含磁致伸缩材料的粘接接头中应变的测量的制作方法

专利名称：含磁致伸缩材料的粘接接头中应变的测量的制作方法
含磁致伸缩材料的粘接接头中应变的测量
背景技术：
轻质复合材料在航空器工业中有极大的前途。纤维复合材料在比强度和比劲度上 比传统金属合金有显著的改进。更好的比强度和比劲度转化为重量减少，这转化为节约燃 料以及降低运行成本。此外，复合材料像铝一样不腐蚀，而且更加抗疲劳。复合元件，如蒙皮(skin)、加强肋(Stiffener)、机架(frame)和翼梁(spar)，连接 在一起形成主要部件，如机翼、机身和尾翼。复合元件可以用聚合物胶粘剂粘接在一起。理 论上，仅粘合剂(adhesive bonds)本身就有足够的强度和完整性(integrity)来支持这些 部件的载荷。因此，粘合剂应当能够大大减少主要部件中金属紧固件(fastener)的数目。然而，实际上，某些联邦航空规定要求证明，任意两个主要结构部件之间的粘接接 头(bonded joint)将支撑具有最大脱粘(maximum disbond)(即整个胶层(bond line)缺 失的情况)的规定载荷。这种对胶粘接接头(adhesively bondedjoint)缺乏信心的一个 解决方案是增加金属紧固件。如果胶粘接接头失效，金属紧固件会继续将接头保持在一起。金属紧固件的使用增加了航空部件的重量。具有复合材料结构的金属紧固件的使 用也会增加制造的时间、成本和复杂性。使用高精密机器和复杂程序来钻通复合材料结构。 而且，穿透紧固件为雷击和腐蚀提供了不必要的通道。复合材料层——其添加在钻孔周围以满足旁路承载载荷(by-pass bearing load)的要求——也增加重量。紧固件孔的存在也迫使对降低板(parmel)和粘接接头强度 (与没有紧固件的优化设计的板和接头相比)的复合材料层铺层方向进行选择。据认为，如果被合理地设计、制备以及控制，仅粘合剂本身就有足够的强度和完整 性来使主要结构粘接在一起。然而，无法获得证明一致性(consistency)和可靠性的数据。可以通过测量粘合剂中的应变来收集有关粘合剂的数据。弱粘接和其它的结构不 一致会影响胶粘剂中应变的分布。可期望增加检测胶粘接接头中应变的灵敏度。

发明内容
根据本文的实施方式，检测胶粘接接头中应变的方法包括诱导接头中的应变波， 以及检测接头中局部磁特性变化。根据本文另一个实施方式，系统包括具有包含由磁致伸缩材料制成的微粒的胶粘 接接头的结构；用于诱导接头选定区域中应变波的装置；以及用于检测选定区域中局部磁 特性变化的装置。根据本文另一个实施方式，阵列包括用于检测和诱导具有胶粘接接头的结构的选 定区域中应变波的多个元件。所述元件包括至少一个用于诱导选定区域中应变波的微机械 驱动器(micromechanical driver)；多个用于测量由诱导的应变波产生的振动的机械传感 器；多个用于在选定区域上方产生弱磁场的微磁性驱动器；以及多个用于检测选定区域对 应变波的磁响应的微磁性传感器(micromagneticsensor)。根据本文又一个实施方式，对航空器结构进行非破坏性检验的方法包括应用正弦磁激发(sinusoidal magnetic excitation)和在该结构的胶粘接接头中诱导应变波；检测 接头中局部磁特性的变化；以及利用检测到的变化评价胶粘接接头。


图1图解了具有胶粘接接头的结构。图2图解了检测具有胶粘接接头的结构中应变的方法。图3图解了通过具有胶粘接接头的结构传播的应变波。图4图解了诱导胶粘接接头中应变波的各种方式。解了具有胶粘接接头的结构的结构状况的评估方法。图6图解了用于检测具有胶粘接接头的结构中应变的系统。图7a和7b图解了用于诱导和检测含有应变敏感性(strain-sensitive)磁致伸 缩材料的胶粘接接头中应变波的阵列。图8-9图解了用于诱导和检测含有应变敏感性磁致伸缩材料的胶粘接接头中应 变波的阵列。图10图解了用于诱导和检测含有应变敏感性磁致伸缩材料的粘接接头中应变波 的阵列。图11图解了用图10的阵列改变检验的深度。图12-14图解了对航空器结构进行非破坏性检验的方法。
具体实施例方式参考图1。第一和第二结构110和120通过胶粘剂130粘接在一起，形成粘接接 头。胶粘剂130可以是热固性聚合物或热塑性聚合物。胶粘剂130可以包含附加的材料，如 纤维毡(fiber mats)(稀纱布)或其它填充物。胶粘剂130可以形成胶层、胶瘤(fillet)、 密封剂、翼段上的蒙皮等。胶粘剂130可以用于粘接主要和非主要的结构。胶粘剂130包含应变敏感性磁致伸缩材料。磁致伸缩是铁磁性材料的特性，其在 遭受磁场时引起铁磁性材料改变其形状。相反，使磁致伸缩材料遭受任意水平的物理应变 (低至几个微应变或更多)产生磁畴结构(magnetic domain structure)的变化，这改变在 应用小磁场时所述材料磁化的特有方式。这些变化是可测量的。胶粘剂130中应变的水平提供胶粘剂130与结构110和120之间粘合强度的指示。 胶粘剂130中的应变由于聚合过程中发生的化学和物理变化，以及由于胶粘剂130与结构 110和120之间热膨胀系数差异而发生。胶粘剂130中的应变可以通过有限元分析来预测。 如果粘接接头是规则的话，粘接接头的应变图应当匹配有限元分析。更高或更低水平的胶 粘剂应变(与有限元分析相比)将出现在结构-胶粘剂界面区域中，所述结构-胶粘剂界面 是直接接触的，但却不能在不改变尺寸的情况下(即通过更低模量的材料)转移载荷。这 会导致局部区域与a)其它区域的应变，b)计算或预期的应变，c)不同时间的相同区域，以 及d)损害后的相同区域中任意一个之间磁特性局部可测量的变化。更高或更低的应变水 平表明，结构不一致如脱胶、分层(delamination)、以及局部空化(localized cavitation) (大小范围从10微米到整个接头)的存在或倾向。通过测量磁特性的局部差异，能够对表征结构不一致的应变进行定位。例如，“轻触脱胶(Kissing disbond)，，出现在胶粘剂130与结构表面接触但载荷没有在接头的荷载 下经过界面转移的情况下。轻触脱胶可能由于污染物如硅氧烷剥离剂的低模量区的存在而 出现。磁致伸缩材料并不限于任何具体的成分。在一些实施方式中，磁致伸缩材料可以 包括磁性金属氧化物，如磁铁矿、无定形金属以及铁磁性金属和合金如镍-铁(NiFe)。在 一些实施方式中，磁致伸缩材料也可以包括铁磁性金属或合金的铁素体(ferrite)或氧化 物。在一些实施方式中，磁致伸缩材料可以包括Terfenol-D。Terfenol-D是铽、镝和 铁金属的合金。它是固体状态的换能器，能够将非常高的能级从一种形式转换成另一种形 式。在从电至机械转换的情况下，Terfenol-D的磁致伸缩产生的应变比传统磁致伸缩材料 如铁-钴合金大十到二十倍，并且比传统压电陶瓷大二到五倍。Terfenol-D具有高居里温 度(380°C)，能够使磁致伸缩性能从室温至200°C大于lOOOppm。航空器的常用工作温度可 能在-65° F到300° F的范围内，以及一些树脂体系在此范围之外被使用。由于接近发动 机或内部航空器系统在有限区域中发出的热量，航空器的一些部件甚至在高处飞行的时候 可能依然是热的。在一些实施方式中，磁致伸缩材料可以包括feilfenol，其是具有与Terfenol-D明 显不同的物理特性和磁特性的铁-镓合金。虽然feilfenol的磁致伸缩仅是Terfenol-D的 三分之一到四分之一，但felfenol是更加结实的材料，这使其可以用在具有最小冲击硬化 (shock hardeing)的苛刻机械环境中。胶粘剂130的厚度将取决于要粘接的结构。例如，粘层可以有约10密耳的厚度。磁致伸缩材料的形状范围可以从纳米颗粒到膜。颗粒，如薄片(flakes)、纤维形 状(fiber shapes)和涂层纤维(coated fibers)在胶粘剂130与磁性微粒之间通常比球 形或立方样形状具有更高的应变偶合，因而是可期望的。颗粒大小和膜厚度可以由胶粘剂 130所允许的大小和厚度极限来确定。然而，颗粒尺寸应当小得足以最小化对胶粘剂结构特 性的不利影响。尽管如此，根据形状存在范围广泛的从纳米到微米的有用颗粒尺寸。磁致 伸缩膜厚度范围可以从纳米到几微米。磁致伸缩材料与胶粘剂130的比例范围可以从按体积计0. 到30%。然而，为 了获得胶粘剂机械性能和较低重量，可期望在0. 到体积范围内的较低比例。粘接接头中的应变引起磁致伸缩材料中的应变。该应变进而产生磁致伸缩材料可 测量的磁化变化。参考图2，其图示了检测包含应变敏感性磁致伸缩材料的胶粘接接头中应变的方 法。在方框200，可以将弱外部磁场施加到粘接接头上。弱外部磁场产生弱正弦场。作为响 应，磁致伸缩材料变得部分或全部磁化。在方框210，在粘接接头中诱导应变波。可以诱导纵波或横波。结果，粘接接头遭 受振动。所述振动——通过结构传播的时变应力(time varying stress)——诱导磁致伸 缩材料磁特性的时变变化(time-varying change) 0应变波通过结构在粘接接头中的每一 点进行传播，引起局部剩余应力/应变以及磁化发生变化。应变波可以作为单脉冲或重复应力/应变脉冲而被施用。每个脉冲对磁致伸缩材 料的磁效应是瞬变的、衰变的。
另外参考图3，其图示了外部磁场线310和沿胶粘接接头130传播的应变波 320(在其它实施方式中，应变波可以跨过接头130进行传播)。通过胶粘剂的磁场受应变 影响。如果传感器置于磁场线310上方并且磁场源(source)提供dH/dt磁场，则传感器电 压大致为dB(H，B4ftss4t取决于沿磁场线的B的积分(类似于电流取决于 沿通路的所有电阻的总和)。磁场源频率和传感器与磁场源之间间距的选择决定了磁场线 的深度和清晰度。应变波的特殊效应将改变磁致伸缩材料的磁各向异性(类似于机械弹性常数)， 这进而改变所述材料被外部磁场磁化的方式。磁化强度(magnetization)与外部磁场强度 的斜率为磁导率。由于外部磁场是正弦式的，传感器以通常称为BH回路(BH loop)的方式 测量磁化强度与外部磁场强度的正弦关系。斜率(磁导率)取决于应变。在方框220，检测接头中局部磁特性的变化。局部磁化强度可以在沿着接头的各点 上进行测量。每个传感器均监测接头的位点的局部变化。例如，传感器可以在每个位点检 测磁感应的变化率(dB/dt)。在一些实施方式中，仅在应变波的方向上测量磁化强度。在其它实施方式中，也可 以在与应变波方向垂直的方向上测量磁化强度。效应可以如垂直方向上的一样大，但根据 泊松比应当有不同的符号(sign)。因为固体中的波可以是纵向的或横向的，所以磁致伸缩 效应(尽管一个波比另一波传播的快，从而能够从时间上分开)可能是复杂的。磁传感器阵列可以用于产生接头的应变图像。然而，在一些结构中，传感器阵列可 能并不是大得足以监测整个接头。因此，传感器阵列可以移动到接头的不同位点上。例如， 可以最初监测已知或预测对缺陷敏感的区域，如应力集中的锐角和边缘附近。已经发现应变波提高检测应变的灵敏度。除此之外，由于热剩余应变，应变波提高 磁致伸缩材料的磁响应。应变波增加缺陷的磁效应。也即，通过应用应变波放大了缺陷信 号。甚至提高对几何学、材料特性的偶然变化、尤其是对粘接接头中剩余应变变化的检测灵 敏度。—些类型的弱粘接可能被检测到，因为胶粘剂中诱导的应变对邻近材料如低模量 污染物的模量是敏感的。如果进行高能振动或载荷并且检测弱粘接中的塑性应变，本文方 法也可以用作局部验证试验。此外，小的脱胶可以使用测量局部磁场的非常小的磁传感器 的阵列来进行检测。应变波振动的频率和振幅可以被选择，以便不将粘接接头推入塑性区域(plastic regime) 0安全的最大应变可以大约为1000微应变。振幅应当产生时变应变，所述时变应 变大得足以(至少1微应变)产生可测量的磁效应。在一些实施方式中，应变可以作为连续波而被施用。组合有外部磁场的连续波允 许测量随着时间积分，并增加灵敏度和噪声抑制。在其它实施方式中，应变可以作为脉冲而 被施用，并且衰荡时间(ring-down time)(磁效消失所用的时间)可以用来表征粘接接头。频率可以是机械波在胶粘剂中传播的任意频率。仅穿透小距离进入胶粘剂的高频 率的使用可以用于限定正被监测的区域。应变波的频率可以变化以监测不同深度的结构。参考图4，其图示了诱导胶粘接接头中应变波的不同方式。在一些实施方式(方 框410)中，应变波可以通过声学方法进行诱导(例如通过超声波)。在其它实施方式(方 框420)中，应变波可以通过机械方法进行诱导(例如所附加的振动器)。在其它实施方式(方框430)中，应变波可以通过瞬变热激发进行诱导(例如闪光灯)。在其它的实施方式 (方框440)中，应变波可以通过瞬变或周期性真空进行诱导(例如真空头或真空室)。用 于诱导应变波的驱动器(driver)可以包括，例如机械阻抗设备(mechanical impedence device)、声喇叭(acoustic horn)、压电换能器、激光、电磁脉冲仪、瞬变或周期性真空源或 瞬变热源中的任意一种。图5a_5c图示了评估具有粘接接头的结构的结构状况的方法。在图fe的方法中， 应变波在接头的局部区域被诱导(方框510)。诱导的应变和磁特性取决于局部胶粘剂机械 特性。邻近脱胶或弱粘接的胶粘剂将会有反常应变，因而产生不同于良好粘接区域的磁响应。在方框520，在局部区域的局部磁响应在应变正被诱导时进行测量。在方框530，该区域的机械振动被测量并且与磁测量相关联。由于机械波和磁波 传播速度的巨大差异，结构不一致的位点可以通过同时检测并关联磁振动和机械振动来确 定。这种关联增加了对例如弱粘接的灵敏度并且降低了对其它非结构效应的灵敏度。应变 波与磁信号的关联应当仅仅选择诱导的应变(从而表明粘接强度)。不是因应变(如胶粘剂厚度的变化或传感器和胶粘剂之间距离的变化)而产生的 磁效应可以被选出来。例如，不是因应变而产生的磁效应可以通过减去没有施用应变获得 的磁测量来选出来。在图恥的方法中，应变波在粘接接头的局部区域被诱导(方框510)，该区域的局 部磁响应被测量(方框520)，并且将磁测量与基线数据进行比较(方框M0)。基线数据可 以包括先前测量的磁化强度，或者代表良好粘接的预期数据。例如，预期数据可以从结构的 有限元分析而获得。在图5c的方法中，应变波被施用于每个感兴趣区域，并随后从每个感兴趣区域中 除去(方框550)，然后每个区域磁响应的衰变率被测量(方框560)。该衰变率可能对表示 弱粘接的缺陷或塑性形变敏感。因此，该衰变率和衰荡时间(磁效应消失所用的时间)可 以用于表征胶粘剂(方框570)。现参考图6，其图示了用于检测具有胶粘接接头的结构中应变的系统610。系统 610包括驱动器620，用于诱导粘接接头中感兴趣区域的应变波。驱动器620可以是将可控 振动或脉冲给予感兴趣区域的多种装置中的任意一种。在低频率方法中，驱动器620的位 置可以是所述结构的任何地方，并可以远离感兴趣的区域。较高频率方法如压电换能器将 是定向性的，并且粘接接头的小选定区域可以被激发。系统610还包括传感器头630，其可以是手动的或自动定位的。传感器头630可 以是沿接头进行扫描的单磁传感器(single magnetic sensor)，或者其可以包括微磁传感 器元件的阵列。微磁传感器可以是巨磁电阻装置(GMR)、隧道式磁阻(TMR)装置、微磁线圈 等。所述阵列并不限于任意具体大小或形状或传感器元件的数目。传感器头630的形状可 以包括用以放置在待检测结构上的平表面。传感器头630的表面可以是弹性和柔性的，以 在平表面或弯曲表面上紧密接触所述结构。系统610也包括磁场产生线圈640，用于在感兴趣区域产生外部磁场。以DC或交 变频率(alternating frequency)工作的非接触驱动线圈640能够在感兴趣区域上产生外 部磁场或者其能够使磁致伸缩材料磁化。
对于那些使磁测量与测量的应变相关联的实施方式，系统610也可以包括振动传 感器655，用于在感兴趣的区域测量振动。例如，振动传感器655可以包括记录振幅和振动 衰变的微机械传感器、光学传感器或电磁传感器。系统610还可以包括控制器650和信号处理器或计算机660。控制器650控制驱 动器620、传感器头630、以及磁场产生线圈640的工作。信号处理器或计算机660接收传 感器头630的输出结果，并分析这些输出结果，以评估根据本文实施方式的粘接接头的结 构状况。信号处理器或计算器660也可以在显示器670上显示实时应变图像。这将允许技 术人员通过重复测量或改变磁信号或机械信号(如改变频率，或改变对传感器阵列元件的 选择，或增加增高的灵敏度的积分时间)来更近的查看可疑区域。现参考图7a，其图示了单阵列710，所述单阵列710在感兴趣区域诱导应变波、在 感兴趣区域产生外部磁场、检测感兴趣区域的振动以及检测感兴趣的选定区域的磁化强 度。阵列710的元件712 —个或多个微机械驱动器、多个机械传感器以及多个微磁驱动器 和微磁传感器。一个或多个微机械驱动器在感兴趣的选定区域诱导应变波。微机械传感器 检测选定区域的振动，记录振动的振幅和衰变。例如，微机械驱动器和传感器可以包括压电 元件，所述压电元件能够超声诱导声波并检测反射的声波。所述压电元件可以使用作为单 独元件的超声脉冲仪/接收器和多路调制器(multiplexer)进行触发。同样的压电元件也 可以用于检测感兴趣的选定区域的振动。微磁驱动器(例如微小线圈(tiny coil))在感兴趣的选定区域产生弱外部磁场。 微磁传感器检测在感兴趣区域应变影响的磁响应的振幅和相位。例如，微磁传感器可以包 括磁阻装置。另外参考图7b。在通过声学方法诱导应变波710的实施方式中，声学衬料720被 提供在阵列710的一侧，而柔性垫片730被提供在阵列710的相对侧。柔性垫片730可以 是浇注的橡胶垫片。这类实施方式710是柔性的，这使得它们匹配正检测的结构的轮廓。 柔性垫片730可以提供有分割的延迟线740，用于产生声信号进出阵列710的超声路径 (ultrasonic path)0柔性垫片730可以提供有密封槽750。密封槽750使垫片730真空附着到正检测 的结构上。信号处理器或计算器可以程序化成使磁信号与声信号彼此关联，并与发射信号 (emitter signal)关联，以产生接头中诱导应变的二维0-D)或三维(3-D)图像。阵列710的选定元件可以用于执行图fe所示的方法。选定的多个传感器元件与 应变信号的关联(即使用多个元件同时关联磁振动和机械振动)导致高清晰度和选择性。阵列并不限于形成图案的元件(patterned element) 0不含形成图案的元件的阵 列的第一个实例示于图8-9中，第二个实例示于图10中。现参考图8和图9。阵列800有两个水平的传感器条高水平的微磁传感器条820 和低水平的声学条(acoustic strip) 810。声学条810在y方向上延伸，而微磁传感器条在 χ方向上延伸。声学条可以由传递性聚偏氟乙烯(transmitting PVDF)或其它声学产生材 料(acoustic generation material) 810制成。微磁传感器条820可以由磁传感器材料制 成。
具体的声传感器条810和磁传感器条820被选择来检测感兴趣区域(在图8中标 记为“X”)下方的应变。选定的声学条810可以被触发以在感兴趣区域下方产生声学应变 波(acoustic strain wave)910o包埋的磁致伸缩颗粒产生相对于胶粘接接头130中局部 应变的磁场920。选定的磁传感器条820当被访问时检测感兴趣区域的磁化强度。每个磁致伸缩颗 粒的磁效应被局部化(localized)，并且应当随距离的平方分别下降。感兴趣区域的磁信号 可以测量和储存为该位点的局部应变值。选定的声学条810(由传递设备(transmitting device)的校准的振巾畐机电振巾畐(calibrated amplitudeelectro-mechanical amplitude) 确定)和选定的微磁传感器条820 (Vmag-Vmech)输出结果的相关性提供了感兴趣位点的磁 化强度(以及因而磁导率)与应变的测量。声学条810也可以测量从粘接接头反射的应变波响应。该测量使各种结构特征和 缺陷(其产生不同的反射声学响应)与粘接接头中的应变直接相关。现参考图10-11。阵列1000具有高水平的条1010和低水平的条1020。高水平的 条在X方向上延伸，而低水平的条在1方向上延伸。每个水平都包括交替的声学材料和微磁 传感器材料条。为简单起见，仅三个条一微磁传感器条1012位于声学条1014和1016之 间——显示于高水平1010中，而仅三个条——微磁传感器条1022位于声学条IOM和10 之间——显示于低水平1020中。感兴趣区域由“X”标记。通过选择两个在同一方向上(例如，χ方向)运行的声 学条和选择一个在垂直方向(例如，y方向)上运行的微磁传感器条进行感兴趣区域的检 验。两个选定的声学条可以同时或相继产生脉冲。选定的声学条可以被切换来监测不同深度的选定区域。随着声学条和微磁传感器 条之间间隔的增加，监测的深度也增加(例如，从Dl到D2)。用这种方式，检验的深度可以变化。声响应和磁响应之间的关联减少了仅用磁方法(magnetic-only approach)的背 景噪声，并增加了对非常小的缺陷或接头弱点的灵敏度。这种方法也降低了对非结构磁效 应(如，传感器之间或传感器和胶粘剂边缘之间变化的间隔距离)的灵敏度。此外，声速和 磁效应速度(光速)的差异，当与非常小的磁传感器和声传感器或微机械传感器的阵列的 信号相关联时，能够用于对缺陷进行精确定位。同样，使用通常的超声测量技术，声学条本 身能够用来定位弱区域。对于基于图像的方法，每一个条的关联信号是接头显示图像的一 个像素的输入。应用傅里叶逆变换处理和机械振动的有限传播速度也能为更厚的结构提供 综合孔径技术。综合孔径技术利用机械波或应力波的频率和基于时间的特征来定位结构内 深处的特征。本文的系统和方法可以用于胶粘接结构、复合结构(其中各层可被认为是单独胶 接)、以及复合材料或金属或混杂复合材料的粘接修补，而没有限制。本文的系统和方法可 以用来进行汽车结构、建筑结构、桥梁结构、船舶结构等的非破坏性检验而没有限制。然而， 本文的系统和方法能够有利地用于航空器结构的非破坏性检验。图12-14图示了对航空器结构之间的胶粘接接头进行非破坏性检验的方法，其中 所述接头包括应变敏感性磁致伸缩材料。航空器结构不限于任何具体的结构。所述结构可 以包括元件，如蒙皮、加强肋、机架和翼梁。结构可以包括主要部件(或其部分)，如机翼、机身和尾翼。结构可以是主要结构或非主要结构。它们可以有相同的组成(例如，复合材料、 金属、塑料)，或者它们可以有不同的组成。在一些实施方式中，磁致伸缩材料可以施用于整个粘接接头。在其它实施方式中， 可能仅对胶粘剂区域感兴趣，由此磁致伸缩材料仅仅被施用到该区域。例如，磁致伸缩材料 可以仅仅施用于那些应变高的区域和可能发生空化和脱胶的区域，而不施用到整个粘接缝 层(bonded joint line)。对于通常的搭接接头构造，一个这样的区域是胶粘剂胶瘤下方或 邻近胶粘剂胶瘤的区域。图12-14的方法可用于检测航空器的复合材料结构中脱胶、分层、以及其它的结 构不一致。应变的检测可以不必将导线连接到航空器结构上，并且也不用将导线伸出于航 空器结构或胶粘剂。导线伸出于胶粘剂是不期望的，因为它们会为接头周围空气中的湿气 和液体进入胶粘剂内部因而增加接头过早破裂的机会创造通道。参考图12。作为制造过程中部分过程控制，磁化强度的变化被检测。在聚合和通 常冷却过程中，聚合物收缩，这导致取决于粘接强度以及几何特性和材料特性的应变水平 的局部变化。过程控制可以包括对接头进行有限元分析(方框1210)、以及在聚合和冷却后 检测接头中的磁化强度以形成基线数据(方框1220)。然后，在聚合和冷却后或者在使用时 间后，检测其它结构的其它接头中的磁化强度(方框1230)。随后，将其它接头的检测数据 同时与有限元分析和基线数据作比较(方框1240)。FEM分析解释了几何结构和材料的差 异，并能表示理想的接头和实际的接头。测量结果可以与基线数据相比较以评估老化趋势。 比较结果将表明中固化过程中污染、部件组装问题、以及不均勻压力的存在。比较结果也可 以提供对制造过程的反馈。反馈信息可以用于改进制造过程。现参考图13。作为航空器状况监测的一部分，磁化强度的变化被实时测量。可 以足够接近地放置探针的地方，都可以进行接头实际数目的实时检测(由于重量、访问权 限(access power)、存储器等的实际限制)。在方框1310进行接头的有限元分析。在方 框1320，接头的磁化强度可以被测量以记录接头的多维(例如，2-D或3-D)图像。在方框 1330，将该图像与数据集和有限元分析比较，以确定接头的状态。作为第一个实例，数据集 可以包括不同载荷和条件的应变的2-D或3-D参考图像。将检测到的图像与参考图像比 较。比较结果表明，局部区域与临界应变水平(critical strain level)有多接近。作为 第二个实例，测量的应变图像与一组可允许的变化比较。进行该比较，以识别那些经历过损 坏或破损初始并需要修复的粘接。作为例行到访维修厂等过程中定期监测航空器结构的一 部分，可以在飞行过程中或者地面维修过程中进行比较。现参考图14。检测磁化强度的变化以更好地了解用于航空器结构的胶粘剂粘接。 在不同载荷和条件下，检测用不同胶粘剂或在不同粘接工艺下粘接的结构(方框1410)，并 评价不同的胶粘剂或粘接工艺(方框1420)。评价结果提供应变数据，这允许选择最好的胶 粘剂。该数据可以与对整个结构接头中应变的计算机模拟进行比较，并可用于设计改进的 结构接头。数据可以被积累，以追踪在重负荷使用的几年内“良好”胶粘剂接头的结构完整 性。
权利要求
1.检测胶粘接接头中应变的方法，所述方法包括诱导所述接头的应变波；和检测所述接头中局部磁特性变化。
2.权利要求1所述的方法，其中所述接头包括胶粘剂和所述胶粘剂中的应变敏感性磁 致伸缩材料。
3.权利要求1所述的方法，还包括当应变波被诱导的时候施用正弦外部磁场到所述粘 接接头上。
4.权利要求1所述的方法，其中磁诱导的变化率(dB/dt)被检测。
5.权利要求1所述的方法，还包括改变所述应变波的频率，以监测不同深度的所述结构。
6.权利要求1所述的方法，其中所述应变波在所述粘接接头的局部区域被诱导；和其 中所述局部区域的磁响应被测量。
7.权利要求6所述的方法，其中局部区域的机械振动被测量，并与所述局部区域的相 应磁测量相关联。
8.权利要求6所述的方法，其中所述局部区域的所述磁测量被与基线数据进行比较。
9.权利要求6所述的方法，其中所述应变被施用到每个局部区域，然后从每个局部区 域中除去，并且每个区域的所述磁响应的衰变率被测量。
10.权利要求6所述的方法，其中单阵列被用于诱导感兴趣的选定区域的应变波，并检 测所述选定区域的局部磁特性变化。
11.权利要求10所述的方法，其中所述阵列包括在一个方向上延伸的声学材料条和在 垂直方向上延伸的微磁感应材料条，并且其中所述声学材料条之一被选择来诱导所述应变 波，其中所述微磁传感器材料条之一被选择来检测所述局部磁特性变化，由此所述两个选 定条的所述交叉点的选定区域被检验。
12.权利要求10所述的方法，其中所述阵列包括在一个方向上延伸的声学材料条和微 磁传感器材料条以及在垂直方向上延伸的声学材料条和微磁感应材料条，其中在所述一个 方向上延伸的所述声学材料条中的两个被选择来诱导选定区域的应变波，其中在所述垂直 方向上延伸的所述微磁传感器材料条之一被选择来检测所述选定区域的局部磁特性变化。
13.权利要求12所述的方法，其中选定的声学材料条之间的距离被改变，以监测不同 深度的所述选定区域。
14.检测胶粘接接头中应变的系统，包括具有胶粘接接头的结构，所述胶粘接接头包含由磁致伸缩材料制成的颗粒；用于诱导所述接头选定区域中的应变波的装置；和检测所述选定区域的局部磁特性变化的装置。
全文摘要
检测胶粘接接头中的应变包括诱导所述接头的应变波，以及检测所述接头的局部磁特性变化。
文档编号G01L1/12GK102076481SQ200980124324
公开日2011年5月25日 申请日期2009年6月2日 优先权日2008年7月9日
发明者G·E·乔治森, R·J·米勒 申请人:波音公司