СИСТЕМА И СПОСОБ КОНТРОЛЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАДИОЧАСТОТНОГО ОТРАЖЕНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01N22/02 

Область техники

Изобретение относится к сенсорной (контрольной) системе и к способу мониторинга состояния.

Уровень техники

Мониторинг состояния конструкции (SHM, structural health monitoring) представляет собой область технологии, привлекающую все больший интерес в таких отраслях, как гражданское и промышленное строительство, а также аэрокосмическая промышленность. Задачей SHM является сбор, с помощью датчиков, данных по критическим конструктивным элементам, чтобы получать индикаторы обнаруживаемых в конструкции аномалий и тем самым осуществлять слежение за надежностью и безопасностью конструкции.

SHM в особенности важен в тех направлениях технологии, в которых все шире применяются композитные материалы. В число известных материалов такого типа входят полимерные композиты, образованные посредством армирования полимера волокном. Они имеют высокое отношение предела прочности к массе, хорошие свойства, связанные с жесткостью, коррозионную стойкость и, по отношению к электромагнитному излучению, низкое отражение. Эти свойства предопределили привлекательность композитов, армированных волокном, для сферы производства базовых конструкций летательных аппаратов, в которой происходит нарастающее замещение металлических компонентов.

К другим отраслям, в которых все шире применяются композитные материалы, относятся добыча нефти и газа (в этих отраслях критичным является мониторинг усталости таких компонентов, как уплотнения и прокладки), подземное строительство (в том числе туннелей и трубопроводных сетей), а также технологии производства военных самолетов и подводных лодок, для которых важнейшими факторами являются надежность и безопасность.

SHM важен также и для медицинского сектора, в котором для обеспечения надежности и безопасности требуется мониторинг имплантированных компонентов, таких как сердечные клапаны и тазобедренные суставы; для слежения за окружающей средой, где загрязнения воды или воздуха можно обнаруживать с применением прочных материалов при низкой стоимости; для перспективных производственных технологий, в которых можно отслеживать различные материалы, например композитные, в процессе производства; для повышения качества деталей из пластмассы; для применений во враждебных или недоступных зонах, например в космосе, или с использованием вращающихся компонентов, например ветряных турбин и их лопаток.

Области технологии, описанные выше, могли бы получить преимущество за счет надежного и точного беспроводного отслеживания в виде селективного или непрерывного мониторинга конструкций, недоступных в текущий момент для прямого контроля.

Известно несколько способов SHM. В течение последних ста лет приемлемой считалась рентгенография, которая посредством рентгеновского излучения формирует изображение, соотносящееся с плотностью материала. Однако этот способ опасен и поэтому используется редко. К улучшенным способам выявления разломов и расслоений относятся тепловидение и активная термография, осуществляющие мониторинг переноса тепловой энергии в ИК области спектра. Однако недостатком тепловидения является сложность интерпретации полученных результатов. К желательным бесконтактным технологиям относятся лазерная ширография (laser shearography) и голографическая интроскопия. Эти способы можно использовать для исследования внутреннего напряжения инспектируемого материала; однако их результаты искажаются из-за зависимости изображения от шумов, вызванных вибрацией.

Известны способы SHM, применимые только к металлическим структурам металложелезистого типа и использующие флуоресцентные или магнитные проникающие частицы. Следует отметить, что для контроля металла можно применять способы детектирования вихревых токов, но такие способы для композитных материалов непригодны. Вследствие гетерогенной природы композитов форма дефектов в них часто очень сильно отличается от типичных форм, обнаруживаемых в металлическом материале, а механизмы разрушения имеют более сложный характер.

Известные SHM-системы требуют установки одного или более датчиков в ключевых точках любой интересующей конструкции, причем тип датчика зависит от конкретных интересующих параметров, подлежащих мониторингу. Это может сделать подобные системы дорогостоящими и требующими значительного времени для развертывания, а непрерывный мониторинг сигналов датчиков в реальном времени практически неосуществимым.

Для детектирования повреждения в композитных материалах посредством SHM оптимальным считается его акустический вариант или отслеживание радиосвойств множества частиц, выполняющих функцию встроенных датчиков. Внутренний датчик представляет собой структурированный материал (обычно композит), радиосвойства которого отвечают его механическому состоянию, соотносящемуся, в соответствии со спецификой материала, с температурой, давлением, гидратацией и другими подобными параметрами. Поверхность или объем такого материала можно картировать как изображение для SHM.

Однако радиосигналы, посылаемые на регулярный композитный материал, не в состоянии извлечь информацию о его механическом, электрическом и химическом состояниях. Поэтому к известным встроенным датчикам приходится добавлять сенсорные элементы, у которых свойства, связанные с электронным распределением и/или с подвижностью носителей заряда, изменяются под влиянием локального окружения и могут сделать функцию мониторинга реальной.

Сенсорные элементы изменяют такие характеристики, как диэлектрические или магнитные свойства материала. Например, внедренную пьезоэлектрическую частицу, колебательная частота которой возмущена повреждением, можно отслеживать, используя радиоволны. Чтобы обнаружить повреждение, можно сформировать частотное изображение, детектируя эту частоту в нескольких точках материала.

Однако недостаток таких встроенных датчиков заключается в том, что они требуют добавления отдельных дискретных сенсорных элементов, несовместимых с регулярными композитными материалами, все шире применяемыми во многих приложениях, указанных выше, в частности, в аэрокосмических системах.

Раскрытие изобретения

В связи с этим изобретение направлено на создание сенсорной системы и соответствующего способа, позволяющих применять регулярные композитные материалы, не требующие каких-либо дополнительных сенсорных элементов.

Согласно изобретению разработана сенсорная система, содержащая:

материал, содержащий матрицу и множество частиц, не обладающих свойствами изолятора и, по существу, равномерно распределенных внутри матрицы таким образом, что материал по меньшей мере в одном направлении обладает когерентной электрической периодичностью, и

приемник, выполненный с возможностью приема исходного радиочастотного (РЧ) сигнала и возвращенного РЧ сигнала, причем исходный РЧ сигнал отражается указанными частицами с формированием возвращенного РЧ сигнала.

При этом изменение положения одной или более указанных частиц приводит к изменению возвращенного РЧ сигнала, так что по возвращенному РЧ сигналу можно определить изменение свойств материала.

Матрица может быть неэлектропроводной, а указанные частицы могут быть электропроводными. Такими частицами могут быть частицы углерода, углеродные волокна, графены, частицы алюминия, серебра, меди и золота, а также углеродные нанотрубки. Альтернативно, такими частицами могут быть частицы полупроводников или композитные частицы, содержащие металл и диэлектрик.

Матрица-изолятор может состоять из полимера, например из термоотверждаемого эпоксида, термопластичного сложного полиэфира, сложного винилового эфира или нейлона.

Материал может обладать, по меньшей мере в одном направлении, когерентной периодической проводимостью или диэлектрической постоянной, обладающей когерентной периодичностью.

Изменение возвращенного РЧ сигнала может представлять собой изменение, соотносящееся с измерением заряда композита, например изменение амплитуды или частоты, сдвиг по фазе или изменение интерференционных эффектов. Детектированное изменение свойств материала может относиться к любому дефекту из группы, в которую входят разлом частицы, микротрещина, расслоение, загрязнение, ударное повреждение матрицы или пористость.

Дополнительно приемник выполнен с возможностью принимать сигналы, распространяющиеся в окружающей среде (отдельно от исходных сигналов) и также воспринимаемые композитным материалом.

Изобретение обеспечивает также создание способа детектирования изменения свойств материала, который содержит матрицу и множество частиц, не обладающих свойствами изолятора и, по существу, равномерно распределенных внутри матрицы таким образом, что материал по меньшей мере в одном направлении обладает когерентной электрической периодичностью.

Способ включает следующие операции:

опрашивание материала посредством исходного РЧ сигнала;

прием возвращенного РЧ сигнала, отраженного от указанных частиц, и определение изменения свойства материала по изменению возвращенного РЧ сигнала, обусловленному изменением положения одной или более из указанных частиц.

В возможном варианте опрашивание материала производят посредством сканирования поверхности материала с использованием единственного механического зонда или с помощью электронного многокомпонентного зонда. Предусмотрена возможность использовать зонд, представляющий собой двумерный массив зондов с электронным переключением или с несколькими каналами для сигнала.

Чтобы сформировать профиль поверхностного поля, в возможном варианте опрашивание производят посредством возбуждения материала в режиме антенны. Материал может содержать множество сенсорных ячеек, каждая из которых является элементом антенны. Посредством, в частности, индуцированных и модулированных РЧ токов множество ячеек получает возможность объединиться в ячеистую решетку. В предпочтительных вариантах осуществления массив зондов содержит по меньшей мере один зонд высокого импеданса, а возвращенный РЧ сигнал воспринимается гомодинным приемником.

Дополнительно предусмотрено опрашивание материала посредством сканирования профиля поверхностного поля с использованием единственного механического зонда или электронного многокомпонентного зонда.

Исходный РЧ сигнал может быть промодулирован посредством импульсной модуляции, но предусмотрена возможность осуществить модуляцию другими цифровыми или аналоговыми способами.

Когерентную электрическую периодичность можно получить, допируя полупроводниковый материал.

За счет использования регулярных композитных материалов и отказа от внедрения сенсорных материалов настоящее изобретение обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что его можно применять в более стандартных приложениях, в том числе в SHM приложениях. Кроме того, сенсорные материалы по изобретению зачастую уже находят применение. Например, квазикристаллами, образующими структуру типа упорядоченной решетки, являются определенные ламинатные структуры с углеродным волокном, используемые в аэрокосмических приложениях.

Для проникновения в композит и непосредственного взаимодействия с повреждением настоящее изобретение позволяет выбрать низкочастотный интервал электромагнитного спектра. Это является преимуществом по сравнению с упомянутыми выше альтернативными подходами, такими как ширография или ИК обследование, в которых наличие повреждения под поверхностным слоем идентифицируют косвенным образом, исследуя поверхность. Это преимущество, т.е. непосредственное взаимодействие с повреждением, свойственно и акустическим способам. Акустический сигнал проникает в композитную SHM конструкцию, что позволяет обнаружить повреждение под поверхностным слоем посредством рассеивания волн на акустических возмущениях импеданса, которые, в свою очередь, являются непосредственным следствием повреждения. Сходным образом, в электромагнитном варианте согласно изобретению возбуждается электромагнитная волна, возмущаемая граничными разрывами.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 схематично представлен пример встроенного датчика, известного из уровня техники.

На фиг.2 схематично представлена система согласно изобретению.

На фиг.3(A) и 3(C) приведены примеры выходных сигналов, полученных с использованием системы согласно изобретению.

На фиг.3(B) и 3(D) приведены примеры выходных сигналов для материала, в котором частицы образуют разупорядоченную решетку.

На фиг.4(A)-4(D) иллюстрируются схемы радиодетектирования согласно изобретению.

На фиг.5(A) и 5(B) схематично иллюстрируются способы введения радиосигнала в композитную ячейку.

На фиг.6(A) и 6(B) схематично иллюстрируются способы сопряжения композитных ячеек.

На фиг.7(A)-7(C) представлены способы приема информации из зондирующих элементов (зондов).

На фиг.8(A)-8(C) представлены зонды высокого импеданса.

На фиг.9(A) схематично представлен пример детектирования сигнала.

На фиг.9(B) представлен поверхностный массив зондов активной антенны, сканирующий композитную ячейку.

На фиг.9(C)-9(E) представлены три варианта схемы, которая передает на приемник информацию, собранную посредством устройств по фиг.9(В).

На фиг.10 схематично представлен способ детектирования, использующий синхронный приемник.

На фиг.11 схематично представлен способ детектирования, использующий сетевой анализатор.

На фиг.12 представлены характерные изображения композитов, полученные с использованием способа согласно изобретению.

На фиг.13(A) показаны компоненты авиалайнера, которые подходят для изготовления из композитных материалов.

На фиг.13(B) схематично представлен план испытаний с использованием способа согласно изобретению.

На фиг.14 представлено детектированное искаженное поле неоднородного резинового композитного материала.

На фиг.15(A)-15(C) представлены процессы управления обработкой данных.

На фиг.16 представлен способ "ячейки Yee".

На фиг.17 проиллюстрирован способ формирования трехмерного изображения композита.

На фиг.18 представлен способ формирования стереоскопического изображения.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично представлен известный беспроводной приемопередатчик 1 с антенной 2. Часть материала 3 (например полимерного) имеет матричную структуру, в которую внедрено множество сенсорных элементов 4, распределенных по данному материалу 3 и окруженных им. Электронное распределение в сенсорных элементах 4 или их свойства, определяющие подвижность носителей заряда, изменяются в зависимости от изменения физических или химических свойств материала. В результате имеет место изменение радиочастотного (РЧ), например микроволнового (СВЧ), сигнала, который передается приемопередатчиком 1 через антенну 2 для слежения за материалом 3, так что по принимаемому сигналу можно обнаруживать изменения в материале. Таким образом, сенсорные элементы 4 позволяют создать неинвазивную встроенную систему отслеживания (детектирования) изменений свойств материала.

Соответственно, известный из уровня техники встроенный датчик по фиг.1 использует СВЧ резонанс внедренных сенсорных элементов 4 для соотнесения радиосвойств композитного материала с его структурой.

Пример встроенного датчика по изобретению приведен на фиг.2. В частности, показан базовый радиозонд 10, предназначенный для детектирования амплитуды радиосигнала. В предпочтительном варианте радиозонд представляет собой открытую коаксиальную линию, поле которой имеет сконцентрированный характер. Участок, содержащий материал 30 (предпочтительно полимерный материал-изолятор), выполнен в форме матрицы, содержащей частицы (или волокна) 40, предпочтительно электропроводные частицы. В отличие от сенсорных элементов 4, известных из уровня техники (см. фиг.1), электропроводные частицы 40 не вступают в СВЧ резонанс и способны только отражать излучение. Они равномерно распределены внутри матричного материала 30, образуя структуру типа решетки. Таким образом, композитный материал имеет, по существу, форму квазикристалла.

Важным принципом изготовления композитного материала является, по существу, равномерное распределение электропроводных частиц 40 внутри материала-изолятора 30. Пригодные для этого частицы 40 могут иметь сферическую форму или состоять из волокон, полосок или компонентов другой формы. Должно быть понятно, что возможно использование широкой номенклатуры частиц 40, в том числе в виде металлических пластинок, графенов, а также частиц из алюминия, серебра, меди или золота. В альтернативном варианте в частицах 40 могут содержаться полупроводники (органические и неорганические) и электропроводные полимеры. Кроме того, можно использовать материал в виде сажи (отличается в высшей степени равномерным распределением частиц) или углеродное волокно, например полоски из углеродного волокна.

Ключевое свойство материала 30 по изобретению заключается в том, что расстояние между частицами 40 регулярно, в результате чего материал образует структуру типа решетки. Данная структура фактически подобна квазикристаллу, хотя специалистам в этой области будет понятно, что возможно использование любого матричного материала 30, в котором расстояние между частицами 40 регулярно по меньшей мере в одном измерении. Важным фактором является также неизолирующая природа частиц 40, обеспечивающая известную из уровня техники когерентную периодичность электрического свойства композитного материала (периодичную электропроводность или периодичную диэлектрическую постоянную). Предпочтительно, чтобы частицы 40 были электропроводными, хотя специалистам в этой области будет понятно, что можно использовать любые частицы, не обладающие свойствами изолятора, в том числе полупроводниковые. Для получения периодичности типа проводник-изолятор-проводник-изолятор предпочтительна неэлектропроводная матрица, т.е. матрица-изолятор. Требуется электрическая периодичность по меньшей мере в одном пространственном измерении. Таким образом, она может быть одномерной (1D), двумерной (2D) или трехмерной (3D).

Далее описан механизм использования радиоволн для исследования этого квазикристалического композитного материала.

Если проводимость и/или размер частиц 40 невелики, радиосигналы будут проникать в композитный материал. Для некоторых материалов это проникновение в мегагерцевом-гигагерцевом диапазоне может составлять несколько сантиметров. В металлах и проводниках, наоборот, радиоволны проникают только в скин-слой, т.е. на глубину в несколько микрометров. Используемый в изобретении композитный материал позволяет радиоволнам проникать в него на глубину от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров, так что возвращенный сигнал соотносится с композитной структурой.

Радиосигнал отражается от каждой частицы 40, причем по отношению к нему каждая такая частица выполняет функцию, очень похожую на функцию зеркала. Однако существенная часть радиосигнала проникает в зондируемый материал глубже и отражается от нескольких частиц 40, так что появляется возможность детектировать у поверхности суммарный отраженный сигнал. Данный сигнал соотносится, таким образом, с объемом прозондированного композитного материала, а глубина зондирования зависит от того, насколько далеко проникает радиосигнал. Если она составляет небольшую часть длины волны, фазовые и интерференционные эффекты у поверхности, на которой детектируют сигнал, пренебрежимо малы. В результате в первом приближении нужно измерять только амплитуду детектируемого сигнала.

Поэтому изменение возвращенного сигнала предпочтительно детектировать в виде изменения его амплитуды, причем должно быть понятно, что будут иметь место и незначительные изменения длины волны, фазы и интерференции возвращенного сигнала, соответствующего измерению заряда композита.

По сравнению с известным встроенным датчиком по фиг.1 способ согласно изобретению в случае необходимости может использовать гораздо более сильные сигналы. Это расширяет область его приложений, не требуя для этого подбора оптимальных условий.

Таким образом, композитный материал по изобретению выполняет функцию 3D зеркала по отношению к СВЧ излучению, причем отражательные свойства зеркала при наличии повреждения композитного материала могут изменяться, т.е. по отраженному радиосигналу можно детектировать изменение свойства материала (например такой его дефект, как подповерхностные трещины в композитном материале).

Соответственно, предлагаемый встроенный датчик, чтобы связать радиосвойства данного материала с его структурой, применяет не СВЧ резонанс, используемый известными сенсорными элементами 4 по фиг.1, а происходящее внутри композитного материала "объемное" отражение, которое является постоянным в пределах композитного материала. Однако следует иметь в виду, что в некоторых ситуациях отражение может варьировать в зависимости от положения, причем в случае повреждения это варьирование будет изменяться согласно известной функции.

Приемопередатчик 10 выполнен с возможностью генерировать и передавать РЧ сигнал, а также детектировать в реальном времени переданный сигнал и сигнал, возвращенный из композитного материала. Отраженный радиосигнал определяется для различных положений в материале и в типичном случае принимается как сигнал рассеяния, отражения или пропускания (для большинства приложений предпочтительно отражение). Как указывалось выше, отслеженная амплитуда суммарного отраженного сигнала связана с окружением электропроводных частиц 40. Суммарный результат повреждения композитного материала выражается в виде изменения амплитуды возвращенного сигнала по сравнению с аналогичным параметром для материала, окружающего этот участок. Тем самым обеспечивается дистанционный сбор информации о физических и химических свойствах в объеме композитного материала. Измерения переданного и возвращенного сигналов могут проводиться в одном и том же месте; однако в альтернативном варианте предусмотрена возможность отслеживать изменения в типах колебаний, распространяющихся через композитный материал.

На фиг.3(A) представлена амплитуда возвращенного сигнала, соответствующего гладкой поверхности, наблюдаемая у поверхности описанного выше материала, в котором электропроводные частицы образуют решетку. На фиг.3(B) представлена аналогичная амплитуда, но для случая, когда сигнал соответствует шероховатой поверхности, а состоящая из частиц решетка разупорядочена (но не повреждена). На фиг.3(C) показано, каким образом после повреждения проявляет себя внутренняя трещина в материале по фиг.3(A). Из фиг.3(D) видно, что для неупорядоченной решетки по фиг.3(B) образование внутренней трещины, наоборот, явным образом не проявляется. Если вследствие повреждения расстояние между частицами 40 изменяется, изменится импеданс внутри материала 30. В результате взаимосвязанным образом изменится также отношение поверхностный радиоимпеданс/потенциал. Это означает также, что изменяется глубина проникновения радиосигнала в композитный материал, т.е. толщина скин-слоя.

Обычное зеркало должно быть очень гладким, чтобы при образовании трещин они были заметны на гладком фоне. Сходным образом, в данном случае, чтобы обнаружить трещины, 3D зеркало должно быть гладким для радиоволн. Соответствующую гладкость можно обеспечить, равномерно распределив частицы 40 внутри материала-изолятора 30.

Для выполнения композитного материала "радиогладким" могут быть разработаны соответствующие процессы. В их число входят процессы регулировки проводимости, способствующие проникновению радиоизлучения (при выбранной рабочей частоте), или процессы, направленно изменяющие диэлектрические свойства композитного материала и, если потребуется, добавляющие тонкие электропроводные покрытия, чтобы направить проходящие волны так, чтобы композитный материал сам конвертировал или преобразовывал механическое повреждение, делая его видимым в отраженном радиосигнале. В этом варианте материал, используемый в системе по изобретению, можно рассматривать как встроенный датчик.

Для создания 3D отражателя, кроме различий в проводимости электропроводных частиц 40 и материала-изолятора 30, можно использовать различия диэлектрических постоянных при условии, что радиопроникновение в композитный материал возможно на достаточную глубину. В более общем смысле различия электропроводности и различия диэлектрических постоянных можно представить как электронные различия двух материалов, отвечающие их атомной структуре. В число таких эффектов входят электропроводность и поляризуемость зонной структуры. Для формирования электрической периодичности в некоторых приложениях можно использовать возможность допирования прилегающего или неприлегающего полупроводникового материала.

Предлагаемая технология детектирования повреждений очень чувствительна к пространственным изменениям внутри квазикристалла. Такие изменения представляют собой те отклонения позиций частиц 40 от регулярного положения, которые могут быть вызваны повреждением. Кроме того, изменить положения частиц 40 могут также температура, механическое напряжение, вибрация и химическая реакция; однако детектирование этих параметров требует разработки корреляционных моделей и соответствующего программного обеспечения. Тогда матрицу-изолятор можно адаптировать, оптимизируя ее чувствительность к этим параметрам. Например, более легко расширяться и сжиматься будет мягкий полимерный материал 30, что делает его более чувствительным к температуре.

На фиг.4 схематично иллюстрируются способы измерения локальной и проходящей волн, реализуемые согласно изобретению. В основу принципа действия положен тот факт, что композитные пластины частично электропроводны, а их диэлектрические свойства позволяют производить опрашивание посредством проходящих волн, распространяющихся через эти пластины. Чтобы реализовать данный принцип на практике, можно для инициирования распространяющейся волны подключить передатчик Тх через согласующие блоки и антенну, расположенную проксимально.

Боковая волна распространяется от источника-антенны преимущественно в двух направлениях. Такую волну из-за поглощающих свойств среды можно также рассматривать как убывающую, причем преимущество здесь заключается в уменьшении интерференции в результате отражений на границах, обычно приводящих к образованию стоячих волн. Убывающая волна представляет собой электромагнитную волну, затухающую в композитной среде, а затухание способствует уменьшению нежелательных отражений.

Как показано на фиг.4(A), коаксиальный зонд 10 с открытыми концами способен передавать радиосигнал через передатчик Tx и детектировать возвращенный сигнал (поверхностный потенциал, импеданс, напряжение и другие подобные параметры) посредством приемника Rx у точки, выбранной в системе координат XY. Предусмотрена возможность снабдить приемник Rx антенной. Прием затухающих сигналов от множества точек позволяет сформировать изображение. Эту процедуру можно выполнить, например, посредством механического сканирования или сформировав массив (например линейку) параллельных зондов, показанных на фиг.4(B) и известных из уровня техники. Такая линейка позволяет вместо механического сканирования использовать коммутирующий блок электронных переключателей, обеспечивая тем самым существенные практические преимущества за счет повышения скорости и воспроизводимости. Соответственно, в механизм детектирования входит измерение интенсивности поля в композитном компоненте, который эффективно выполняет функцию собственной антенны. При этом в ситуации, относящейся к фактически безупречному компоненту, границы диэлектрической проницаемости и разрывы волнового импеданса при повреждении композита изменяют амплитуду сигнала, что, в свою очередь, детектируется в изображении.

В вариантах по фиг.4(C) и 4(D) анализ композитного материала 30 проводится согласно изобретению путем обработки исследуемой зоны композита как анизотропного элемента антенны. Исходящие из передатчика Tx радиоволны распространяются, имея круглый волновой фронт. Исследуемая зона композита, т.е. структура, в которой распространяется РЧ сигнал и которую можно считать элементом антенны, именуется также "ячейкой".

Предусмотрена возможность произвести функциональное сопряжение передатчика Tx и структуры-ячейки посредством емкостной связи. Передатчик Tx представляет собой РЧ источник, который создает внутри материала 30 режим электромагнитного поля, взаимодействующего с затухающим поверхностным полем материала 30. В результате появляется возможность исследовать данное затухающее поверхностное поле посредством приемника Rx.

Далее композитный материал зондируют в различных точках, смещенных от центра радиовозмущения. В этом режиме поле может представлять собой непрерывную волну, включающую в себя отражения на границах ячейки и детектируемую посредством сканирования положений узлов и пучностей, как это показано на фиг.4D. В альтернативном варианте возможен режим поля в виде распространяющейся волны, детектируемой сканированием амплитуды убывающей волны, затухающей в сторону границ ячейки. В тех редких случаях, когда требуется полная изоляция объема, можно применить импульсный радиосигнал, чтобы избежать отражений от границ структуры-ячейки (см. фиг.4C). В этом формате повреждение будет возмущать композитный материал 30, в результате чего возникнут разрывы и вариации скорости волны, которые изменят распределение и силу затухающего электрического поля (т.е. его "текстуру"). Это даст информацию об объеме, расположенном под поверхностным слоем. "Текстура" затухающего поля соотносится с кристалличностью композитного материала и может быть использована как индикатор качества композита.

Соответственно, объем просканированной зоны композитного материала может быть задан посредством электрического управления передатчиком ячейки или модулирования радиосигнала специальным кодом или маркером, используя известные цифровые или аналоговые методы, которые позволяют определить, что радиосигнал выходит из этого конкретного передающего источника. В большинстве случаев просканированный объем соотносится с площадью участка просканированного композитного материала. Например, если скин-слой сформирован панелями, ячейкой является каждая панель. Границы ячейки можно определить, например, установив, превышает ли мощность маркированного источника определенный порог. В определенных ситуациях может появиться возможность снизить взаимные помехи, возникающие между ячейками, используя способы селекции во времени, обычно применяющиеся в сетях мобильных телефонов.

Для обеспечения эффективного прохождения сигнала через все компоненты сканируемой структуры важное значение имеет выбор толщины пластины, рабочей частоты и диэлектрической постоянной. Чтобы детектировать волну, приемные зонды Rx антенны размещают на верхней или нижней сторонах композитной панели, причем первый вариант используют для текущего обслуживания по месту проведения работ, а второй - для мониторинга в реальном времени у критических точек материала, таких, например, как критические точки в самолете.

Предусмотрена возможность нанести на композит тонкое металлическое покрытие. Это может способствовать формированию волновода для распространяющейся волны. Однако, если покрытие слишком толстое, зондирование приходится проводить с противоположной стороны.

Применение различных способов, представленных на фиг.4, помогает оптимизировать сценарии измерений для тех ситуаций, в которых невозможно изменить форму и материал, т.е. электромагнитный импеданс.

Разрешение в большей степени зависит не от частоты, а от размеров (в миллиметрах) зондов и от расстояния между ними. Можно использовать частоты в гигагерцовом диапазоне; однако, поскольку глубина проникновения обратно пропорциональна частоте, для увеличения проникновения в структуру предусмотрена возможность понизить частоты, сместив их в мегагерцевый диапазон.

Предусмотрена возможность калибровки встроенного датчика, выполненного согласно изобретению. Такая калибровка относится к приему необработанного сигнала и к его стабильности во времени. Поэтому к главным аспектам, связанным с калибровкой, относится температурный дрейф системы зондов антенны. Измерив температуру вдоль затухающего поля, можно ввести в алгоритм обработки данных отклонения, выявленные при калибровке.

Изменение поверхностного сигнала можно использовать для создания цветной 2D карты. Следует иметь в виду, что посредством сканирования на различных частотах можно получить массив различных 2D карт, содержащих информацию, которая получена на разных глубинах. Обработав эти данные, можно сформировать 3D изображение. Таким образом, повреждение визуально отображается как на 2D картах, так и на 3D картах.

На фиг.5 представлены способы введения входных РЧ сигналов (показаны стрелками) в композитную ячейку С из одного источника РЧ излучения. Как указывалось выше, функционирование каждой ячейки рассматривается как действие элемента антенны. Возбуждение такого элемента может происходить посредством дипольной антенны (см. фиг.5(A)) или кольцевой антенны (см. фиг.5(B)). Следует иметь в виду, что на практике, в зависимости от свойств и формы композитного материала, элемент антенны будет представлять собой более сложное излучающее средство. Однако в отсутствие повреждения просканированного композитного материала сглаженный характер изменения затухающего поля в зависимости от положения сохраняется.

РЧ источник вводит во внутренний объем композитного материала электромагнитное поле, взаимодействующее с поверхностным затухающим полем композита, которое затем может быть, например, прозондировано массивом зондов поверхностного поля. Соответственно, в такой ситуации интерес представляет именно поверхностное затухающее поле, а не далекое поле, улучшить которое обычно пытается большинство производителей антенн.

Рассматривая каждую ячейку как элемент антенны, можно "зафиксировать" в каждой ячейке входной РЧ сигнал. Каждая ячейка, выполняющая функцию элемента антенны, может быть возбуждена одним РЧ источником, но возможен также вариант, в котором для возбуждения одной ячейки используют несколько РЧ источников.

На фиг.6(A) схематично представлены способы подачи радиосигнала на несколько различных ячеек С композитной структуры, когда используется только один РЧ источник. Несколько ячеек образуют массив ячеек. Предусмотрена возможность объединить ячейки, чтобы для сохранения и/или дальнейшей обработки провести возвращенный сигнал, полученный от каждого массива зондов, к надлежащей точке сбора. Выбор такой точки (концентратора) следует производить с учетом ограничений, накладываемых сканируемой структурой.

Ячейки С внутри каждой решетки можно соединить гибкой связью WL, выполненной, например, посредством волоконного световода, провода или любого другого средства, позволяющего собирать данные, поступающие из ячеек C. В альтернативном варианте эти данные можно объединить, используя индуцированные токи, модулированные радиочастотой и, как показано на фиг.6(B), текущие через ячейки C, которые обладают достаточной проводимостью.

В соответствии со способами соединения нескольких ячеек C, показанными на фиг.6, для облучения ячеистой решетки предусмотрена возможность применения единственного РЧ источника. Преимущество такого варианта заключается в том, что он позволяет использовать данные способы в условиях ограничений, возникающих на практике во время сканирования композитных панелей, например, когда композитный материал является частью более крупной конструкции, внутри которой по практическим соображениям невозможно разместить РЧ источник. Другими важным достоинствами сканирования массива ячеек (или сети ячеек, состоящей из нескольких таких массивов) являются уменьшение времени сканирования и возможность проведения сканирования в реальном времени. При изготовлении аэрокосмической конструкции на стадии ее завершения предпочтительны зонды, сгруппированные в форме листа.

Соответственно, предусмотрена возможность встроить массив зондов в испытуемую конструкцию, причем он должен находиться в проксимальном положении по отношению к тестируемому материалу. Например, во время тестирования образца простого композитного материала массив зондов можно поместить снаружи, на его верхней поверхности. Мониторинг такой конструкции, как летательный аппарат, также можно провести, поместив массив зондов снаружи подозрительной зоны. Однако предпочтительно установить такой массив на внутреннюю поверхность, встроив его в конструкцию как центральный лист. В таком варианте массив зондов превращается во встроенный передатчик для измерения поля, предназначенный для воздействия на затухающее поле композитного материала снизу. Для тестирования материалов следующего поколения, имеющих свою собственную "нервную систему", предусмотрен вариант, в котором данный центральный лист может быть частью самого материала.

На фиг.7 иллюстрируются различные способы приема сигналов от композитных материалов. Показанными на фиг.7 зондами Р могут быть, например, коаксиальные зонды, выполняющие, кроме того, функцию источника. В альтернативном варианте зондами Р могут быть зонды высокого импеданса, описанные далее со ссылками на фиг.8.

Согласно фиг.7(A) единственный зонд P, снабженный единственной антенной, установлен с возможностью механического шагового перемещения по участку композитного материала. В частности, данный приемник пригоден для сканирования индивидуальных панелей, которые легко доступны и необязательно формируют часть более крупной конструкции.

Как показано на фиг.7(B), 1D массив (линейка) A зондов с электронным переключением установлена с возможностью перемещения вдоль композитного материала в одном направлении. Например, линейку А с зондами Р можно легко передвигать по панели, образующей часть конструкции, или использовать для тестирования отдельной индивидуальной панели.

На фиг.7(C) представлен 2D массив зондов (образующий решетку зондов) с электронным переключением их антенн. В альтернативном варианте решетка зондов может иметь несколько сигнальных каналов. Решетка антенн пригодна для сканирования как отдельных панелей, так и панелей, установленных внутри конструкции. Однако предпочтительно использовать приемник данного типа для сканирования ячеистых решеток с учетом того, что такая решетка имеет возможность образовать внутри конструкции ячеистую сеть. Множество ячеек можно объединить по аналогии с беспроводной сотовой сетью или с узловой сетью, так что оно может выполнять функцию "нервной системы" композита. 2D антенну можно использовать для многоканальной фотографии при создании описанных выше 2D и 3D цветных карт.

Фиг.8 иллюстрирует индивидуальные антенны, выполненные с возможностью использования в линейках и решетках по фиг.7(B) или 7(C). Антенны по фиг.8 представляют собой зонды высокого импеданса, которые вполне пригодны для гомодинной или аналогичной приемной системы, измеряющей амплитуду сигнала или его гармоник.

Следует иметь в виду, что зонды высокого импеданса можно применять в любой приемной системе, известной из уровня техники, в том числе как в гетеродинных, так и в гомодинных системах. Однако гомодинные системы имеют более высокие рабочие характеристики в ситуациях, характеризующихся относительно высоким уровнем фонового шума. В особой степени гомодинные системы пригодны при наличии прямого доступа к источнику. В гомодинной системе исходный и принимаемый сигналы смешиваются с получением сигнала, находящегося фактически на уровне сигнала постоянного тока и содержащего требуемую информацию (в данном случае информацию о локальном затухающем поле). Преимущество заключается в том, что усредненный уровень шума, полученного из любых других сигналов с немного отличающейся частотой, равен нулю. В результате гомодинные приемные системы обеспечивают отфильтровывание экстремально узкополосного сигнала (в типичном случае шириной менее 0,1 Гц).

Следует иметь в виду, что зонды Р высокого импеданса, представленные на фиг.8, не могут выполнять функцию источников и работают только как зонды. Известно также их применение в качестве антенн на основе напряжения (активные антенны), причем их преимущества заключаются в том, что они могут работать в очень широких полосах пропускания и их можно выполнить чрезвычайно компактными, а именно с размерами, на несколько порядков меньшими, чем длина используемой ими электромагнитной волны.

На фиг.8(A)-8(C) иллюстрируются функциональные сопряжения между точкой C поверхности композита и активными зондами P. Активные зонды P можно применять для сканирования относительно небольших участков композита, измеряемых, например, в миллиметрах. Поэтому их называют зондами элементарных площадок. Из таких зондов можно сформировать элементы массива зондов высокого импеданса. От поверхности композита они отделены зазором. Таким образом, взаимодействие зондов P элементарных площадок с локальным поверхностным затухающим полем композита носит емкостный характер.

С учетом того, что зонды P элементарных площадок устанавливаются в зоне высокого импеданса, а содержание металла в них недостаточно велико, чтобы исказить затухающее поле, заряд, полученный от зондов Р, можно считать достоверным воспроизведением напряженности затухающего поля в данной зоне композита.

В предпочтительных схемах, чтобы избежать возмущения затухающего поля, предусмотрена возможность выполнить зонды высокого импеданса из относительно небольших металлических элементов, пространственно разнесенных относительно друг друга, или из микроразмерных элементов, имеющих форму металлических "точек" или "пятен". В альтернативном варианте предусмотрена возможность придать металлическим элементам форму небольшой проволочной петли.

На фиг.8(A) и 8(B) представлены зонды высокого импеданса, содержащие диодные выпрямители D РЧ сигнала, выпрямляющие детектированный сигнал. Чтобы можно было детектировать постоянное напряжение без возникновения емкостной связи с прилегающими линиями, предпочтительно использовать германиевые диоды, включенные так, как это показано на фиг.8(A) и 8(B). Чтобы избежать утечки заряда из активного зонда через диоды, понижающей напряжение на зонде, можно вместо диодов подключить к зонду затвор полевого транзистора, например канального полевого транзистора с высоким импедансом, как это показано на фиг.8(C). Напряжение детектированного сигнала может содержать вклады от других нежелательных источников, зависящие от уровня шума измерения. В этом случае предусмотрена возможность снабдить зонд по фиг.8(C) дополнительным блоком смешивания сигналов (не показан), работающим на частоте, кратной частоте источника. Выполненный описанным образом зонд по фиг.8(C) может детектировать компоненты сигнала только на частоте источника, а все сигналы с другими частотами усредняются с нулевым результатом.

В порядке альтернативы, вместо зонда высокого импеданса по фиг.8 в сетевом анализаторе можно использовать коаксиальный зонд типа описанного выше.

На фиг.9(A) представлен РЧ источник типа описанного выше со ссылками на фиг.5. Данный источник вводит во внутренний объем композитного материала 30 электромагнитное поле, которое образует внутри материала 30 соответствующую электромагнитную волну. В свою очередь, данная волна взаимодействует с затухающим поверхностным полем композита, которое далее можно зондировать посредством массива А зондов поверхностного поля типа зонда, описанного со ссылками на фиг.7(B). Электрический потенциал (напряжение) у конкретной точки сканируемой поверхности желательно измерять посредством зонда высокого импеданса (типа описанного выше со ссылками на фиг.8). Во многих случаях электрический потенциал (напряжение) является пропорциональным поверхностному импедансу, характеризующему соотношение электрического и магнитного компонентов в данной точке. Посредством сетевого анализатора можно определить также поверхностный импеданс, измеряя фазу амплитуды энергии, отраженной обратно от коаксиального зонда у этой точки.

На фиг.9(B) представлен массив A зондов активной антенны, зондирующий поверхность композитной ячейки C и отделенный от нее зазором. Полученные от массива данные собираются в точке сбора, общей для всей ячейки C и именуемой далее концентратором Н ячейки. Поверхностное затухающее поле, измеряемое зондами, образуется в зоне, толщину которой можно стабилизировать с помощью разделительной прокладки (не показана). Чтобы избежать нагрузки на поверхностное затухающее поле или его искажения, предпочтительно использовать настолько маленькое содержание металла в зонде, насколько это возможно. Соответственно, электроды каждого зонда антенны (и, таким образом, находящийся на них электрический заряд) целесообразно подключать очень коротким проводником. Предусмотрена возможность ввести такой короткий проводник в буфер высокого импеданса, показанный, например, на фиг.9(C), причем тип буфера может быть любым. За этим участком схемы (за буфером) чувствительность по отношению к поверхностным полям гораздо меньше вследствие пониженного линейного импеданса и экранирования коаксиальной линии.

На фиг.9(C)-9(E) представлены три варианта схемы, пригодной для получения информации от массива A зондов и передачи этой информации в концентратор H. Каждая из трех схем передает информацию о напряженности затухающего поля, детектированную массивом A зондов активной антенны, показанной на фиг.9(B). Как видно из фиг.9(C), в первой схеме использован низкочастотный фильтр, позволяющий проходить сигналу, находящемуся фактически на статическом уровне, по тонкой коаксиальной линии (по микрокоаксиальному кабелю МК) к приемнику.

Во второй схеме, представленной на фиг.9(D), вместо низкочастотного фильтра, показанного на фиг.9(C), используется преобразователь напряжение-частота (ПНЧ). Преобразование напряжения в высокую частоту у точки детектирования лучше защищает информацию, когда сигнал передается, например, через зону с шумовым фоном. В некоторых ситуациях вместо цифрового преобразователя может быть использован аналого-цифровой преобразователь.

Третья схема, представленная на фиг.9(E), также предназначена для ситуаций, в которых уровень шумов является значительным. Схема содержит ПНЧ и оптический модулятор ОМ (например светодиод), выполненные с возможностью передавать сигнал на приемник (не показан) через волоконный световод (ВС). Преимущество схемы заключается в том, что она нечувствительна к электрическим шумам и гарантирует высокое качество данных, получаемых концентратором.

На фиг.10 иллюстрируется способ сбора, электрическим методом, данных о поверхностном затухающем поле композитной панели, не "нагружающий" поле проводником (если поле "нагружено", оно искажается, причем в присутствии проводника напряженность поля сильно понижена). Данный способ позволяет корректно собирать данные о профиле затухающего поля, причем как с верхней, так и с нижней стороны панели. Для отфильтровывания слабых экстремально узкополосных (в типичном случае шириной менее 0,1 Гц) РЧ сигналов, получаемых, в виде функции от положения, посредством электронного переключения, подсоединяющего к приемнику в заданной последовательности каждый из индивидуальных зондов (p1, p2…pN), используют синхронный (гомодинный) приемник. В качестве зондов можно выбрать зонды высокого импеданса типа показанных на фиг.8.

На фиг.11 представлен способ детектирования, согласно которому для детектирования электрического поля у зондов (p1, p2…pN), в типичном случае выполненных в коаксиальном варианте, используют сетевой анализатор. Предусмотрена возможность встроить в каждый зонд (p1, p2…pN) РЧ источник и измерять импеданс зонда, чтобы затем получить данные о поверхностном импедансе композита. Коаксиальный зонд может представлять собой открытую коаксиальную линию, в которой сигналы передаются и принимаются из ее конечной точки. В данной точке вследствие изменений затухающего поля может изменяться заряд. Схему сетевого анализатора можно выполнить с возможностью детектировать изменения амплитуды и фазы принятого сигнала. Кроме того, предусмотрена возможность конвертировать изменение заряда в изменение импеданса поля, который характеризует соотношение электрического и магнитного компонентов, и/или в тангенс угла потерь.

На фиг.12 представлены характерные изображения композитных панелей, полученные посредством внутреннего детектирования и используемые для обнаружения повреждения панелей. В этом приложении в радиосхеме используют массив коаксиальных зондов, показанный на фиг.4(B). На фиг.13(A) показаны детали авиалайнера, которые могут выполняться из композитных материалов, а на фиг.13(В) проиллюстрирован план проверочных испытаний (ППИ), согласно которому ведется поиск усталостного повреждения в зоне основания хвостового стабилизатора авиалайнера. Усталостное повреждение может произойти в данной зоне под воздействием вибрационных нагрузок и напряжений, прилагаемых к задней части самолета. Вследствие этого желателен непрерывный мониторинг этой зоны, который можно осуществить, используя способ по изобретению.

Согласно данному плану (сценарию) предусмотрена возможность до или после сборки зафиксировать у зоны основания полугибкий лист 300 и, кроме того, используя технологию гибкой электроники, вмонтировать зонды в этот гибкий лист, действующий как система антенна/зонды. Для сканирования топографии зоны используют сенсорные устройства 400, воспринимающие поле, а низкочастотные электромагнитные волны возбуждаются согласно изобретению РЧ источником 100.

На фиг.14 представлено искаженное поле неоднородного резинового композитного материала, детектированное с применением способов, описанных выше. Как уже указывалось, искажения в поверхностном затухающем поле можно выявить с помощью "проволочной" антенны (зонда Р) типа описанной со ссылками на фиг.8 и 9. Искаженное электрическое поле содержит информацию о любых дефектах, присутствующих в материале. Поверхностное затухающее поле, детектированное стандартной проволочной антенной SA, наоборот, имеет сглаженный характер и, таким образом, дефект в материале не выявляет.

В процессе измерений больших конструкций, выполненных из композитного материала, может использоваться центр управления, который регистрирует событие, произошедшее по адресу конкретной ячейки и связанное со сбором данных, и запускает процесс сбора данных. Для этого в соответствующей ячейке генерируется исходный РЧ сигнал, проходящий в структуру композитного материала, т.е. пронизывающий ее. Данный сигнал может быть усилен любыми зонами этой структуры, содержащими чередующиеся слои проводник/изолятор. Сигнал отражается через материал обратно, формируя (в простейшем приближении) "теневой" аналог пространственной электропроводности композита. У поверхности эта информация оказывается включенной в затухающую волну, которая в виде сигнала (напряжения) детектируется зондом. Далее для измерения амплитуды этого сигнала или амплитуды его гармоник можно использовать гетеродинный или гомодинный метод.

На фиг.15 иллюстрируется процесс сбора данных о состоянии большой композитной конструкции, сформированной из множества панелей, причем просканировать согласно описанным выше способам можно несколько композитных ячеек. Такое сканирование можно выполнить с помощью массива зондов, функционально сопряженных с общим источником, позиционированным внутри ячейки, или, в альтернативном варианте, с несколькими источниками излучения, позиционированными внутри ячейки. Предусмотрев наличие переключающего средства и приемной системы внутри ячейки, можно для всей композитной структуры сформировать суммарный массив исходных данных, отображающий электромагнитное поле в виде функции от положения. Затем данные объединяют у центральной точки, после чего их можно сохранить (шаг 81), обработать (шаг 82) и получить изображение (шаг 83). В альтернативном варианте, если нет необходимости в немедленной обратной связи, обработку данных можно выполнить автономно.

По окончании сбора данных из сети индивидуальных ячеек полученные результаты можно объединить в массив исходных данных, отображающий затухающее поле всей структуры. Первым этапом обработки является восстановление, снижающее шумы и любую размытость изображения, связанную с движением, и использующее для этого соответствующие фильтры, такие как известный из уровня техники байесовский фильтр.

На следующей стадии процесса распознают геометрический объект, имеющий специфическую особенность. Для выделения особенностей, соответствующих специфическим типам повреждения, авторы изобретения использовали обучающиеся алгоритмы совместно с имеющимся банком данных по текстурам затухающих полей, определенным численными методами или экспериментально, исходя из псевдокристаллической структуры композита. Эти текстуры имеют уникальные компоненты пространственных частот и представляют характерные признаки различных типов повреждений/дефектов. Алгоритмы обработки изображения могут использовать такой банк данных для осуществления обратной свертки характерных пространственно-частотных признаков с целью выявления повреждений в конкретных местах конструкции. Затем эти места помечают выбранным цветом. Таким образом, изображение, соответствующее срезу для данной частоты, превращается в карту с цветовой кодировкой. Далее для получения конечного изображения комбинирует данные слои с получением 3D изображения.

Для обработки собранных данных требуется их интерпретация ("диагностика"). С этой целью можно использовать программное обеспечение, пригодное для идентификации в этих данных определенных паттернов. Оно может содержать способы построения 3D изображений, более подробно описанные далее, а также другие методы анализа изображения. В частности, методы анализа изображения, предназначенные для определения особенностей объекта, могут иметь в своей основе интерполяцию и переход от мозаики к цельному изображению, а также другие методы, известные из уровня техники, причем во всех из них предусмотрена возможность использовать для понижения уровня шума низкочастотные фильтры и байесовскую интерпретацию.

Чтобы облегчить интерпретацию, могут быть скомпилированы для сопоставления банк данных по типам повреждений/дефектов и соответствующие им характерные радиосигналы. В перечень причин дефектов в числе других входят растрескивания, натяжения/перегрузки/усталость материала и температура. Кроме того, эти способы могут обеспечить измерение кристалличности во внутреннем объеме композитного материала, которая при оценке повреждения композита может быть важным стандартом/показателем.

Для крупномасштабных конструкций необходимо управление данными. Соответствующие системы можно применять для периодической фиксации данных через надлежащие интервалы времени (эта процедура очень похожа на то, как персональный компьютер регистрирует свои действия и ведет их учет). Например, если во время этих интервалов проводятся тесты, предусматривается возможность фиксировать данные два или три раза в день. Если тесты проводят в реальном времени, данные фиксируют более часто. Впоследствии инспекция перечня данных может оказаться полезной для диагностики любых проблем и для сигнализации о любых ожидаемых происшествиях.

Важным моментом является возможность обрабатывать структурную информацию, полученную от затухающего поля композита в виде свертки. Для этого требуется интерпретация характера объемного электромагнитного поля, пронизывающего композитную структуру. Следует отметить, что внутреннее поле задается структурой композита и, в особенности, уровнем ее кристалличности и упорядоченности с учетом возможности понижения данного уровня в результате повреждения (как это показано на фиг.3).

Чтобы произвести обратную свертку структурной информации, которая переходит из объема материала в затухающее поле, в рамках изобретения собран банк данных по характерным (идентифицирующим) электромагнитным признакам, полученным посредством построения виртуального материала, состоящего из единичных ячеек, которые были опознаны в реальном композитном материале. Для того чтобы охарактеризовать взаимоотношение между электромагнитным полем и структурой и перекрыть широкий интервал частот, причем, в особенности, в низкочастотной области, где электромагнитное поле обычно характеризуется термином "диффузия", был использован известный метод ячейки Yee (Yee cell) - см. фиг.16. Термин "диффузия" обычно относится к упрощенному описанию электромагнитного взаимодействия в ситуации, когда длина волны становится очень большой, например, на порядок превышающей исходное значение. В таком режиме фазой можно пренебречь, однако это упрощение может привести к тому, что в полученном изображении дефекты проявятся в виде теней. Преимущество метода ячейки Yee заключается в том, что для него данного упрощения не требуется. Этим способом, особенно при низких частотах, на которых выполняется приближение "диффузия", определяют анизотропную электропроводность материала.

Данный метод использует следующую систему из шести функций:

$$H_x{|}_{i,j,k}^{n+1/2}=D_a{|}_{i,j,k}\cdot H_x{|}_{i,j,k}^{n-1/2}+D_{b_z}{|}_{i,j,k}\cdot (E_y{|}_{i,j,k+1/2}^n-E_y{|}_{i,j,k-1/2}^n)-D_{b_y}{|}_{i,j,k}\cdot (E_z{|}_{i,j+1/2,k}^n-E_z{|}_{i,j-1/2,k}^n)$$

$$H_y{|}_{i,j,k}^{n+1/2}=D_a{|}_{i,j,k}\cdot H_y{|}_{i,j,k}^{n-1/2}+D_{b_x}{|}_{i,j,k}\cdot (E_z{|}_{i+1/2,j,k}^n-E_z{|}_{i-1/2,j,k}^n)-D_{b_z}{|}_{i,j,k}\cdot (E_x{|}_{i,j,k+1/2}^n-E_x{|}_{i,j,k-1/2}^n)$$

$$H_z{|}_{i,j,k}^{n+1/2}=D_a{|}_{i,j,k}\cdot H_z{|}_{i,j,k}^{n-1/2}+D_{b_y}{|}_{i,j,k}\cdot (E_x{|}_{i,j+1/2,k}^n-E_x{|}_{i,j-1/2,k}^n)-D_{b_x}{|}_{i,j,k}\cdot (E_y{|}_{i+1/2,j,k}^n-E_y{|}_{i-1/2,j,k}^n)$$

$$E_x{|}_{i,j,k}^{n+1}=C_a{|}_{i,j,k}\cdot E_x{|}_{i,j,k}^n+C_{b_y}{|}_{i,j,k}\cdot (H_z{|}_{i,j+1/2,k}^{n+1/2}-H_z{|}_{i,j-1/2,k}^{n+1/2})-C_{b_z}{|}_{i,j,k}\cdot (H_y{|}_{i,j,k-1/2}^{n+1/2}-H_y{|}_{i,j,k-1/2}^{n+1/2})$$

$$E_y{|}_{i,j,k}^{n+1}=C_a{|}_{i,j,k}\cdot E_y{|}_{i,j,k}^n+C_{b_z}{|}_{i,j,k}\cdot (H_x{|}_{i,j,k+1/2}^{n+1/2}-H_x{|}_{i,j,k-1/2}^{n+1/2})-C_{b_x}{|}_{i,j,k}\cdot (H_z{|}_{i,j+1/2,k}^{n+1/2}-H_z{|}_{i,j-1/2,k}^{n+1/2})$$

$$E_z{|}_{i,j,k}^{n+1}=C_a{|}_{i,j,k}\cdot E_z{|}_{i,j,k}^n+C_{b_x}{|}_{i,j,k}\cdot (H_y{|}_{i+1/2,j,k}^{n+1/2}-H_y{|}_{i-1/2,j,k}^{n+1/2})-C_{b_y}{|}_{i,j,k}\cdot (H_x{|}_{i,j+1/2,k}^{n+1/2}-H_x{|}_{i,j-1/2,k}^{n+1/2})$$

На фиг.17 показано, каким образом различные плоскости изображения, содержащие структурную информацию, которая получена в композитном материале на разных глубинах в затухающем поле, сводятся "в единое целое" перед обращением свертки. Представленный на чертеже способ формирования 3D изображения включает получение изображений на различных частотах и приписывание убывающей функции каждой изображенной особенности. Например, с точки зрения относительной чувствительности, детектировать особенности поверхности и более четко представлять их в полученном изображении можно на более высокой частоте, а пониженные частоты не так эффективны при детектировании информации о поверхности и более пригодны для обследования более глубокой внутренней структуры. Данный способ позволяет получать информацию как об особенности, так и о глубине ее локализации.

На фиг.18 иллюстрируется способ формирования изображения, предназначенный для получения стереоскопических изображений. Предлагаемый способ можно применять автономно или в сочетании с описанными выше способами. Половину зондов можно использовать для получения первого изображения (изображение 1), установив их в одно положение, а остальные - для измерения второго изображения (изображения 2) из немного смещенной опорной зоны (конкретно, смещенной на расстояние, равное промежутку между зондами). Используя обычные технические приемы стереоскопии, из изображений 1 и 2 можно получить стереоскопическое изображение.

Типичные композитные материалы состоят из матрицы и армирующих элементов, причем для аэрокосмических систем и, в особенности, для авиалайнеров в качестве таких элементов обычно выбирают углеродное волокно или кевлар. Матрица, как правило, выполнена из термоотверждаемого эпоксида, термопластичного сложного полиэфира, сложного винилового эфира или нейлона. В результате получают, в частности, полимер или пластик, армированные углеродным волокном (ПАУВ).

Характерные аэрокосмические приложения для этих высококачественных композитов - это емкости ультравысокого рабочего давления, корпуса ракетных двигателей и пусковые установки. Для приложений, применяющих встроенные датчики, хорошо выраженную электрическую периодичность, которую можно использовать в рамках способа по изобретению, обеспечивает электропроводное волокно, внедренное в относительно изолирующую матрицу. В другие подходящие армирующие материалы, обеспечивающие хорошо выраженную периодичность электрических свойств, входят металлы, полупроводники и композитные частицы (на основе, например, металлов или диэлектриков). Такую же функцию могут выполнять отверстия в матрице.

Применение способа по изобретению, использующего встроенные датчики, может обеспечить быстрый доступ к информации о конструкционных материалах как в процессе изготовления, так и при применении готовой продукции, причем получение информации достигается удобным образом и при намного меньшей стоимости по сравнению с известными SHM системами и способами.

Типичными изменениями свойств композитных материалов являются дефекты материала, которые можно детектировать согласно изобретению, а именно разрывы волокон, микротрещины, расслоения, посторонние включения или загрязнения, ударное повреждение и пористость. Термин "пористость" обычно используют по отношению к пустотам, образованным захваченным воздухом или газом, который выделяется в процессе отверждения. Пористость влияет на главные особенности матрицы, такие, например, как сопротивление сжатию, предел прочности при поперечном растяжении и межслоевая прочность при сдвиге. Было показано, что в общем случае в интервале содержания пустот от 0% до примерно 7% на каждый 1% пустот приходится уменьшение межслоевой прочности примерно на 7%.

Технологии детектирования пористости в композитных материалах можно, в основном, распределить по следующим категориям: прямое получение изображения, корреляция с единственной ультразвуковой частотой (узкополосный подход) или с ее градиентом (широкополосный подход). Корреляция с градиентом частоты на графике затухания хорошо показала себя на практике и нашла широкое применение. Кроме того, выявился примерно линейный характер градиента в зависимости от увеличения количества полостей. С использованием корреляции между количеством полостей и градиентом затухания это количество определялось ультразвуковым методом и сопоставлялось с аналогичным параметром, определенным посредством деструктивного разрушения путем разложения кислотой. Хотя различия могут оказаться трудноразличимыми, новые технологии формирования изображения, в частности способ согласно изобретению, способствуют определению участков в просканированном образце, которые насыщены матрицами или имеют их хотя бы в незначительном количестве.

Кроме того, к важным микроструктурным свойствам композитов относятся распределение волокна в матрице, извитость волокна и его ориентация. Изменения в окружении частиц могут вызываться также ползучестью или иной нестабильностью материала во времени, ухудшающей эксплуатационные показатели материала. Все эти свойства можно надежно детектировать, используя способы согласно изобретению.

Типичные применяемые материалы - это конструкционные материалы, по которым требуется информация по износу, повреждению или температуре. Преимущество регулярных композитных материалов заключается в том, что их можно использовать, чтобы обеспечить информацию по окружающей их среде, такую, как изменение напряжения, деформации, объемных искажений или флуктуации плотности. Кроме того, разработав соответствующие модели и программное обеспечение, можно модифицировать возвращенные сигналы для определения температуры, рН, гидратации, загрязнения, радиации или обледенения материала.

Таким образом, предлагаемое изобретение имеет несколько важных преимуществ. Например, оно позволяет обеспечить непрерывный или селективный сбор данных, относящихся к критичным конструктивным компонентам, включая конструктивные компоненты для аэрокосмической промышленности (такие как крылья самолетов, панели, болты, емкости и уплотнения), а также "умные" уплотнения для нефтегазовой промышленности, не требуя установки на конструкцию или внутри нее дополнительных датчиков, которые могут ослабить конструкцию. Что касается использования в этих встроенных датчиках материалов с регулярной структурой, в некоторых случаях такие встроенные сенсорные материалы уже находят применение. В частности, квазикристаллами являются используемые в аэрокосмических приложениях определенные ламинатные конструкции, содержащие углеродные волокна.

Такое выполнение обеспечивает создание существенно более экономичной SHM-системы, уменьшая затраты на обслуживание самолетов и ремонт в отраслях, которые все шире применяют композитные материалы при создании указанных конструктивных компонентов.

Для получения 2D изображений применяемые в аэрокосмической промышленности способы тестирования композитных материалов используют, в частности, ультразвуковые преобразователи и погружение композитного образца в ванну с водой. Находит применение также метод низкоскоростного удара (coin-tap method) с прослушиванием звука. Преимуществом предлагаемого изобретения является возможность тестирования таких материалов без необходимости применять ванну с водой. Кроме того, размеры тестирующей системы по изобретению можно миниатюризировать, обеспечив тем самым преимущества, связанные с портативностью. Для изобретения характерен также низкий расход энергии (требуется мощность только порядка милливатт).

Другое преимущество изобретения заключается в том, что оно позволяет производить очень быстрое получение данных, причем состояние компонента в отношении износа или усталости может определяться в реальном времени, так что момент замены компонентов становится известным, тогда как длительность простоя, управленческие и эксплуатационные затраты в процессе изготовления и использования компонента сокращаются. Обеспечиваются также детальный мониторинг и оптимизация процесса изготовления за счет использования обратной связи из глубины материала.

Следующим преимуществом является тот факт, что в области контроля трубопроводов система и способ по изобретению обеспечивают непрерывный мониторинг деформаций, давая операторам возможность справляться с возникающими проблемами, например с утечками. В противоположность этому, известные оптоволоконные технологии обнаруживают "горячую точку" или "холодную точку", указывающую на наличие утечки жидкости или газа соответственно только после возникновения такой утечки.

Наконец, изобретение улучшает надежность систем мониторинга, например, при внутрискважинном мониторинге, устраняя необходимость в соединителях и проводах. Устраняется также необходимость обеспечения датчиков индивидуальными источниками питания, поскольку энергия подводится к сенсорным элементам посредством беспроводных взаимодействий. Другие области применений охватывают контроль качества композита, летательных аппаратов и автомобильных систем скоростного торможения, гражданское строительство, мониторинг здоровья человека, мониторинг давления на ядерных и химических заводах, измерение температуры в теплозащитных экранах и головных обтекателях, а также обнаружение трещин на космических станциях, в железнодорожных путях и танкерах.

Для обеспечения надежности в неблагоприятном окружении изобретение позволяет использовать в качестве датчика саму конструкцию. Хорошим примером является измерение вязкости воды внутри трубы. В качестве примера можно сослаться также на композитное самолетное крыло, содержащее на своих поверхностях, контактирующих с несущей рамой, сенсорный адгезив. Такие поверхности часто являются зонами напряжений в панелях или других конструкциях, работающих под нагрузкой, причем они могут выдавать информацию о своем состоянии. Так, от зон контакта может быть получена ключевая информация механического характера о композитной конструкции.

Предложена сенсорная система для анализа свойств диэлектрического материала с помощью радиочастотного сигнала, содержащая материал (30), который сформирован из матрицы и множества частиц (40), не обладающих свойствами изолятора и, по существу, равномерно распределенных внутри матрицы таким образом, что материал по меньшей мере в одном направлении обладает когерентной электрической периодичностью. Кроме того, в системе имеется приемник (10), выполненный с возможностью приема исходного радиочастотного (РЧ) сигнала и возвращенного РЧ сигнала, причем исходный РЧ сигнал отражается данными частицами с формированием возвращенного РЧ сигнала. Изменение положения одной или более частиц не изоляторов приводит к изменению возвращенного РЧ сигнала, так что по возвращенному РЧ сигналу можно определить изменение свойств материала и проводить непрерывный мониторинг аномалий в нем. Заявленный способ позволяет повысить степень контроля качества указанного материала. 2 н. и 30 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Сенсорная система для анализа свойств диэлектрического материала с помощью радиочастотного сигнала, содержащая:
материал, содержащий матрицу и множество частиц, не обладающих свойствами изолятора и, по существу, равномерно распределенных внутри матрицы, которая представляет собой материал, обладающий по меньшей мере в одном направлении когерентной электрической периодичностью, и
приемник, выполненный с возможностью приема исходного радиочастотного (РЧ) сигнала и возвращенного РЧ сигнала, причем исходный РЧ сигнал отражается указанными частицами с формированием возвращенного РЧ сигнала,
причем опрашивание материала производят посредством его возбуждения, как если бы он был антенной, для формирования профиля поверхностного поля и сопряжения исходного РЧ сигнала со сформированным поверхностным полем, обеспечивая тем самым эффективную передачу энергии материалу;
при этом изменение положения одной или более указанных частиц приводит к изменению возвращенного РЧ сигнала, так что по возвращенному РЧ сигналу можно определить изменение кристалличности материала.

2. Система по п.1, в которой матрица представляет собой неэлектропроводную матрицу, а указанные частицы представляют собой электропроводные частицы.

3. Система по п.2, в которой электропроводные частицы соответствуют по меньшей мере одному виду частиц из частиц углерода, углеродного волокна, графенов, частиц алюминия, частиц серебра, частиц меди, частиц золота и углеродных нанотрубок.

4. Система по п.1, в которой не обладающие свойствами изолятора частицы представляют собой частицы полупроводников.

5. Система по п.1, в которой не обладающие свойствами изолятора частицы представляют собой композитные частицы, содержащие металл и изолятор.

6. Система по п.1, в которой матрица-изолятор содержит полимер.

7. Система по п.6, в которой матрица-изолятор содержит по меньшей мере один компонент из группы, в которую входят термоотверждаемый эпоксид, термопластичный сложный полиэфир, сложный виниловый эфир и нейлон.

8. Система по п.1, в которой материал по меньшей мере в одном направлении обладает когерентной периодической электропроводностью.

9. Система по п.1, в которой материал по меньшей мере в одном направлении имеет диэлектрическую постоянную, обладающую когерентной периодичностью.

10. Система по п.1, в которой изменение возвращенного сигнала представляет собой изменение амплитуды, изменение частоты, сдвиг по фазе или изменение интерференционных эффектов.

11. Система по п.1, в которой изменение кристалличности материала представляет разлом частицы, микротрещину, расслоение, загрязнение, ударное повреждение матрицы или изменение пористости.

12. Система по п.1, в которой приемник выполнен с возможностью приема внешних РЧ сигналов.

13. Способ детектирования изменения кристалличности материала, содержащего матрицу и множество частиц, не обладающих свойствами изолятора и, по существу, равномерно распределенных внутри матрицы, которая представляет собой материал, обладающий по меньшей мере в одном направлении когерентной электрической периодичностью, при этом способ включает следующие операции:
опрашивание материала посредством исходного РЧ сигнала, причем опрашивание материала производят посредством его возбуждения, как если бы он был антенной, для формирования профиля поверхностного поля и сопряжения исходного РЧ сигнала со сформированным поверхностным полем, обеспечивая тем самым эффективную передачу энергии материалу;
прием возвращенного РЧ сигнала, отраженного от указанных частиц, и
определение изменения кристалличности материала по изменению возвращенного РЧ сигнала, обусловленному изменением положения одной или более из указанных частиц.

14. Способ по п.13, в котором опрашивание материала включает сканирование поверхности материала с использованием единственного механического зонда.

15. Способ по п.13, в котором опрашивание материала включает сканирование поверхности материала электронным многокомпонентным зондом по линейной или двумерной траектории.

16. Способ по п.13, в котором опрашивание материала включает возбуждение материала, выполняющего функцию антенны, для генерации профиля поверхностного поля.

17. Способ по п.16, в котором опрашивание материала дополнительно включает сканирование профиля поверхностного поля с использованием единственного механического зонда.

18. Способ по п.16, в котором опрашивание материала дополнительно включает сканирование профиля поверхностного поля с использованием электронного многокомпонентного зонда.

19. Способ по п.16, в котором зонд представляет собой двумерный массив зондов с электронным переключением или с сигнальными каналами.

20. Способ по п.19, который дополнительно включает размещение двумерного массива зондов в гибком листе для зондов.

21. Способ по п.13, в котором исходный РЧ сигнал является модулированным.

22. Способ по п.13, в котором указанный материал получают допированием полупроводникового материала для обеспечения когерентной электрической периодичности.

23. Способ по п.15, в котором материал содержит множество ячеек, причем каждая ячейка представляет собой элемент антенны.

24. Способ по п.23, в котором указанные ячейки связаны между собой и формируют ячеистую решетку.

25. Способ по п.24, в котором указанные ячейки связаны между собой посредством индуцированных модулированных РЧ токов.

26. Способ по п.19, в котором массив зондов содержит по меньшей мере один зонд высокого импеданса.

27. Способ по п.26, в котором зонд высокого импеданса содержит множество металлических элементов с микроразмерами.

28. Способ по п.26, в котором зонд высокого импеданса представляет собой диодный выпрямитель или затвор полевого транзистора.

29. Способ по п.27, в котором возвращенный РЧ сигнал принимают посредством гомодинного приемника.

30. Способ по п.13, в котором опрашивание материала включает введение электромагнитной волны во внутренний объем материала, а прием возвращенного РЧ сигнала включает детектирование поверхностного затухающего электромагнитного поля материала.

31. Способ по п.24, в котором множество ячеек образуют беспроводную сотовую сеть.

32. Способ по любому из п.п.13-31, осуществляемый с использованием системы по любому из п.п.1-12.