专利名称：沾染物检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及沾染物探测器，特别涉及利用在色散曲线上实现多重谐振的不同偏振定向波来对飞机表面上的沾染物进行探测和分类的装置。
在某些工作条件下，飞机容易受到外部部件表面或机壳上沾染物积累的损坏。这类沾染物的例子包括冰、乙二醇、油或燃料。如不加检测，则某些沾染物的积累(尤其是冰)最终有可能使飞机因附加重量的加载而改变机翼结构从而导致不希望的飞行状态。因此，检测这种表面上沾染物累积的能力和将这类沾染物分类的能力以便鉴别危险的飞行状态就变得极为重要。
大量不同种类的沾染物探测器已用于这种目的。其中包括超声沾染物探测器，它利用穿过飞机或机翼外壳的超声能量。
在Jacques R.Chamuel(Chamuel)的美国专利4,461,178中描述了一种这样的超声冰层探测器。按照该专利，一个超声信号发生器将输出加到换能器上，将信号能量转换成超声波，使其穿过部分机翼外壳，再由第二个换能器检测。传输的波形包括一部分压缩波和一部分挠曲波。该接收换能器接收的初始波形相应于从源换能器穿过机翼外壳发送的压缩波。跟随压缩波之后，一个较强的峰值相应于穿过机翼外壳发送的挠曲波的第一次接收。在机翼表面上的冰层将影响信号波形，其中的挠曲波分量将会衰减，而压缩波基本保持不变。接收的压缩波与挠曲波部分的峰值振幅之比提供相应于冰层累积的指示。
当采用Chamuel常规的束激励换能器时，很难控制发送的信号成为一种特定的模式和波形，因为这类换能器有产生接近截止频率的较高相速度的趋势。因此，很难用Chamuel的系统将冰和水区分开。如前所述，很希望能够将冰与水区分开来，因为累积的冰层对飞行来说是危险的，而累积的水却无关紧要。
在Watkins等人的美国专利4,604,612中描述了另一种超声冰层探测器。Watkins等人也是利用发送和接收换能器，其中发射机发送出通过机翼外壳传播的水平偏振的切变波脉冲，其波长与板材厚度可相比较，因而这种切变波可由表面传导。如果表面是干燥的，或覆盖有水(水平偏振切变波不能在其中传播)，则接收的脉冲幅度将比表面覆盖冰层(切变波可在其中传播)时要大。这是因为切变波脉冲的某些能量将因通过冰层的传播而耗散掉。因此，Watkins等人的冰层探测器可以检测附着于表面的冰层，但对水的存在却不敏感。
与Chamuel的系统一样，用Watkins等人的系统要检测覆盖在一薄层水上的冰层是不可能的。水上浮冰对飞行来说也是一种危险的状态。
因此，很希望有一种超声系统能可靠地鉴别并区分各种不同形式的机翼沾染物，特别是水与冰的形成。
本发明的目的是提供一种能鉴别各种不同沾染物类型的超声沾染物检测系统。
按本发明的一个方面，沾染物检测系统包括一种用来对结构表面的不明沾染物进行分类的方法，这种方法包括对结构表面上的多种不同已知沾染物的响应进行测绘的步骤，包括按结构的不同谐振点穿过该结构发送多种声定向波、接收这些波以及形成指示每种沾染物状态的接收信号等步骤，这里所说的发送步骤是对结构表面上每种已知沾染物状态进行的；按结构的不同谐振点穿过在其表面有未知沾染物的结构发送多种传导声波、接收这些声波以及形成指示每种沾染物状态的接收信号；以及将指示未知沾染物的接收信号与指示已知沾染物状态的接收信号进行比较而对未知沾染物进行分类。
按本发明的另一方面，一种用来对外壳上的沾染物进行分类的方法包括按第一传输谐振点穿过外壳发送第一定向波、接收所述第一定向波以及提供指示它的第一接收信号等步骤；按不同于第一传输谐振点的第二传输谐振点穿过机壳发送第二导波、接收所述第二定向波以及提供指示它的第二接收信号；将所述第一和第二个接收的信号与预先设定的测试信号进行比较。
按本发明的再一方面，沾染物检测系统包括用来对外壳上的沾染物分类的装置，包括一台用来按第一传输谐振点穿过外壳发送第一定向波的发射机，以及用来按第二传输谐振点穿过外壳发送第二定向波的发射机；一台用来接收第一定向波并提供指示它的第一接收信号，以及接收第二定向波并提供指示它的第二接收信号的接收机；以及一台用来将第一和第二个接收信号与预先设置的测试信号进行比较的信号处理器。
本发明利用专门的传输谐振点来实现多种沾染物的鉴别。用这种方法获得很强的穿透功率，因而使各种不同沾染物状态的探测灵敏度得到改善。此外，本发明可便于包装，易于制造，也易于维护。
借助附图对实施例所作的详细描述，本发明的这些和其他目标、特性及优点将更为明确。
图1是按本发明沾染物检测系统的原理框图。
图2表明对通过金属机壳传导的相速度与频率-厚度乘积的关系曲线。
图3是从按本发明构成的系统中接收换能器接收的信号振幅与频率的关系曲线。
图4a-4c是对图2所示色散曲线Mode6所得4个谐振点相对于归一化机壳厚度画出的U和W质点位移的归一化振幅分布。
图5a是按发明穿过机壳发送的典型能量脉冲图示。
图5b是按发明穿过机壳发送的delta函数能量脉冲图示。
图6a是从穿过0.087英寸厚无沾染物铝板的定向波接收信号振幅与频率的关系曲线。
图6b是从穿过0.087英寸厚水沾染物铝板的定向波接收信号振幅与频率的关系曲线。
图6c是从穿过0.087英寸厚冰沾染物铝板的定向波接收信号振幅与频率的关系曲线。
图6d是从穿过0.087英寸厚乙二醇沾染物铝板的定向波接收信号振幅与频率的关系曲线。与频率的关系曲线。
图7是用于按本发明沾染物检测系统的发射机电路原理框图。
图8是用于按本发明沾染物检测系统的接收机电路原理框图。
图9是用于按本发明沾染物检测系统的换能器定位配置原理框图。
图10是按本发明沾染物检测系统的发送部分的另一实施例原理框图。
图11是按本发明沾染物检测系统的发送部分的又一实施例原理框图。
图12是按本发明沾染物检测系统的发送部分的再一实施例原理框图。
图13a是用于按本发明沾染物检测系统的换能器和耦合器的另一实施例立体视图。
图13b是图13a所示换能器与耦合器的侧视图。
图14是本发明沾染物检测系统用来收集沾染物分类数据的流程图。
图15a是按本发明沾染物检测系统的另一实施例的顶视图。
图15b是图15a所示沾染物检测系统的侧视图。
图16a是按本发明沾染物检测系统的又一实施例的顶视图。
图16b是图16a所示沾染物检测系统的侧视图。
图17a是按本发明沾染物检测系统的再一实施例的顶视图。
图17b是图17a所示沾染物检测系统沿17b-17b的放大剖面图。
图18是按本发明沾染物检测系统的另一实施例的侧视图。
图19是按本发明沾染物检测系统的另一实施例的侧视图。
图20是说明图18和19所示沾染物检测系统的接收信号振幅与时间的关系曲线。
现参看图1，按本发明的沾染物检测系统100包括发射机部分102和接收机部分104。发射机部分102发送超声定向波(用波包128表示)穿过其暴露的表面115上积累了沾染物118的机壳114。对定向波的常用术语包括平面波、梳形波、对称波、压缩波、非对称波以及挠曲波。
机壳114可以是暴露于外部环境的任意类型的结构。对于本发明之目的，机壳114一般是机翼的外壳。然而，机壳114也可以是暴露于沾染物的大量其他结构的一部分。机壳114最好由超声传输特性良好的材料构成，如铝(Al)或钛(Ti)一类的金属。但要指出的是，也可采用其他材料，包括合成材料。
发射机部分102包括一台将电能转换成超声能量而发射超声波形的换能器或探头110。发射机电路122提供沿传输线126送到探头11的电信号。探头110通过耦合器或耦合楔116以入射角A与机壳114声耦合。选择角度A使得通过机壳114发送的超声波达到一个相应于随当频率的扫描沿色散曲线多重谐振或谐振点的特定相速度值。
换能器110、112可以是许多已知超声探头的任何一种，比如Krautkramer Branson产品型号为SWS8的压电探头。发射换能器110的直径至少应为机壳厚度的两倍，最好是三倍。换能器的带宽应尽可能宽，以便能使一个窄带激励函数在大的频率范围内扫描。
接收部分104包括一台接收换能器或探头112，用来将超声传输信号转换为相应的接收电信号而馈送到传输线132上。探头112通过耦合楔130以入射角B与机壳114声耦合。角度B作为多重因素的函数而确定，比如机壳厚度等等。对于一个恒定厚度的机壳，角度B应近似等于发射探头入射角A。
信号处理器120包括发射机电路122和接收机电路124。发射机电路120提供电发射信号到传输线132上。传输线132上的电接收信号馈送到接收机电路124。信号处理器120通过传输线136与主控制器或处理器134相连。主控制器134控制发射电路122提供专门的发射信号，并接收、储存、计算以及整理经数字化的接收数据。该主控制器可以是技术人员所熟知的任何一种计算机。要指出的是信号处理器120可能由多个单元组成，而不只是图示的一个单元。
耦合器116、130可以由任何一种合适的超声传输材料构成，比如有机玻璃或其他丙烯酸聚合物。
现参看图2，在色散曲线中给出定向波的多模特性以及多种不同的波速值。定向波是沿机壳传播的强色散弹性波，并有许多振动谐振点。色散曲线表示允许在结构中传播的自然谐振(或波传播态)。在色散曲线中所表明的每条曲线或模式代表一种自然谐振或波传播态。给出了金属机壳中对于一特定波长或频率厚度乘积(fd)的十二种不同的波传播态(模式1-12)。
发射探头的入射角A(见图1)与波的相速度函数相关。因此，一个固定的发射探头入射角便设定了一个专门的相速度值，并在色散曲线上用水平线表示。一对水平线152、156作为两个不同入射角的色散曲线上谐振点的例证。线152的入射角小于线156的入射角。
垂直线154表示改变相速度而保持频率厚度乘积恒定。
现参看图3，曲线说明从按本发明所构成系统中接收换能器的接收信号振幅与频率的关系。传输的信号有多个频率分量和恒定的相速度。在曲线上看到的四个峰值代表超声能量以最低损耗传输的四个谐振点R1-R4。这些峰值相应于图2所示色散曲线上的谐振点R1-R4。要指出的是，这四个点R1-R4是在图2的四条不同模式线(Mode2-Mode5)上得到的。
参看图2和3，表面沾染物的存在可能改变图3曲线上谐振点(例如点R1-R4)的振幅、频率和相速度特性(或特征)。可将所改变的特定特性及其改变量描述为该谐振点对特定沾染物所具有的灵敏度。已经发现某些谐振点对冰层特别敏感，而对水和/或乙二醇或其他沾染物不敏感。这样的灵敏度可能出现在沿提取这些特性并用作图形识别沾染物分类器输入信号的整个频谱的任意处。另一方面，某些谐振点对乙二醇非常敏感，而对水和/或冰或其他沾染物不敏感。另一些谐振点对冰/水/乙二醇的不同混合物及其他沾染物呈现波特性的变化。通过对传输相速度和频率的专门选择，有可能产生有特殊穿透深度和灵敏度特性的小激励区。每种结构将具有满足这类优选特性的唯一谐振点。申请人发现当同时分析几个合适的谐振点时，有可能对多种表面沾染物进行鉴别和分类。无论采用理论模拟还是实验技术均可识别这些点。通过测绘出特定结构对不同沾染物的响应，可能开发出如同专门系统的主控制器系统而提供基于所提取的特性、特性比以及合适参考值的分类算法。为此，要指出的是由于检测系统、待检测的结构以及沾染物本身的易变性，要激励精确的谐振点即使并非不可能的话，也是不实用的。因此，在本发明的实施中，必须要激励相对较小的激励区域。在图2中将这样一个区域表示为画阴影的园150。小区域的激励确保谐振点的激励而提供有用的分类数据。为达到这一目的，最好围绕所考虑的谐振点以小于0.5MHz mm的频率带宽和小于0.5mm/s的相速度带宽进行激励。
例如，可利用具有同一相速度的多个谐振点对结构进行检测。每个点因此而具有单一频率厚度乘积。图2的线152说明同一个相速度如何能给出多个谐振点。一个或多个这样的点可满足系统灵敏度的要求。图2的线154则说明同一频率厚度乘积如何能用于多个相速度不同的谐振点。沿这两条线扫描即可激励不同的谐振点，由此而消除测量之间的可变量。另一方面，可对本发明的检测系统进行编程，按如前所述改变每次测量时的振幅、相速度和频率而在谐振点之间跳变。不管激励顺序如何，每个使用的谐振点都将具有对所考虑状态敏感的传播特性。通过发送若干次谐振，继而进行合理的信号提取以及图形识别处理，即可对沾染物进行分类。
对定向波的描述也可借助具有两个矢量分量的质点运动a)沿波传播方向的质点波运动，称为偏振共面位移(U)(即平行于机壳表面)；或b)垂直于波传播方向的质点波运动，称为偏振不共面位移(W)(即垂直于机壳表面)。这些位移函数可用公式表示为在色散曲线的产生中所得到的特征值或相速度值的函数。W位移对水的探测很敏感，因为当定向波沿机壳传播时，W位移的存在引起向液体中的泄漏，从而使波振幅大大减小。另一方面，U位移对水不敏感。反之，U和W位移对冰的探测都很敏感，因为两者都导致向冰层中的吸收或能量泄漏。
在机壳暴露表面上具有U和W位移组合的、含多矢量分量的(在这里称为不同偏振或多偏振波)定向波传输对提供进一步的沾染物分类可能更有效和更有用。例如，可采用具有近乎相等U和W表面位移的波形。特殊的沾染物可能使这样的波形大大衰减，从而提供附加的分类信息。此外，可以改变波形的频率和/或相速度(如前所述)以提取进一步的分类信息。
现参看图4a-4c，其中U和W质点位移的归一化振幅分布是对图2所示色散曲线中Mode6所得的4个谐振点相对于归一化机壳厚度画出的。要指出的是，这些点仅作为例子，而且波的结构沿色散曲线每处都在改变，改变任何一种状态或系统参量都会产生不同的波结构。每个图的顶线157(即归一化厚度值为0.5)代表机壳的暴露表面。因此，在该处的位移代表在机壳表面/沾染物界面处的质点运动。同时，虽然归一化位移从-0.1画到0.1，位移的绝对值(不是实际值)是有意义的数。从图4a-4d可看到，U位移关于机壳中心158是对称的，而W位移是反对称的。
现参看图4a，其中阐明对于5.2左右的fd值的U和W质点位移归一化振幅分布。可以看到，在表面处的U位移接近于零，而W位移约为0.6。因此，Mode6曲线上的这个谐振点具有占居优势的不共面位移分量。
现参看图4b，其中阐明对于7.58左右的fd值的U和W质点位移归一化振幅分布。可以看到，在表面处的W位移接近于零，而U位移约为1.0。因此，Mode6曲线上的这个谐振点具有占居优势的共面位移分量。
现参看图4c，其中阐明对于9.1左右的fd值的U和W质点位移归一化振幅分布。可以看到，在表面上的U位移和W位移均为0.7左右。因此，Mode6曲线上的这个谐振点具有近乎相等的位移矢量分量，或不存在占居优势的共面或不共面位移分量。
图4c中所示谐振点可能具有对除了冰和水、或图4a和4b所示谐振点不能识别的其他沾染物以外的沾染物提供有用的沾染物分类信息的灵敏度。当然，这些点的实用性决定于多重因素，比如机壳材料、机翼结构、机壳厚度等等。
现在，对熟练技术人员显而易见的是通过预先就各种已知沾染物对通过特定机壳以专门谐振点或谐振区发送的定向波可能产生的影响进行实验或理论计算，就有可能对沾染物进行分类，而且或通过色散曲线上不同模式间的跳变，或停留在单一模式上，均可改变定向波的特性。给出最灵敏、最有用响应的沾染物和波状态(频率、模式、波形、振幅、矢量分量等等)可以储存在神经网络中。一种专门系统则可用来以各种定向波波形对机壳进行超声模拟，并对实际的沾染物进行实时分类。
参看图5a，由按本发明之发射电路122提供的典型发送信号是一种图示之成形脉冲。每个脉冲最好是在0.2MHz-20MHz频率范围内的单一频率上有4-50个周期。要指出的是其他波形也可采用。例如，脉冲可以有不同的形状，或者可使脉冲的一边或另一边变斜，或呈不对称。
参看图5b，可采用另一种传输脉冲是近乎delta函数的尖峰形脉冲。这种冲击型激励脉冲会产生多模式同时传输，即使不是沿等相速线的所有临界色散曲线谐振点。接收的信号则将提供给主控制器，用快速富立叶变换(FFTs)或其他数字信号处理方法来推定传输信息。接收的多谐振定向波将类似于图3所示的曲线。然后，就可对整个频率特性或专门特性(比如曲线上的峰和谷)进行分析而将沾染物分类。既然delta函数脉冲是一种高能脉冲，激光器也许是理想的发射源。
现参看图6a，图示说明从类似于图1所示配置的系统中接收换能器的四个接收信号的振幅-频率关系曲线。信号传输通过的机壳没有任何沾染物。发射换能器的入射角近约26.2°。发送的信号是从0-2.5MHz mm的扫描信号。曲线的峰值160-163相应于在同一入射发送角(即相速度)下当频率横过曲线扫描时色散曲线上的理论点。在图2中用一条水平线(例如线152或156)来说明在一特定入射角下通过一给定频率范围对信号进行扫描是最清楚的。振幅峰值160-163相应于水平扫描线与不同谐振点的理论色散曲线的交点。例如，图2中线152在0-12MHz mm的fd范围内与模式2、3、4、5、6和8的理论色散曲线相交。图6a中的峰值160-163相应于0-2,5MHz mm范围内和26°入射角下的类似交点。
现参看图6b，其中给出类似于图6a的曲线，但机壳受到不同程度的水沾染物。线170表示从积水量约45gm的机壳接收的信号。线172表示从积水量约250gm的机壳接收的信号。线174表示从积水量约500gm的机壳接收的信号。从图6b可看到，接收信号的衰减决定于机壳上的积水量。
现参看图6c，其中给出类似于图6a的曲线，但机壳受到不同程度的冰沾染物。线180表示从积冰量约35gm的机壳接收的信号。线182表示从积冰量约250gm的机壳接收的信号。线184表示从积冰量约500gm的机壳接收的信号。从图6c可看到，接收信号的衰减决定于机壳上冰的沉积量。
现参看图6d，其中给出类似于图6a的曲线，但机壳受到不同程度的乙二醇沾染物。线190表示乙二醇积量约35gm的机壳接收的信号。线192表示从乙二醇积量约250gm的机壳接收的信号。线194表示从乙二醇积量约500gm的机壳接收的信号。从图6d可看到，接收信号的衰减决定于机壳上乙二醇的沉积量。
现参看图7，用来给换能器110提供电能脉冲的发射机122包括一台数字控制振荡器(NCO)210，用来向传输线212馈送特定频率的正弦波形。NCO210的频率可从大约100KHz变到10MHz。NCO210由微处理器(CPU)214通过传输线216控制。CPU214由主处理器通过传输线136控制。振荡器216经传输线218给CPU214提供时钟信号。传输线212上的发送载频波形馈送到一台调制器220，将信号调制成能量包络脉冲经传输线224送到缓冲器226，再将减速的脉冲能量包络信号通过传输线228送到发射换能器110。调制器220由D/A变换器232通过传输线230控制。D/A变换器232通过数据线236从脉冲包络存储单元238获得输入信号。脉冲包络表格存储器238通过数据线232受可配置逻辑阵列(CLA)240的控制。可配置逻辑阵列(CLA)240通过数据线244受CPU214的控制。可配置逻辑阵列(CLA)240还通过传输线236接收输出包络数据而提供反馈数据经传输线246送到CPU214。CLA240、脉冲包络存储单元238、和D/A变换器232组成包络发生器，对从NCO210经传输线212馈送的正弦波形进行调制，并以特定频率向传输线224馈送能量脉冲。包络发生器250对发送波形的脉冲长度、脉冲形状、以及脉冲振幅进行控制。可将脉冲长度控制到30ns以上。脉冲振幅可设置到255个非零功率电平输出设置点之一。按时间函数对脉冲振幅加以控制允许产生一给定载频的成形能量脉冲。这种对脉冲长度和脉冲形状的控制提供了对发送波形的谱成分的控制。
现参看图1和8，从接收换能器112的电信号输出通过传输线132传送到高通滤波器310。经滤波的信号经传输线312传送到由多台放大器316、318、320和复用器322组成的可选择增益级314。传输线330、332、334、336的多个接头连到由CPU214(通过传输线324)控制的复用器322。经复用器322放大的信号通过传输线340馈送到模拟混频器342。模拟混频器342将传输线340传来的接收信号与由NCO346(它由CPU214通过传输线348控制)经传输线344送来的正弦波形组合。产生的中频信号从混频器342通过传输线350传送到时钟可调高通滤波器352，该高通滤波器由NCO356(它由CPU214通过传输线358控制)经传输线354提供的时钟信号进行调节。高通滤波器352的输出经传输线360传送到时钟可调低通滤波器362，该低通滤波器由NCO366(它由CPU214通过传输线368控制)经传输线364提供的时钟信号进行调节。滤波器352和362包含一个带通滤波器。得到的滤波信号经传输线370传送到整流器372。经整流后的信号经传输线374传送到一对以50％重叠度运行的相同积分器376、378。积分器376、378的输出经传输线380、382分别传送到取样器384，取样器交替切换这两个信号并将输出经传输线386传送到D/A变换器388。积分器376、378和取样器384分别通过传输线392、394、396由CLA390控制。D/A变换器388的数字输出采样通过传输线398送到CLA390。这些数据通过传输线399由CPU214收集并存储直到收听间隔结束。在收听间隔结束处，CPU214将数据结果经传输线136返回主计算机。
利用NCO346提供数字控制的正弦波来控制混频器342使用的本地振荡器频率。通过NCO210控制发送频率以及通过NCO346控制本地振荡频率便提供对中频的控制。
NCO356和NCO366与滤波器352和362结合使用以提供低通和高通滤波功能。利用这两个滤波器构成带宽与中心频率可易于控制的带通滤波器。当发送脉冲谱成分改变时，通过适当调整接收机带宽可将接收机配置到信噪比最小。
积分时间也很容易改变。一般选择积分时间等于用作发送脉冲的脉冲长度。其目的是在一个积分周期内从一给定脉冲中收集尽可能多的能量。将这个参量改为不同值的能力便提供一种适应于脉冲延长情况的手段。
收听间隔是另一个易于改变的变量。这个值确定在将结果送回主计算机134之前要收集多少积分器采样。这个参量与发送脉冲长度一起将确定系统的脉冲重复频率。
CPU214最好通过一个工作在19.2kpbs的RS232串行通信接口与主计算机134进行通信。主计算机通过从通信接口发出的指令设置下述参量发射振荡器频率；发送信号包络；混频振荡器频率；低通滤波器拐角频率；收听间隔；发送脉冲长度；接收机增益；高通滤波器拐角频率；以及积分时间。一旦上述参量规定之后，脉冲即可产生并收集接收的信号数据点。然后，将这些数据返回主处理器134进行处理。主处理器则可确定在收听间隔期间被测信号的到达时间及其峰值。如果必要的话，可改变CDS100的增益并重新进行测量。
测量可以很方便地在窄带宽的单一频率上进行。可以用许多单频率的测量来建立一个频谱。起始频率、终止频率以及频率步长均处于主计算机134的控制之下。
现参看图9，本发明的沾染物检测系统包括6个换能器元件412、413、414、415、416、418。由箭头420表示的定向波可以在元件之间传送，由此而覆盖机翼422上所考虑的区域。因此，这种配置可覆盖 比只使用两个换能器的系统要大的机翼面积。当然，任何一种不同的配置及其组合都可以采用。例如，当发射波成扇状展开时，即可使用单个换能器412向多个换能器413-415发送。
现参看图10，本发明的另一个实施例包括以梳状结构配置在机壳440上的多个换能器430-437。发射机442通过传输线444-451驱动这些换能器。这一方法可按色散曲线上选择最好的谐振点来产生选择的相速度和频率值。这些换能器可包容或安装在一个公共护罩452内。
现参看图11，本发明的另一个实施例包括以阵列型结构配置在与机壳470成预置角度的耦合器474上的多个换能器460-466。发射机472通过传输线474-480驱动这些换能器。按时间延时图形控制这些换能器便通过有效的入射角变化而有效地改变相速度。特别是当发射器与接收器间的距离很小时，一种可能的实施例可由一个非接触的超声发射器和一个电容型接收换能器构成。另一种非接触激励或接收也许可用电磁换能器(EMAT)或甚至激光脉冲变换器来产生定向波。
与用一台发射器和一台接收器的连续传输相反，也可采用一种脉冲冲击型系统。一台换能器可同时用作发射器和接收器，因而有可能形成边缘反射，这取决于被检测的结构，乃至探测其中的超声能量泄漏并将其再引导到规定方向的薄金属条形或带状波导。
图10和11中的发射机442和472可以改变选择什么样的换能器在特定时间产生脉冲。通过改变脉冲的类型、所选的换能器和换能器产生脉冲的顺序、以及其他参量，可得到色散曲线上的不同谐振点。例如，通过连续启动每台换能器并改变相继脉冲之间的延时可得到不同的有效入射角。同样，也可连续地、同时地或按某种其他的顺序使每个其他的换能器产生脉冲。还应当指出的是，尽管这里只分别给出八个或七个换能器，也可采用不同数目的换能器。还应当指出的是，图10和11表明的是发射换能器，接收部分也可构成一个类似于发送阵列的换能器阵列，或简单地只是单个元件。
现参看图12，按本发明的另一个实施例包括在耦合器514上与机壳520法线508成不同预置角C、D安置的一对换能器510、512。发射机516通过传输线518、519驱动换能器。发现对于0.125英寸的平板，当角度C约为26°、角度D为38°左右时，得到最有效的沾染物数据收集结果。当然，以两个以上的不同角度安置多于两个的换能器也是可以采的。
现参看图13a和13b，按本发明的另一个实施例包括以一特定方位角F在耦合器532上与机壳534成预置角E安置的一个切变波换能器530。除了在平板层中存在的定向波模式以外，还会有所谓切变水平(SH)模式的时谐波运动。水平切变这个术语的意义在于由任何SH模引起的质点振动(位移或速度)处在平行于层表面的平面内。耦合器532表面上换能器530的方位(角度F)决定有多少入射能量进入产生的定向波，又有多少进入产生的切变水平(SH)波。既然SH波模是纯共面切变波的合成，则加到层表面的牵引力也必然有一个不共面的切变分量。这是通过提供粘滞耦合介质(未表出)而实现的，比如在耦合器532与机壳534之间加硅树脂或粘合剂。如果换能器530是一个切变波接触换能器，则耦合器中的质点振动将处在x1-x3平面。x1和x3位移的相对量将是角度E和F的函数。如角度F为0，则换能器的偏振方向与x1轴重合，且全部入射能量进入定向波模。当角度F增大时，导波与SH模之间的能量分配在角度F＝45°时是相等的。对于角度F≥72°，则进入SH模的入射能量将超过90％。为使SH模分享的能量最大，角度F应尽可能接近90°。可以看到角度F不可能达到90°，故SH模和传导模两者可同时产生。
现参看图14，根据与类似图1、但具有类似图12所示一对发射换能器的沾染物检测系统，一张用来收集沾染物分类数据的流程图包括步骤610，在此，由主控制器设置第一脉冲频率fd1，第二脉冲频率fd2，第一脉冲振幅A1，第二脉冲振幅A2，第一脉冲形状PS1，第二脉冲形状PS2。在步骤612，主控制器指令第一发射换能器穿过机壳发送特性为fd1、A1、PS1的定向波。在步骤614、616，传输的脉冲由接收换能器接收，再由主控制器将其数字化并存储起来。在步骤618，由主控制器将新的振幅设置为A1+N。在步骤620对新增的振幅进行检查，以证明其未超过预先设定的值A1+X。如果A1+N不等于A1+X，则在步骤612中发送新增的频率。如果A1+N等于A1+X，则第一发送周期发送出第一相速度(由第一发射换能器的入射角确定)的第一成形脉冲。然后，在步骤622，主控制器指令第二发射换能器穿过机壳发送特性为fd2、A2、PS2的定向波。在步骤624、626，传输的脉冲由接收换能器接收，再由主控制器将其数字化并存储起来。在步骤628对振幅进行检查，以证明其未超过预先设定的值Z。如果振幅已达到Z，主控制器利用在步骤614、616、624和626中收集并存储的数据，采用模糊逻辑、神经网络、快速富立叶变换，或技术人员所熟知的其他数字处理方法将沾染物进行分类。如果振幅不等于Z，则在步骤632由主控制器将新的振幅设置为A2+N。在步骤634对新增的振幅进行检查，以确认其未超过预先设定的值A2+Y。如果A2+N不等于A2+Y，则在步骤622中发送新增的频率。如果A2+N等于A2+Y，则第二发送周期就以第二相速度(由第二发射换能器的入射角确定)扫过第二频率范围。然后，在步骤636对是否已将沾染物(如果有的话)分类作出判定。如果沾染物已经分类，则在步骤636将结果显示出来，程序即告结束。假如沾染物尚未分类，则在步骤640由主控制器设置新的第一脉冲频率fd1，第二脉冲频率fd2，第一脉冲振幅A1，第二脉冲振幅A2，第一脉冲形状PS1，第二脉冲形状PS2，并在步骤612开始另一轮脉冲发送和沾染物检测和分类。
应当指出的是，通过先在第一入射角下发送第一频率的脉冲，然后在第二入射角下发送第二频率的脉冲，由此而挑选出机壳色散曲线上的不同谐振点，即可以实现两个不同的传输谐振点。
现参看图15A和15B，按本发明的另一个实施例包括安置在机翼720顶面的沾染物检测板710、712。超声发射探头716通过耦合器714和薄板710、712发送定向波，然后由接收探头722通过耦合器724接收。探头716、722分别通过传输线718、726控制。由于机翼有不一致的厚度、隙缝、化学滚花开口区(Chemically milled cutout areas)，其他不规则形态，以及装配的结构另件(如支杆、铆钉等等)，使用安置在机翼顶面的沾染物检测板710、712便消除了许多与直接通过机翼本身传输相关的问题。所有这些机翼特征对定向波的传输有破坏性的影响。检测板710、712的厚度是均匀的，因而提供对各种飞机普遍适用的可预测的传输结果。此外，当这种检测板遭损坏时很容易更换。
现参看图16A和16B，按本发明的另一种实施例包括安装在机翼734顶面的沾染物探测板730、732。超声探头736、737通过耦合器738发送和接收定向波，并通过传输线740进行控制。在这种方式中，只需一个探头进行沾染物分类。探头736可以安装在椭圆的局部点上或其附近，以便更有效地利用波能量。检测板730、732类似于图15A和15B之描述，但其端头739、738及740呈圆形、椭圆形或其他形状。当然端头的形状将决定于恰当的信号分析。最好选用椭圆端头，因为从探头通过材料再返回探头的整个路径长度是相等的。这意味着进入椭圆成型铝板的能量脉冲将同时返回其全部能量。
检测板710、712、730、732可以粘合在机翼顶面，也可用象铆钉、螺钉、螺母和螺栓等连接方法将其固定。然而，应当指出的是，检测板应与机翼表面声学隔离以获得最好的结果。因此，建议使两个表面之间声学失匹配，以免使检测板在声学上显得很厚。可采用各种粘合剂、泡沫塑料或缓冲垫将这些检测板与机翼声学隔离。
现参看图17A和17B，按本发明的另一种实施例包括一个外保护机壳750，用来保护安装在机翼754上的PVDF薄传感器752。PVDF薄传感器752由顶部双面粘合层756、传感电极758、PVDF薄膜760、底部传感电极762和底部双面粘合层764构成。层面750、756、758、760、762和764有效地建立起一个包含质量、弹性和减震性能的机械系统。通过测量将机械系统模拟成频率函数所要求的复阻抗，就有可能对沉积在保护外层750上的沾染物进行分类。还可能确定沾染物的沉积量。
现参看图18，按本发明沾染物检测系统800的另一种实施例包括一块安装在机翼818顶面上的沾染物检测板或条816。超声探头810通过耦合器812发送和接收定向波(由箭头814说明)，并通过传输线820进行控制。检测板816兼用作输出和反射能量的波导。多个PVDF薄膜换能器822-826安装在检测板816非暴露的一面，以收集从检测板816顶面沾染物828的能量泄漏。除了此前所讨论的用来获得沾染物信息的衰减和其他特性外，PVDF换能器还提供沾染物的位置信息。
应当指出的是，对图18所示之实施例来说，外部沉积沾染物的测试板并不是必需的。换句话说，测试板816也可能代表机壳本身。而结构818则将代表某种其他潜在的机翼结构。换能器822-826则因此而直接安置于机壳之下。
现参看图19，按本发明沾染物检测系统830的另一种实施例包括一块收集沾染物834并安装在机翼836上的沾染物检测板或条832。超声探头838通过耦合器842发送定向波(由线条840表示)，并通过传输线844进行控制。检测板832用作输出能量的波导。第二块板或条846安装在收集板832与机翼836之间。板条846用作反射能量(由线条848表示)的波导。反射能量通过耦合器852由接收换能器850接收。电接收信号馈加在传输线854上。在板条846上开多个槽口856，用来接收沾染物828的能量泄漏和反射，并将能量返回换能器850。除了此前所讨论的用来获得沾染物信息的衰减和其他特性外，槽口856还提供沾染物的位置信息。
应当指出的是，对图19所示之实施例来说，用来返回信号的外部沉积沾染物的板条并不是必需的。换句话说，板条846也可能代表机壳本身。而结构836则将代表某种其他潜在的机翼结构。槽口856则因此而开在机壳本身之中。
现参看图20，其中给出按前述图18和19所示沾染物检测系统的振幅与时间图形的典型关系曲线。实线860代表未沾染物外板所预期的曲线。虚线862表示受沾染物外板的曲线。可以看到，接收信号在点844、866下降。既然特定传输模式的群速是已知的，则在点844、866的沾染物位置可从振幅下降的时间推出。
虽然已结合实施例对本发明作了说明和描述，熟练的技术人员应当理解有可能对其做进一步的和各种不同的其他改变、省略或添加，但并不超出本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用来对机构表面的未知沾染物进行分类的方法，包括以下步骤测绘出结构对结构表面的多种不同已知沾染物状态的响应，包括在结构的不同谐振点穿过结构发送多种声定向波、接收这些穿过有未知沾染物结构的波以及形成指示每种已知沾染物状态的接收信号的步骤，其中所述发送步骤对结构表面上每种已知的沾染物状态进行；在结构的谐振点穿过其表面有未知沾染物的结构发送多种声定向波，接收这些波，以及形成指示未知沾染物状态的接收信号；以及将指示未知沾染物的接收信号与指示已知沾染物状态做比较而对未知沾染物进行分类。
2.按权利要求1用来对结构表面上未知沾染物进行分类的方法，其中两种情况下发送的定向波具有相同的相速度。
3.按权利要求1用来对结构表面上未知沾染物进行分类的方法，其中所述穿过有未知沾染物结构表面发送定向波的步骤包括运转一台发射换能器，所述接收穿过有未知沾染物结构表面的定向波的步骤包括运转一台不同于发射换能器的一台接收换能器，
4.按权利要求1用来对结构表面上未知沾染物进行分类的方法，其中所述穿过有未知沾染物结构表面发送和接收定向波的步骤包括运转一台用来发送和接收的公共换能器。
5.一种用来对外壳上的沾染物进行分类的方法，包括如下步骤按第一传输谐振穿过外壳发送第一定向波，接收所述的第一定向波，以及提供指示它的第一接收信号；按不同于第一传输谐振的第二传输谐振穿过外壳发送第二定向波，接收所述的第二定向波，以及提供指示它的第二接收信号；将所述第一和第二接收信号与预先设定的测试信号进行比较。
6.按权利要求5用来对结构表面上未知沾染物进行分类的方法，其中所述定向波以相同的相速度发送。
7.按权利要求5用来对结构表面上未知沾染物进行分类的方法，其中所述穿过有未知沾染物结构表面发送第二定向波的步骤包括运转一台发射换能器，所述接收穿过有未知沾染物结构表面的第二定向波的步骤包括运转一台不同于发射换能器的接收换能器。
8.按权利要求5用来对结构表面上未知沾染物进行分类的方法，其中所述穿过有未知沾染物结构表面发送和接收定向波的步骤包括运转一台用来发送和接收的公共换能器。
9.一种用来对外壳上的沾染物进行分类的方法，包括如下步骤在外壳上安置沾染物检测板；按第一传输谐振穿过沾染物检测板发送第一定向波，接收所述的第一定向波，并提供指示它的第一接收信号；按第二传输谐振穿过沾染物检测板发送第二定向波，接收所述的第二定向波，并提供指示它的第二接收信号；将所述第一和第二接收信号与预先设定的测试信号进行比较。
10.用来将外壳上的沾染物进行分类的装置，包括一台用来按第一谐振点穿过外壳发送第一定向波和用来按第二谐振点穿过外壳发送第二定向波的发射机；一台用来接收第一定向波并提供指示它的第一接收信号和用来接收第二定向波并提供指示它的第二接收信号的接收机；以及一台用来将第一和第二接收信号与预先设定的测试信号进行比较的信号处理器。
11.按权利要求10用来将结构表面上的未知沾染物进行分类的装置，其中所述发射机以相同的相速度发送定向波。
12.按权利要求10用来将结构表面上的未知沾染物进行分类的装置，其中所述发射机借助一台发射换能器发送定向波，接收机借助一台不同于发射换能器的接收换能器接收定向波。
13.按权利要求10用来将结构表面上的未知沾染物进行分类的装置，其中所述发射机和接收机有公共的换能器。
14.用来将外壳上的沾染物进行分类的装置，包括一块安装在外壳上的沾染物检测板；一台用来按第一谐振点穿过沾染物检测板发送第一定向波和用来按第二谐振点穿过沾染物检测板发送第二定向波的发射机；一台用来接收第一定向波并提供指示它的第一接收信号和用来接收第二定向波并提供指示它的第二接收信号的接收机；以及一台用来将第一和第二接收信号与预先设定的测试信号进行比较的信号处理器。
全文摘要
一种沾染物检测系统(100,410,800,830),包括用于在特定的谐振点上通过外壳(114,422,440,470,520,532,710,712,730,732,754,816,832,846)发射一个定向波(128,420)的发射机(102,122,422,442,472,516,716,736,737,810,838,846),其中每个谐振点都有对所感兴趣的条件敏感的传播特性。通过发射几个共振波,然后用一个主处理器(134)进行合适的特征提取和模式提取,可以对沾染物(770,834)进行分类。
文档编号B64D15/00GK1169777SQ95196773
公开日1998年1月7日 申请日期1995年12月12日 优先权日1995年12月12日
发明者约瑟夫·劳伦斯·罗斯, 艾莱克森德·博尔斯劳·皮拉柯, 杰弗里·马克·哈默, 迈克尔·托德·彼得森, 菲利普·奥托·里戴奥 申请人:B·F·谷德里奇公司