專利名稱:用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的傳感器和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)診斷學(xué)，特別是涉及用于結(jié)構(gòu)健康狀況監(jiān)測的診斷網(wǎng)絡(luò) 補丁(面P)系統(tǒng)。
相關(guān)申請
本申請享有美國臨時申請?zhí)?0/505， 120的優(yōu)先權(quán)，其名稱為"用于結(jié)構(gòu) 健康監(jiān)測的傳感器和系統(tǒng)"，申請日為2003年9月22日，其內(nèi)容全部包括 在本發(fā)明中。
背景技術(shù)：
所有的正在使用的結(jié)構(gòu)都需要進行適當(dāng)?shù)貦z查和維護，需要對其完整性 和健康狀況進行檢查，以延長它們的壽命，防止形成災(zāi)難性的故障。顯然， 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測已經(jīng)成為當(dāng)今的一個重要課題。人們采用了大量的方法來鑒別
結(jié)構(gòu)的缺陷或損壞，這些方法包括傳統(tǒng)的目視檢查和非破壞性技術(shù)，例如 超聲波和渦流掃描、聲發(fā)射以及X射線檢查。這些傳統(tǒng)的方法至少需要將正 在服務(wù)的結(jié)構(gòu)臨時移開以便進行檢測。雖然這些方法仍用于單獨位置的檢測， 但是它們很費時而且費用很高。
隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，新的用于現(xiàn)場結(jié)構(gòu)完整性監(jiān)測的診斷技術(shù)有了 很大的發(fā)展。典型的是，這些新技術(shù)利用設(shè)置在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)的、帶有合適的 傳感器和激勵器的傳感系統(tǒng)。但是，這些方法存在的缺點在于，在最小的人 為操作的干涉下，不能提供有效的執(zhí)行可靠的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的在線方法以 及/或精確的能夠進行診斷、分類和預(yù)測結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)測方法。例如，在Wu
等人的美國專利5, 814， 729中揭示了一種通過檢測疊層復(fù)合材料中振動波的 阻尼特性的變化來定位結(jié)構(gòu)中的分層區(qū)的方法。壓電裝置作為激勵器來產(chǎn)生 振動波，具有不同光柵位置的光纜作為傳感器來捕捉波信號。這一系統(tǒng)的缺 點在于，不能提供大量的激勵器陣列，因此，每個激勵器和傳感器都必須單 獨設(shè)置。由于這種損壞檢測是基于沿著視線路徑在激勵器和傳感器之間傳播 '的振動波的變化，所以，這種方法不能對位于路徑之外的、或者結(jié)構(gòu)邊界周 圍的損壞進行檢測。
另一種用于損壞檢測的方法見于Blazic等人的美國專利5， 184， 516，其. 中揭示了一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和評估的自含式保形電路。這種保形電路由 多個疊層和應(yīng)變傳感器追跡(trace)組成，通過每個傳感器測量其相應(yīng)位置 的應(yīng)力的變化，從而確定保形結(jié)構(gòu)的缺陷。保形電路是一個被動的系統(tǒng)，艮P， 它沒有用來產(chǎn)生信號的激勵器。類似的被動傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)見于Marmu:r， J. 等人的美國專利6，399，939。在Mannur的這一專利中，對于將planner纖維 植入復(fù)合結(jié)構(gòu)中的壓電陶瓷-纖維傳感器系統(tǒng)進行了說明。這些被動方法的缺 點在于，它們不能監(jiān)測傳感器之間的內(nèi)部分層和損壞。而且，這些方法只能 在設(shè)置有電路和壓電陶瓷纖維的區(qū)域內(nèi)檢測主體結(jié)構(gòu)的狀況。
在Chang等人的美國專利6, 370， 964中揭示了一種用于對結(jié)構(gòu)的損壞進 行檢測的方法，其中揭示了一種被稱作"斯坦福多激勵器一接收器轉(zhuǎn)換(SMART) 層，，(Stanford Multi- Actuator-Receiver Transduction (SMART) Layer) 的傳感器網(wǎng)絡(luò)層。這種SMART層包括等距設(shè)置的壓電陶瓷傳感器/激勵器，并 與夾在壓電陶瓷傳感器/激勵器(或者，簡稱為壓電陶瓷)之間的撓性介質(zhì)膜 固化在一起。激勵器產(chǎn)生聲波，傳感器接收聲波并將其轉(zhuǎn)化為電信號。為了 將壓電陶瓷連接到電子箱上，鎧裝的電線通過常規(guī)的撓性電路技術(shù)被腐蝕并 層壓在底層之間。因此，需要大量的撓性底層區(qū)來覆蓋鎧裝電線區(qū)。另外， 需要將SMART層和由復(fù)合結(jié)構(gòu)層制成的主體結(jié)構(gòu)進行處理。由于在處理過程
中高溫循環(huán)所引起的內(nèi)部應(yīng)力，SMART層^內(nèi)的壓電陶瓷會產(chǎn)生微小的裂紋。 而且，SMART層的底層會很容易地與主體結(jié)構(gòu)分離。另外，很難將SMART層 插入或貼附在具有彎曲部的主體結(jié)構(gòu)上，因此，施加在彎曲部的壓負(fù)荷會很 容易使鎧裝電線折疊。有裂痕的壓電陶瓷和折疊的電線容易產(chǎn)生電磁干擾噪 音并產(chǎn)生令人誤解的電信號。在惡劣的環(huán)境中，例如熱應(yīng)力、場沖擊和振動 環(huán)境中，SMART層對于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測來說不是一種耐用和可靠的工具。
而且，對損壞和/或有缺陷的激勵器/傳感器進行更換會由于需要拆除主 體結(jié)構(gòu)而需要很多費用。
另一種用于對結(jié)構(gòu)的損壞進行監(jiān)測的方法見于Light等人的美國專利 6, 396， 262。 Light等人揭示了一種用于對結(jié)構(gòu)的損壞進行檢查的磁致伸縮的 傳感器，這種傳感器包括鐵磁條和一個與鐵磁條近距離安裝的線圈。這種系 '統(tǒng)的主要缺點在于不能形成傳感器陣列，因此，不能對位于傳感器之間的內(nèi) 部的損壞進行檢測。
因此，需要一種在最小的人為操作的干擾下，能夠快速地安裝到現(xiàn)有的 和/或新的結(jié)構(gòu)中并能提供可以進行診斷、分類和結(jié)構(gòu)狀況預(yù)測的有效在線方 法的有效、精確和可靠的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種附著在主體結(jié)構(gòu)和/或金屬結(jié)構(gòu)上的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁(DNP) 系統(tǒng)。這種DNP系統(tǒng)包括激勵器/傳感器，能夠檢測主體結(jié)構(gòu)的缺陷/損壞。 象人體的神經(jīng)系統(tǒng)一樣，DNP系統(tǒng)通過在激勵器/傳感器之間傳遞聲波脈沖， 在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)提供一個內(nèi)部的波一射線通訊網(wǎng)絡(luò)。
本發(fā)明的一個目的在于提供一種用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀況的裝置，包括 絕緣層，m絕緣層上的至少一個緩沖層，附在緩沖層上的壓電裝置，設(shè)置 在壓電裝置上的模塑層，設(shè)置在模塑層上的覆蓋層，以及連接介電裝置的兩 根電線，其中，壓電裝置能夠產(chǎn)生和/或接收信號。
本發(fā)明的另一個目的在于提供一種用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀況的光纖線圈傳
感器，包括巻狀的光纖電纜(光纜)和涂覆在巻狀的光纜上的涂層，其中，
在所述的光纜的巻制過程中施加預(yù)設(shè)的張力，涂層保持巻制的光纜的這種張 力。
本發(fā)明的第三個目的在于提供一種用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀況的裝置，包括 絕緣層、附在底層上的至少一個傳感器、包圍所述的至少一個傳感器并附在 所述的底層上的環(huán)形層、設(shè)置在所述的至少一個傳感器上的模塑層以及設(shè)置 在所述的模塑層上的覆蓋層。
本發(fā)明的第四個目的在于提供一種用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀況的裝置，包括: 底層、頂層、位于頂層和底層之間的至少一個傳感器，以及包圍至少一個傳 感器并連接頂層和底層的環(huán)形層。
本發(fā)明的第五個目的在于提供一種診斷補丁墊圈，包括 一個環(huán)形的、 在圓周方向有一個凹槽、在徑向有一個槽口的支撐元件； 一個連接支撐元件 并設(shè)置在槽內(nèi)的壓電裝置；與壓電裝置連接的兩根電線； 一個連接支撐元件 并設(shè)置在槽內(nèi)的光纖線圈傳感器。所述的光纖線圈傳感器包括巻狀的光纜 以及涂覆于巻狀的光纜上的涂層，其中，在所述的光纜的巻制過程中施加預(yù) '設(shè)的張力，涂層保持巻制的光纜的這種張力。診斷補丁墊圈還包括一個用于 蓋住所述凹槽的環(huán)形的蓋子，兩根電線和所述的光纜的兩端從槽口通過。
本發(fā)明的第六個目的在于提供一個用于監(jiān)測主體結(jié)構(gòu)健康狀況的診斷網(wǎng) 絡(luò)補丁系統(tǒng)，包括按預(yù)定的方式連接在主體結(jié)構(gòu)上的多個補丁，其中所述 的多個補丁中的至少一個能夠接收由所述的補丁中的至少另一個所產(chǎn)生的振 動波。這一系統(tǒng)還包括連接多個補丁的電橋箱，所述的電橋箱包括一個用于 將多個補丁所接收的信號通過無線裝置發(fā)送至地面控制系統(tǒng)的射頻遙感系 統(tǒng)。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員通過閱讀以下對本發(fā)明的詳細(xì)說明可以對本發(fā)明的這 些優(yōu)點和其它優(yōu)點以及本發(fā)明的特征有清楚的了解。


圖1A為本發(fā)明的一個實施例中的補丁傳感器的頂部剖面示意圖。 圖1B為圖1A中的補丁傳感器的側(cè)面剖視圖。
圖1C為可以用于圖1A的補丁傳感器中的一個典型的壓電裝置的頂部示 意圖。
圖1D為圖1C中的典型的壓電裝置的側(cè)面剖視圖。 圖1E為本發(fā)明的另一個實施例中的補丁傳感器的頂部剖面示意圖。 圖IF為圖1E中的補丁傳感器的側(cè)面剖視圖。 圖1G為安裝有圖IE中的補丁傳感器的復(fù)合結(jié)構(gòu)的剖面示意圖。 圖1H為圖IE中的補丁傳感器的另一個實施例的側(cè)面剖視圖。 圖2A為本發(fā)明的一個實施例中的混合式補丁傳感器的頂部剖視圖。 圖2B為圖2A中所示的混合式補丁傳感器的側(cè)面剖視圖。 圖2C為本發(fā)明的另一個實施例中的混合式補丁傳感器的頂部剖視圖。 圖2D為圖2C中所示的混合式補丁傳感器的側(cè)面剖視圖。 圖3A為本發(fā)明的一個實施例中的光纖補丁傳感器的頂部剖視圖。 圖3B為圖3A中的光纖補丁傳感器的側(cè)面剖視圖。 圖3C為安裝在圖3A的光纖補丁傳感器中的光纖線圈的頂部剖視圖。 圖3D為圖3C中的光纖線圈的另一個實施例的頂部剖視圖。 圖3E、圖3F為圖3C中所示的光纖線圈的其它實施例的頂部剖視圖。 圖3G為圖3E中的光纖線圈的側(cè)面剖視圖。 '
圖4A為本發(fā)明的一個實施例中的診斷補丁墊圈的頂部剖視圖。 圖4B為圖4A中所示的診斷補丁墊圈的側(cè)面剖視圖。
圖4C為本發(fā)明的一個實施例中，使用如圖4A所示的診斷補丁墊圈的 螺栓連接結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖4D為本發(fā)明的另一個實施例中，使用如圖4A所示的診斷補丁墊圈的 螺栓連接結(jié)構(gòu)的示意圖。
圖5A為本發(fā)明的一個實施例中，包含一個傳感器/激勵器裝置的問詢系 統(tǒng)的示意圖。
圖5B為本發(fā)明的一個實施例中，包含一個傳感器的問詢系統(tǒng)的示意圖。 圖6A為本發(fā)明的一個實施例中，應(yīng)用到一個主體結(jié)構(gòu)上的診斷網(wǎng)絡(luò)補 丁系統(tǒng)的示意圖。
圖6B為本發(fā)明的一個實施例中，具有條狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系 統(tǒng)的示意圖。
圖6C為本發(fā)明的一個實施例中，具有五邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁 系統(tǒng)的示意圖。
圖6D為本發(fā)明的一個實施例中，安裝到由鉚釘/螺釘連接而成的復(fù)合結(jié) 構(gòu)中的i會斷網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)的透視圖。
圖6E為本發(fā)明的另一個實施例中，安裝到通過捆綁補丁進行修理的復(fù) 合結(jié)構(gòu)中的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)的透視圖。
圖6F為本發(fā)明的另一個實施例中，控制遠(yuǎn)程診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)的無線 通訊系統(tǒng)的一個實施例的示意圖。
圖7A為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)的示意圖，其中， 成串的傳感器形成條形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
圖7B為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)的示意圖，其 中，成串的傳感器形成五邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
圖8A為本發(fā)明的一個實施例中，具有串聯(lián)的光纖線圈的成串傳感器的 示意圖。
圖8B為本發(fā)明的另一個實施例中，具有并聯(lián)的光纖線圈的成串傳感器 的示意圖。
圖9為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，激勵器和傳感器信號的坐標(biāo)圖。 優(yōu)選的實施方式
具體實施方式
雖然為了進行說明，在以下的詳細(xì)描述中包括許多具體的實施例，但是 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員知道，在本發(fā)明的范圍之內(nèi)還可以進行很多改變和改 造。因此，本發(fā)明的以下實施例無損于本發(fā)明的權(quán)利要求
，而且對本發(fā)明的 權(quán)利要求
沒有限制。
圖1A是本發(fā)明的一個實施例中的補丁傳感器100的頂部示意圖。圖1B 是圖1A中的補丁傳感器100沿A-A方向的剖面圖。如圖1A和圖1B所示，補
丁傳感器100包括能夠附在主體結(jié)構(gòu)上的底層102;環(huán)形層104;用于產(chǎn)生
和/或接收信號(更確切地說是拉姆(Lamb)波)的壓電裝置108;用于提供機 械阻抗匹配以及減小底層102和壓電裝置108之間熱應(yīng)力不匹配的緩沖層 110;連接壓電裝置108的兩根電線118a和118b;以及用于對模塑層120進 行保護和密封的覆蓋層106。壓電裝置108包括壓電層116;與電線118b連 接的底部傳導(dǎo)片112和與電線118a連接的頂部傳導(dǎo)片114。當(dāng)通過電線118a 和118b施加預(yù)設(shè)的電信號時，壓電裝置108可以作為激勵器(或者相當(dāng)于信 號發(fā)生器)來工作。在施加電信號后，壓電層116會變形并產(chǎn)生拉姆(Lamb) 波。而且，壓電裝置108可以作為接收器，來感知振動信號、將施加到壓電層 的振動信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌⑼ㄟ^電線118a和118b來傳遞電信號。電線118a 和118b可以是薄帶形的金屬線。
底層102可以通過結(jié)構(gòu)粘合劑特別是熱固性環(huán)氧樹脂，例如丁基苯酚、 丙烯酸聚酰亞胺，丁腈酚醛樹脂或芳香族聚酰胺粘貼在主體結(jié)構(gòu)上。底層102 可以是絕緣層，用于隔熱和防止電磁干涉，以保護附在其上的壓電裝置108。 在某些應(yīng)用中，絕緣層102需要耐250'C以上的高溫。
而且，絕緣層102應(yīng)該具有低的介電常數(shù)，以減小信號傳播延遲以及壓 電裝置108與其主體結(jié)構(gòu)之間的互聯(lián)電容和串音，還應(yīng)具有高的阻抗，以減 少在高頻下的能量損失。
底層102可以由多種材料制成。優(yōu)選將美國特拉華州威爾明頓市杜邦公 司的Kapton聚酰亞胺用于一般用途，而將其它三種材料特氟隆全氟烷氧 基聚合物(Teflon perfluoroalkoxy， PFA)、聚對二甲苯(poly p-xylylene， PPX)和聚苯并咪唑(poly benzimidazole， PBI)用于特殊用途。例如，PFA 膜具有良好的介電性能和較低的介電損耗，適用于低電壓、高溫的場合。PPX -和PBI在高溫下具有穩(wěn)定的介電強度。
壓電層116可以由壓電的陶瓷、晶體或聚合物制成。壓電晶體，如賓西 法尼亞州州立大學(xué)TRS陶瓷有限公司(TRS Ceramics, Inc.)生產(chǎn)的PZN-PT 晶體，由于其高應(yīng)變能密度和低應(yīng)變滯后，所以可以優(yōu)選作為設(shè)計壓電裝置 108的材料。對于小規(guī)格的補丁傳感器，日本東京的富士陶瓷有限公司(Fuji Ceramic Corporation)或賓西法尼亞州Mackeyville的APC國際有限公司 (APC International, Ltd.)生產(chǎn)的PZT陶瓷可以用作壓電層116。頂部和 底部傳導(dǎo)片H2和114可以由金屬材料如鉻或金制成，可以通過傳統(tǒng)的噴 鍍方法鍍在壓電層116上。如圖1B所示，壓電裝置108只有兩個傳導(dǎo)片。但 是，普通的技術(shù)人員清楚地知道，壓電裝置108可以有具有不同厚度的多個 傳導(dǎo)片，以優(yōu)化壓電層116產(chǎn)生/檢測信號波的性能。每一片的厚度可以通過 安裝有補丁傳感器100的特定主體結(jié)構(gòu)的熱負(fù)荷和機械負(fù)荷的約束條件來決 定。
為了維持溫度循環(huán)，壓電裝置108的每一層都要具有與其它層相近的熱 膨脹系數(shù)。但是，組成底層102的典型的聚酰亞胺的熱膨脹系數(shù)約為(4 6) Xl(T5K.l，而組成壓電層116的典型的壓電陶瓷/晶體的熱膨脹系數(shù)約為3X 10—fiK—'。這種熱膨脹的不匹配可能是導(dǎo)致壓電裝置108發(fā)生故障的主要原因。 壓電裝置108出現(xiàn)故障時，需要將補丁傳感器100從主體結(jié)構(gòu)上取下來進行 更換。前面己經(jīng)提到，緩沖層110可以用來減小壓電層116和底層102的熱 膨脹系數(shù)不匹配的負(fù)面作用。
緩沖層110可以由導(dǎo)電的聚合物或金屬制成，優(yōu)選的為熱膨脹系數(shù)為2
xicnr的鋁(Ai)。由鋁、硅或石墨制成的一層或多層緩沖層可以用來代替
緩沖層110或加到緩沖層110上。
在本發(fā)明的一個實施例中，由鋁制成的緩沖層110的厚度幾乎等于壓電 層116的厚度，約為0.25mm包括兩個厚度各約為0.05mm的傳導(dǎo)片。通常， 緩沖層110的厚度可以由材料的性質(zhì)和相鄰層的厚度來決定。
緩沖層110可以增強壓電裝置108的雙重功能耐熱負(fù)荷性和穩(wěn)定性。 在另一個實施例中，壓電裝置108在頂部傳導(dǎo)片114上還有一個緩沖層。
緩沖層110的另一個作用是對底層102所接收的信號進行放大。由于由 補丁傳感器IOO所產(chǎn)生的Lamb波信號沿著主體結(jié)構(gòu)傳播，由附著在主體結(jié)構(gòu) '上的另一個補丁傳感器100所接收的信號強度會隨著兩個補丁傳感器之間距 離的增加而下降。當(dāng)Lamb波到達補丁傳感器100所在的位置時，底層102
會接收信號。然后，在特定的頻率下，所接收的信號被放大，這取決于緩沖 層110的材料和厚度。之后，壓電裝置108會將放大的信號轉(zhuǎn)化為電信號。
由于濕氣、移動的離子和不利的環(huán)境條件會降低補丁傳感器100的性能
并減少其壽命，所以可以使用兩個保護性的涂層 一個模塑層120和一個覆
蓋層106。模塑層120可以由環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺或硅-聚酰亞胺通過普通的 涂覆方法制成。而且，模塑層120可以由低熱膨脹的聚酰亞胺制成，并設(shè)置 在壓電裝置108和底層102上。由于模塑層120的鈍化不能形成保形密封 (conformal hermetic seal)，所以可以將覆蓋層106設(shè)置在模塑層120 上作為密封。覆蓋層106可以由金屬例如鎳(Ni)、鉻(Cr)或銀(Ag)通過傳 統(tǒng)的方法，例如電解法或電子束蒸鍍和濺鍍方法制成。在本發(fā)明的一個實 施例中，可以在覆蓋層106上再覆蓋一層環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺樹脂薄膜，形 成保護層，防止刮擦和裂紋。
環(huán)形層104可以由介電絕緣材料，例如氮化硅或玻璃制成，并環(huán)繞安裝 在底層102上的壓電裝置108的周圍，以防止壓電裝置108的導(dǎo)電元件短路。
圖1C為壓電裝置130的頂部示意圖，這是本領(lǐng)域中的一種常規(guī)裝置，可 以用來代替壓電裝置108。
圖1D是圖1C中的壓電裝置130沿B-B方向的剖面圖。如圖1C和圖1D 所示，壓電裝置130包括底部傳導(dǎo)片134;壓電層136;與電線138b連接 的頂部傳導(dǎo)片132;與電線138a連接的連接片142，以及將連接片142連接 到底部傳導(dǎo)片134上的傳導(dǎo)部144。頂部傳導(dǎo)片132可以通過槽140與連接 片142電隔離。
圖1E為本發(fā)明的另一個實施例中的補丁傳感器150的頂部剖視圖。圖 1F為圖lE中的補丁傳感器150的惻面剖視圖。如圖1E和圖1F所示，補丁
傳感器150可以包括底層151;頂層152;環(huán)形層154;壓電裝置156;頂
部和底部緩沖層160a和160b;兩根與壓電裝置108連接的電線158a和158b。 壓電裝置156包括壓電層164;與電線158b連接的底部傳導(dǎo)片166;與電 線158a連接的頂部傳導(dǎo)片162。補丁傳感器150的元件的功能和材料可以與 補丁傳感器100的功能和材料相同。每個緩沖層160a和160b可以包括多于 一個的子層，每個子層可以由聚合物或金屬構(gòu)成。頂層152可以由與底層102 -相同的材料制成。
補丁傳感器150可以被貼附于主體結(jié)構(gòu)上用來監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀況。而
且，補丁傳感器150可以被設(shè)置在層壓結(jié)構(gòu)中。圖1G為內(nèi)部設(shè)置有補丁傳感 器150的復(fù)合結(jié)構(gòu)170的剖面示意圖。如圖1G所示，主體結(jié)構(gòu)包括多個板 層172;以及設(shè)置在多個板層172中的至少一個補丁傳感器150。在一個實 施例中，在進行制備之前，可以在板層172中充滿粘合材料，例如環(huán)氧樹脂。 在制備過程中，板層172中的粘合材料會充滿空穴174。為了避免粘合材料 聚集，環(huán)形層154的形狀應(yīng)該能夠充滿空穴174。
圖1H為圖IE中的補丁傳感器150的另一個實施例180的側(cè)面剖視圖。
如圖所示，補丁傳感器180包括底層182;頂層184;環(huán)形層198;壓電裝
置190;頂部和底部緩沖層186和188;以及壓電裝置190。為了簡化起見， 與壓電裝置190連接的兩根電線在圖中沒有表示出。壓電裝置190可以包括 壓電層196;底部傳導(dǎo)片194和頂部傳導(dǎo)片192。補丁傳感器180的元件的功 能和所使用的材料可以與補丁傳感器150的元件的功能和所使用的材料相同。
環(huán)形層198可以有一個或多個具有不同尺寸的子層197，使環(huán)形層198的 外輪廓可以與空穴174的形狀相匹配。通過將子層197填入空穴174中，可 以使粘合材料在復(fù)合結(jié)構(gòu)170的加工過程中不會聚積。
圖2A為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的混合式(hybrid)補丁傳感器200 的頂部剖面圖。圖2B為圖2A中的沿C-C方向的剖面圖。如圖2A和圖2B所 示，混合式補丁傳感器200包括能夠貼附在主體結(jié)構(gòu)上的底層202;環(huán)形 層204;壓電裝置208;有兩個末端214a和214b的光纖線圈210;緩沖層216; 兩根與壓電裝置208連接的電線212a和212b;模塑層228;以及覆蓋層206。 壓電裝S208包括壓電層222;與電線212b連接的底部傳導(dǎo)片220;與電 線212a連接的頂部傳導(dǎo)片218。在本發(fā)明的另一個實施例中，壓電裝置208 與圖1C中的壓電裝置130相同。光纖線圈210包括巻制的光纖電線224 和涂層226?；旌鲜窖a丁傳感器200的元件可以與補丁傳感器100的元件相 同。
光纖線圈210可以是Sagnac干涉儀，用于接收Lamb波信號。由Lamb波 所引起的作用在主體結(jié)構(gòu)表面的彈性應(yīng)力會疊加到由彎曲和拉力所引起的光 -纜224內(nèi)預(yù)先存在的應(yīng)力上。因此，光通過光纜224傳播時的頻率/相的變化 量取決于光纜224的總長度。在本發(fā)明的一個實施例中，考慮到光纖線圈210
的良好的抗電磁干擾性和防振動噪音能力，可以將光纖線圈210作為主傳感
器而將壓電裝置208作為輔助傳感器。
光纖線圈210利用關(guān)于光通過巻制的光纜224傳播的多普勒效應(yīng)原理。 對于光纖線圈210的每個環(huán)來說，光纖環(huán)的內(nèi)側(cè)在壓力作用之下而外側(cè)在張 力作用之下，這些壓力和張力會對光纜224產(chǎn)生應(yīng)力。由Lamb波所引起的主 體結(jié)構(gòu)的振動位移或應(yīng)力會疊加到光纖224的張力應(yīng)力上。根據(jù)雙折射方程， 光纜224的涂層表面的反射角是壓力和/或張力所導(dǎo)致的應(yīng)力的函數(shù)。因而， 每個光纖環(huán)的內(nèi)側(cè)和外側(cè)會形成不同于直光纖的反射角，因此，隨著光在光 纖線圈210內(nèi)的傳播，光的頻率會根據(jù)Umb波的相對彎曲位移從中心輸入 頻率處偏移。
在本發(fā)明的一個實施例中，光纖線圈210可以包括10 20圈光纖電纜 224，而且其環(huán)形直徑236的最小值di為10mm。在光纖線圈210的最內(nèi)環(huán)和 壓電裝置208的外圍之間存在一個間隙234， dg。間隙234取決于最小環(huán)的 直徑236和壓電裝置208的直徑232， dp，優(yōu)選的為比壓電裝置208的直徑 232大出光纜224的直徑230， df ，的二倍或三倍。
涂層226可以由金屬材料或聚合物材料組成，優(yōu)選的為環(huán)氧樹脂，以增 加光纖線圈210對于由主體結(jié)構(gòu)引導(dǎo)的Lamb波的彎曲變形或應(yīng)力的靈敏度。 而且，在光纜224的巻制過程中，可以將預(yù)定的張力施加到光纜224上，提 供額外的張應(yīng)力。涂層226可以保持巻制的光纖224的這種內(nèi)部應(yīng)力，而且 對于每個光纖環(huán)來說容許有一個相對于Lamb波彎曲位移的一致的面內(nèi)位移。
涂層226還可以由其它材料組成，如聚酰亞胺、鋁、銅、金或銀。涂層 226的厚度可以從直徑230的30% 直徑230的2倍。由聚合材料組成的涂層 226可以用兩種方式進行涂覆。在一個實施例中，可以將巻制的光纜224放 在底層202上，聚合物材料可以通過分散機，例如Biodot噴涂機噴在光纜 上。在另一個實施例中，可以將巻制的光纜224浸入涂覆材料的熔池中。
由金屬組成的涂層可以通過傳統(tǒng)的金屬涂布技術(shù)，例如磁控反應(yīng)濺鍍或 離子束濺鍍以及電解。特別是，氧化鋅可以作為涂層226的涂布材料，以向 涂布層226提供壓電特性。當(dāng)氧化鋅涂布在巻制的光纜224的上表面或下表 面時，光纖線圈210可以根據(jù)電信號在徑向同心地收縮或膨脹。 而且，還可以使用氧化硅或氧化鉭作為涂布材料來控制巻制的光纜224 的折射率。氧化硅或氧化鉭可以通過間接/直接離子束助鍍技術(shù)或電子束蒸鍍
技術(shù)鍍在光纜上。在不偏離本技術(shù)的情況下，可以使用其它的方法將涂層226
涂布在光纜224上。
壓電裝置208以及光纖線圈210可以通過物理固化的膠粘劑，而不是普 通的聚合物膠粘劑，粘貼到底層202上，這里，物理固化膠粘劑包括但不限 于丙烯酸丁酯-丙烯酸乙酯共聚物，苯乙烯-丁二烯-異戊二稀三聚物以及氨 基醇酸樹脂。由于聚合物結(jié)構(gòu)中很少交連，所以這些材料的粘性在涂布過程 中以及涂布之后可以保持穩(wěn)定。此外，與傳統(tǒng)的聚合物相比，在不降低膠粘 劑對于不同分析物的靈敏度的情況下，可以對這些膠粘劑進行優(yōu)化，使其能 夠潤濕底層202的較寬范圍。
圖2C為本發(fā)明的另一個實施例中的混合式補丁傳感器240的頂部剖視 圖。圖2D為圖2C中的混合式補丁傳感器240的側(cè)面剖視圖。如圖2C和圖 2D所示，混合式補丁傳感器240包括底層254;頂層242;環(huán)形層244;壓 電裝置248;有兩個末端250a和250b的光纖線圈246;頂部和底部緩沖層 260a和260b以及與壓電裝置248連接的兩根電線252a和252b。壓電裝置 248包括壓電層264;與電線252b連接的底部傳導(dǎo)片262和與電線252a 連接的頂部傳導(dǎo)片266。光纖線圈246包括巻制的光纜258和涂層256?；?合式補丁傳感器240的元件與混合式補丁傳感器200的元件相同。
象使用補丁傳感器150時一樣，混合式補丁傳感器240可以貼附在主體 結(jié)構(gòu)上以及/或放入復(fù)合層中。在本發(fā)明的一個實施例中，環(huán)形層244可以與 環(huán)形層198相同，充滿由補丁傳感器240和復(fù)合材料所形成的空穴。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的光纖補丁傳感器300的頂部剖視圖。 圖3B是圖3A中的光纖補丁傳感器300沿D-D方向的側(cè)面剖視圖。
如圖3A和圖3B所示，光纖補丁傳感器300包括底層302;環(huán)形層304; 有兩個末端310a和310b的光纖線圈308;模塑層316以及覆蓋層306。光纖 線圈308包括巻制的光纜312以及涂層314。光纖補丁傳感器300的每個 元件的材料和功能與圖2A中的光纖補丁傳感器300相同。最內(nèi)環(huán)的光纜的直 徑313由光纜312的材料性質(zhì)來決定。
圖3C為圖3A中的光纖補丁傳感器中光纖線圈308的頂部剖視圖，顯示 了一種巻制光纜312的方法。如圖3C所示，光纖線圈308的最外面的環(huán)可以 '從一端310a開始，而最里面的環(huán)可以從另一端310b開始。圖3D為圖3C中 的光纖線圈308的另一個實施例318的頂部剖視圖。如圖3D所示，光纜322
可以這種方法折疊和巻制最外面的環(huán)從兩個末端320a和320b開始。巻制 的光纜322被涂層319覆蓋。
需要注意的是，圖3C和圖3D中的光纖維線圈308和318可以直接連接 到主體結(jié)構(gòu)上作為光纖線圈傳感器?；谶@一原因，在以下的內(nèi)容中，術(shù)語 "光纖線圈"和"光纖線圈傳感器"可以互換使用。圖3E和圖3F是光纖線' 圈308的其它實施方式。如圖3E所示，光纖線圈330包括有兩個末端338a 和338b、并以與光纜312相同的方式巻制的光纜334;以及涂層332。線圈 330有一個孔336，用來安裝緊固件，后面將對此進行說明。同樣地，圖3F 中的光纖線圈340包括有兩個末端348a和348b并以與光纜322相同的方 式巻制的的光纜344;以及涂層342。光纖線圈340有一個孔346，用來安裝 緊固件。圖3G是圖3E中的光纖線圈330沿DD-DD方向的側(cè)面剖視圖。應(yīng)該 注意的是，圖3A 圖3G中的傳感器可以通過與圖1G中相同的方式裝入復(fù)合 層中。
圖4A為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的診斷補丁墊圈400的頂部剖視圖。 圖4B為圖4A中的診斷補丁墊圈400沿E-E方向的側(cè)面剖視圖。
如圖4A和圖4B所示，診斷補丁墊圈400包括有兩個末端410a和410b 的光纖線圈404;壓電裝置406;用來容納光纖線圈404和壓電裝置406的支 撐元件402，光纖線圈404和壓電裝置406通過粘合材料粘在支撐元件402 上；與壓電裝置406連接的兩根電線408a和408b;以及蓋在光纖線圈404 和壓電裝置406上的遮蓋板414。
光線線圈404和壓電裝置406的材料和作用可以分別與補丁式傳感器 200的光纖線圈210和壓電裝置208的材料和作用相同。在本發(fā)明的一個實 施例中，壓電裝置406除了有一個孔403外，其它結(jié)構(gòu)與裝置130相同。光 纖線圈404和壓電裝置406可以通過常規(guī)的環(huán)氧樹脂粘貼到支撐元件402上。 支撐元件402有一個槽口 412，光纖線圈404的末端410a和410b以及兩根 電線408a和408b從槽口通過。
在圖4A和圖4B中，診斷補丁墊圈400可以作為激勵器/傳感器，并具 有光纖線圈404和壓電裝置406。在另一個實施例中，診斷補丁墊圈400可 以作為傳感器，且只具有光纖線圈404。在第三個實施例中，診斷補丁墊圈 '400可以作為激勵器/傳感器，且只具有壓電裝置406。
如圖4A和圖4B所示，診斷補丁墊圈400可以有一個中空空間403，以 容納其它緊固件，如螺栓或鉚釘。圖4C是本發(fā)明的一個實施例中，使用診斷 補丁墊圈400的螺栓連接結(jié)構(gòu)的示意圖。在螺栓連接結(jié)構(gòu)420中，可以用常 規(guī)的螺栓424、螺母426和墊圈428將一對結(jié)構(gòu)例如板狀結(jié)構(gòu)422a和422b 固定在一起。我們知道，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力會集中在螺栓連接區(qū)429附近，并會使 結(jié)構(gòu)損壞。診斷補丁墊圈400可以被安裝到螺栓連接結(jié)構(gòu)420中，用來對這 種損壞進行檢測。
圖4D是本發(fā)明的另一個實施例中使用診斷補丁墊圈400的螺栓連接結(jié)構(gòu) 430的側(cè)面剖視圖。在螺栓連接結(jié)構(gòu)430中，可以用常規(guī)的螺栓432和一對 墊圈436和438將蜂房狀/多層的結(jié)構(gòu)440固定住。蜂房狀的多層結(jié)構(gòu)440 包括復(fù)合結(jié)構(gòu)層442和蜂房部448。為對螺栓連接區(qū)附近的結(jié)構(gòu)是否損壞進 行檢測，可以將一對診斷補丁墊圈400a和400b插入蜂房部448內(nèi)，如圖4D 所示?？梢允褂锰坠?46來支撐頂部和底部補丁墊圈400a和400b，使其靠 在復(fù)合結(jié)構(gòu)層442上。而且，可以將熱保護圓盤444插入復(fù)合結(jié)構(gòu)層422和 診斷補丁墊圈400b之間，防止墊圈400b因熱傳遞而受到破壞。
如圖4B所示，遮蓋板414的外圓周415可以有一個傾角，形成一個鎖緊 機構(gòu)，這樣可以防止光纖線圈404和壓電裝置406受到過大的、由施加到螺 栓424和螺母426上的力矩所引起的接觸負(fù)荷。
圖5A為本發(fā)明的一個實施例中安裝有傳感器/激勵器裝置的問詢系統(tǒng)的 示意圖。如圖5A所示，系統(tǒng)500包括用于產(chǎn)生和/或接收接Lamb波信號的 傳感器/激勵器裝置502; —根雙芯的電線516;用于對裝置502所接收的信 號進行處理的調(diào)節(jié)器508;用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的模擬-數(shù)字 (A/D)轉(zhuǎn)換器504;用于對系統(tǒng)500的所有元件進行管理的計算機514:放 大器506;用于將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬Lamb波信號的波形發(fā)生器510;以及 能夠在裝置502和計算機514之間進行轉(zhuǎn)換連接的繼電器開關(guān)陣列模塊512。 通常，可以將多于一個的裝置502連接到繼電器開關(guān)512上。
裝置502可以是如圖1A 圖2D和圖4A 圖4D中所示的傳感器中的一種， 可以包括用于產(chǎn)生Lamb波517和接收由其它裝置所產(chǎn)生的Lamb波的壓電裝 置。為了產(chǎn)生Lamb波517 ，波形發(fā)生器510可以通過繼電器開關(guān)陣列模塊512 接收由計算機514(更切地說，是包括在計算機514中的模擬輸出卡)激發(fā)的 波形的數(shù)字信號。在一個實施例中，波形發(fā)生器510可以是一張模擬輸出卡。
繼電器開關(guān)陣列模塊512可以是一個常規(guī)的插入式繼電器盤。作為激勵
器和傳感器之間的"串音"(cross-talks)連接器，在繼電器開關(guān)陣列模塊 512中的繼電器開關(guān)可以由計算機514中的微處理器進行調(diào)整，按照特定的 順序選擇每個繼電器開關(guān)。在本發(fā)明的一個實施例中，由波形發(fā)生器510所 產(chǎn)生的模擬信號可以通過分支線515發(fā)送到其它激勵器。
裝置502可以作為傳感器來接收Lamb波。所接收的信號可以被發(fā)送至調(diào) 節(jié)器508，調(diào)節(jié)器508對信號電壓進行調(diào)節(jié)，對電噪聲進行過濾，從而在適 當(dāng)?shù)念l率帶寬范圍內(nèi)選擇有意義的信號。
然后，被過濾的信號被發(fā)送到模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器504，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器 504可以是一個數(shù)字輸入卡。來自模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器504的數(shù)字信號可以通過 繼電器開關(guān)陣列模塊512傳送至計算機514進行進一步分析。
圖5B所示為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中，帶有傳感器的問詢系統(tǒng)520 的示意圖。系統(tǒng)520包括帶有光纖線圈的傳感器522;起連接作用的光纜 525;用來提供載波輸入信號的激光源528; —對調(diào)制器526和534;聲光調(diào) 制器(AOM) 530; —對聯(lián)接器524和532;用于感知通過光纜525所傳遞的 光信號的光電檢測器536; A/D轉(zhuǎn)換器538;繼電器開關(guān)540以及計算機542。 傳感器522可以是如圖2A 4D中所示的傳感器中的一個，包括一個光纖線圈。 在一個實施例中，聯(lián)接器524可以將光纜525連接到另一根光纖527，光纖 527可以與另一個傳感器523相連。
傳感器522，更確切地說，傳感器522中的光纖線圈，可以作為激光多 普勒速度計(LDV)。激光源528，優(yōu)選的為二極管激光器，可以向調(diào)制器526 發(fā)射輸入載波光信號。調(diào)制器526可以是一個外差調(diào)制器，將載波輸入信號 分成兩個信號t —個信號發(fā)送給傳感器522，另一個信號發(fā)送給A0M503。傳 感器522可以通過與Lamb波信號相當(dāng)?shù)亩嗥绽疹l率對輸入載波信號進行轉(zhuǎn)換 并將其傳送到調(diào)制器534，調(diào)制器534可以是一個外差同步器。調(diào)制器534 對傳送的光信號進行解調(diào)，除去光的載波頻率。光電檢測器536，優(yōu)選的為 光電二極管，可以將解調(diào)的光信號轉(zhuǎn)換成光信號。然后，A/D轉(zhuǎn)換器538將 電信號數(shù)字化并通過繼電器開關(guān)陣列模塊540將其傳輸至計算機542。在一 個實施例中，聯(lián)接器532可以將光纜546連接到另一個傳感器544上。
圖6A中本發(fā)明的一個實施例中的安裝到主體結(jié)構(gòu)上的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系 統(tǒng)(DNP) 600的示意圖。
如圖6A所示，系統(tǒng)600包括補丁602;傳輸線612;與傳輸線612連 接的至少一個電橋箱604;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)606;以及用來管理DNP系統(tǒng)600 的計算機608。補丁 602可以是一個裝置502或一個傳感器522，其中，傳輸 線612的類型可以由補丁 602的類型決定，包括電線、光纜或者包括兩者。 特別是，主體結(jié)構(gòu)610可以由復(fù)合材料或金屬材料制成。 傳輸線612的終點可以在電橋箱604內(nèi)。電橋箱604可以與補丁 602連 接，以接收來自外部波形發(fā)生器510的信號并將所接收的信號發(fā)送至外部的 A/D轉(zhuǎn)換器504。電橋箱604可以通過電纜/光纜連接，電橋箱604可以包括 用來調(diào)節(jié)激勵信號、過濾所接收的信號以及將光纖信號轉(zhuǎn)換成電信號的電子 調(diào)節(jié)器508。通過繼電器開關(guān)陣列模塊512，連接電橋箱604上的數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)606可以接替(relay)補丁 602并多元接收來自補丁 602的信號，按預(yù) 定順序送入信道。
眾所周知，Umb波的產(chǎn)生和檢測受到安裝在主體結(jié)構(gòu)上的激勵器和傳感 器位置的影響。因此在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，應(yīng)該將補丁 602正確地成對設(shè)置，以最 大化地利用Lamb波對結(jié)構(gòu)的損壞進行識別。
圖6B所示為本發(fā)明的一個實施例中的具有條形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的診斷網(wǎng)絡(luò)補 丁系統(tǒng)620的示意圖。如圖6B所示，安裝到主體結(jié)構(gòu)621上的系統(tǒng)620包括 補丁 622;連接到計算機626上的電橋箱624;以及傳輸線632。補丁 622可 以是裝置502或者傳感器522，其中，傳輸線632的類型可以由補丁622的 類型決定。傳輸線632可以是電線、光纜或者是它們二者。
計算機626可以對補丁 622的操作進行調(diào)整，使其作為激勵器和/或傳感 器。箭頭630代表補丁 622所產(chǎn)生的Lamb波的傳播方向。通常，主體結(jié)構(gòu)上 存在的缺陷628會影響Lamb波的傳輸方式，如散射、衍射以及傳輸損失。缺 陷628包括損壞、裂紋和復(fù)合結(jié)構(gòu)的分層等。這些缺陷628可以通過檢測補 丁 622所捕獲到Lamb波的傳輸方式的變化來進行監(jiān)測。
DNP系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對基于Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)來說是非常重要 的。在DNP系統(tǒng)620的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，波-射線的通訊路徑應(yīng)該隨機相同 (uniformly randomized)。補丁 622之間的路徑一致、距離一致就可以確定 主體結(jié)構(gòu)621內(nèi)缺陷的最小可測尺寸。優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及適當(dāng)?shù)难a丁排列 對以在不增加補丁 622數(shù)量的條件下提高對結(jié)構(gòu)損壞識別的精度。
另一種用來在補丁之間建立波的"串音"路徑的形狀是如圖6C所示的五 邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖6C是本發(fā)明的另一個實施例中具有五邊形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的診斷
網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)640的示意圖。系統(tǒng)640可以安裝到主體結(jié)構(gòu)652上，包括 補丁 642;連接到計算機646上的電橋箱644;以及傳輸線654。補丁 642可 以是裝置502或傳感器522。在系統(tǒng)630中，補丁 642可以通過發(fā)送或接收 箭頭648所示的Umb波對結(jié)構(gòu)上的缺陷進行檢測。
圖6D是本發(fā)明的另一個實施例中，安裝在鉚釘/螺栓連接的復(fù)合結(jié)構(gòu)666 和668中的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)660的透視圖。如圖6D所示，系統(tǒng)660包括 補丁 662和診斷補丁墊圈664，每個墊圈都與一對螺栓和螺母連接。為簡化 起見，電橋箱和傳輸線在圖6D中沒有顯示出來。補丁 662可以是裝置502 或傳感器522。在系統(tǒng)660中，補丁662和診斷補丁墊圈664可以通過發(fā)送 或接收如箭頭670所示的Lamb波對結(jié)構(gòu)的缺陷進行檢測。特別是，缺陷672 會在緊固件的孔附近進一步擴大。診斷補丁墊圈664可以與其它鄰近的診斷 補丁 662進行通訊，診斷補丁 662可以設(shè)置成如圖6D所示的條形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 在本發(fā)明的一個實施例中，可以用光纖線圈傳感器330和340代替診斷補丁 墊圈664。
圖6E所示為本發(fā)明的一個實施例中，安裝在復(fù)合結(jié)構(gòu)682上的診斷網(wǎng)絡(luò) 補丁系統(tǒng)680的透視圖，其中，復(fù)合結(jié)構(gòu)682可以通過捆綁補丁 686進行修 理。如圖6E所示，系統(tǒng)680包括補丁684，補丁 684可以是裝置502或傳感 器522。為了簡化起見，電橋箱和傳輸線在圖6E中沒有表示出來。在系統(tǒng)680 中，補丁 684可以通過發(fā)送或接收如箭頭687所示的Lamb波對位于修補補丁 686和復(fù)合結(jié)構(gòu)682之間的缺陷688進行檢測。
圖6F是本發(fā)明的一個實施例中控制遠(yuǎn)程診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù) 通訊系統(tǒng)690的一個實施例的示意圖。如圖6F所示，系統(tǒng)690包括電橋箱 698和地面通訊系統(tǒng)698，地面通訊系統(tǒng)694可以通過地面控制(系統(tǒng))692 進行操作。電橋箱698可以連接到安裝在主體結(jié)構(gòu)上的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)上， 這種主體結(jié)構(gòu)可以是象飛機696那樣的需要進行廣泛的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的結(jié) 構(gòu)。
電橋箱698可以按兩種方法操作。在一個實施例中，電橋箱698可以作 -為信號發(fā)射器。在此實施例中，電橋箱698包括可以通過無線信號693將結(jié) 構(gòu)健康監(jiān)測信息發(fā)送給地面通訊系統(tǒng)694的射頻遙感系統(tǒng)中的一個微傳感器
和一個微處理器。在另一個實施例中，電橋箱698可以作為接收電磁波的接
收器。在此實施例中，電橋箱698包括一個通過無線信號693來接收來自地 面通訊系統(tǒng)694的能量的組件，其中所接收的能量可以用來操作安裝到結(jié)構(gòu) 696上的DNP系統(tǒng)。所述的組件包括微加工的硅底層，它具有刺激電極、 CMOS (complementary metal oxide semiconductor)、雙極功率調(diào)節(jié)電路、 混合式貼片電容以及接收天線線圈。
電橋箱698的結(jié)構(gòu)可以與主體結(jié)構(gòu)696的外層相同。在一個實施例中， 電橋箱.698可以具有一個多層的蜂房夾層結(jié)構(gòu)，其中多個微帶天線插入多層 蜂房夾層結(jié)構(gòu)的外面板內(nèi)，作為保形承載天線。多層蜂房夾層結(jié)構(gòu)可以包括 一個蜂房心和由有機和/或無機材料如E玻璃(無堿玻璃纖維)/環(huán)氧樹脂，凱 夫拉爾(Kevlar) /環(huán)氧樹脂，石墨/環(huán)氧樹脂，鋁或鋼制成的多層絕緣層。 隨著集成微處理技術(shù)的迅速發(fā)展，微帶天線的尺寸和生產(chǎn)成本會進一步降低， 這樣，在不降低電橋箱性能的條件下，可以節(jié)省電橋箱的運作/生產(chǎn)成本。 本發(fā)明的范圍并不想限制無線結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)對于無線應(yīng)用協(xié)議
(WAP)和無線標(biāo)示語言(WML)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。通過移動因特網(wǎng)工具包，應(yīng)用 系統(tǒng)能夠建立一個安全的站點，利用這一站點，通過WAP支持的手機、帶有 HTML (超文本鏈接標(biāo)示語言)瀏覽器的筆記本電腦或其它支持HTML的驅(qū)動程 序就可以正確地進行結(jié)構(gòu)狀況監(jiān)測或基本設(shè)施管理。
就象麥克風(fēng)陣列可以用來發(fā)現(xiàn)移動源的方向一樣，成串的傳感器陣列可 以通過測量信號到達的時間差來發(fā)現(xiàn)損壞所在的位置。圖7A為本發(fā)明的一個 實施例中具有條形網(wǎng)絡(luò)形狀成串傳感器的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)700的示意圖。 如圖7A所示，系統(tǒng)700可以應(yīng)用到主體結(jié)構(gòu)上，系統(tǒng)700包括成串的傳感器 704和傳輸線706。
每串傳感器704包括兩接收器708和712和一個激勵器/接收器裝置710。 每個考收器708和712可以是圖1A 4D中所示的傳感器中的一種，而激勵器 /接收器710可以是圖1A 圖2D和圖4A 圖4D中所示的傳感器中的一種并 具有產(chǎn)生Lamb波的壓電裝置。當(dāng)一串a(chǎn) clustered傳感器704中的激勵器/ 接收器710發(fā)送Lamb波時，鄰近的成串的傳感器704通過所有的三個元件，
即，激勵器/接收器裝置710和接收器708和712接收Lamb波。通過利用全 '部三個元件作為一個接收單元，每個成串的傳感器704可以接收更精確的
La油波信號。而且，通過測定三個元件的信號到達的時間差可以更精確在定
位缺陷714的位置。
圖7B為根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例中的具有成串傳感器的診斷網(wǎng)絡(luò)補 丁系統(tǒng)720的示意圖。如圖7B所示，系統(tǒng)720可以安裝到主體結(jié)構(gòu)722上對 缺陷734進行檢測，系統(tǒng)720包括成串的傳感器724和傳輸線726。每一串 成串的傳感器724與成串的傳感器704相同。
圖8A所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的帶有串聯(lián)的光纖線圈的成串的傳 感器800的示意圖。成串的傳感器800可以與圖7A中的成串的傳感器704 相同，包括兩個傳感器804和808以及激勵器/傳感器806。在這一結(jié)構(gòu)中， 輸入信號可以通過一端'810a進入傳感器，從另一端810b輸出的信號是三個 傳感器804、 806和808的輸入信號和貢獻的總和。在一個實施例中，來自每 個傳感器的信號可以利用基于波長的解復(fù)用技術(shù)與其它信號分離開。
圖8B是本發(fā)明的一個實施例中，具有并聯(lián)光纖線圈的成串傳感器820 的示意圖。成串傳感器820與圖7A中的成串傳感器704相同，包括兩個傳感 器824和828以及激勵器/傳感器826。在這一結(jié)構(gòu)中，輸入信號可以分別通 過三個末端830a、 832a和834a進入三個傳感器，從另一端830b、 832b和 834b輸出的輸出信號分別是三個傳感器824、 826和828的輸入信號和貢獻
的總合o
需要注意的是，在圖8A、圖8B中，傳感器804、 808、 824和828均為 光纖線圈傳感器308。但是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，很顯然，每 個傳感器804、 808、 824和828可以是圖1A 圖4D中的一個傳感器，而每 一個中間的傳感器806和826可以是圖1A 圖2D和圖4A 圖4D中的一個 傳感器且具有一個用于產(chǎn)生Lamb波的壓電裝置。而且，成串的傳感器800 和820可以按照與圖1G所示相同的方式，設(shè)置在復(fù)合材料中。
圖9所示為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的激勵器和傳感器信號的坐標(biāo)圖 900。為了產(chǎn)生Lamb波，可以將激勵器信號904施加給一個激勵器，例如補 丁傳感器IOO。激勵器信號904可以是帶有幾個波峰、在波形的中部有最高 振幅且有一個窄頻帶寬光譜能量的猝發(fā)音(tonebui"st)信號。激勵器信號 904可以利用不同波形的漢寧函數(shù)來設(shè)計，其中心頻率在0.01 1.0MHz。當(dāng) '激勵器收到激勵器信號904時，它會產(chǎn)生特定激發(fā)頻率的Lamb波。
信號912a 912n代表傳感器所接收到的傳感器信號。從圖中可以看出， 每個信號912具有分別由信號提取窗分開的波包926、 928和930。這些波包 926、928和930會由于在傳感器位置上的傳播方式的不同而具有不同的頻率。 信號分隔窗916用來識別每個傳感器信號的Lamb波信號。波包926、 928和 930分別相當(dāng)于基本對稱模態(tài)So、反射模態(tài)So ref和基本反對稱模態(tài)Ao。 反射模態(tài)So ref代表從主體結(jié)構(gòu)邊界反射的Lamb波。還可以觀察到基本剪 切模態(tài)So'和其它高模態(tài)，但是為了簡化起見，未在圖9中表示出來。
傳感器信號912的914部分是由于猝發(fā)音激勵器信號904而產(chǎn)生的電噪 聲。為了將914部分與傳感器信號912的其它部分分離，掩蔽窗918，是在 動作時間段內(nèi)延遲的S形函數(shù)(sigmoid function)，可以將其應(yīng)用到傳感 器信號912作為閾值函數(shù)(threshold functions)?？梢允褂妹總€傳感器信 號隨著時間的移動波一包跡線窗920、 922和924從傳感器信號912中提取波 包926、 928和930。包跡線窗920、 922和924可以通過利用梯度算法尋找 傳感器信號的波峰和波谷并將找到的數(shù)據(jù)點內(nèi)插在時間坐標(biāo)軸中來確定。如 果最臨近的數(shù)據(jù)點的振幅比當(dāng)前的數(shù)據(jù)點小，就將這一數(shù)據(jù)點的振幅和位置 記錄下來，直到將波信號的所有數(shù)據(jù)點的前后方向的波振幅比較完為止。得 到波信號的包跡線后，每個包跡線可以按照與Lamb波模式相當(dāng)?shù)臅r間跨度分 成子包跡線窗920、922和924。可以通過沿著所測定的每個傳感器信號912的 整個時間關(guān)系曲線移動子包跡線窗920、 922和924來提取波包926、 928和 930。
以上根據(jù)具體的實施例對本發(fā)明進行了詳細(xì)說明，可以理解，上述本發(fā) 明的優(yōu)選的實施方式有關(guān)的說明以及在本發(fā)明的實質(zhì)和范圍內(nèi)所做的改進都 包括在本發(fā)明的權(quán)利要求
書中。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀況的裝置，其特征在于包括絕緣層；連接在底層上的至少一個緩沖層；連接在至少一個緩沖層上的壓電裝置，所述的壓電裝置能夠產(chǎn)生和接收信號；一個設(shè)置在所述的壓電裝置上的模塑層；一個設(shè)置在所述模塑層上的覆蓋層；以及連接壓電裝置的兩根電線。
2. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征在于，所述的至少一個緩沖層 由聚合物或金屬組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征在于，所述的模塑層由環(huán)氧樹 脂、聚酰亞胺或硅-聚酰亞胺組成，所述的覆蓋層由金屬組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征在于還包括涂覆在覆蓋層上的 保護層，所述的保護層由環(huán)氧樹脂或聚酰亞胺制成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求
l所述的裝置，其特征在于還包括與底層連接并由 絕緣材料組成的環(huán)形層，所述的環(huán)形層包圍所述的至少一個緩沖層。
6. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征在于還包括連接在所述的底 層上的光纖線圈，所述的光纖線圈包括巻狀的光纜以及涂覆于巻狀的光纜 上的涂層，其中，在所述的光纜的巻制過程中施加預(yù)設(shè)的張力，涂層保持巻 制的光纜的這種張力。
7. 根據(jù)權(quán)利要求
6所述的裝置，其特征在于，所述的涂層由金屬或聚 合物制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求
6所述的裝置，其特征在于，所述的涂層由氧化鋅、 氧化硅或氧化鉭制成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求
1所述的裝置，其特征在于，所述的信號為拉姆(Lamb)波。
10. —種用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀況的光纖線圈傳感器，包括巻狀的光纜 和附著在巻狀的光纜上的涂層，其中，在所述的光纜的巻制過程中施加預(yù)設(shè) 的張力，涂層保持巻制的光纜的這種張力。
11. 根據(jù)權(quán)利要求
10所述的傳感器，其特征在于，所述的涂層由金屬 或聚合物制成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求
10所述的傳感器，其特征在于，所述的涂層由氧化 鋅、氧化硅或氧化鉭制成。
13. 根據(jù)權(quán)利要求
10所述的傳感器，其特征在于，還包括一個通向巻 制的光纜所形成的平面的通孔。
14. 一種用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀況的裝置，其特征在于，包括絕緣層； 連接在所述的底層上的至少一個傳感器；包圍所述的至少一個傳感器并與所 述的底層連接的環(huán)形層；設(shè)置在所述的至少一個傳感器上的模塑層以及設(shè)置 在所述的模塑層上的覆蓋層。
15. 根據(jù)權(quán)利要求
14所述的裝置，其特征在于，所述的至少一個傳感 器包括至少一個連接在底層上的緩沖層；連接在至少一個緩沖層上的壓電 裝置，所述的壓電裝置能夠產(chǎn)生和接收信號；以及與所述的壓電裝置連接的 兩根電線。
16. 根據(jù)權(quán)利要求
14所述的裝置，其特征在于，所述的至少一個傳感器包括 一個連接在底層上的光纖線圈傳感器，所述的光纖線圈傳感器包括: 巻狀的光纜和附著在巻狀的光纜上的涂層，其中，在所述的光纜的巻制過程 中施加預(yù)設(shè)的張力，涂層保持巻制的光纜的這種張力。
17. 根據(jù)權(quán)利要求
14所述的裝置，其特征在于，所述的至少一個傳感器包括至少一個連接在底層上的緩沖層；連接在至少一個緩沖層上的壓電 裝置，所述的壓電裝置能夠產(chǎn)生和接收信號；與所述的壓電裝置連接的兩根 電線； 一個連接在底層上的光纖線圈傳感器，所述的光纖線圈傳感器包括 巻狀的光纜和附著在巻狀的光纜上的涂層，其中，在所述的光纜的巻制過程 中施加預(yù)設(shè)的張力，涂層保持巻制的光纜的這種張力。
18. —種用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)健康狀況的裝置，其特征在于，包括底層；頂 層；位于頂層和底層之間的至少一個傳感器以及包圍所述的至少一個傳感器 且與所述的頂層和底層連接的環(huán)形層。
19. 根據(jù)權(quán)利要求
18所述的裝置，其特征在于，所述的至少一個傳感器包括連接在底層上的底部緩沖層，所述的底部緩沖層包括至少一個子層； 連接在底部緩沖層上的壓電裝置，所述的壓電裝置能夠產(chǎn)生和接收信號；連 接在壓電裝置上的頂部緩沖層，所述的頂部緩沖層包括至少一個子層；以及 連接所述的壓電裝置的兩根電線。
20. 根據(jù)權(quán)利要求
18所述的裝置，其特征在于，所述的至少一個傳感 器包括 一個連接底層和頂層的光纖線圈傳感器，所述的光纖線圈傳感器包 括巻狀的光纜和附著在巻狀的光纜上的涂層，其中，在所述的光纜的巻制 過程中施加預(yù)設(shè)的張力，涂層保持巻制的光纜的這種張力。
21. 根據(jù)權(quán)利要求
18所述的裝置，其特征在于，所述的至少一個傳感 器包括連接在底層上的底部緩沖層，所述的底部緩沖層包括至少一個子層； 連接在底部緩沖層上的壓電裝置，所述的壓電裝置能夠產(chǎn)生和接收信號；連 接在壓電裝置上的頂部緩沖層，所述的頂部緩沖層包括至少一個子層；以及 連接所述的壓電裝置的兩根電線/連接底層和頂層的光纖線圈傳感器，所述 的光纖線圈傳感器包括巻狀的光纜和附著在巻狀的光纜上的涂層，其中，在所述的光纜的巻制過程中施加預(yù)設(shè)的張力，涂層保持巻制的光纜的這種張 力。
22. —個診斷補丁墊圈，其特征在于，包括:一個環(huán)形的、在圓周方向 有一個槽在徑向有一個槽口的支撐元件；設(shè)置在槽內(nèi)的至少一個傳感器；以 及一個環(huán)形的用于蓋在槽上的蓋子。
23. 根據(jù)權(quán)利要求
22所述的診斷補丁墊圈，其特征在于，所述的至少 一個傳感器包括:連接支撐元件的壓電裝置和與所述的壓電裝置相連的兩根 電線，所述的兩根電線穿過槽口。
24. 根據(jù)權(quán)利要求
22所述的診斷補丁墊圈，其特征在于，所述的至少 一個傳感器包括:連接在支撐元件上的光纖線圈傳感器，所述的光纖線圈傳 感器包括巻狀的光纜和附著在巻狀的光纜上的涂層，其中，在所述的光纜 的巻制過程中施加預(yù)設(shè)的張力，涂層保持巻制的光纜的這種張力，所述的光 纜的兩端穿過槽口。
25. 根據(jù)權(quán)利要求
22所述的診斷補丁墊圈，其特征在于，所述的至少 一個傳感器包括:連接在支撐元件上的壓電裝置；與所述的壓電裝置連接的 兩根電線；連接在支撐元件上的光纖線圈傳感器，所述的光纖線圈傳感器包 括巻狀的光纜和附著在巻狀的光纜上的涂層，其中，在所述的光纜的巻制 過程中施加預(yù)設(shè)的張力，涂層保持巻制的光纜的這種張力，所述的兩根電線 和光纜的兩端穿過槽口。
26. —種監(jiān)測主體結(jié)構(gòu)健康狀況的診斷網(wǎng)絡(luò)補丁系統(tǒng)，其特征在于，包 括.-按預(yù)定方式連接到主體上的多個補丁，所述的多個補丁中的至少一個能 夠接收由所述的多個補丁中的至少另一個所產(chǎn)生的振動波；以及一個與所述 的多個補丁連接的電橋箱，所述的電橋箱包括一個用于將所述的多個補丁所 接收的信號通過無線裝置發(fā)送到地面控制系統(tǒng)的射頻遙感系統(tǒng)。
27. 根據(jù)權(quán)利要求
26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的預(yù)定方式有一 個五邊形結(jié)構(gòu)。
28. 根據(jù)權(quán)利要求
26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的預(yù)定方式有多 個條形結(jié)構(gòu)。
29. 根據(jù)權(quán)利要求
26所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括連接所述的電 橋箱并能夠?qū)Χ鄠€補丁的運行進行調(diào)節(jié)的計算機。
30. 根據(jù)權(quán)利要求
26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的電橋箱包括多 個用于通過無線裝置接收來自地面控制系統(tǒng)能量的微帶天線。
31. 根據(jù)權(quán)利要求
30所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的電橋箱有一個 蜂房結(jié)構(gòu)，包括蜂房心；以及多層的絕緣層壓板，所述的絕緣層壓板有一 個外面板，外面板上設(shè)置有微帶天線.
32. 根據(jù)權(quán)利要求
26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的多個補丁中的 每一個包括兩個用于接收振動波的傳感器；以及一個設(shè)置在所述的兩個傳 感器之間的、能夠產(chǎn)生和接收振動波的激勵器/傳感器。
33. 根據(jù)權(quán)利要求
32所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述的兩個傳感器和 激勵器/傳感器具有權(quán)利要求
10中所定義的光纖線圈傳感器，每個所述的 光纖線圈傳感器與其它的光纖線圈傳感器串連或并聯(lián)。
專利摘要
本發(fā)明提供一種用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的傳感器(200)，包括絕緣層(202)、用于執(zhí)行和/或傳感拉姆(Lamb)波的壓電裝置(208)、設(shè)置在介電裝置(208)上的模塑層(228)、設(shè)置在模塑層(228)上的覆蓋層(206)，以及包圍壓電裝置(206)并連接絕緣層(202)的環(huán)形層(204)。傳感器(200)還包括一個連接在絕緣層(202)上的光纖線圈傳感器(210)，其中，光纖線圈傳感器(210)有一個卷形的光纜(224)和涂覆在光纜(224)外面的涂層(220)。本發(fā)明還提供一個診斷補丁網(wǎng)絡(luò)(600)，包括多個連接到主體結(jié)構(gòu)(610)上的補丁傳感器(602)和與補丁傳感器(602)連接的電橋箱。
文檔編號G21C17/00GKCN101365928SQ200480017280
公開日2009年2月11日 申請日期2004年9月16日
發(fā)明者金炯胤 申請人:金炯胤;Asm有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan