用于评估接头处的电流威胁影响的方法、装置及设备技术领域
本发明涉及用于对结构接头处的雷击或其他电流威胁的影响进行评
估的方法及设备。具体地，本发明涉及用于对响应于电流威胁从接头被释
放的气体、等离子体和/或微粒自身的或所引起的物理特性进行分析以及
用于针对要经受这样的威胁的接头确定一组设计规则的方法及设备。
背景技术
飞行器通常需要在机身结构件可能经受雷击的天气条件下飞行。这样
的雷击通常在紧固的接头的紧固件处附着于飞行器或经由飞行器结构件
传导至该紧固件。为了防止燃料点燃，必须预测并且控制这样的雷击的影
响，尤其是在燃料箱接头处。
图1是穿过面板1的紧固件组件的一部分的侧视图，面板1可以是复
合面板或金属面板。该组件包括紧固件，该紧固件包括外螺纹螺栓2、内
螺纹螺母3以及垫圈4(可替代地，该紧固件可以包括任意其他已知的紧
固件类型如铆钉或模锻紧固件)。当雷击击中面板1并且有电流流经紧固
件时，在接头处(例如在面板1与紧固件之间的接合面处)冒出火花会导
致局部压力增大并且从紧固件喷出火花束。压力增大还可能导致从接头释
放出气体、等离子体以及热微粒。
在图1中用附图标记5示出这样的出气的通常位置。面板1可以提供
燃料箱壁并且紧固件因此可以浸在燃料或燃料蒸气中。紧固件处的雷击因
此可能提供会点燃燃料蒸气的火花和热气体点燃源。其他电流威胁如来自
飞行器上的电气设备的威胁也可能提供这样的点燃源。
在一些情况下，压力增大可能高得足以对面板1造成结构损坏。如果
面板由复合材料制成，则压力可能由于气体、等离子体和/或颗粒试图从
接头逸出而造成层离。
在航空航天工业中用于在模拟雷击测试期间检测燃料点燃源的先前
测试方法基于摄影术和/或可燃气体技术，如在EUROCAEED-105，章
节7.7以及等同的SAE和MIL-STD标准文献中所限定的。这种技术提供
了离散的通过/失败结果，而没有关于出气事件的特性以及相关的限度的
任何定量信息。不存在已知的用于对在出气事件期间释放的气体、等离子
体和/或微粒的物理特性进行测量的方法及装置。
实际上，还存在关于在出气事件期间起作用的物理机制的几种未知情
况。因此，需要用于产生关于这样的出气事件的改进数据的装置及方法。
还需要更好地理解接头的设计特征对出气程度的影响。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种用于对气体、等离子体和/或微粒自身
的和/或所引起的一个或更多个物理特性进行测量的装置，所述气体、等
离子体和/或微粒响应于电流威胁从接头被释放，接头包括紧固件，紧固
件穿过结构件使得紧固件的端部从结构件突出，所述装置包括：
容纳构件，容纳构件具有围绕腔的开口的基部，容纳构件被布置成安
装在紧固件的端部上方以将紧固件的端部围封在所述腔内并且密封开口；
以及
一个或更多个传感器，被布置成用于测量：所述腔所容纳的气体、等
离子体和/或微粒的一个或更多个物理特性；和/或容纳构件或接头的由所
述腔所容纳的气体、等离子体和/或微粒引起的一个或更多个物理特性。
根据第一方面的装置可以用于获得关于由雷击或其他电流威胁导致
的出气事件的产物的有价值数据。例如，所述装置可以用于模拟接头处的
雷击的测试程序以获得关于出气产物(响应于雷击从接头发出的气体、等
离子体和/或微粒)自身的或所引起的物理特性的信息。这样的信息使得
能够更好地理解出气事件的物理现象并且更好地预测接头处雷击的可能
结果。
在关于出气事件的物理现象的可用信息非常少的情况下，使用已知的
测试技术难以预测雷击对接头完整性的影响。因此，新的接头设计必须要
经受测试序列(campaign)以确定这些接头针对雷击是否能够受到足够
的保护。这样的测试序列昂贵并且会导致延长设计过程。已知的测试技术
提供了简单离散的通过/失败结果。EUROCAEED-105，章节7.7描述了
指示是否存在点燃源的摄像和可燃气体技术。因此，已知的测试序列是简
单的指示，即在某种意义上讲，已知的测试序列从仅能够用于判断接头是
通过测试还是测试失败意义上来讲是迟钝的工具并且不能提供关于接头
是否被过度设计的信息。这样的测试目前还不能用于提供用于预测关于相
似接头的测试结果的数据。
相比之下，第一方面的装置能够提供关于出气产物的物理特性以及出
气产物对周围结构的影响的数据，这些数据能够用于为接头设计过程提供
信息。测试序列的大小会大大减小并且可以避免接头的过度设计。
已知的在接头处——在接头处，由电流威胁如雷击导致的出气产物或
火花会引起点燃风险(例如，在飞行器燃料箱接头处)——的保护方法是
将突出的紧固件端部围封在盖(也称为螺母盖或防火花盖)的密封腔内。
第一方面的装置可以用于模拟这种盖，其中，容纳构件的腔在大小、形状
或其他特征方面与盖的腔对应。因此，所述装置可以用于提供关于这种盖
的设计需求的信息。
所容纳的出气产物(气体、等离子体和/或微粒)的物理特性可以包
括产物的任何可测量的或可观察的特性，所述特性的值描述了这些产物的
状态。类似地，由出气产物引起的物理特性可以包括容纳构件或接头的由
所容纳的出气产物引起(导致)的任何可测量的或可观察的特性，并且所
述特性的值描述了容纳构件或接头的状态。
第一方面的装置的所述一个或更多个传感器可以包括：压力传感器，
所述压力传感器与腔流体连通并且被布置成用于测量腔内的压力；温度
计，所述温度计被布置成用于对容纳构件的温度或温度分布(容纳构件的
本体的温度或温度分布，或腔内的温度或温度分布)或接头的温度或温度
分布(结构件和/或紧固件内的温度或温度分布)进行测量；和/或光传感
器，所述光传感器被布置成用于测量所述腔内所发射的光(这可以包括测
量光的光谱分析)。
压力传感器可以提供关于所容纳的出气产物(气体、等离子体和/或
微粒)的压力的用于为设计过程提供信息的数据。例如，所测量的压力可
以用于确定意在围封接头的突出的紧固件端部的盖(例如，螺母盖或防火
花盖)所必须耐受的压力。相似地，温度或温度分布数据可以用于为材料
选择提供信息。光传感器可以检测出出气事件期间在接头处生成的任何火
花。此外，光传感器可以执行光谱分析以提供关于出气产物的特性的附加
信息。
所述一个或更多个传感器可以包括光纤传感器。这样的传感器紧凑并
且抗电子干扰。
本发明的第二方面提供了一种用于对气体、等离子体和/或微粒自身
的或所引起的一个或更多个物理特性进行测量的设备，所述气体、等离子
体和/或微粒响应于电流威胁从接头被释放，所述设备包括：
包括紧固件的接头，紧固件穿过结构件而使得紧固件的端部从结构件
突出；
根据第一方面所述的装置；以及
用于将代表电流威胁的电流输送至紧固件的装置，
其中，根据第一方面所述的装置的容纳构件安装在所述紧固件的端部
上方以使得能够将紧固件的端部围封在腔内并且密封开口。
因此，第二方面提供了以下设备，所述设备使用第一方面的装置来测
量模拟雷击或其他电流威胁的出气产物的物理特性，或由这样的产物在接
头或容纳构件中引起的物理特性。其他电流威胁可以包括来自故障电气设
备的电流。
用于输送表示电流威胁(例如，雷击)的电流的装置可以包括适于输
送代表性电流——如在EUROCAEED-105或等同标准文献中限定的高
电流波形——的任何装置或设备。其可以包括高电压发生器、激光器或任
何其他合适的装置。用于输送电流的装置可以被布置成用于将代表性电流
直接输送至紧固件(以模拟例如直接雷电附着)，或输送至所述结构件上
的所输送的电流将从其传导至紧固件的点(以模拟例如来自雷击的传导电
流威胁)。所述设备可以用于测量任一电流传输场景下紧固件的出气产物
上的影响。
接头的结构件可以包括一个或更多个面板，所述一个或更多个面板通
过紧固件附接至子机身构件，如表示肋、纵梁、机身、翼梁或其他结构构
件的子机身构件。在一些实施方式中，接头可以包括通过紧固件彼此附接
的两个子机身构件。容纳构件的开口可以通过与结构件的密封接触而被密
封。例如，容纳构件可以经由围绕开口延伸的一圈粘附性或密封材料被附
接至结构件。
所述接头可以包括穿过所述结构件的多个紧固件，并且代表性电流可
以被输送至所述多个紧固件中的一个或更多个紧固件。所述设备可以包括
根据第一方面的多个装置。
所述设备可以包括被布置成用于对所测量的一个或更多个物理特性
随时间的变化进行记录的记录装置。因此，所述一个或更多个物理特性在
施加代表性电流之后的变化可以被追踪。预期至少一些物理特性如压力、
温度和光在施加了代表性电流之后可能上升到峰值并且然后开始下降。关
于这样的峰值的定时以及升降的梯度的信息可以用于为设计过程提供信
息。
所述接头优选地包括代表飞行器燃料箱的接头的测试组件。这样的测
试组件通常包括一个或更多个复合面板或金属面板，所述一个或更多个复
合面板或金属面板通过紧固件附接至复合或金属子机身构件，如肋、纵梁、
框架、翼梁或其他燃料箱结构构件。可替代地，测试组件可以包括通过紧
固件彼此紧固的两个复合或金属子机身构件。因此，飞行器燃料箱接头可
以是位于燃料箱壁处的接头或位于燃料箱内的接头。
本发明的第三方面提供了一种用于对气体、等离子体和/或微粒自身
的和/或所引起的一个或更多个物理特性进行测量的方法，所述气体、等
离子体和/或微粒响应于电流威胁从接头被释放，所述接头包括紧固件，
紧固件穿过结构件而使得紧固件的端部从结构件突出，所述方法包括以下
步骤：
将紧固件的端部围封在密封腔内；
将代表电流威胁的电流输送至紧固件；以及
测量：响应于施加的电流从接头被释放的并且被容纳在密封腔内的气
体、等离子体和/或微粒的一个或更多个物理特性，和/或容纳构件或接头
的由气体、等离子体和/或微粒引起的一个或更多个物理特性。
第三方面的方法可以使用第一方面的装置或第二方面的设备来实现。
上文讨论的第一方面和第二方面的益处和优点同样适用于第三方面的方
法。特别地，第三方面的方法可以用于获得关于由雷击或其他电流威胁导
致的出气事件的产物的有价值数据。例如，所述方法可以用于模拟接头处
的雷击的测试程序以获得关于出气产物(响应于雷击从接头发出的气体、
等离子体和/或微粒)自身的或所引起的物理特性的信息。这样的信息使
得能够更好地理解出气事件的物理现象并且很可能更好地预测接头处的
雷击的结果。
用于判断接头是否在发生雷击时提供点燃源的已知测试技术提供了
简单离散的通过/失败结果。EUROCAEED-105,章节7.7描述了合适的
摄影和可燃气体技术，该技术指示出点燃源是否存在。因此，这些技术没
有提供对出气产物的物理特性或由出气产物引起的物理特性的测量，而是
仅检测点燃源如火花的存在。
第三方面的测量步骤可以包括测量所述一个或更多个物理特性随时
间的变化。因此，在施加代表性电流之后，所述一个或更多个物理特性的
变化可以被追踪。预期在施加代表性电流之后许多物理特性如压力、温度
和光会上升至峰值并且然后开始下降。关于这样的峰值的定时以及升降的
梯度的信息可以用于为设计过程提供信息。
所述一个或更多个物理特性可以包括：密封腔内的压力(在腔内由出
气产物的积累导致)；容纳构件(包括容纳构件的本体和/或腔及其内含物)
或接头(包括结构件和/或紧固件)的温度或温度分布；密封腔内(例如，
通过火花)所发射的光的特性；和/或容纳在密封腔内的气体、等离子体
和/或微粒的物质分布。出气产物的物质分布可以包括关于存在哪种材料
以及比例如何的信息。这样的信息可以使用光谱仪技术来获得。
接头优选地包括代表飞行器燃料箱的接头的测试组件。在一些实施方
式中，所述密封腔代表对飞行器燃料箱的接头处的紧固件的端部进行围封
的盖的密封腔。这个盖可以包括螺母盖、防火花盖、或布置成用于当接头
处经受了雷击或其他电流威胁时盖住火花和/或其他出气产物的任何其他
盖。
本发明的第四方面提供了一种用于对气体、等离子体和/或微粒自身
的或所引起的一个或更多个物理特性进行测量的装置，所述气体、等离子
体和/或微粒响应于电流威胁在接头处被生成，接头包括紧固件，紧固件
穿过结构件而使得紧固件的端部从结构件突出，所述装置包括：一个或更
多个传感器，所述一个或更多个传感器被嵌在接头内并且被布置成用于测
量所述一个或更多个物理特性，所述一个或更多个传感器中的每一个包括
光纤传感器。
这样的装置可以提供关于容纳在接头内的生成产物的性质和影响。
即，响应于电流威胁(例如，雷击)而产生的产物(气体、等离子体和/
或微粒)未作为出气事件的一部分从接头释放而是被捕获在接头内。这样
的所捕获的生成产物将具有会导致接头的物理特性变化的物理特性。例
如，所捕获的生成产物积累在接头内将使得压力和温度增大，进而会导致
结构件和紧固件的温度以及这些部件的挠性改变，从而可能导致结构上的
损伤。而且，所捕获的生成产物可以仅在接头内具有影响，而在接头外侧
没有可观察到的结果；一个示例为完全容纳在接头内的火花。第四方面的
装置可以用于测量这样的物理特性。特别地，所述装置可以用于确定要施
加至给定组件的紧固件以牵制接头内的压力并且由此防止出气事件的转
矩。因此，这种预加载能够被指定为针对点燃源的一层保护。
光纤传感器可以包括以下传感器，所述传感器将光纤或者作为感测元
件(称为本征传感器)或者作为将来自远程传感器的信号传递至外部信号
处理设备(称为非本征传感器)的装置。光纤传感器可以是特别有利的，
因为其足够的小且紧凑以能够在不需要对接头进行明显修改的情况下集
成至接头。例如，光纤可以夹在复合部件中的片层之间，或插入紧固件的
一部分中的通道中。此外，在远程感测位置处不需要电源，并且光纤传感
器不受电气干扰。
光纤传感器可以包括设置成对所述一个或更多个物理特性进行测量
的光纤布拉格光栅。光纤布拉格光栅是位于一段光纤中的分布式布拉格反
射器的类型。光纤布拉格光栅反射一些波长的光并且使所有其他波长的光
透过。所反射的波长对应力和温度两者敏感，使得光纤布拉格光栅传感器
能够直接地测量这些物理特性。例如，光纤布拉格光栅还能够通过添加吸
收涂层而被修改为用以感测特定气体的存在或测量压力。光纤布拉格光栅
特别地适用于本申请，因为它们与过渡型电子量规相比对振动、热和电磁
场不太敏感，并且因此当使用在经受(模拟的)雷击或其他电流威胁的接
头的严酷环境中时更可靠。可替代地，光纤传感器可以包括法布里-珀罗
干涉型传感器。其他光纤传感器可以包括用于执行光谱分析的普通光纤。
每个光纤传感器优选地被布置成用于测量接头处的压力、温度、温度
分布或光发射。传感器可以被布置成用于在接头的部件之间的特定接合面
处进行这种测量，例如在紧固件的柄部与穿过结构件的紧固件孔的内孔之
间的间隙处进行这种测量。
本发明的第五方面提供了一种提供一组设计规则的方法，所述一组设
计规则用于设计基本上不具有响应于电流威胁的点燃威胁的接头，所述方
法包括以下步骤：
(i)针对多个接头中的每个接头——其中，每个接头包括紧固件，
紧固件穿过结构件使得紧固件的端部从结构件突出；并且每个接头的设计
特征与多个接头中的其他接头的对应的设计特征不同——进行：
将代表电流威胁的电流输送至紧固件；以及
对响应于所施加的电流在接头处被生成的气体、等离子体和/或
微粒自身的和/或所引起的一个或更多个物理特性进行测量；
(ii)使用所测量的物理特性从所述多个接头中选择基本上不提供雷
击点燃威胁的一个或更多个接头；以及
(iii)基于所选择的接头的设计特征来确定一组设计规则。
可替代地，所述方法可以是提供一组设计规则的方法，所述一组设计
规则用于设计具有针对由于雷击而引起的不可接受的损伤的防护的接头。
即，针对可能对接头的完整性造成不可接受的威胁的损伤的防护。
接头优选地是位于燃料蒸气区中的接头如飞行器燃料箱的接头。即，
所述一组设计规则优选地用于设计这样的接头。
如上文讨论的，用于分析雷击或其他电流威胁对接头的影响的先前装
置及方法没有提供任何关于出气产物或所捕获的生成产物的物理特性或
它们对周围接头的影响的信息。因此，每个新的接头设计必须经受测试序
列，在测试序列中，代表性试件被制造出并且经受代表性电流。这种测试
序列昂贵并且耗时，并且明显延长了设计过程。相比之下，本发明人开发
了第五方面的方法以提供为未来的接头设计提供一组设计规则的测试程
序。
设计特征可以包括接头的能够被修改以修改接头的功能特征或性能
的任何特征。例如，设计特征可以包括结构件的厚度或材料类型、紧固件
的大小或材料类型、施加给紧固件的紧固转矩、或紧固件柄部与穿过结构
件的紧固件孔的孔口之间的间隙。在设计这样的特征时，设计人员将必须
在涉及如接头所要承受的负载、制造能力等需求的设计规则的范围内进行
工作。以前，根据电流威胁自身的特性提出了关于针对雷击和其他电流威
胁的防护的需求，然而，第五方面的方法提供了用于以下设计特征的一组
设计规则，所述设计特征将确保所形成的接头免受这种威胁。所述设计规
则为此特定的设计特征提供可允许的设计裕量。
所述一组设计规则可以通过使用来自所选择的接头的设计特征以及
根据数据推测出的数据来编写。
在以下程度上几个设计特征很可能会具有相互依赖关系：修改一个特
征会导致用于另一设计特征的设计规则的变化(可允许的设计裕量)。因
此，可以将这些设计规则一起编入反映这些相互依赖关系的模型。
针对所述多个接头中的每个接头，所述测量步骤优选地包括测量所述
一个或更多个物理特性随时间的变化。因此，在施加代表性电流之后所述
一个或更多个物理特性的变化可以被追踪。预期在施加代表性电流之后许
多物理特性如压力、温度和光会上升至峰值并且然后开始下降。关于这样
的峰值的定时以及升降的梯度的信息可以用于为设计过程提供信息。
在一些实施方式中，针对所述多个接头中的每个接头，所述测量步骤
包括对从接头释放的气体、等离子体和/或微粒自身的或所引起的一个或
更多个物理特性进行测量。即，所述测量通过对响应于所输送的代表性电
流从接头发出的出气产物的性质或影响进行测量来在接头外执行。合适的
测量装置或设备是第一方面或第二方面的测量装置或设备，并且合适的测
量方法是第三方面的方法。
在又一些实施方式中，针对多个接头中的每个接头，所述测量步骤包
括对容纳在接头内的气体、等离子体和/或微粒自身的或所引起的一个或
更多个物理特性进行测量。即，所述测量通过对在输送代表性电流之后被
捕获在接头内的所生成的产物的性质或影响来在接头内执行。合适的测量
装置是第四方面的测量装置。
附图说明
现将参照附图来描述本发明的实施方式，其中：
图1示出了典型现有技术接头处的可能出气位置；
图2示出了根据本发明的实施方式的安装在接头处的测量装置；
图3A至图3C示出了根据本发明的实施方式的测量装置的容纳构件
的纵向横截面图以及分别从上方和下方观察的等距视图；
图4示出了根据本发明的实施方式的组装有传感器支架的测量装置
的容纳构件的纵向横截面图；
图5示出了根据本发明的实施方式的测量装置的替代性容纳构件的
等距视图；
图6示出了根据本发明的实施方式的测量设备的示意图，所述测量设
备包括图2至图5的被安装在接头处的测量装置；
图7示出了根据本发明的实施方式的光纤传感器测量装置的横截面
图；
图8示出了根据本发明的另一种实施方式的光纤传感器测量装置的
横截面图；以及
图9A至图9C示出了图8的装置的具有不同光纤传感器构造的修改
了的垫圈的平面图。
具体实施方式
图2至图6中示出了根据本发明的用于对从接头200发出的出气产物
的物理特性以及这样的产物所引起的影响进行测量的测量装置100的各
种实施方式。图2示出了安装在接头200处的装置100，图3至图5示出
了装置100的各方面的各种实施方式，并且图6示出了安装在接头200处
的作为测量设备的一部分的装置100。
接头200包括通过紧固件230紧固至加强构件220的面板210。在本
实施方式中，面板210是代表提供了燃料箱壁的飞行器机翼表面的测试
件，并且加强构件220是代表位于燃料箱内的飞行器肋部、桁条、翼梁或
其他加强构件。在另一种实施方式中，接头200可以是组件的两个结构部
件之间的任意类型的接头。紧固件230包括埋头螺栓232以及以相应方式
带螺纹的螺母234。在一些实施方式中，紧固件230还可以包括位于螺母
234与加强构件220之间的垫圈(未示出)，或者可以可替代地包括凸头
螺栓、铆钉或其他类型紧固件。紧固件230通常是金属制的例如铝制的。
面板210和加强构件220可以是金属部件或复合部件。在面板210和加强
构件220是复合部件的实施方式中，所述部件可以由嵌在树脂基体内的定
向纤维例如玻璃或碳纤维的层形成。
装置100包括容纳构件10，容纳构件10包括具有开口14的大致杯
形(凹形)本体12，开口14提供了围封在本体12内的腔16的入口。在
图3至图4的实施方式中，开口14为圆形，本体12的横截面形状也是圆
形，而在图5的实施方式中，本体12的横截面形状和开口14为正方形。
实际上，任何形状的开口14或本体12横截面形状都满足要求。开口14
由连续的凸缘18围绕，并且凸缘18相对于容纳构件10的中心轴线向外
径向地突出。
容纳构件10由介电材料例如如尼龙的聚合物形成。所述材料可以为
半透明而使得一些光可以从腔16透过容纳构件的壁。
在使用中，容纳构件10被安装在螺母234(即，紧固件的末端)上
方以使得紧固件230的从加强构件220突出的部分被围封在腔14内。凸
缘18提供了用于将容纳构件10接合至加强构件220的围绕螺母234的表
面的表面，并且粘性材料或密封材料提供了围绕开口14的密封件从而密
封腔14。可替代地，容纳构件10可以安装在螺栓232的头部上方。
容纳构件10包括一个或更多个其中插有传感器(未示出)的测量通
道20。在实施方式中，所述一个或更多个测量通道20包括沿容纳构件10
的中心轴线延伸通过本体10的端面的压力传感器通道20A。压力传感器
通道20A包括内螺纹部(未示出)，该内螺纹部使得具有外螺纹部的适当
大小的压力传感器(未示出)能够被插入并且与压力传感器通道20A相
互连接。由于压力传感器通道20A延伸通过本体12，所以压力传感器将
与腔14中的内含物流体连通，使得其能够测量这些内含物的压力。
在图4的实施方式中，所述一个或更多个测量通道20还包括像压力
传感器通道20A一样延伸穿过本体12的端面的腔传感器通道20B。因此，
插入穿过腔传感器通道20B的传感器(未示出)与腔14的内含物流体连
通以能够测量这些内含物的物理特性。所述传感器将通常会包括光纤传感
器如光纤——可选地具有光纤布拉格光栅的光栅——或法布里-珀罗干涉
型传感器。所述光纤传感器可以被布置成用于测量腔14的内含物的任何
期望物理特性如压力(在不具有压力传感器通道20A的实施方式中)、温
度、光发射/光谱、或物质特性。
图4的实施方式还包括可移除的传感器支架22，其包括被布置成配
装在容纳构件10的本体12上方的大致杯形(凹形)本体。传感器支架
22包括位于端面中的中央孔口23，中央孔口23为位于压力传感器通道
20A中的压力传感器(未示出)提供了间隙并且传感器支架22还包括所
述一个或更多个测量通道20中的本体传感器通道20C。本体传感器通道
20C延伸通过传感器支架22的侧壁使得本体传感器通道20C的端部抵接
容纳构件20的本体12的侧壁。因此，插入穿过本体传感器通道20C的
传感器(未示出)可以测量本体12的物理特性，特别是由腔14的内含物
引起的物理特性的变化。传感器通常会包括光纤传感器或热电耦。传感器
可以被布置成用于测量本体12的任意期望物理特性如本体12的温度或偏
转(弯曲)。在容纳构件10为透明或半透明实施方式中，本体传感器通道
20C内的光纤传感器可以被布置成用于执行光发射测量和/或光谱测量。
在容纳构件10为半透明的实施方式中，本体传感器通道20C内的光纤传
感器可以被布置成用于执行光发射测量和/或光谱测量。
在其他实施方式中，测量通道20可以被布置在任何适当的位置以测
量腔14内含物、本体12或结构件210，220的由在模拟雷击之后出气产
物(气体、等离子体和/或微粒)释放入腔14而引起的任何期望特性。
在示出的实施方式中，安装在压力传感器通道20A中的压力传感器
(未示出)包括压电压力传感器装置。为了监测并记录来自压力传感器的
测量值，传感器经由线缆30连接至电荷放大器32，如图6所示。电荷放
大器32将通过压力传感器检测到的电荷变化转换成电压变化。电荷放大
器32经由线缆34连接至采集并且记录所测量的电压的示波器36。然后
使用校准因子来将电压测量结果转换成压力测量结果。
从安装在测量通道20中的其他传感器如光纤传感器获得的测量值可
以经由适当的装置被监测并且记录，如本领域技术人员将容易地理解的，
使用已知设备来采集并且记录来自已知传感器的数据在本领域中被很好
地理解。
该测量设备可以还包括外部安装的热感相机(未示出)，该热感相机
用于监测容纳构件10和接头200的可见表面处的温度分布以及这样的温
度分布随时间的变化。
在使用中，测量装置100被定位成使得紧固件230的从加强构件220
突出的部分被围封在腔14内，并且凸缘18接合至加强构件220的表面以
密封腔14。所述一个或更多个传感器然后被安装在其相应的测量通道20
中并且连接至其相应的监测和记录装置。在其他实施方式中，紧固件230
的沉头可以由腔14围封。
接头200然后经受一个或更多个模拟雷击。模拟雷击可以包括模拟直
接附着或模拟传导电流，在所述模拟直接附着中，代表雷击的电流直接施
加至紧固件230的螺栓232的头部(即，紧固件230的在面板210处暴露
的部分)，在所述模拟传导电流中，代表雷击的电流施加在接头200内别
的地方并且电流通过接头200传导至紧固件230。代表性电流的适当峰值
电流取决于紧固件230的位置(例如其在飞行器上的位置)。电流也可以
被改变以模拟威胁水平的范围以评估趋势和阈值。在一些实施方式中，接
头200替代地经受代表不同于雷击的电流的电流。这样的威胁可以例如通
过电气系统与周围飞行器结构件之间的电短路而施加。这样的电流威胁的
特征将不同于雷击。
当模拟雷击(或其他代表性电流)引起紧固件230处的出气事件时，
从接头发出的任何出气产物(气体、等离子体和/或微粒)由测量装置100
的腔14容纳。传感器测量出气产物的物理特性或这样的产物对接头200
或容纳构件10的影响。例如，压力传感器通道20A内的压力传感器可以
测量所容纳的出气产物的压力，包括该压力随时间的变化；腔传感器通道
20A内的光纤传感器可以测量在腔内发射的光的电磁光谱以表征由出气
事件产生的并且从接头排出的任何产物的化学特性，并且本体传感器通道
20C内的热电耦可以测量容纳构件10的本体12的温度，包括该温度随时
间的变化。
也可以从监测接头的外部热感相机以及通过使用光谱仪技术确定所
容纳的出气产物的物质分布来收集另外的数据。
来自传感器的测量数据以及可选的附加数据则可以用于分析在出气
事件期间起作用的物理过程。可替代地或附加地，所测量的数据可以用于
确定接头是否提供可接受的燃料点燃威胁。该信息可以用于为未来接头的
设计提供信息，如在下文进一步讨论的。
在图7、图8以及图9A至图9C中示出了根据本发明的测量装置的
两种实施方式，所述测量装置用于测量响应于模拟雷击生成的并且容纳在
接头200内的产物(等离子体、气体和/或微粒)以及这样的生成产物所
引起的影响。这些实施方式中的与图2至图6的实施方式共享的特征通过
使用相同的附图标记来标识并且在此将不再描述。
图7的实施方式示出了嵌在加强构件220内的光纤传感器310。在其
他实施方式中，光纤传感器310可以嵌在面板210内。光纤传感器310包
括传感器头312，传感器头312提供了用于测量传感器头312位置处的期
望物理特性的感测元件。在此实施方式中，传感器头312位于螺栓232
的杆部与穿过加强构件220的紧固件孔之间的接合面处。传感器头312
可以位于接头内的以下任何其他位置：其中，关于所捕获的生成产物的物
理特性或接头的受这样的捕获产物的影响的物理特性的信息被期望。光纤
传感器310还包括用于传输来自传感器头312的测量数据的光纤314。
传感器头312可以包括光纤布拉格光栅或任意其他适当的感测元件。
其可以被布置成用于测量任意期望物理特性如压力、温度、光发射或所捕
获的生成产物的材料特性，或接头的任意部分的由这样的产物引起的温度
或偏转(即弯曲)。在此实施方式以及在下面描述的图8和图9的实施方
式中，光纤传感器310尤其有利，因为它们足够小并且紧凑以在无需对接
头进行明显修改的情况下集成在接头中。另外，在传感器头312的遥感位
置处不需要电源，并且光纤传感器不受电气干扰。
在图8和图9A至图9C的实施方式中，光纤传感器320替代地集成
在修改的垫圈236中以使得光纤传感器320能够测量接头内的压力。垫圈
236由可压缩材料制成使得接头中的响应于所捕获的生成产物的积累的
压力增大致使垫圈236变形。光纤传感器320可以按照几种不同的方式来
设置，在图9A至图9C中示出了这些不同方式中的三种方式。
在图9A中，光纤传感器320在垫圈236内被布置成U型环，使得其
围绕螺栓232杆形成开环。光纤传感器320包括围绕螺栓232杆布置成的
U型环的光纤布拉格光栅部322，以及从光纤布拉格光栅部322的任一端
延伸的两个光纤部323。
在图9B中，光纤传感器320也可以布置成环，但其中，两个光纤布
拉格光栅部324被布置成使得它们位于螺栓232的杆的相对侧上。两个光
纤布拉格光栅部324之间的光纤部325布置成延伸超出垫圈236的长环
(在本实施方式中为约1米或更长)。该环用于在光纤布拉格光栅之间提
供足够的距离以确保清洁响应以及良好的分辨率。间隔长度通常由光纤布
拉格光栅制造商限定，并且这样的长间隔并不是在所有情况下都必要。具
有两个分离的光纤布拉格光栅部324的优点在于两个部分324可以各自测
量不同的物理特性。图9C的布置类似于图9B的布置，但其中两个光纤
布拉格光栅部324被布置在分开的光纤部326中。这种布置优于图9B布
置的优点在于其可以容易制造。
每个光纤布拉格光栅部322，324改变了与垫圈236配合的形状，光
纤布拉格光栅部322，324中引起的应变是可测量的。所引起的应变导致
通过光纤布拉格光栅322，324传输至光纤传感器320的光纤部323，325，
326的光的波长的变化。这可以是用于确定感测压力的检测校准因子。因
而，光纤传感器320能够测量接头处的压力随时间的变化。
图7的光纤传感器310与图8和图9A至图9C的光纤传感器320可
以结合至相同的接头中，以测量所捕获的生成产物的多个特性或影响。每
个传感器313，320可以被修改成测量其他物理特性如温度或光发射。对
于这样的物理特性的测量，传感器320的修改的垫圈236不一定要由可压
缩材料制成。
在使用中，图7至图9的测量装置310，320可以如所示出的安装在
接头200内，并且接头然后经受一个或更多个模拟雷击。模拟雷击可以包
括模拟直接附着或模拟传导电流，在模拟直接附着中，代表雷击的电流直
接被施加至紧固件230的螺栓232头(即，紧固件230的在面板210的外
部表面处暴露的部分)，在模拟传导电流中，代表雷击的电流在接头200
内的别处被施加并且电流通过接头200传导至紧固件230。代表性电流的
合适峰值电流取决于紧固件230的位置(例如，紧固件230在飞行器上的
位置)。还可以改变电流以模拟威胁水平的范围以评估趋势和阈值。在其
他实施方式中，接头200可以经受代表其他电流威胁的电流。这种威胁可
以例如由电气系统与周围飞行器结构件之间的电气短路而造成。这样的电
流威胁的特征将不同于雷击。
当模拟雷击(或其他代表性电流)生成被捕获在接头200内的产物(气
体、等离子体和/或微粒)时，光纤传感器310，320则测量这些所捕获的
产物的物理特性或这样的产物对接头200的影响。例如，传感器310可以
提供关于在螺栓232杆与加强构件220之间的接合面处捕获的生成产物的
压力以及在雷击之后该压力随时间变化的信息，而传感器320可以提供关
于由螺母234与加强构件220之间的接合面处的捕获的产物所导致的压力
的信息。例如，传感器320所取得的压力测量结果可以确定紧固接头200
的紧固件230所需的转矩。
来自传感器310，320的测量数据则可以用于分析在雷击(或其他代
表性电流)期间起作用的物理过程。可替代地或附加地，测量数据可以用
于确定接头是否提供了可接受的燃料点燃威胁。该信息可以用于为未来的
接头设计提供信息，如下文进一步讨论的。
图2至图9的测量装置可以在测试程序中用于提供关于接头200的设
计特征响应于模拟雷击而对接头的威胁的严重程度的影响的数据。该威胁
可以包括点燃源威胁和/或结构完整性威胁。其他测试程序实施方式可以
提供关于其他电流威胁的这样的数据，如由于在电气系统与飞行器结构之
间的电气短路而引起的威胁。
结构接头的设计通常主要取决于结构上的考虑如要通过接头传递的
载荷以及接头耐受疲劳的能力。因此，紧固的接头可以具有许多不同的设
计特征，如用于制造紧固的结构部件(比如面板210和加强构件220)的
材料的类型、结构部件的厚度、紧固件230的大小和材料、用于对紧固件
进行紧固的转矩以及紧固件与结构部件之间的间隙或过盈的程度。这种设
计特征还有助于雷电保护并且受到雷电保护需求的影响。此外，需要针对
雷击的保护的接头通常包括保护措施，如位于外部面板(比如面板210)
的表面处的一层金属网，或在紧固件的突出端部(如紧固件230的从加强
构件220突出的末端)上提供密封腔的防火花盖，并且必须规定这种保护
措施的设计特征。设计特征还可以包括制造工艺规格如尺寸公差或表面精
加工。
因此，需要以下方法，该方法用于确定一组设计规则或指南以帮助结
构设计人员具体规定这种设计特征，从而提供足够但非过度的雷击保护。
本实施方式的方法包括制造多个测试组件，每个测试组件代表相同的
接头，但对于每个测试组件而言，该接头的一个设计特征被修改。例如，
对于如图2所示的接头200的接头而言，每个测试组件可以包括具有不同
厚度的面板210。可替代地，每个测试组件的紧固件230可以以不同的转
矩水平被紧固。
每个测试组件然后经受一个或更多个模拟雷击。模拟雷击可以包括模
拟直接附着或模拟传导电流，在模拟直接附着中，代表雷击的电流直接被
施加至紧固件230的螺栓232头(即，紧固件230的在面板210的外部表
面处暴露的部分)，在模拟传导电流中，代表雷击的电流在接头200内的
别处被施加并且电流通过接头200传导至紧固件230。
响应于由模拟雷击导致的出气事件而从接头200释放的出气产物的
物理特性、和/或接头200或容纳构件10的受到这种释放的出气产物影响
的物理特性使用图2至图6的装置100来容纳和测量。可替代地或附加地，
被捕获在接头200内的生成产物的物理特性和/或接头200的受到这样的
捕获的产物影响的物理特性使用图7至图9的装置310，320来测量。
来自所测量的物理特性的数据以及所述物理特性在模拟雷击之后随
时间变化的数据然后被分析以确定哪一个测试组件提供可接受的燃料点
燃威胁。然后使用该数据提供使燃料点燃威胁与所分析的特定设计特征相
关的敏感度分析。然后可以使用这样的敏感度分析为该设计特征提供一组
设计规则即设计特征所必须符合的一组参数，以确保没有燃料点燃威胁或
威胁低得可接受。
除了提供一组设计规则以外，敏感度分析还可以用于支持使材料和接
头类型合格的新方式。还潜在地优化了测试矩阵，这使得成本节约并且减
少了时间。
一些设计规则可以彼此互相依赖。例如，设置在面板210的表面上的
金属网的密度与该面板210的厚度的可接受范围相互依赖。因此，设计规
则可以编写成提供其中设计规则中的至少一些设计规则相互依赖的模型。
在所有的上述实施方式或其变型中，所施加的电流可以代表除了雷击
之外的电气威胁。例如，由飞行器上的故障电气设备导致的电气威胁。
尽管上面参照一种或更多种优选实施方式描述了本发明，但是应当理
解，可以在不背离本发明的如在所附权利要求书中限定的范围的情况下作
出各种变化或修改。