平行于第一局部坐標系的第一主軸的嵌入纖維，該第二層具有平行 于第二局部坐標系的第二主軸的嵌入纖維取向。在這些更進一步的示例中，具體計算一個 或多個分量包括進一步根據第一局部坐標系的第一主軸和第二局部坐標系的第二主軸中 的每個偏離全局坐標系的各個正交軸中的相應一個的任何角偏移來具體計算一個或多個 分量。
[0015] 在一些示例中，發射線圈和接收線圈形成布置。在這些示例中，建立、驅動和測量 針對第一布置被執行，在第一布置中，發射線圈和接收線圈具有第一直徑以產生衰減的第 一測量值。該建立、驅動和測量針對第二布置被重復，在第二布置中，發射線圈和接收線圈 具有不同的第二直徑以產生衰減的第二測量值。具體計算一個或多個分量接著包括從衰減 的第一測量和衰減的第二測量值來具體計算一個或多個分量。在此，用于具體計算一個或 多個分量的有限元分析可以根據第一布置和第二布置的有限元模型來執行，第一布置和第 二布置的每個在其之間具有SUT。
[0016] 在示例實施方式的其它方面中，一種用于SUT的無損檢測的系統被提供。在此所 討論的特征、功能和優點可在多種示例實施方式中獨立地實現，或在其它示例實施方式中 被組合，其它示例實施方式的進一步的細節可以參照以下的描述和附圖獲知。
【附圖說明】
[0017] 已經以通用術語描述本公開的示例實施方式，現在將參考附圖，該附圖不必要按 比例繪制，并且其中：
[0018] 圖1是根據本公開的示例實施方式的系統的圖示；
[0019] 圖2根據示例性實施方式示出在多個不同的環境中在期望的頻率范圍內的衰減 的圖；
[0020] 圖3和圖4根據示例實施方式示出在兩種環境中的二維軸向對稱的有限元模型；
[0021] 圖5根據一些示例實施方式示出可對應于被測結構（SUT)的多層結構的示例；
[0022] 圖6根據一些示例實施方式示出可對應于多層SUT的SUT或層的結構；
[0023] 圖7A和圖7B根據一些示例實施方式示出不同的相應直徑的發射電磁線圈和接收 電磁線圈的布置；
[0024] 圖8是根據一些示例實施方式示出方法中的各個步驟的流程圖；以及
[0025] 圖9示出根據一些示例可被配置為至少部分地實現圖1的系統的分析系統的裝 置。
【具體實施方式】
[0026] 現在將參照以下附圖更詳細地描述本公開的一些實施方式，其中本公開的一些實 施方式而不是全部被示出。事實上，本公開的各個實施方式可以多種不同的方式被實施，并 且不應被解釋為限制在此闡述的實施方式；相反，這些示例性實施方式被提供以使本公開 將是徹底的和完整的，并且將充分地向本領域技術人員傳達本公開的范圍。例如，除非另外 指出，以第一，第二等呈現的參考事物不應該被解釋為暗含特定的順序。另外，一些可被描 述為可在以下被替代的上述其他事物（除非另有說明），反之亦然；同樣地，被描述為其他 事物的左側的事物可以替代成右側，反之亦然。在全文中，相同的附圖標記指代相同的元 件。
[0027] 圖1根據本公開的各種示例實施方式示出系統100。該系統可用于具有各向異性 電導率的導電性復合材料結構的無損測試。該結構可以具有受控的幾何形狀，諸如在碳纖 維增強塑料（CFRP)板的情況下。合適結構的其它示例包括可被共固化或附連到電介質基 片或導電基片的金屬化層。這些金屬化層諸如鎳涂覆的纖維、交織金屬絲、擴展箱、導電貼 花以及類似物。這些及類似的結構可被表征為它們的面積屬性以及它們的接頭的電導率。
[0028] 如圖所示，該系統可包括包含發射電磁線圈102和接收電磁線圈104 (電磁線圈有 時簡稱為線圈）的布置。在一些示例中，發射線圈和接收線圈可以是50匝線圈，并且可以 間隔開小于或等于線圈的半徑的距離。例如，發射線圈和接收線圈具有大約2. 5英寸的半 徑（大約5英寸的直徑），并且該發射線圈和接收線圈可以間隔開小于或等于大約2. 5英寸 的距離。
[0029] 發射線圈102和接收線圈104可被配置為接收（receive)在它們之間的被測結構 (SUT) 106,其中在一些示例中的SUT是正在經受無損測試的導電性復合材料結構的具體實 例。在一些示例中，可以在線圈之間接收SUT，使得SUT物理上不接觸任一線圈。在CFRP板 的情況下，一些示例的SUT可具有大約1/16英寸和1英寸之間的厚度。
[0030] 發射線圈102和接收線圈104可以耦合到信號發生器108、接收器對110、112以及 信號處理電路，在一些示例中，信號處理電路可以由網絡分析儀114提供。在一些示例中， 發射線圈可通過適當的非線性晶體至BNC(banana-to-BNC)適配器116耦合到信號發生器， 并且通過適當的電流探頭118耦合