專利名稱：檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
檢測(cè)系統(tǒng)
背景技術(shù)：
發(fā)明領(lǐng)域
本發(fā)明涉及檢測(cè)系統(tǒng)。
相關(guān)領(lǐng)域
能夠檢測(cè)腐蝕的傳感器是已知的，例如下列編號(hào)的美國(guó)專利中所
描述的傳感器6,384,610; 6，328，878; 6,316,646; 5,859,537; 6，054，038; 6,144,026; 4,380,763; 4,780,664; 4,962,360; 5，323，429; 5,367,583; 6，445，565以及6，896，779。例如，盡管這些傳統(tǒng)方法中的一些利用"嵌 入式"腐蝕傳感器，傳統(tǒng)技術(shù)經(jīng)常使用剛性印刷電路板和剛性硅晶薄 片。此種技術(shù)的局限性包括厚度和易碎性-將剛性電路板置于薄的環(huán) 氧樹(shù)脂或油漆涂層下會(huì)引起涂層破裂，并且基于硅晶片的傳感器容易 斷裂，同時(shí)也不能適形于不平的表面。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，用于監(jiān)測(cè)工程結(jié)構(gòu)的檢測(cè)系統(tǒng)包括傳感 器陣列，該傳感器陣列可以以預(yù)定圖形設(shè)置在工程結(jié)構(gòu)上，并且可以 設(shè)置在工程結(jié)構(gòu)的表面和基本上覆蓋該表面的保護(hù)涂層之間。該檢測(cè) 系統(tǒng)還包括與傳感器陣列連通的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于檢索來(lái)自傳感器 的數(shù)據(jù)。該傳感器陣列可以提供與至少下列一項(xiàng)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)保護(hù) 涂層的固化度、固化保護(hù)涂層的健康狀態(tài)以及工程結(jié)構(gòu)在每個(gè)傳感器 處的腐蝕速率。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，用于檢測(cè)工程結(jié)構(gòu)物理狀態(tài)的方法包 括提供一個(gè)數(shù)據(jù)采集電路，該電路可以提供激活信號(hào)以開(kāi)始從傳感 器陣列采集數(shù)據(jù)，每個(gè)所述傳感器都包括傳感部分。數(shù)據(jù)采集電路搜索傳感器陣列的至少一部分，并記錄和保存所有已搜索的傳感器地址。 從已搜索的傳感器的第一傳感器中檢索數(shù)據(jù)。然后分析并保存檢索到 的數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，可以顯示所保存的數(shù)據(jù)。分析的數(shù)據(jù)與至少下列 一項(xiàng)相對(duì)應(yīng)保護(hù)涂層的固化度、固化保護(hù)涂層的健康狀態(tài)以及工程 結(jié)構(gòu)在每個(gè)傳感器處的腐蝕速率。
本發(fā)明的上述摘要不試圖描述本發(fā)明的每個(gè)描述性實(shí)施例或每個(gè) 實(shí)施例。附圖及其后的具體實(shí)施方式
更具體地例證了這些實(shí)施例。


下面將結(jié)合附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中-圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性檢測(cè)系統(tǒng)。 圖2為傳感器的橫截面圖，該傳感器根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例 嵌入在涂層和工程結(jié)構(gòu)之間。
圖3A為根據(jù)本發(fā)明的可供選擇的實(shí)施例的示例性檢測(cè)系統(tǒng)。 圖3B為根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)可供選擇的實(shí)施例的示例性檢測(cè)系統(tǒng)。
圖4A為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性傳感器。 圖4B為根據(jù)本發(fā)明的可供選擇的實(shí)施例的示例性檢測(cè)系統(tǒng)。 圖5為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的示例性傳感器的橫截面圖。 圖6A和6B示出了設(shè)置在非平的表面上的示例性傳感器的可 供選擇的具體實(shí)施。
圖7示出了阻抗虛部與頻率的關(guān)系圖線。
圖8A和8B示出了示例性涂層的臨界頻率與不同時(shí)標(biāo)上時(shí)間 的關(guān)系圖線。
圖9示出了涂層阻抗作為置于鹽水中的時(shí)間的函數(shù)的圖線。
圖10示出了浸漬的示例性涂層的測(cè)量阻抗作為時(shí)間的函數(shù)的圖線。
雖然本發(fā)明具有各種修改和替代形式，其具體細(xì)節(jié)己經(jīng)以舉例的
方式在附圖中示出，并將對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的描述。然而應(yīng)當(dāng)理解，其 目的不在于將本發(fā)明限定為所述具體實(shí)施例。相反，其目的在于涵蓋 如附加權(quán)利要求所限定的在本發(fā)明范圍之內(nèi)的所有修改形式、等同物 及替代形式。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及一種檢測(cè)系統(tǒng)。具體地講，示例性實(shí)施例的檢測(cè)系統(tǒng) 為嵌入式，并可用于檢測(cè)工程結(jié)構(gòu)的涂敷表面的若干關(guān)鍵特性。首先， 該檢測(cè)系統(tǒng)可用于檢測(cè)涂敷到工程結(jié)構(gòu)表面上的涂層的固化度。其次， 該檢測(cè)系統(tǒng)可用于檢測(cè)涂層固化后的健康狀態(tài)，如通過(guò)檢測(cè)涂層暴露 在自然要素中(如濕氣侵入)的磨損情況進(jìn)行檢測(cè)。此外，該檢測(cè)系 統(tǒng)可用于檢測(cè)工程結(jié)構(gòu)表面的完整性，如通過(guò)檢測(cè)加劇腐蝕的物理狀 態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。
在這些示例性具體實(shí)施中，該檢測(cè)系統(tǒng)可被構(gòu)造為通過(guò)數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)提供與工程結(jié)構(gòu)的一種或多種物理狀態(tài)有關(guān)的實(shí)時(shí)和/或周期性 (如每小時(shí)、每日和每周)數(shù)據(jù)。這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu) 提供"基于狀況"的維護(hù)，而不是目前采用的"預(yù)防性"維護(hù)。因此， 示例性實(shí)施例的檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)提供數(shù)據(jù)，可以改進(jìn)對(duì)工程結(jié)構(gòu)或物體 進(jìn)行檢修和更換的排程管理，從而有助于最大限度地延長(zhǎng)工程結(jié)構(gòu)或 物體的使用壽命。
根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例，圖1示出了檢測(cè)系統(tǒng)100的示意
圖。檢測(cè)系統(tǒng)100包括一個(gè)傳感器陣列120。在該示例性實(shí)施例中， 傳感器陣列120包括連接到數(shù)據(jù)線或線連接135的多個(gè)傳感器(為 簡(jiǎn)單明了，本例示出了一組五(5)個(gè)傳感器(130A-130E))。傳感器 陣列120設(shè)置在工程結(jié)構(gòu)110的表面112上。正如下文將詳細(xì)講述 的那樣，本發(fā)明的實(shí)施例可以使用多個(gè)不同類型的傳感器。例如，在 一些實(shí)施例中，具有陰極-陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的腐蝕傳感器構(gòu)造可以通過(guò)測(cè)量阻 抗、電流和/或電壓來(lái)監(jiān)測(cè)腐蝕。其它類型的傳感器，如化學(xué)檢測(cè)器，
也可被使用。
傳感器陣列120還可包括經(jīng)由數(shù)據(jù)線136與數(shù)據(jù)采集電路150 進(jìn)行通信的控制電路或IC138。在一些實(shí)施例中，數(shù)據(jù)線136可被構(gòu) 造為多路數(shù)據(jù)總線。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施例，可以將數(shù)據(jù)采集電路150 設(shè)置在遠(yuǎn)離被監(jiān)測(cè)的具體工程結(jié)構(gòu)的地方。
控制電路或IC 138也可以連接到設(shè)置在工程結(jié)構(gòu)110的不同 區(qū)域的其它傳感器陣列(未示出)。例如，IC138可以包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議， 諸如 l-Wire 協(xié)議(Dallas Semiconductor/Maxim Integrated Products, Sunnyvale, CA)，以提供傳感器和/或傳感器組與數(shù)據(jù)采集電路之間的通 信結(jié)構(gòu)協(xié)議。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，IC138可包括DS2438芯片， 該芯片可從 Dallas Semiconductor/Maxim Integrated Products (Sunnyvale, CA)商購(gòu)獲得。IC 138可用于單個(gè)傳感器、 一組傳感器或 多組傳感器。
作為另外一種選擇，如下文進(jìn)一步討論的那樣，每個(gè)傳感器(如 130A-130E)可包括IC138 (或類似物)作為其結(jié)構(gòu)的一部分，使一 些或所有傳感器具有唯一的地址?？刂齐娐坊騃C138可包括一個(gè)或多 個(gè)地址指針或標(biāo)識(shí)符，它們?yōu)閿?shù)據(jù)采集電路150提供來(lái)自針對(duì)區(qū)域的 傳感器陣列的針對(duì)區(qū)域的涂層/結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。如下文詳細(xì)說(shuō)明的那樣，可 以將數(shù)據(jù)采集電路150設(shè)計(jì)成接收、比較和/或分析來(lái)自傳感器的數(shù) 據(jù)，和/或使用指令、電源等控制傳感器。
在示例性實(shí)施例中，涂層140施用到工程結(jié)構(gòu)110的表面112。 傳感器130A-130E被構(gòu)造為具有很薄的設(shè)計(jì)(如，傳感部分厚度為約 13 um到約75Um),從而很容易將傳感器設(shè)置在表面112和涂層 140之間。這樣，傳感器可以同時(shí)提供關(guān)于涂層140和工程結(jié)構(gòu)110 健康狀態(tài)的數(shù)據(jù)。 工程結(jié)構(gòu)110可以是暴露在自然要素(如水、雨、風(fēng)等)中的任 何類型的結(jié)構(gòu)或物體。在示例性實(shí)施例中，檢測(cè)系統(tǒng)100可用于海洋 平臺(tái)(如船只、潛水艇)，以檢測(cè)壓載箱或其它蓄水結(jié)構(gòu)內(nèi)的涂層和/ 或結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)。應(yīng)當(dāng)理解的是，在海洋平臺(tái)中使用壓載箱為船只 提供壓載。這些箱子可以連續(xù)不斷地進(jìn)行充水和/或排水，并且也可以
收集碎片和其它材料。由于鹽水腐蝕性很強(qiáng)，利用示例性檢測(cè)系統(tǒng)100
對(duì)涂層和/或結(jié)構(gòu)的健康狀態(tài)進(jìn)行定期和/或?qū)崟r(shí)檢測(cè)，可以提供與維護(hù)
計(jì)劃有關(guān)的關(guān)鍵信息。根據(jù)可供選擇的實(shí)施例，檢測(cè)系統(tǒng)100可用于
其它類型的工程結(jié)構(gòu)(如隧道、橋梁、管道和飛機(jī))，這些結(jié)構(gòu)也容
易遭受腐蝕或發(fā)生其它形式的有形磨損。結(jié)構(gòu)110的物理組成可以是
金屬(例如鋼)、碳纖維復(fù)合物、陶瓷或基于玻璃纖維的材料(如玻 璃纖維層合材料)。
為保護(hù)結(jié)構(gòu)110，涂層140可以包含涂層，例如基于環(huán)氧樹(shù)脂的 涂層或油漆，例如聚酰胺環(huán)氧樹(shù)脂(如，符合軍用規(guī)格24441的環(huán)氧 樹(shù)脂)和涂層環(huán)氧樹(shù)脂(如，可得自3M Company (St.Paul, Minnesota) 的產(chǎn)品no.2216A/B)。如下文進(jìn)一步說(shuō)明的那樣，檢測(cè)系統(tǒng)100可 用于檢測(cè)特性，例如涂層140的固化狀況和/或健康狀況。
例如，如橫截面2所示，可以將傳感器130A設(shè)置在結(jié)構(gòu) 110 (如壓載箱)的表面112上。通過(guò)粘合劑，例如防潮二組份環(huán)氧 樹(shù)脂(如可得自Tra-Con Corp. (Bedford, MA)的Tra-Con 2151粘合 劑)，或通過(guò)雙面膠或轉(zhuǎn)印膠(如可得自3M Company (St.Paul, Minnesota)的3MVHB)，傳感器130A可固定到表面112。傳感器 130A可通過(guò)數(shù)據(jù)線135與數(shù)據(jù)釆集電路進(jìn)行通信。涂層140被施用 到表面112上，以保護(hù)結(jié)構(gòu)110不受外部物質(zhì)或材料(如海水160) 的腐蝕影響。如下文更加詳細(xì)說(shuō)明的那樣，傳感器130A可檢測(cè)涂層 140的健康狀況(例如，通過(guò)檢測(cè)是否存在化學(xué)物質(zhì)(如氯化物)來(lái) 監(jiān)測(cè)阻抗)，這種健康狀況反映了當(dāng)涂層140磨損和結(jié)構(gòu)110開(kāi)始 遭受腐蝕時(shí)的一般健康狀況。
如圖1所示，傳感器陣列120可被構(gòu)造為平行連接到數(shù)據(jù)采集
電路150的單獨(dú)的傳感器。如圖3A所示，在一個(gè)可供選擇的實(shí)施例 中，傳感器陣列120可包含多個(gè)單獨(dú)的傳感器(本例中為傳感器130A -130L)。此處，每個(gè)單獨(dú)的傳感器直接連接到數(shù)據(jù)采集電路150 (例 如通過(guò)數(shù)據(jù)線135A-135L)。在本實(shí)施例中，每個(gè)傳感器可以采用簡(jiǎn) 單的設(shè)計(jì)，并可連接到數(shù)據(jù)采集電路150中的外部電壓和/或電流控制 器。共存于數(shù)據(jù)采集電路中的外部電壓/電流控制器(如計(jì)算機(jī)控制的 穩(wěn)壓器和頻率響應(yīng)分析儀)可激活每個(gè)傳感器，并讀取所得的電化學(xué) 響應(yīng)。這種構(gòu)造會(huì)最小化每個(gè)傳感器的復(fù)雜性。
在另一個(gè)可供選擇的實(shí)施例中(如圖3B所示)，傳感器陣列120 可包含多個(gè)單獨(dú)的傳感器(本例中為傳感器130A-130F)。此處，單 獨(dú)的傳感器串聯(lián)后連接到數(shù)據(jù)采集電路150。在這種構(gòu)造中，可使用 檢測(cè)方案(如時(shí)域反射計(jì)(TDR))在一個(gè)或多個(gè)具體位置檢測(cè)腐蝕。 在該實(shí)施例中，可以通過(guò)傳感器在陣列中的位置(延時(shí))判斷其特征。 這種構(gòu)造可使得傳感器被設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單的易腐蝕元件，當(dāng)存在腐蝕時(shí)形 成開(kāi)口。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在給出的描述中，傳感器可以 以不同方式連接到數(shù)據(jù)采集電路，包括其它布置方式，如圖1、 3A和 3B所示各種布置方式中的一些元件的組合。
示例性檢測(cè)系統(tǒng)的傳感器陣列可對(duì)腐蝕事件進(jìn)行空間分辨。為了 進(jìn)行準(zhǔn)確的空間分辨，來(lái)自每個(gè)傳感器的電化學(xué)數(shù)據(jù)與相鄰傳感器發(fā) 出的數(shù)據(jù)是可區(qū)分的。例如，如圖4A所示，傳感器130A可包括嵌 入式控制器和/或識(shí)別(ID)芯片134。嵌入式控制器可以從傳感部分 132接收數(shù)據(jù)或讀數(shù)，并通過(guò)數(shù)據(jù)I/O端口 137與數(shù)據(jù)采集電路(如 圖1的電路150)通訊信息。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，芯片134可 以類似于上述芯片138的方式進(jìn)行構(gòu)造。
同樣，傳感部分132可包括一個(gè)電極結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)含有相互交叉
的金屬基(如金、銀、銅)電路，可用作電化學(xué)/腐蝕量度的陽(yáng)極和陰 極，并可在柔性聚酸亞胺基底上形成。此外，傳感器130A的一部分可以涂有特有的保護(hù)層133 (如，覆蓋傳感器的芯片部分，但讓傳感 部分132暴露于結(jié)構(gòu)110及涂層140)。
在圖4B (傳感器130A、 130B禾Q 130C (在保護(hù)涂層140內(nèi)) 的前視圖)所示實(shí)例中，可使用數(shù)據(jù)線135將這些傳感器串聯(lián)起來(lái)， 這些傳感器也設(shè)置在工程結(jié)構(gòu)和涂層140之間。傳感器130A可包括 相互交叉的傳感部分132A和控制芯片部分134A，如上所述。應(yīng)當(dāng) 注意，線材接頭可能需要在某個(gè)位置(如突破區(qū)139)從涂層140伸 出，在突破區(qū)139處，數(shù)據(jù)線136與數(shù)據(jù)采集電路150進(jìn)行通信。 在一個(gè)優(yōu)選的方面，區(qū)域139位于結(jié)構(gòu)的某個(gè)區(qū)域部分，該區(qū)域不像 其它區(qū)域(例如壓載箱頂部附近)那樣過(guò)度暴露在腐蝕元件中。
圖5進(jìn)一步示出了示例性傳感器130A的橫截面圖。在該構(gòu)造 中，傳感器130A包括傳感部分132和控制電子器件部分131， 二者 均設(shè)置在基部材料180上。基部材料180可包含聚合物型材料，如 聚酰胺或作為選擇的丙烯酸樹(shù)脂材料?；坎牧螴SO可為控制電子器 件部分和/或帶頂蓋部分192的密封的一部分提供支承?；坎牧?80 和/或傳感器的其它部分可通過(guò)粘合劑181 (例如可得自3M Company (St. Paul, MN)的VHB粘合劑)粘附到工程結(jié)構(gòu)110的表面112 上。在另一個(gè)替代方案中，傳感部分132的全部或至少一部分并未設(shè) 置在基部材料180上。
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，傳感部分132形成在薄的柔性基底材料 上，例如，可以商品名3M Flex得自3M Company (St. Paul, MN)的 3M柔性電路材料。制作此類柔性電路的示例性制品和方法在美國(guó)專利 No. 6,320,137中有所描述，該專利以引用方式全文并入本文。所謂"柔 性"是指?jìng)鞲衅骱?如適用)基底可以進(jìn)行彎曲，以使得傳感部分不 會(huì)剝離，例如，傳感部分能夠以非常小的曲率半徑，或者甚至是銳角或直角來(lái)承受90度(或以上)的彎曲或者折疊，而不會(huì)失去其傳導(dǎo) 功能。
例如，傳感部分可包括基底182，如聚酸亞胺材料。傳感器電極
結(jié)構(gòu)可作為成圖案的多層材料形成在基底182上，該基底含有(例如) 鉻粘結(jié)層184、設(shè)置在其上的銅(或其它導(dǎo)體)層186和設(shè)置在層186 上的銀(或金或其它金屬)層188。可以利用其它多層結(jié)構(gòu)，在給出 的本描述中這是顯而易見(jiàn)的。因此，具有示例性陰極-陽(yáng)極結(jié)構(gòu)的傳感 部分132可用來(lái)在以前難以監(jiān)測(cè)的位置測(cè)量陰極和陽(yáng)極之間的電壓 降、陰極和陽(yáng)極之間的電流電平和/或陰極和陽(yáng)極之間的阻抗。
在一個(gè)可供選擇的實(shí)施例中，傳感部分132可被構(gòu)造為由水敏性 化學(xué)物質(zhì)(如Al、 Fe或Zn)形成的電極。當(dāng)該化學(xué)物質(zhì)與水相互作 用時(shí)，測(cè)得的阻抗或電阻將發(fā)生變化。其它腐蝕敏感性物質(zhì)也可被利 用，在給出的本描述中，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)這是顯而易 見(jiàn)的。
傳感部分132可通過(guò)焊料(或其它材料)接頭190連接到控制 電子器件部分131。控制電子器件131可包括連接到I/O端口 137 的定制IC 134，該I/O端口經(jīng)由數(shù)據(jù)線135提供進(jìn)出傳感器130A 的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)線135(和/或圖1的數(shù)據(jù)線136)可以包括一種或多種 傳統(tǒng)的小規(guī)格線材(如22標(biāo)準(zhǔn)尺)，該線材用于在電子元件之間傳 輸數(shù)據(jù)信號(hào)和/或電能。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，向每個(gè)傳感器提供了 寄生能，從而無(wú)需(用于輸送電能的)獨(dú)立的第三線材。對(duì)于在涂層140 下或其里面進(jìn)行傳輸，細(xì)的線材或電纜可能更好。
保護(hù)涂層或封殼133也可被提供用于封閉IC、電路元件和互連 器以進(jìn)行保護(hù)?？蛇x地，為了更好地保護(hù)，可利用封裝頂蓋材料192 (如硬塑料)作為保護(hù)外殼。總封裝厚度可保持在為約100" m到約 1000u m。利用上述設(shè)計(jì)，本文所述檢測(cè)系統(tǒng)的示例性實(shí)施例可提供如圖1 和2所示的非破裂型內(nèi)涂層傳感器。此外，傳感器可構(gòu)造在柔性可彎 曲基底上，以使得使用者將傳感器放置在工程結(jié)構(gòu)的臨界區(qū)域，例如 非平的表面上(如彎曲和拐角周?chē)约捌渌射J角的位置處)。由于 在拐角和其它成銳角的位置處可能無(wú)法均勻涂敷保護(hù)涂層，因而這些
位置更容易遭受腐蝕或其它類型的損壞。例如，如圖6A和6B所示， 可將示例性傳感器130A設(shè)置在單個(gè)拐角表面111 (圖6A)或多個(gè) 拐角表面113 (圖6B)上，后者可能出現(xiàn)在I型橫梁邊緣的周?chē)?br> 重新參考圖1，傳感器經(jīng)由一根或多根數(shù)據(jù)線135和/或136與 數(shù)據(jù)采集(及控制)電路150連通。該中央裝置150可被構(gòu)造為服 務(wù)器或其它基于計(jì)算機(jī)的裝置，用來(lái)與傳感器陣列120進(jìn)行通信，或 者作為選擇，與其它幾組傳感器陣列進(jìn)行通信，這些傳感器陣列用來(lái) 檢測(cè)其它結(jié)構(gòu)(如其它壓載箱、I型橫梁和管道等)中的涂層/結(jié)構(gòu)健 康/磨損狀況。例如，數(shù)據(jù)采集電路150可包括接口裝置，其用來(lái)與傳 感器或傳感器組進(jìn)行通信；和計(jì)算機(jī)，用來(lái)存儲(chǔ)和顯示數(shù)據(jù)。同樣， 該數(shù)據(jù)采集裝置可連接到單獨(dú)的顯示器152，以便向使用者提供諸如 涂層實(shí)時(shí)狀況之類的圖形數(shù)據(jù)。
當(dāng)數(shù)據(jù)采集電路150為計(jì)算機(jī)、服務(wù)器或基于計(jì)算機(jī)的裝置時(shí)， 可通過(guò)加載到電路150上的應(yīng)用專用軟件程序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、 分析和傳輸。
在一些實(shí)施例中，通過(guò)為每個(gè)傳感器裝設(shè)具有唯一 ID和/或模數(shù) (A/D)轉(zhuǎn)換器的板載控制芯片后，只要將外部電源施加到該傳感器上， 檢測(cè)系統(tǒng)就可使得傳感器獨(dú)自進(jìn)行電化學(xué)測(cè)量。例如，板載A/D轉(zhuǎn)換 器可將帶有唯一 ID編碼的電壓/電流測(cè)量值發(fā)送到數(shù)據(jù)采集電路。
在一個(gè)例行數(shù)據(jù)采集的實(shí)例中，通過(guò)向陣列傳感器發(fā)送激活電能
或其它激活信號(hào)，數(shù)據(jù)采集電路150可通過(guò)傳感器來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集。 接著，數(shù)據(jù)采集電路150可搜索所有的傳感器并記錄和保存所有的傳 感器地址?？勺x取第一傳感器(或傳感器組)并將數(shù)據(jù)請(qǐng)求發(fā)送到該
地址?？赏ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)采集電路150將來(lái)自該地址的具體傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行
檢索、解碼、分析和/或保存在存儲(chǔ)器中。
例如，IC芯片(134、 138)可以有兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，第一 A/D 轉(zhuǎn)換器測(cè)量傳感部分兩端的電壓，而第二 A/D轉(zhuǎn)換器測(cè)量數(shù)據(jù)采集電 路提供的電源電壓。數(shù)據(jù)采集電路可以根據(jù)兩個(gè)測(cè)量值計(jì)算這兩個(gè)電 壓的比率。這種計(jì)算有助于補(bǔ)償電源電壓的變化。這種計(jì)算還可以作 為診斷方式，用來(lái)確定傳感器陣列中是否存在有故障的電子器件。
所有傳感器或傳感器組可重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索、解碼和存儲(chǔ)操作。 如果傳感器顯示涂層或結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化，可以向使用者發(fā)出(如音頻和/ 或視頻格式的)報(bào)警?；蛘撸鶕?jù)使用者的要求，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯 示，如顯示在顯示器152上。當(dāng)完成一次數(shù)據(jù)采集后，可以將傳感器 的電源斷開(kāi)?？梢圆捎米詣?dòng)過(guò)程以連續(xù)和/或周期性的方式激活數(shù)據(jù)檢 索和分析。
在另一個(gè)示例性實(shí)施例中，檢測(cè)器系統(tǒng)100可以利用以下實(shí)例所 示的檢測(cè)方案。利用作為陰極和陽(yáng)極形成在柔性基底上的示例性相互 交叉電路，可以進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜分析，并測(cè)量環(huán)氧樹(shù)脂型涂層的材 料性能在固化過(guò)程中的變化。
例如，將市售的環(huán)氧樹(shù)脂(可得自3M Company (St. Paul, Minnesota)的3M產(chǎn)品no.2216A/B)混合之后，涂敷到傳感器電路 的頂部表面。在5mV AC擾動(dòng)下，以100KHz到0.01Hz的頻率對(duì) 涂層進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜(EIS)分析。電化學(xué)阻抗分析過(guò)程中使用了電 化學(xué)穩(wěn)壓器(PAR273A型)、頻率分析儀(Solartron 1260型)和電 化學(xué)軟件(Zplot型)。使用EIS方法，可以將涂層的阻抗響應(yīng)記錄
為時(shí)間的函數(shù)。
利用簡(jiǎn)單的并聯(lián)電容器(C)和電阻器(R)電路作為涂層的AC
響應(yīng)的模型，可以根據(jù)涂層的RC時(shí)間常數(shù)確定臨界頻率(FCR)。
<formula>complex formula see original document page 15</formula>
根據(jù)EIS數(shù)據(jù)，可以將阻抗虛部元件定義為
其中，ZIM=阻抗虛部/電阻，徑向頻率，a=常數(shù)相元件常 數(shù)，C =電容。為了達(dá)到理想的電容特性，假設(shè)a接近1，則可以 將電容器看作是平行板
其中，d=電介質(zhì)厚度，e ==介電系數(shù)，e。=介電常數(shù)。R值 可以從EIS數(shù)據(jù)的實(shí)際部分獲得。于是，將涂層電阻定義為
其中，A=電介質(zhì)面積，P=電阻率(單位Q-cm)。通過(guò)簡(jiǎn)單 的替換，可以得出
按照上面的定義，頻率(FCR)與涂層的材料特性相關(guān)，而與幾何
形狀無(wú)關(guān)。圖8A示出了臨界頻率，該頻率被定義為阻抗虛部的最大 值。利用該臨界頻率可以監(jiān)測(cè)實(shí)際涂層中發(fā)生的變化，既可以監(jiān)測(cè)環(huán) 氧樹(shù)脂的固化過(guò)程，又可以繼而判斷涂層的劣化狀況。
另外，圖8A和8B所示圖線示出了將樣本環(huán)氧樹(shù)脂涂敷在傳感 器上時(shí)，F(xiàn)CR值與時(shí)間(兩個(gè)不同時(shí)標(biāo))的關(guān)系。圖8A中臨界頻率 的變化表明被測(cè)系統(tǒng)在固化過(guò)程中不穩(wěn)定，臨界頻率降低時(shí)，電阻率 和/或介電系數(shù)增加，對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂的固化來(lái)說(shuō)，兩種情況都是可以預(yù) 期的。如圖8B所示，按照建議固化時(shí)間(例如，對(duì)于本樣本約為24 小時(shí))對(duì)樣本環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行固化之后，F(xiàn)CR變得穩(wěn)定，臨界頻率達(dá)到穩(wěn) 定狀態(tài)。然后，可以將該臨界頻率作為基線來(lái)比較長(zhǎng)期涂層劣化。
利用作為涂層下面的電極的相互交叉電路(類似上述設(shè)計(jì))，可 通過(guò)電化學(xué)阻抗譜分析測(cè)量環(huán)氧樹(shù)脂型涂層因暴露在ASTM D665 (即 合成海水)中而引起的材料特性變化。在室溫下，將帶有3M環(huán)氧樹(shù) 脂2216 A/B或軍用規(guī)格24441涂層(可得自NCP Coatings, (Inc. Niles,MI))的3M柔性電路浸入到ASTM D665海水中。在0V下 100mVAC擾動(dòng)時(shí)，以100KHz至l」0.01Hz的頻率進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜 (EIS)分析。電化學(xué)阻抗分析過(guò)程中使用了電化學(xué)穩(wěn)壓器(PAR273A)、 頻率分析儀(Solartron 1260)和電化學(xué)軟件(Zplot)。
腐蝕系統(tǒng)的電化學(xué)阻抗數(shù)據(jù)可以用相當(dāng)?shù)碾娮与娐穪?lái)表示，該電 子電路含有頻率相關(guān)元件，如電容器、感應(yīng)器和常數(shù)相元件。使用這
些元件，可以對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，并可以確定該電極或與該電極接觸 的材料的特性。如圖9所示，對(duì)于軍用規(guī)格24441油漆涂層來(lái)說(shuō)， 嵌入式傳感器所檢測(cè)到的電化學(xué)阻抗隨時(shí)間推移而遞減，這種情況很 可能是由于水分和/或離子物質(zhì)滲透到樣本涂層所導(dǎo)致。
在如圖10所示的另一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，將軍用規(guī)格24441型涂層浸入 ASTM665海水中后，測(cè)得的該涂層阻抗顯示為時(shí)間的函數(shù)。在該實(shí)驗(yàn)
的前14天，涂層的阻抗幾乎沒(méi)有表現(xiàn)出變化。在第14天，故意在
樣本中形成lmmx lmm的缺陷。當(dāng)涂層被破壞之后，由于暴露在過(guò) 度潮濕的環(huán)境中和攝入過(guò)多離子，涂層的阻抗出現(xiàn)明顯降低。傳感器 檢測(cè)到了這一重大變化。
因此，根據(jù)上述示例性實(shí)施例，可提供嵌入式腐蝕傳感器來(lái)檢測(cè) 水分侵入、物質(zhì)侵入(諸如氯化物和其它陰離子物質(zhì))、涂層固化、 涂層健康狀況和結(jié)構(gòu)健康狀況。由于這類傳感器可以在柔性基底上形 成，更多與位置相關(guān)的實(shí)時(shí)測(cè)量可提供給使用者。同樣，可以將這種 薄式電路(如 0.001"厚)置于保護(hù)涂層和結(jié)構(gòu)之間，而不會(huì)對(duì)涂層 狀況產(chǎn)生不良影響。同樣，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可提供對(duì)腐蝕相關(guān)事件的實(shí) 時(shí)測(cè)量。這種腐蝕傳感器有助于降低腐蝕相關(guān)的破壞所帶來(lái)的直接和 間接成本。
與本發(fā)明相關(guān)的領(lǐng)域的技術(shù)人員閱覽本發(fā)明的說(shuō)明書(shū)之后將會(huì)馬 上意識(shí)到本發(fā)明可適用于各種修改、等效處理以及許多結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種用來(lái)監(jiān)測(cè)工程結(jié)構(gòu)的物理狀況的檢測(cè)系統(tǒng)，包括傳感器陣列，可以以預(yù)定圖形設(shè)置在所述工程結(jié)構(gòu)上，并且可以設(shè)置在所述工程結(jié)構(gòu)的表面和基本上覆蓋所述表面的保護(hù)涂層之間；和與所述傳感器陣列連通的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于檢索來(lái)自所述傳感器的數(shù)據(jù)，所述傳感器陣列在每個(gè)所述傳感器處提供與至少下列一項(xiàng)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)所述保護(hù)涂層的固化度、所述固化保護(hù)涂層的健康狀態(tài)以及所述工程結(jié)構(gòu)的腐蝕速率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)， 其中所述陣列中的至少一個(gè)傳感器包括傳感部分，被構(gòu)造為檢測(cè)阻抗、電流、 所述傳感部分設(shè)置在柔性基底上，以及包括唯一地址的控制電子器件部分。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述傳感部分可設(shè)置在所述工程結(jié)構(gòu)的非平的表面上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述傳感器陣列的所述多個(gè)傳感器的至少一部分串聯(lián)在一起。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述傳感器陣列的所述多個(gè)傳感器的至少一部分并聯(lián)在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述傳感部分包括導(dǎo)電元件，所述導(dǎo)電元件被構(gòu)造為在所述柔性基底上的至少兩個(gè)電極， 并且其中所述控制電子器件部分包括電壓和電流控制電子器件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述傳感器的所述控制電子器件部分為封裝的。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述傳感器陣列通過(guò)數(shù)據(jù)線連接到所述數(shù)據(jù)采集電路。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述數(shù)據(jù)線包括被構(gòu)造為向所述傳感器陣列的至少一個(gè)傳感器傳輸電能的電源線。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其中所述工程結(jié)構(gòu)包括金屬、復(fù)合材料、陶瓷材料和玻璃纖維材料。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其中在所述陣列中的至少一個(gè)傳感器包括被構(gòu)造為當(dāng)暴露在腐蝕環(huán)境下時(shí)將遭受腐蝕的傳感部分。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)系統(tǒng)，其中在所述陣列中的至少一個(gè)傳感器包括具有從約13μm到約75μm的厚度的傳感部分。
13. —種檢測(cè)工程結(jié)構(gòu)物理狀況的方法提供數(shù)據(jù)采集電路，所述數(shù)據(jù)采集電路提供開(kāi)始從傳感器陣列采集數(shù)據(jù)的激活信號(hào)，每個(gè)所述傳感器包括傳感部分，所述傳感器陣列被設(shè)置在所述工程結(jié)構(gòu)的表面和基本上覆蓋所述表面的保護(hù)涂層之間；搜索所述傳感器陣列的至少一部分，并且記錄和保存所有已搜索的傳感器地址；檢索來(lái)自所述已搜索傳感器的第一傳感器的數(shù)據(jù)；分析所述已檢索數(shù)據(jù)；保存所述已分析數(shù)據(jù)；和根據(jù)請(qǐng)求顯示所述已保存數(shù)據(jù)，其中所述已分析數(shù)據(jù)在每個(gè)所述傳感器處與至少下列一項(xiàng)相對(duì)應(yīng)所述保護(hù)涂層的固化度、所述固化 保護(hù)涂層的健康狀態(tài)以及所述工程結(jié)構(gòu)的腐蝕速率。
14. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的檢測(cè)方法，還包括對(duì)所述陣列的第 二傳感器重復(fù)所述檢索、分析和保存步驟。
15. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的檢測(cè)方法，還包括當(dāng)所述傳感器表明所述涂層和所述結(jié)構(gòu)之一已發(fā)生劣化時(shí)提供報(bào)警。
16. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的檢測(cè)方法，其中所述激活信號(hào)為所 述傳感器陣列中的每一個(gè)提供電能。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的檢測(cè)方法，還包括關(guān)閉所述傳感器 的所述電源。
18. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的檢測(cè)方法，其中所述檢測(cè)方法由所 述數(shù)據(jù)采集電路以定期方式使用。
19. 根據(jù)權(quán)利要求13所述的檢測(cè)方法，包括檢測(cè)所述第一傳 感器整個(gè)傳感部分的第一電壓，并且檢測(cè)在所述第一傳感器的第二電 壓，其中所述第二電壓對(duì)應(yīng)于所述數(shù)據(jù)采集電路提供的電壓，以及計(jì)算所述第一電壓和第二電壓的比率。
全文摘要
一種用于監(jiān)測(cè)工程結(jié)構(gòu)的檢測(cè)系統(tǒng)，包括傳感器陣列，所述傳感器陣列可以以預(yù)定圖形設(shè)置在所述工程結(jié)構(gòu)上，并且可以設(shè)置在所述工程結(jié)構(gòu)的表面和基本上覆蓋所述表面的保護(hù)涂層之間。所述檢測(cè)系統(tǒng)還包括與所述傳感器陣列連通的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于檢索來(lái)自所述傳感器的數(shù)據(jù)。所述傳感器陣列在每個(gè)所述傳感器處可提供與至少下列一項(xiàng)相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)所述保護(hù)涂層的固化度、所述固化保護(hù)涂層的健康狀態(tài)以及所述工程結(jié)構(gòu)的腐蝕速率。
文檔編號(hào)G01B7/00GK101346617SQ200680049363
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2006年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者加里·A·施里夫, 史蒂文·Y·余, 邁克爾·R·馬修斯 申請(qǐng)人:3M創(chuàng)新有限公司