專利名稱：非接觸表面化學(xué)測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開通常涉及在結(jié)構(gòu)比如復(fù)合結(jié)構(gòu)表面上的污染物或其他表面化學(xué)的測量。更具體地，本公開涉及不需要與被檢測的表面物理接觸的非接觸表面化學(xué)測量裝置和方法。
背景技術(shù)：
檢測在復(fù)合結(jié)構(gòu)或其他結(jié)構(gòu)表面上的污染物或其他表面化學(xué)的當(dāng)前方法可包括使用IR光譜學(xué)。但是，常規(guī)的IR光譜學(xué)技術(shù)可能對測量可能影響結(jié)構(gòu)結(jié)合質(zhì)量的表面化學(xué)改變或低水平污染不靈敏。因?yàn)樗鼈冊跍y量期間需要與表面接觸，目前的IR光譜學(xué)方法可能在表面上引入另外的污染物。

發(fā)明內(nèi)容
本公開通常涉及表面化學(xué)測量裝置。表面化學(xué)測量裝置的例證性實(shí)施方式包括處理器；可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列，其與處理器接口連接并且配置為使用紅外波長范圍同時(shí)測量整個(gè)被測量表面的表面化學(xué)；和顯示器，其與處理器接口連接并且適合顯示從被測量的表面反射的紅外波長的IR光譜。在一些實(shí)施方式中，表面化學(xué)測量裝置可包括裝置罩，其具有入射IR束孔、可見激光束孔和反射IR束孔；裝置罩中的處理器；和可調(diào)的激光紅外光譜儀陣列，其在裝置罩中并且與處理器和入射IR束孔以及可見激光束孔接口連接?？烧{(diào)的紅外激光光譜儀陣列可配置為使用紅外波長范圍同時(shí)測量整個(gè)被測量表面的表面化學(xué)。裝置罩中的可見激光可與可見激光束孔接口連接。顯示器可與處理器接口連接并且可適合顯示從被測量的表面反射的紅外波長的IR光譜。本公開進(jìn)一步通常涉及非接觸表面化學(xué)測量方法。該方法的例證性實(shí)施方式包括提供具有一系列表面化學(xué)污染的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品；提供可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列；獲得標(biāo)準(zhǔn)品上的一系列表面化學(xué)污染的紅外光譜；校準(zhǔn)該紅外光譜與一系列表面化學(xué)污染；使用可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列獲得具有可能的污染的表面的紅外光譜；和比較具有可能的污染的表面的紅外光譜與一系列表面化學(xué)污染的紅外光譜。附圖簡述

圖1是非接觸表面化學(xué)測量裝置的例證性實(shí)施方式的透視圖。圖2是非接觸表面化學(xué)測量裝置的例證性實(shí)施方式的示意性方框圖。圖3是非接觸表面化學(xué)測量方法的例證性實(shí)施方式的流程圖。圖4是飛行器生產(chǎn)和使用方法的流程圖。圖5是飛行器的方框圖。發(fā)明詳述下述詳細(xì)說明本質(zhì)上僅僅是示意性的并且不打算限制所描述的實(shí)施方式或所描述的實(shí)施方式的應(yīng)用和使用。如本文所使用的，詞語“示例性”或“例證性”意思是“用作實(shí)施例、例子或例證”。本文描述為“示例性”或“例證性”的實(shí)施不必解釋為與其他實(shí)施相比是優(yōu)選的或有利的。所有下述實(shí)施是提供以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠利用或使用本發(fā)明并且不打算限制由權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍的示例性實(shí)施。此外，不打算被前面技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容或下面詳細(xì)的描述中存在的任何表達(dá)或暗示的理論所束縛。參看圖1和2，非接觸表面化學(xué)測量裝置的例證性實(shí)施方式一下文稱裝置，通常由參考數(shù)值I表示。裝置I可包括裝置罩2，其可包括裝置I的至少一些功能組件。如圖1中所顯示，前罩板2a可設(shè)置在裝置罩2上。入射IR束孔12、可見激光束孔13和反射IR束孔14可設(shè)置在前罩板2a中。在一些實(shí)施方式中，可見激光束孔13可通常在入射IR束孔12和反射IR束孔14之間，如圖1中進(jìn)一步顯示的。如圖2中所顯示，裝置I可包括CPU(中央處理器)3?？烧{(diào)的IR激光光譜儀陣列4可與CPU3接口連接。可調(diào)的IR激光光譜儀陣列4可配置為同時(shí)測量紅外波長范圍的復(fù)合材料或其他材料24上被測量的整個(gè)表面25?？烧{(diào)的IR激光光譜儀陣列4可包括IR發(fā)射器5。IR發(fā)射器5可與設(shè)置在前罩板2a中的入射IR束孔12接口連接(圖1)?？梢娂す庵甘酒?可與CPU3接口連接?？梢娂す庵甘酒?可與設(shè)置在前罩板2a中的可見激光束孔13接口連接?？烧{(diào)的IR激光光譜儀陣列4可包括IR接收器7。IR接收器7可與設(shè)置在裝置罩2的前罩板2a中的反射IR束孔14接口連接。顯示器8可與CPU3接口連接。在一些實(shí)施方式中，顯示器8可設(shè)置在裝置罩2的外部上，如圖1中所顯示。至少一個(gè)端口 9，比如USB端口，例如但不限于，可與CPU3接口連接。一個(gè)或多個(gè)端口 9可設(shè)置在裝置罩2的外部上。控制器10可與CPU3接口連接。在一些實(shí)施方式中，控制器10可設(shè)置在裝置罩2的外表面上。在一些實(shí)施方式中，控制器10可以以觸摸屏的形式提供，并且可并入顯示器8中。可見激光指示器6可適合通過可見激光束孔13 (圖1)并且對著材料24的被測量的表面25上選擇的區(qū)域或斑點(diǎn)一其表面化學(xué)或污染被測量一發(fā)射可見激光束19?？烧{(diào)的IR激光光譜儀陣列4可適合從IR發(fā)射器5通過入射IR束孔12 (圖1)并且對著被測量的表面25上所選擇的區(qū)域或斑點(diǎn)發(fā)射IR范圍波長的入射IR束18。IR接收器7可適合接收從被測量的表面25反射的IR束20。在一些實(shí)施方式中，IR發(fā)射器5可具有發(fā)射入射IR束18的能力，并且IR接收器7可適合收集全部或部分操作波長范圍(例如，400波數(shù)(cm—1)至約4000波數(shù)(cm—1))上的反射的IR束20。CPU3可具有處理和存儲對應(yīng)反射IR束20的紅外光譜以及將該光譜顯示在顯示器8上的能力。CPU3可具有對包括光譜的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算的能力，所述數(shù)學(xué)運(yùn)算包括進(jìn)行光譜的多元分析。CPU3可適合校準(zhǔn)從具有一系列表面污染的標(biāo)準(zhǔn)品獲得的IR光譜與標(biāo)準(zhǔn)品上的表面污染。CPU3可另外地具有比較從復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)品中獲得的紅外光譜與從具有可能的污染的表面上獲得的紅外光譜并且將該比較顯示在顯示器8上的能力。在一些實(shí)施方式中，CPU3可具有量化在測量的表面上的污染水平并且將量化的污染水平以數(shù)值或其他形式顯示在顯示器8上的能力。外部設(shè)備(未顯示)可與裝置罩2上的端口9連接，以便于將數(shù)據(jù)從CPU3上載到外部設(shè)備。在裝置I的示例性應(yīng)用中，可制備在標(biāo)準(zhǔn)品表面上具有一系列硅氧烷或其他污染的復(fù)合材料或其他標(biāo)準(zhǔn)品(未顯示)。在一些應(yīng)用中，標(biāo)準(zhǔn)品可為石墨纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)品。在其他實(shí)施方式中，標(biāo)準(zhǔn)可包括替代材料。裝置I的可調(diào)的IR激光光譜儀陣列4可對著每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品的表面發(fā)射入射IR束18?？梢娂す庵甘酒?可首先對著其污染水平被測量的每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品表面上所選擇的區(qū)域或點(diǎn)發(fā)射可見激光束19，以引導(dǎo)入射IR束18對著表面上所選擇的區(qū)域或點(diǎn)入射。IR接收器7可接收從每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品表面反射的反射IR束
20。CPU3可處理并且存儲從對應(yīng)每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品的反射IR束20獲得的IR光譜。在一些應(yīng)用中，偏最小二乘法(PLS)可用于校準(zhǔn)從標(biāo)準(zhǔn)品獲得的IR光譜與標(biāo)準(zhǔn)品上硅氧烷污染的量，并且驗(yàn)證該測量的靈敏度。在校準(zhǔn)從標(biāo)準(zhǔn)品獲得的IR光譜之后，裝置I可被操作以獲得復(fù)合材料或其他材料24上被測量的表面25的紅外光譜。在一些實(shí)施方式中，材料24可具有被測量的金屬表面
25。在其他實(shí)施方式中，材料24可具有被測量的復(fù)合材料或其他非金屬表面25。因此，裝置I的可調(diào)的IR激光光譜儀陣列4可對著被測量的表面25發(fā)射入射IR束18?？梢娂す庵甘酒?可首先對著被測量的表面25上的所選擇的區(qū)域或點(diǎn)發(fā)射可見激光束19，以引導(dǎo)入射IR束18對著被測量的表面25上的所選擇的區(qū)域或點(diǎn)入射。IR接收器7可接收從被測量的表面25反射的反射IR束20。CPU3可處理并且存儲從反射IR束20獲得的對應(yīng)被測量表面25的IR光譜。CPU3可顯示對應(yīng)被測量表面25的IR光譜連同對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)品的IR光譜。CPU3可另外地比較被測量的表面25的IR光譜與從硅氧烷污染標(biāo)準(zhǔn)品獲得的IR光譜。在一些應(yīng)用中，CPU3可量化被測量表面25上的污染水平。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到裝置I可例如但不限于通過快速實(shí)時(shí)測量提供包括金屬和復(fù)合材料結(jié)合表面在內(nèi)的多種結(jié)合表面上的化學(xué)信息的獲取。測量可實(shí)施為紅外波長段陣列，其可用于確認(rèn)或驗(yàn)證在感興趣的表面上各種期望的化學(xué)種類或缺少有害污染物種類。裝置I足夠有效地利于非接觸測量感興趣的表面以測量結(jié)合的表面化學(xué)，防止否則通過IR工具與表面接觸發(fā)生的表面污染。裝置I可有利于快速測量方法，其提供在大結(jié)合表面區(qū)域上全表面測量覆蓋。同時(shí)的IR光譜學(xué)區(qū)域陣列可提供對多種污染物和表面化學(xué)的測量的獲取。本領(lǐng)域技術(shù)人員將進(jìn)一步認(rèn)識到，該方法可用于測量表面上薄的涂層而不接觸涂層或表面。這可用于金屬和復(fù)合材料上的結(jié)合底漆(bond primer),其中可能期望不接觸測量的表面，但是期望測量結(jié)合底漆厚度(從約0.2至約0.5mils)。接著參考圖3，顯示非接觸表面化學(xué)測量方法的例證性實(shí)施方式的流程圖100。在方框102中，提供在標(biāo)準(zhǔn)品表面上具有一系列硅氧烷或其他污染的復(fù)合材料或其他非金屬或金屬標(biāo)準(zhǔn)品。方框104中，提供可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列。方框106中，獲得復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)品上硅氧烷污染的紅外光譜。在一些實(shí)施方式中，使用從約400波數(shù)(cnT1)至約4000波數(shù)的紅外波長獲得紅外光譜。方框108中，方框106中獲得的紅外光譜與在復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)品表面上的一系列污染校準(zhǔn)。在一些實(shí)施方式中，紅外光譜可使用偏最小二乘(PLS)法與復(fù)合材料標(biāo)準(zhǔn)品表面上一系列污染校準(zhǔn)。方框HO中，使用可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列獲得具有可能的硅氧烷或其他污染的表面的紅外光譜。在一些實(shí)施方式中，使用從約400波數(shù)(cnT1)至約4000波數(shù)的紅外波長獲得紅外光譜。在一些實(shí)施方式中，具有可能的污染的表面可為金屬。在一些實(shí)施方式中，具有可能的污染的表面可為復(fù)合材料或其他非金屬材料。方框112中，比較具有可能的污染的表面的紅外光譜與標(biāo)準(zhǔn)品的紅外光譜。方框114中，量化具有可能的污染的表面上的污染水平。接下參考圖4和5，本公開的實(shí)施方式可用于圖4中所顯示的飛行器制造和使用方法78和圖5中所顯示的飛行器94的內(nèi)容中。在生產(chǎn)前期間，示例性方法78可包括飛行器94的規(guī)格和設(shè)計(jì)80和材料獲取82。在生產(chǎn)期間，進(jìn)行飛行器94的部件和子組件制造84和系統(tǒng)整合86。此后，飛行器94可經(jīng)歷發(fā)照和交貨88，以便進(jìn)行使用90。在被客戶使用的同時(shí)，飛行器94可以被安排進(jìn)行日常維護(hù)和保養(yǎng)92 (其也可包括改進(jìn)、重新配置、整修
坐')
寸/ ο可以由系統(tǒng)整合者、第三方和/或操作者(例如用戶)進(jìn)行或執(zhí)行方法78的每個(gè)過程。對本說明書的目的，系統(tǒng)整合者可以非限制性地包括諸多飛行器制造商和主要系統(tǒng)轉(zhuǎn)包商；第三方可以非限制性地包括諸多銷售商、轉(zhuǎn)包商和供應(yīng)商；以及操作者可以是航空公司、租賃公司、軍事實(shí)體、服務(wù)組織等。如圖5所示，通過示例性方法78生產(chǎn)的飛行器94可以包括具有多個(gè)系統(tǒng)196的機(jī)體198和內(nèi)部100。高水平系統(tǒng)196的例子包括一個(gè)或多個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)102、電力系統(tǒng)104、液壓系統(tǒng)106和環(huán)境系統(tǒng)108?？梢园ㄔS多其它系統(tǒng)。盡管顯示了航空實(shí)例，但是本公開的原理可以應(yīng)用于其它工業(yè)，如汽車工業(yè)。本文實(shí)施的裝置可以在生產(chǎn)和使用方法78的任意一個(gè)或多個(gè)階段期間使用。例如，相應(yīng)于生產(chǎn)過程84的部件或子組件可以被以類似于使用飛行器94時(shí)生產(chǎn)的部件或子組件的方式進(jìn)行構(gòu)造或制造。同樣，例如，通過顯著加速飛行器94的組裝或減少飛行器94的成本，在生產(chǎn)階段84和86期間可以使用一種或多種裝置實(shí)施方式。類似地，在使用飛行器94例如但不限于維護(hù)和保養(yǎng)92時(shí)可使用一種或多種裝置實(shí)施方式。盡管本公開的實(shí)施方式已就某些示例性實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，具體實(shí)施方式
是用于闡述目的并且是非限制性的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以想到其它變化。
權(quán)利要求
1.表面化學(xué)測量裝置，包括: 處理器； 可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列，其與所述處理器接口連接并且配置為使用紅外波長范圍同時(shí)測量整個(gè)被測量表面的表面化學(xué)；和 顯示器，其與所述處理器接口連接并且適合顯示從被測量的所述表面反射的紅外波長的IR光譜。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括與所述處理器接口連接的可見激光指示器。
3.權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括裝置罩并且其中所述可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列包含在所述裝置罩中。
4.權(quán)利要求3所述的裝置，進(jìn)一步包括在所述罩中的入射IR束孔并且其中所述可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列與所述入射IR束孔接口連接。
5.權(quán)利要求4所述的裝置，進(jìn)一步包括所述裝置罩中的可見激光束孔和與所述處理器接口連接并且與所述可見激光束孔接口連接的可見激光指示器。
6.權(quán)利要求4所述的裝置，進(jìn)一步包括所述罩中的反射IR束孔并且其中所述可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列與所述反射IR束孔接口連接。
7.權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列配置為使用從約400波數(shù)(cnT1)至約4000波數(shù)的紅外波長同時(shí)測量整個(gè)被測量表面的表面化學(xué)。
8.權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括與所述處理器接口連接的至少一個(gè)端口。
9.表面化學(xué)測量裝置，包括: 裝置罩，其具有入射IR束孔、可見激光束孔和反射IR束孔； 所述裝置罩中的處理器； 可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列，其在所述裝置罩中并且與所述處理器和所述入射IR束孔以及所述可見激光束孔接口連接； 所述可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列配置為使用紅外波長范圍同時(shí)測量整個(gè)被測量表面的表面化學(xué)； 可見激光，其在所述裝置罩中并且與所述可見激光束孔接口連接；和顯示器，其與所述處理器接口連接并且適合顯示從被測量的所述表面反射的紅外波長的IR光譜。
10.權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列配置為使用從約400波數(shù)(cnT1)至約4000波數(shù)的紅外波長同時(shí)測量整個(gè)被測量表面的表面化學(xué)。
11.權(quán)利要求9所述的裝置，進(jìn)一步包括與所述處理器接口連接的至少一個(gè)端口。
12.權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述可見激光束孔通常在所述入射IR束孔和所述反射IR束孔之間。
13.非接觸表面化學(xué)測量方法，包括: 提供具有一系列表面化學(xué)污染的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品； 提供可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列； 獲得所述標(biāo)準(zhǔn)品上的所述一系列表面化學(xué)污染的紅外光譜； 校準(zhǔn)所述紅外光譜與所述一系列表面化學(xué)污染； 使用所述可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列獲得具有可能的污染的表面的紅外光譜；和比較具有可能的污染的所述表面的所述紅外光譜與所述一系列表面化學(xué)污染的所述紅外光譜。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其中使用所述可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列獲得具有可能的污染的表面的紅外光譜包括使用所述可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列獲得具有可能的硅污染的表面的紅 外光譜。
全文摘要
表面化學(xué)測量裝置(1)，其包括處理器；可調(diào)的紅外激光光譜儀陣列，其與處理器接口連接并且配置為使用紅外波長范圍同時(shí)測量整個(gè)被測量表面(25)的表面化學(xué)；和顯示器(8)，其與處理器接口連接并且適合顯示從被測量的表面(25)反射的紅外波長的IR光譜。
文檔編號G01N21/35GK103180715SQ201180049145
公開日2013年6月26日 申請日期2011年8月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月13日
發(fā)明者P·G·瓦伊, G·J·沃納, P·H·謝莉 申請人:波音公司