專利名稱：用于檢查復(fù)合物材料的rf反射的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種感測系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)是例如土木、結(jié)構(gòu)和航空航天工程等行業(yè)中越來越受關(guān)注的技術(shù)領(lǐng)域。SHM的目標(biāo)是使用傳感器收集關(guān)于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)元件的數(shù)據(jù)，以便為在結(jié)構(gòu)中檢測到的異常提供指示，進(jìn)而監(jiān)測其可靠性和安全性。SHM尤其與越來越多地使用復(fù)合材料的技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)?，F(xiàn)有的復(fù)合材料包括纖維強(qiáng)化的聚合物復(fù)合材料，其具有高的強(qiáng)度重量比、良好的剛度性能、固有的耐腐蝕性和低的 電磁反射率。這些性質(zhì)已經(jīng)使得纖維強(qiáng)化的復(fù)合材料成為用于主要航空器結(jié)構(gòu)的有吸引力的材料，正日益取代金屬組件。正越來越多地使用復(fù)合材料的其它行業(yè)有石油天然氣行業(yè)(其中監(jiān)測例如密封件和墊圈等組件的疲勞是關(guān)鍵)，例如隧道和管道網(wǎng)絡(luò)等地下結(jié)構(gòu)，以及軍用航空器和潛水艇技術(shù)(其中可靠性和安全性是首要的)。SHM還與需要監(jiān)測植入組件、心臟瓣膜和髖關(guān)節(jié)以獲得可靠性和安全性的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域相關(guān)；用于環(huán)境感測中可以以低成本用耐用材料跟蹤水或空氣中的污染；用于先進(jìn)制造業(yè)中可在制造過程期間跟蹤材料，尤其是復(fù)合材料，以提升塑料零件的質(zhì)量；以及用于例如空間等敵對或難以接近的位置中的應(yīng)用或使用例如風(fēng)輪機(jī)/風(fēng)葉等旋轉(zhuǎn)組件的那些應(yīng)用。上文所描述的技術(shù)領(lǐng)域可受益于可靠且準(zhǔn)確的無線感測，以便選擇性地或連續(xù)地監(jiān)測無法直接接近以進(jìn)行嚴(yán)格檢查的結(jié)構(gòu)。已知多種SHM方法。使用X射線來形成與材料密度相關(guān)的圖像的射線照相術(shù)已經(jīng)使用了一百多年，然而這種方法是有害的且因此很少使用。熱成像或振動紅外熱像法是一種通過監(jiān)測在紅外線光譜中的熱能傳遞來檢測解散和分層的公認(rèn)方法。然而，熱成像的不足之處在于難以解釋結(jié)果?？捎靡栽u估所檢查材料的強(qiáng)度的激光剪切散斑和全息成像是有利的非接觸性技術(shù)，然而由于振動，它們遭受圖像噪聲。僅適用于金屬/黑色金屬結(jié)構(gòu)的其它SHM方法使用熒光或磁性粒子滲透劑。應(yīng)注意，金屬檢查可使用渦電流檢測方法，然而此類方法不可在復(fù)合材料中使用。由于復(fù)合材料的異種性質(zhì)，缺陷形式常常非常不同于通常在金屬材料中發(fā)現(xiàn)的那些缺陷形式，且破裂機(jī)制更為復(fù)雜。當(dāng)前SHM系統(tǒng)需要在任何所關(guān)注的結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)處安裝一個或一個以上傳感器，傳感器類型取決于待感測的所關(guān)注的特定參數(shù)。這可使得此類系統(tǒng)安裝起來較為昂貴且耗時，同時傳感器的實時連續(xù)監(jiān)測實際上是不切實際的。用于檢測復(fù)合材料中的損壞的最合意的SHM方法是聲學(xué)，或跟蹤多個粒子的無線電性質(zhì)，進(jìn)而形成本征傳感器。根據(jù)機(jī)械狀態(tài)(根據(jù)特定材料，其與溫度、壓力、水合作用等相關(guān))，本征傳感器是具有無線電性質(zhì)的結(jié)構(gòu)材料(通常為復(fù)合材料)。此類材料的表面或體積可映射為用于SHM的圖像。
然而，針對常規(guī)的復(fù)合材料的無線電信號不能夠提取關(guān)于所述材料的機(jī)械、電學(xué)和化學(xué)狀態(tài)的信息。因此，現(xiàn)有的本征傳感器需要添加感測元件，所述感測元件的電子分布和/或傳輸性質(zhì)由其局部環(huán)境更改，以便使得此監(jiān)測功能成為可能。所述感測元件經(jīng)布置以更改所述材料的例如介電或磁性性質(zhì)等性質(zhì)。舉例來說，可使用無線電波來跟蹤振動頻率受損壞擾亂的嵌入式壓電粒子。通過在所述材料中的若干點(diǎn)處檢測此振動頻率，可創(chuàng)建頻率圖像以便檢查損壞。然而，此類本征傳感器的不足之處在于其需要添加獨(dú)立的離散感測元件，這不適用于上文所描述的大量應(yīng)用中(尤其是在航空航天系統(tǒng)中)正越來越多地使用的常規(guī)復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明設(shè)法提供一種能夠使用常規(guī)復(fù)合材料的感測系統(tǒng)和方法，其不需要任何額外的感測元件。根據(jù)本發(fā)明，提供一種感測系統(tǒng)，其包含包含基體和復(fù)數(shù)個非絕緣粒子的材料,所述非絕緣粒子在所述基體內(nèi)大致上是等間隔的，使得所述材料在至少一個維度中具有相干電學(xué)周期性；以及接收器，其經(jīng)布置以接收源RF信號和返回的RF信號，所述源RF信號由所述非絕緣粒子反射以產(chǎn)生所述返回的RF信號；其中，所述非絕緣粒子中的一者或一者以上的位置的改變致使所述返回的RF信號改變，使得可根據(jù)所述返回的RF信號確定所述材料的性質(zhì)的改變。所述基體可為非導(dǎo)電基體，且所述非絕緣粒子可為導(dǎo)電粒子。所述導(dǎo)電粒子可為碳粒子、碳纖維、石墨烯、鋁粒子、銀粒子、銅粒子、金粒子或碳納米管。或者，所述非絕緣粒子可為半導(dǎo)體粒子，或其可為包含金屬和絕緣體的復(fù)合粒子。絕緣基體可包括聚合物，例如熱固性環(huán)氧樹脂、熱塑性聚酯、乙烯基酯或尼龍。所述材料可在至少一個維度中具有相干周期性導(dǎo)電性或相干周期性介電常數(shù)。所述返回的RF信號的改變可為振幅改變、頻率改變、相移或干擾效應(yīng)改變，其涉及測量復(fù)合材料電荷。所檢測到的所述材料的性質(zhì)的改變可為粒子破裂、微裂紋、分層、污染物、基體撞擊損壞或多孔性中的任一者。所述接收器進(jìn)一步經(jīng)布置以接收也由所述復(fù)合材料拾取的環(huán)境信號(與源信號分離)。本發(fā)明還提供一種感測材料的性質(zhì)的改變的方法，所述材料包含基體和復(fù)數(shù)個非絕緣粒子，所述非絕緣粒子在所述基體內(nèi)大致上是等間隔的，使得所述材料在至少一個維度中具有相干電學(xué)周期性，所述方法包含以下步驟用源RF信號詢問所述材料；接收從所述非絕緣粒子反射的返回的RF信號；以及根據(jù)所述非絕緣粒子中的一者或一者以上的位置的改變引起的所述返回的RF信號的改變確定所述材料的所述性質(zhì)的所述改變。詢問所述材料可包含使用單個機(jī)械探針或用電子多探針掃描所述材料的表面。所述探針可為具有電子開關(guān)或多個信號通道的2D探針陣列。
詢問所述材料可包含像天線那樣激發(fā)所述材料，以產(chǎn)生表面場分布。所述材料可包含復(fù)數(shù)個單元，其中每一單元表示一個天線元件。所述復(fù)數(shù)個單元可經(jīng)耦合以形成單元陣列，例如經(jīng)由所誘發(fā)的經(jīng)調(diào)制的RF電流。在優(yōu)選實施例中，所述探針陣列包含至少一個高阻抗探針，且所述返回的RF信號由零差接收器接收。詢問所述材料可進(jìn)一步包含使用單個機(jī)械探針掃描所述表面場分布。詢問所述材料可進(jìn)一步包含使用電子多探針掃描所述表面場分布。所述源RF信號可以是經(jīng)脈沖調(diào)制的或調(diào)制的，或者調(diào)制可通過其它數(shù)字或模擬方法來進(jìn)行。所述材料可通過摻雜半導(dǎo)體材料獲得，以實現(xiàn)相干電學(xué)周期性。通過使用常規(guī)復(fù)合材料而不需要嵌入感測材料，本發(fā)明具有其可用于較熟悉應(yīng)用(包括SHM應(yīng)用)中的優(yōu)點(diǎn)。此外，本發(fā)明的感測材料常常是已經(jīng)可用的。舉例來說，用于航空航天應(yīng)用的某些碳纖維層狀結(jié)構(gòu)是形成有序晶格狀結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)晶體。 本發(fā)明可選擇電磁波譜的低頻率部分以穿透到復(fù)合材料中且直接與損壞相互作用。這相對于上文所提及的競爭性方法(例如剪切散斑或IR，其觀看表面以獲得亞表面損傷的間接跡象)提供一個優(yōu)點(diǎn)。聲學(xué)也具有此優(yōu)點(diǎn)，因為其直接與損壞相互作用。聲學(xué)信號穿透到復(fù)合材料SHM結(jié)構(gòu)/架構(gòu)中以通過散射離開聲學(xué)阻抗擾亂的波來顯露亞表面損傷，所述聲學(xué)阻抗擾亂反過來又是所述損壞自身的結(jié)果。類似地，根據(jù)本發(fā)明的電磁方法激發(fā)受邊界間斷擾亂的電磁波模式。


現(xiàn)將參看附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，在附圖中圖I為現(xiàn)有技術(shù)本征傳感器的實例的示意圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的示意圖；圖3(A)和3(C)展示在采用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)時獲得的輸出的實例；圖3(B)和3(D)展示在采用具有無序粒子晶格的材料時獲得的輸出的實例；圖4(A)到4 (D)示意性地展示根據(jù)本發(fā)明的無線電檢測幾何結(jié)構(gòu)；圖5㈧和5(B)示意性地展示用于將無線電信號引入到復(fù)合材料“單元”中的方法;圖6(A)和6(B)示意性地展示用于耦合復(fù)合材料“單元”的方法；圖7 (A)到7 (C)展示根據(jù)探針元件的檢測方法；圖8 (A)到8 (C)展示高阻抗探針；圖9(A)示意性地展示信號檢測的實例；圖9 (B)說明掃描復(fù)合材料單元的有源天線探針的表面陣列；圖9(C)到9(E)展示用于將如圖9(B)中所示的所收集的信息發(fā)射到接收器的三個電路變型；圖10示意性地展示使用同步接收器的檢測方法；圖11示意性地展示使用網(wǎng)絡(luò)分析器的檢測方法；圖12展示使用根據(jù)本發(fā)明的方法獲得的復(fù)合材料的代表性圖像；圖13 (A)展示有可能由復(fù)合材料制成的客機(jī)零件的列表；
圖13(B)示意性地表示使用根據(jù)本發(fā)明的方法的測試場景；圖14展示所檢測到的非均勻橡膠復(fù)合材料的扭曲場；圖15 (A)到15 (C)展示數(shù)據(jù) 理過程；圖16 表不 Yeecell 方法；圖17表示構(gòu)建復(fù)合材料的3D圖像的方法；以及圖18表示立體成像方法。
具體實施例方式參看圖1，展示具有天線2的無線收發(fā)器I的示意圖。材料3 (例如聚合物材料)的一部分具有基體結(jié)構(gòu)，多個感測元件4嵌入在所述基體結(jié)構(gòu)中，使得所述感測元件4分散在基體材料3內(nèi)并由基體材料3包圍。感測元件4具有響應(yīng)于所述材料的物理或化學(xué)性質(zhì)的改變而改變的電子分布和/或傳輸性質(zhì)。此行為導(dǎo)致經(jīng)由天線2從收發(fā)器I發(fā)射以詢問基體材料3的射頻(RF)信號(例如，微波信號)的更改，使得可根據(jù)所接收的信號確定所述材料的改變。以此方式，感測元件4允許對所述材料的性質(zhì)的改變進(jìn)行非侵入性本征感測。因此，圖I的現(xiàn)有技術(shù)本征傳感器使用嵌入感測元件4的微波諧振以便將復(fù)合材料的無線電性質(zhì)鏈接到其結(jié)構(gòu)。圖2展示根據(jù)本發(fā)明的本征傳感器的實例。展示用于檢測無線電信號振幅的基本無線電探針10。優(yōu)選地，無線電探針為具有集中場的開口的同軸線。材料30 (優(yōu)選絕緣聚合物材料)的一部分具有包含粒子(或纖維)40 (優(yōu)選導(dǎo)電粒子)的基體結(jié)構(gòu)。不同于圖I的現(xiàn)有技術(shù)感測元件4，導(dǎo)電粒子40不具有微波諧振；導(dǎo)電粒子40為純反射性的。導(dǎo)電粒子40在基體材料30內(nèi)是等間隔的，使得其形成有序晶格狀結(jié)構(gòu)。因此，復(fù)合材料本質(zhì)上具有準(zhǔn)晶體形式。在制造復(fù)合材料時，重要的是導(dǎo)電粒子40在絕緣材料30內(nèi)大致上等間隔?？沙鲇诖四康亩褂玫牧Ｗ?0可為球形的，或可由纖維、薄片和其它形狀組成。將理解，可使用各種各樣的粒子40，例如金屬板、石墨烯、鋁、銀、銅或金粒子?；蛘?，粒子40可包括半導(dǎo)體(有機(jī)和無機(jī))以及導(dǎo)電聚合物。此外，可使用碳黑材料(其展現(xiàn)超均勻的粒子分布)或碳纖維(例如碳纖維薄片)。本發(fā)明的材料30的關(guān)鍵性質(zhì)在于粒子40之間的距離是規(guī)則的，使得所述材料形成晶格型結(jié)構(gòu)。所述結(jié)構(gòu)幾乎類似于準(zhǔn)晶體，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，可使用其中粒子40之間的距離在至少一個維度中為規(guī)則的任何基體材料30。還重要的是，粒子40為非絕緣的，使得在此項技術(shù)中已知的復(fù)合材料的電學(xué)性質(zhì)中存在相干周期性，例如周期性導(dǎo)電性或周期性介電常數(shù)。優(yōu)選地，粒子40為導(dǎo)電的，但技術(shù)人員將了解，可使用任何非絕緣粒子，包括半導(dǎo)體粒子。優(yōu)選地，基體為非導(dǎo)電的，例如絕緣體，以實現(xiàn)導(dǎo)體-絕緣體-導(dǎo)體-絕緣體周期性。在至少一個空間維度中需要電學(xué)周期性。因此，此周期性可在1、2或3 維中(B卩，1D、2D 或 3D)。下文描述使用無線電波來詢問此準(zhǔn)晶復(fù)合材料的機(jī)制。如果粒子40的導(dǎo)電性和/或大小較低，那么無線電信號將穿透復(fù)合材料。對于一些材料，此穿透在MHz到GHz范圍內(nèi)可為幾厘米。相反，在金屬和導(dǎo)體中，無線電波僅穿透到表皮深度(幾微米)。本發(fā)明所使用的復(fù)合材料允許無線電信號穿透其達(dá)幾毫米到幾厘米，使得所返回的信號涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。無線電信號從每一粒子40反射，每一粒子非常像反射鏡那樣對無線電信號起作用。然而，無線電信號的重要部分穿透到所探測材料的更深處，由若干粒子40反射，使得在表面處，可檢測到凈反射信號。因此，凈反射信號與正被探測的復(fù)合材料的體積相關(guān)，且所探測的復(fù)合材料的深度取決于無線電信號穿透多遠(yuǎn)。因為此深度為波長的一小部分，所以信號檢測所在的表面處的相位和干擾效應(yīng)可忽略不計。因此，對第一近似值，僅需要測量所檢測到的信號的振幅。因此，優(yōu)選地將返回的信號的改變檢測為返回的信號的振幅的改變，但將了解，還存在返回的信號的波長、相位和干擾的輕微改變，其涉及測量復(fù)合材料電荷。根據(jù)本發(fā)明的方法，在需要時可使用比與圖I的現(xiàn)有技術(shù)本征傳感器相關(guān)聯(lián)的方法大得多的信號，從而使得本發(fā)明在沒有優(yōu)化的情況下適合于較大范圍的應(yīng)用。因此，根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料像3D反射鏡那樣對微波起作用，其中反射鏡的反射 性質(zhì)可能受到對復(fù)合材料的損壞的影響。所反射的無線電信號可檢測所述材料的性質(zhì)的改變，例如故障類型，比如復(fù)合材料中的亞表面裂紋。因此，本發(fā)明的本征傳感器使用“體積”反射性(而非圖I的現(xiàn)有技術(shù)感測元件4的微波諧振)，其在整個復(fù)合材料上為恒定的，以便將復(fù)合材料的無線電性質(zhì)鏈接到其結(jié)構(gòu)。然而，將了解，在一些例子中，根據(jù)已知函數(shù)，反射性可隨位置變化，位置將由損壞改變。無線電收發(fā)器10經(jīng)構(gòu)造以產(chǎn)生并發(fā)射射頻信號，且實時地檢測所發(fā)射的信號以及來自復(fù)合材料的返回的信號。凈反射無線電信號位于材料上的各種位置處，通常經(jīng)由散射、反射或透射設(shè)置(反射適合于大多數(shù)應(yīng)用)來收集。如上文所解釋，凈反射信號的所跟蹤的振幅被鏈接到導(dǎo)電粒子40的環(huán)境。對復(fù)合材料的損壞的凈結(jié)果是返回的信號的振幅與周圍材料相比的改變，進(jìn)而提供關(guān)于體復(fù)合材料的物理和化學(xué)性質(zhì)的信息的遠(yuǎn)程收集。所發(fā)射和所返回的信號的測量可在同一位置發(fā)生，或者，可跟蹤傳播通過復(fù)合材料的行進(jìn)模式的改變。圖3(A)展示在如上文描述的導(dǎo)電粒子晶格材料的表面處看到的光滑表面所返回信號振幅，而圖3(B)展示針對無序(且未受損)粒子晶格的粗糙表面振幅。圖3(C)展示圖3(A)的材料中的內(nèi)部裂紋在損壞之后如何明顯。相反，圖3(D)展示內(nèi)部裂紋對于圖3(b)的無序晶格如何不明顯。如果粒子40之間的間隔改變(例如，通過損壞)，那么材料30內(nèi)部的阻抗將改變。因此，表面無線電阻抗/電位也將以相關(guān)方式變化。其還意味著，存在無線電信號進(jìn)入復(fù)合材料的變化的穿透，其是變化的趨膚深度。常規(guī)的反射鏡必須非常光滑，使得當(dāng)發(fā)生裂紋時，其抵靠著光滑的背景來看較明顯。同樣，為了使3D反射鏡顯露裂紋，其對于無線電波必須為光滑的。此光滑性可通過使粒子40在絕緣材料30內(nèi)均勻地間隔開來實現(xiàn)。可開發(fā)用以使得復(fù)合材料“無線電光滑”的過程。這些包括用以調(diào)整導(dǎo)電性以允許無線電穿透(在所選擇的操作頻率下)的過程或用以修整復(fù)合材料的介電性質(zhì)的過程，和任選地添加薄導(dǎo)電涂層以引導(dǎo)行進(jìn)波而使得復(fù)合材料自身變換或轉(zhuǎn)換機(jī)械損壞以使得其在所反射的無線電信號中可見的過程。因此，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中所使用的材料可視為本征傳感器。除了導(dǎo)電粒子40與絕緣材料30之間的導(dǎo)電性差異之外，介電差異也可用以創(chuàng)建3D反射器，只要足夠的無線電穿透到復(fù)合材料中是可能的。導(dǎo)電和介電差異可較一般地視為根據(jù)其原子結(jié)構(gòu)使用兩種材料之間的電子差異。這包括能帶結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電性或極化性。在一些應(yīng)用中，可有可能摻雜鄰接或非鄰接的半導(dǎo)體材料以創(chuàng)建電學(xué)周期性。這種損壞檢測技術(shù)對于準(zhǔn)晶體內(nèi)的空間改變非常敏感。這樣的改變表示粒子40遠(yuǎn)離規(guī)則次序的位置改變，其可由損壞引起。此外，溫度、張力、振動和化學(xué)改變也可改變粒子40的位置，然而，檢測這些參數(shù)需要開發(fā)相關(guān)模型和軟件。絕緣基體30可接著經(jīng)調(diào)適以優(yōu)化其對這些參數(shù)的敏感性。舉例來說，軟聚合物材料30將較容易膨脹和收縮，所以其對溫度較敏感。圖4示意性展示根據(jù)本發(fā)明的用于局部波和行進(jìn)波測量的方法。操作原理是基于以下事實復(fù)合材料板部分導(dǎo)電且具有允許經(jīng)由傳播穿過其的行進(jìn)波進(jìn)行詢問的介電性質(zhì)。為了在實踐中實現(xiàn)這點(diǎn)，可經(jīng)由此項技術(shù)中已知的近側(cè)天線和匹配單元耦合發(fā)射器Tx以激起傳播波模式。橫向波主要在兩維中從天線源傳播。這還可視為由于媒體的衰減特性引起的泄漏波，其具有減少來自通常創(chuàng)建駐波的邊界反射的干擾的優(yōu)點(diǎn)。泄漏波是由復(fù)合材料媒介衰減的電磁波，而衰減有助于減少不想要的反射。參看圖4㈧，開口的同軸探針10可經(jīng)由發(fā)射器Tx發(fā)射無線電信號且經(jīng)由接收器Rx檢測在位于坐標(biāo)XY處的特定點(diǎn)處的返回的信號(表面電位、阻抗、電壓等)。接收器Rx可包含天線。收集在多個點(diǎn)處的漸逝信號使得能夠創(chuàng)建圖像。如此項技術(shù)中已知的，例如這可通過以機(jī)械方式掃描或通過形成同軸探針陣列(在圖4B中表示)來進(jìn)行。同軸探針陣列使用一組電子開關(guān)而非機(jī)械掃描，從而在速度和再現(xiàn)性方面提供顯著的實用優(yōu)點(diǎn)。因此，檢測機(jī)制涉及測量穿過復(fù)合材料組件的場振幅，所述復(fù)合材料組件自身有效地充當(dāng)天線。然而，在相對于幾乎完美的組件的情況下，由于復(fù)合材料損壞引起的波阻抗的介電邊界和間斷可以改變信號振幅，這又在圖像中檢測到。·
參看圖4(C)和4(D)，通過將復(fù)合材料的被探測區(qū)視為各向異性的天線元件來根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行對復(fù)合材料30的分析。從發(fā)射器Tx發(fā)射的無線電波以圓形波前行進(jìn)。RF信號在其中行進(jìn)且可視為天線元件的被探測的復(fù)合材料區(qū)或結(jié)構(gòu)也稱為“單元”。發(fā)射器Tx可通過電容性耦合來附接到結(jié)構(gòu)或單元。發(fā)射器Tx表示在材料30內(nèi)引入電磁EM場模式的RF源，且此模式耦合到材料30的表面漸逝場。因此，表面漸逝場可用接收器Rx來探測。接著從無線電擾動的中心開始在各點(diǎn)探測復(fù)合材料30。這種場模式可為涉及單元邊緣反射的連續(xù)波，其通過掃描節(jié)點(diǎn)和波腹位置來檢測，如圖4D中所示?；蛘撸瑘瞿Ｊ娇蔀樾羞M(jìn)波，其通過掃描朝向單元邊界衰退的泄漏波模式的振幅來檢測。在很少情況下，如果需要完全隔離體積，那么有可能使用脈沖式無線電信號以避免來自所述結(jié)構(gòu)或單元的邊緣的反射(圖4C)。在此型式中，損壞將擾亂復(fù)合材料30且將在波速中存在間斷和變化，其將改變漸逝電場的分布和強(qiáng)度(即，漸逝電場的“紋理”)以顯露亞表面信息。漸逝場的“紋理”涉及復(fù)合材料的結(jié)晶性，且可用作復(fù)合材料質(zhì)量的量規(guī)。因此，所掃描的復(fù)合材料的區(qū)的體積可通過電學(xué)處理所述單元的發(fā)射器源來確立，或使用已知的數(shù)字和模擬技術(shù)用特定簽名或標(biāo)簽調(diào)制無線電信號以標(biāo)記無線電信號來自此特定發(fā)射器源來確立。在大多數(shù)情況下，所掃描的體積涉及所掃描的復(fù)合材料的組分的區(qū)域。舉例來說，在面板形成表皮的情況下，每一面板表示一個單元。例如可通過確立所標(biāo)記的源的強(qiáng)度是否高于特定閾值來確定單元邊界。在某些情況下，可有可能通過移動電話網(wǎng)絡(luò)中常用的時間選通方法來減少存在于單元之間的串?dāng)_。為了確保有效傳輸穿過所掃描結(jié)構(gòu)的所有組件，需要注意板厚度、操作頻率和介電常數(shù)。為了檢測行進(jìn)波，將天線接收探針Rx放置于復(fù)合材料面板的頂側(cè)或底側(cè)上，前者適合于現(xiàn)場維護(hù)，后者適合于在材料的關(guān)鍵點(diǎn)(例如，航空器中的關(guān)鍵點(diǎn))處進(jìn)行實時監(jiān)測。復(fù)合材料可具備薄金屬涂層。這可有助于形成用于行進(jìn)波的波導(dǎo)，然而，如果涂層非常厚，那么將必須從相反側(cè)進(jìn)行探測。使用圖4的不同方法有助于最佳地適應(yīng)其中無法改變形狀和材料(電磁阻抗)的測
量場景。 分辨率取決于探針尺寸(_大小)和分離度而非頻率?？墒褂肎Hz頻率，然而，由于穿透與頻率反向相關(guān)，所以還可將頻率減少到MHz區(qū)以增加進(jìn)入結(jié)構(gòu)中的穿透?？尚?zhǔn)根據(jù)本發(fā)明的本征傳感器。傳感器校準(zhǔn)涉及原始信號的收集及其時間穩(wěn)定性。因此，與校準(zhǔn)相關(guān)的方面主要地涉及天線探針系統(tǒng)由于溫度引起的漂移。通過測量連同漸逝場的溫度，可將校準(zhǔn)偏移并入到數(shù)據(jù)處理算法中。表面信號的變化可用以產(chǎn)生2D色彩圖。將了解，在多個頻率下進(jìn)行掃描可導(dǎo)致含有來自不同深度的信息的一系列不同2D圖。此數(shù)據(jù)可經(jīng)處理以制作3D圖像。因此，2D和3D圖兩者都可視化地表示所述損壞。圖5展示用于將來自一個RF源的輸入射頻信號(由箭頭表示)引入到復(fù)合材料單元C中的方法。如上文所解釋，每一單元被視為充當(dāng)天線元件。舉例來說，天線元件的激發(fā)可經(jīng)由如圖5(A)所示的偶極子或如圖5(B)所示的環(huán)形天線。將了解，實際上，天線元件將是取決于復(fù)合材料的性質(zhì)和形狀的較復(fù)雜輻射組件。然而，如果所掃描的復(fù)合材料未受損壞，那么漸逝場隨位置的平滑變化得以保持。RF源在復(fù)合材料內(nèi)引入了電磁場，其耦合到復(fù)合材料的表面漸逝場，所述表面漸逝場接著可用(例如)表面場探針陣列來探測。因此，所關(guān)注的是表面漸逝場而非大多數(shù)天線制造商通常旨在改善的遠(yuǎn)場。通過將每一單元視為天線元件，有可能將輸入RF信號“固定”在每一單元中。充當(dāng)天線元件的每一單元可由一個RF源來激發(fā)，或可使用復(fù)數(shù)個RF源來激發(fā)一個單元。 圖6 (A)示意性地表示用于當(dāng)僅有一個RF源可用時將無線電信號饋入到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)數(shù)個不同單元C的方法。復(fù)數(shù)個單元形成單元“陣列”。所述單元可經(jīng)耦合以便將從每一探針陣列收集的返回的信號傳遞到合適的收集點(diǎn)以供存儲和/或進(jìn)一步處理。合適的收集點(diǎn)或集線器將由所掃描的結(jié)構(gòu)的約束條件決定。在每一陣列內(nèi)，單元C可通過接線“織機(jī)” WL耦合，所述接線“織機(jī)” WL可包含(例如)光纖、導(dǎo)線或允許從單元C收集數(shù)據(jù)的任何其它結(jié)構(gòu)?；蛘?，來自單元C的數(shù)據(jù)可經(jīng)由穿越局部導(dǎo)電單元C的被誘發(fā)的經(jīng)調(diào)制的RF電流來耦合，如圖6(B)中所表示。根據(jù)如圖6中所示的用于耦合復(fù)數(shù)個單元的方法，可使用單個RF源來照明單元陣列。有利地，這些方法可用來在掃描復(fù)合材料面板期間克服實際約束條件，例如當(dāng)復(fù)合材料為較大結(jié)構(gòu)的一部分且RF源無法在實踐中放置于較大結(jié)構(gòu)內(nèi)部時。掃描單元陣列(或包含若干單元陣列的單元網(wǎng)絡(luò))的另一主要優(yōu)點(diǎn)是減少的掃描時間以及實時掃描的可能性。舉例來說，在制造航空航天結(jié)構(gòu)的情況下，優(yōu)選的是當(dāng)航空航天結(jié)構(gòu)接近完成時施加呈薄片狀形式的探針。因此，探針陣列可集成到測試結(jié)構(gòu)中，其中探針陣列必須放置在接近于測試材料處。舉例來說，在簡單的復(fù)合材料樣本測試期間，探針陣列可在外部并位于復(fù)合材料的頂部表面上。結(jié)構(gòu)(例如航空器)的監(jiān)測也可通過在可疑區(qū)域中的探針陣列的外部位置來執(zhí)行。然而，優(yōu)選地，將探針陣列加載于內(nèi)部表面上，且作為中心薄片集成到結(jié)構(gòu)中。以此方式，探針陣列變成用于到達(dá)其下方的復(fù)合材料的漸逝場的集成場測量和發(fā)射裝置。預(yù)計，當(dāng)用于測試具有其自身的“神經(jīng)系統(tǒng)”的下一代材料時，此中心薄片也可為材料本身的一部分。圖7展示用于從復(fù)合材料接收信號的不同方法。舉例來說，圖7中的探針P可為充當(dāng)探針和源兩者的同軸探針?；蛘撸结楶可為下文參看圖8所描述的類型的高阻抗探針。在圖7(A)中，包含單個天線的單個探針P可在復(fù)合材料的區(qū)域上方以機(jī)械方式步進(jìn)。舉例來說，此接收器適合于掃描個別面板，所述個別面板可易于接達(dá)且不必形成較大結(jié) 構(gòu)的一部分。如圖7(B)所示的具有電子開關(guān)的ID探針陣列A可在一個方向上沿著復(fù)合材料移動。舉例來說，包含復(fù)數(shù)個探針P的ID探針陣列A可有利地在形成結(jié)構(gòu)的一部分的面板上猛擊或可用以測試隔離的個別面板。圖3(C)展示在探針中的天線之間具有電子開關(guān)的2D探針陣列?；蛘?，2D探針陣列可具有多個信號通道。2D天線陣列適合于掃描個別面板或結(jié)構(gòu)內(nèi)的面板，然而，這種類型的接收器優(yōu)選地用以掃描單元陣列，其中所述陣列可在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成蜂窩式網(wǎng)絡(luò)?？蓸?gòu)建所述復(fù)數(shù)個單元以對應(yīng)于可充當(dāng)復(fù)合材料“神經(jīng)系統(tǒng)”的無線蜂窩式網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。2D天線可用于多通道攝影術(shù)(以創(chuàng)建2D或3D色彩圖，如上文所解釋)。圖8展示可在圖7(B)或7(C)中所表示的天線陣列中使用的個別天線。圖8的天線表示高阻抗探針，其非常適合于零差或類似的接收系統(tǒng)，其用以測量此信號的振幅或其諧波。將了解，高阻抗探針可在此項技術(shù)中已知的任何接收系統(tǒng)(包括外差和零差系統(tǒng)兩者)中使用。然而，零差系統(tǒng)在存在相對較高的環(huán)境噪聲的情況下具有較高性能。零差系統(tǒng)在存在對源的直接接達(dá)時尤其適合。在零差系統(tǒng)中，源信號和所接收的信號經(jīng)混頻以獲得含有所需信息(在此情況下，局部漸逝場)的幾乎DC電平信號。有利地，從處于稍微不同的頻率下的任何其它信號獲得的噪聲電平平均為零。因此，零差接收系統(tǒng)提供極窄的信號濾波,通常小于O. IHz。應(yīng)注意，圖8的高阻抗探針P僅可充當(dāng)探針而不可充當(dāng)源。所述高阻抗探針還稱為基于電壓的天線或有源天線，且提供其可在非常寬的帶寬上操作并可非常緊湊(高達(dá)比它們的電磁波長小若干數(shù)量級)的優(yōu)點(diǎn)。圖8 (A)到8 (C)展示復(fù)合材料表面點(diǎn)C與有源探針P之間的連接。有源探針P可用以掃描復(fù)合材料的相對較小區(qū)域，例如在毫米范圍內(nèi)，且因此稱為小區(qū)域探針P。小區(qū)域探針P可形成高阻抗探針陣列的元件。探針P與復(fù)合材料的表面間隔開一個間隙。因此，小區(qū)域探針P電容性地耦合到復(fù)合材料的局部表面漸逝場。假設(shè)小區(qū)域探針P處于高阻抗區(qū)中且其未含有過多金屬而使得其扭曲漸逝場，那么探針P累積的電荷可為對所述復(fù)合材料區(qū)中的漸逝場的強(qiáng)度的如實再現(xiàn)。在優(yōu)選配置中，高阻抗探針可由彼此間隔開的相對較小金屬元件或稱為金屬“圓點(diǎn)”或“斑點(diǎn)”的微型元件制成，以避免擾亂漸逝場?；蛘?，金屬元件可為小導(dǎo)線環(huán)。圖8⑶和8 (C)展示高阻抗探針，其包含RF信號二極管整流器D以便對所檢測到的信號進(jìn)行整流。優(yōu)選地，二極管為鍺二極管，使得可檢測DC電壓，其并不電容性地耦合到相鄰線，如圖8(B)和8(C)所示。為了避免二極管從有源探針泄漏電荷且因此降低其電壓，諸如高阻抗JFET的場效應(yīng)晶體管的柵極可改為連接到所述探針，如圖8(D)所示。取決于測量的噪聲電平，此信號電壓可包括來自其它不想要的源的貢獻(xiàn)。在此情況下，圖8(D)中所示的探針可包含額外信號混頻區(qū)段(未圖示)，使得其與源頻率相乘。因此，在此基礎(chǔ)上，圖8(D)的探針可僅在源頻率下檢測信號分量，所有其它頻率平均為零。作為對圖8的高阻抗探針的替代方案，上文所描述的類型的同軸探針可用于網(wǎng)絡(luò)分析器中。圖9㈧展示圖5中所描述的類型的RF源，其在復(fù)合材料30內(nèi)引入電磁EM場。因此，所引入的EM場在復(fù)合材料30內(nèi)構(gòu)成電磁模式。又，電磁模式稱合到復(fù)合材料的漸逝表面場，其可接著用圖7(B)中所描述的類型的表面場探針陣列A來探測。在所掃描的表面點(diǎn)處所測量的電勢或電壓優(yōu)選地用(圖8中所展示的類型的)高阻抗探針來測量。在許多情況下，電勢或電壓與表示那點(diǎn)處的電分量與磁分量的比率的表面阻抗成比例。網(wǎng)絡(luò)分析器還可通過測量相位(在那點(diǎn)處從同軸探針反射回的電力的振幅)來獲得表面阻抗。圖9 (B)展示有源天線探針陣列A的陣列，其探測與陣列間隔開一個間隙的復(fù)合材料單元C的表面。來自探針陣列的數(shù)據(jù)在針對單元C的共同收集點(diǎn)中收集,所述收集點(diǎn)還稱為單元集線器H。探針?biāo)鶞y量的表面漸逝場在經(jīng)由間隔物(未圖示)穩(wěn)定的區(qū)中形成。優(yōu)選地，探針的金屬含量盡可能地少，以便避免表面漸逝場的加載和扭曲。因此，每一天線探針的電極(和因此存儲在電極上的電荷)優(yōu)選地由具有非常短的長度的導(dǎo)體接達(dá)。短長度導(dǎo)體可饋入到例如圖9(C)中所示的類型中的任一者的高阻抗緩沖器中。除了電路中的這個點(diǎn)(緩沖器)之外，對表面場的敏感性由于降低的線阻抗以及同軸線的屏蔽而大大降低。圖9(C)到9(E)展示適合于從探針陣列A搜集信息以饋入到單元集線器H中的三 個電路。所述三個電路中的每一者發(fā)射關(guān)于由有源天線探針陣列A (圖9B中所示)檢測到的漸逝場的強(qiáng)度的信息。圖9(C)中所示的第一電路使用低通濾波器F，其允許將幾乎DC電平信號沿著薄同軸線(微型同軸電纜MC)傳遞到接收器。圖9(D)中所示的第二電路包含電壓/頻率轉(zhuǎn)換器VFC而非圖9(C)的低通濾波器。在將信號發(fā)射(例如)穿過噪聲傳輸區(qū)時，在檢測點(diǎn)處將電壓轉(zhuǎn)換為高頻率較好地保存信息。在一些情況下，可改為使用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖9(E)中所示的第三電路也用于潛在的噪聲環(huán)境。電路包含電壓/頻率轉(zhuǎn)換器VFC和光學(xué)調(diào)制器0M，例如發(fā)光二極管，其可將信號經(jīng)由光纖OF發(fā)射到接收器(未圖示)。有利地，此電路不受電學(xué)噪聲影響，且確保在單元集線器處接收到高質(zhì)量數(shù)據(jù)。圖10展示用于在不用導(dǎo)體“加載”場的情況下以電學(xué)方式俘獲復(fù)合材料面板的表面漸逝場的方法(如果“加載”場，那么其被扭曲且其強(qiáng)度由于導(dǎo)體的存在而顯著地降低)。這種方法可如實地從面板的上側(cè)或下側(cè)俘獲漸逝場的分布。同步(零差)接收器用以依靠以所定義的順序?qū)€別探針(PU P2、…、pN)中的每一者連接到接收器的電子開關(guān)依據(jù)位置提供對小射頻信號的極窄帶濾波(通常，小于O. 1Hz)。探針可為圖8中所示的類型的高阻抗探針。 圖11展示使用網(wǎng)絡(luò)分析器以用于在探針(pi、p2、…、pN)處檢測電場的檢測方法，所述探針通常為同軸探針。RF源可并入在每一探針(pl、p2、…、pN)內(nèi)，且探針阻抗可經(jīng)測量以又獲得復(fù)合材料的表面阻抗。同軸探針可為開口同軸線，其中從同軸線的端點(diǎn)發(fā)射并接收信號。同軸線的端點(diǎn)上的電荷可由于漸逝場的差異而改變。網(wǎng)絡(luò)分析器可經(jīng)配置以檢測所接收的信號的振幅和相位的改變。電荷的改變還可轉(zhuǎn)換為由電分量與磁分量的比率和/或損耗角正切表示的場阻抗的改變。圖12展示用于經(jīng)由本征感測檢測復(fù)合材料面板中的損壞的復(fù)合材料面板的代表性圖像。在此應(yīng)用中使用采用同軸探針陣列(如圖4(B)中所表示)的無線電幾何結(jié)構(gòu)。圖13(A)展示有可能由復(fù)合材料制成的客機(jī)零件的列表，而圖13(B)表示其中調(diào)查客機(jī)尾翼的根區(qū)以查找疲勞損壞的測試場景。疲勞損壞還稱為“緩沖”，可在此區(qū)中由于航空器尾部的振蕩應(yīng)力和張力而出現(xiàn)。這使得需要連續(xù)監(jiān)測此區(qū)，所述監(jiān)測可使用根據(jù)本發(fā)明的方法來實現(xiàn)。在此場景中，半柔性薄片300可在組裝之前或之后固定在根區(qū)處。此外，探針可并入到柔性天線/探針薄片中，其可使用柔性電子技術(shù)。場感測裝置400用于掃描所述區(qū)的地形，而RF源100用以根據(jù)本發(fā)明激發(fā)低頻率EM模式。圖14展示使用上文所描述的方法檢測到的非均勻橡膠復(fù)合材料的被檢測到的扭曲場。如上文所解釋，表面漸逝場的扭曲可用圖8和9中所描述的類型的“導(dǎo)線”天線或探針P獲得。扭曲的電場含有關(guān)于材料中存在的任何缺陷的信息。相反，用標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)線天線SA檢測到的表面漸逝場是平滑的，且因此不顯露材料中的缺陷。在測量大復(fù)合材料結(jié)構(gòu)期間，控制中心可用以檢測在特定單元地址處發(fā)生的數(shù)據(jù)俘獲事件。這觸發(fā)數(shù)據(jù)俘獲過程。當(dāng)這發(fā)生時，在相關(guān)單元中產(chǎn)生源RF信號。此信號被發(fā)射貫穿(即，穿透)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。所述信號可通過所述結(jié)構(gòu)的任何分層導(dǎo)電/絕緣區(qū)來增強(qiáng)。所述信號被反射貫穿所述材料，從而以最簡單的近似創(chuàng)建復(fù)合材料的空間導(dǎo)電性的“陰影”。在表面處，此信息在由探針檢測的漸逝波中作為電壓信號。外差或零差方法可接著用以測量此信號的振幅或其諧波。圖15表示從由多個面板形成的大復(fù)合材料結(jié)構(gòu)收集結(jié)構(gòu)健康數(shù)據(jù)?？筛鶕?jù)上文所描述的方法來掃描許多復(fù)合材料單元。所述單元可用與所述單元內(nèi)的單個源相關(guān)聯(lián)或者與所述單元內(nèi)的多個照明源相關(guān)聯(lián)的許多陣列探針來掃描。通過在所述單元內(nèi)包括開關(guān)構(gòu)件和接收系統(tǒng)，有可能收集針對整個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)將電磁場表達(dá)為位置的函數(shù)的集成原始數(shù)據(jù)組。所述數(shù)據(jù)接著在中心點(diǎn)處集成。所述數(shù)據(jù)可接著進(jìn)行存儲(SI)、處理(S2)，且可獲得圖像數(shù)據(jù)(S3)。或者，如果不是立即需要反饋，那么可離線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。一旦已經(jīng)從個別單元的網(wǎng)絡(luò)收集到數(shù)據(jù)，其便可接著集成為表示整個結(jié)構(gòu)的漸逝場的原始數(shù)據(jù)組。第一個處理步驟是通過選擇使用例如此項技術(shù)中已知的貝氏濾波器(Bayesian filter)等濾波器而減少噪聲以及任何運(yùn)動模糊來恢復(fù)。下一個處理步驟是辨識具有特定特征的幾何對象。為了提取特定類型的損壞的特征，本發(fā)明的發(fā)明人使用在數(shù)字上和實驗上從復(fù)合材料偽晶體結(jié)構(gòu)確定的漸逝場紋理的所建立庫來訓(xùn)練算法。這些漸逝場紋理具有唯一的空間頻率分量且是不同損壞/故障類型的簽名。圖像算法可使用此數(shù)據(jù)庫來對空間頻率簽名去卷積以暴露特定結(jié)構(gòu)位置處的損壞。這些圖案接著用特定顏色來加標(biāo)簽。因此，用于那個特定頻率片段的圖像成為經(jīng)色彩編碼的圖像。最終用戶圖像接著組合這些頻率片段以產(chǎn)生3D圖像。為了進(jìn)行處理，所俘獲的數(shù)據(jù)需要解譯(數(shù)據(jù)“診斷”)。數(shù)據(jù)可由適合于識別所述數(shù)據(jù)中的圖案的軟件來解譯。這可包括如下文中將較詳細(xì)地描述的3D成像方法，以及其它圖像分析方法。舉例來說，用于確定對象特征的圖像分析方法可基于此項技術(shù)中已知的內(nèi)插和去馬賽克以及其它方法，無論哪一個都可包括低通濾波器和貝氏解譯(Bayesianinterpretation)來減少噪聲。為了輔助解譯，損壞/故障類型及其對應(yīng)的無線電簽名的庫可經(jīng)編譯以供參考。故障類型包括裂紋、張力/應(yīng)力/疲勞，或溫度，以及其它。另外，這些方法可提供對在復(fù)合材料內(nèi)的結(jié)晶性的測量，其可為用以評估復(fù)合材料損壞的重要標(biāo)準(zhǔn)/度量。
對于大規(guī)模結(jié)構(gòu)需要數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可用以按合適的時間間隔周期性地記錄數(shù)據(jù)(非常像個人計算機(jī)收集并記錄其動作那樣)。舉例來說，如果在此間隔期間采取測試，那么可一天兩次或三次記錄數(shù)據(jù)。如果實時地進(jìn)行測試，那么數(shù)據(jù)記錄更頻繁。檢查數(shù)據(jù)記錄可接著有用于診斷任何問題且標(biāo)記任何待決問題。能夠處理來自復(fù)合材料的漸逝場的經(jīng)卷積的結(jié)構(gòu)信息的決定性部分需要理解穿透復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的體電磁場。應(yīng)注意，內(nèi)部場由復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)確定，尤其是其結(jié)晶性程度和次序，這些可由損壞減小(如圖3中所示)。為了幫助對從體傳遞到漸逝場的結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行去卷積，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)編譯了通過從其已經(jīng)在真實復(fù)合材料中辨識到的單位單元構(gòu)建虛擬材料來導(dǎo)出的電磁簽名的庫。此項技術(shù)中已知(且圖16中表示)的Yee單元(Yee cell)方法用以解決電磁場結(jié)構(gòu)關(guān)系且覆蓋廣闊的頻率范圍，尤其是到低頻率，其中電磁場通常由“漫射”描述?！奥洹鄙婕爱?dāng)波長變得非常大(例如高達(dá)比原始值大10倍)時電磁相互作用的簡化。在此制度下，相位可視為可忽略不計的。然而，此簡化可導(dǎo)致缺陷可見到為獲得圖像中的陰影。有利地，Yee單元方法不需要此簡化。尤其是在漫射適用的低頻率下，這種方法恢復(fù)材料的各向異性導(dǎo)電性。Yee單元方法包含六個時間推進(jìn)函數(shù)Hx C5T = 《+ U>—?dú)?U —W她*
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_0]Ex^Ce\JjtAL · 腳AC = 為L+c*:UL.(CEbQ = Ca^-(CO、IJBxCm -醫(yī)U圖17展示含有來自復(fù)合材料中的不同深度的結(jié)構(gòu)信息的各種圖像平面如何在漸逝場中“集合”且需要去卷積。圖17中所示的用于構(gòu)建3D圖像的方法涉及在一系列不同頻率下獲得圖像且將衰退函數(shù)歸于每一成像特征。舉例來說，較高頻率可檢測表面特征且在所獲得的圖像中較強(qiáng)烈地呈現(xiàn)所述表面特征，而較低頻率在相對意義上檢測較少的表面信息和較多的較深內(nèi)部結(jié)構(gòu)。借助這種方法，可提取特征及其深度信息兩者。圖18表示可單獨(dú)地或結(jié)合上文所描述的成像方法來使用的用于獲得立體圖像的成像方法。一半數(shù)目的探針可用以在一個位置處獲得第一圖像(圖像I )，而另一半探針可用以測量來自等于探針元件之間的間隔的稍微移位的參考點(diǎn)的圖像(圖像2)。根據(jù)圖像I和圖像2，可使用常規(guī)的立體技術(shù)來獲得立體圖像。復(fù)合材料通常由加強(qiáng)物和基體構(gòu)成，用于航空航天且尤其是客機(jī)的加強(qiáng)物通常為碳纖維或凱夫拉爾(Kevlar)?；w通常是熱固性環(huán)氧樹脂或熱塑性聚酯、乙烯基酯或尼龍。結(jié)果是碳纖維加強(qiáng)的聚合物或碳纖維加強(qiáng)的塑料(CFRP或CRP)。對于這些高級復(fù)合材料的典型航空航天應(yīng)用是超高性能壓力容器、火箭發(fā)動機(jī)殼體和發(fā)射管。對于本征傳感器應(yīng)用，相對絕緣基體中的導(dǎo)電纖維產(chǎn)生顯著電學(xué)周期性，其可由根據(jù)本發(fā)明的方法利用。導(dǎo)致電 學(xué)性質(zhì)中的顯著周期性的其它加強(qiáng)物材料選項包括金屬、半導(dǎo)體、復(fù)合粒子(例如，金屬或絕緣體)或基體中的孔洞。使用根據(jù)本發(fā)明的本征感測方法，可在制造期間以及在最終應(yīng)用內(nèi)獲得對關(guān)于結(jié)構(gòu)材料的信息的快速接達(dá)。與當(dāng)前SHM系統(tǒng)和方法相比，以非常低的成本便利地實現(xiàn)所述感測?？捎帽景l(fā)明檢測的復(fù)合材料的缺陷表示的復(fù)合材料的性質(zhì)的典型改變包括纖維破裂、微裂紋、分層、外來物體或污染物、撞擊損壞和多孔性。術(shù)語“多孔性”大體上指代由截留空氣或在固化過程期間釋放的揮發(fā)性氣體造成的空隙。受基體控制的特征(例如抗壓強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度)受多孔性影響。大體上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，層間剪切強(qiáng)度每1%的空隙減少大約7%，直到約7%的總空隙含量。用于在復(fù)合材料中檢測多孔性的技術(shù)可廣義地分類為以下各項中的一者直接成像、與單個超聲頻率相關(guān)(窄帶方法)或與超聲頻率斜率相關(guān)(寬帶方法)。與衰減曲線的頻率斜率相關(guān)已經(jīng)被成功證實且已經(jīng)廣泛應(yīng)用。還似乎存在作為漸增的空隙含量的函數(shù)的斜率的近似線性變化。在使用空隙含量與衰減斜率之間的相關(guān)的情況下，已經(jīng)以超聲方式確定空隙含量并且將其與通過酸消化法破壞性地確定的空隙含量進(jìn)行比較。雖然差異可能較微小，但例如根據(jù)本發(fā)明的方法等高級成像技術(shù)幫助確定所掃描樣品中的富含基體或缺乏基體的區(qū)域。此外，纖維/基體分布、纖維波度和纖維定向是復(fù)合材料的重要顯微結(jié)構(gòu)性質(zhì)。粒子的環(huán)境的改變還可由于材料內(nèi)隨時間的蠕變或不穩(wěn)定性而發(fā)生，這可使材料的性能降級。所有這些性質(zhì)可使用根據(jù)本發(fā)明的方法來很好地檢測。所采用的材料通常為構(gòu)造材料，其中尋找關(guān)于磨損、損壞或溫度的信息。有利地，可采用常規(guī)復(fù)合材料以便提供關(guān)于材料的環(huán)境的改變的信息，所述改變例如為應(yīng)力、張力、體積扭曲或密度波動的改變。此外，通過開發(fā)模型和軟件，可關(guān)聯(lián)返回的信號以確定材料的溫度、pH、水化污染、輻射或結(jié)冰。因此，本發(fā)明具有許多重要優(yōu)點(diǎn)。舉例來說，其允許連續(xù)或選擇性地收集關(guān)于關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組件(例如用于航空航天行業(yè)的結(jié)構(gòu)組件(例如航空器機(jī)翼、面板、螺栓、容器和密封件)和用于油氣行業(yè)的智能密封件)的數(shù)據(jù)，而不需要在結(jié)構(gòu)上或結(jié)構(gòu)中安裝任何額外傳感器，安裝額外傳感器可能會削弱所述結(jié)構(gòu)。因為這些本征傳感器使用常規(guī)材料，所以在一些情況下，本征感測材料是已經(jīng)可用的。舉例來說，用于航空航天應(yīng)用的某些碳纖維層狀結(jié)構(gòu)為準(zhǔn)晶體。這還呈現(xiàn)經(jīng)濟(jì)得多的SHM系統(tǒng)，從而在越來越多地使用復(fù)合材料來形成此類結(jié)構(gòu)組件的行業(yè)中減少航空器維修成本。用于在航空航天工程中測試復(fù)合材料的現(xiàn)有方法包括(例如)超聲換能器和水浴中的復(fù)合材料樣本以獲得2D圖像，或硬幣輕敲方法，其中“收聽” “聲音”。有利地，本發(fā)明允許在不需要利用水浴的情況下測試此類材料。此外，根據(jù)本發(fā)明的測試系統(tǒng)可小型化，且提供便攜性優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明還具有低功率消耗(僅需要若干毫瓦功率)。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于其允許非常快速地俘獲數(shù)據(jù)，且可實時地收集組件的磨損或疲勞狀態(tài)，使得更換時間清楚，且組件的制造和使用中的停機(jī)時間、控制和操作成本得以降低。制造過程還可用來自材料內(nèi)部的反饋嚴(yán)密地監(jiān)測并優(yōu)化。此外，在管道感測的領(lǐng)域中，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法有利地實現(xiàn)連續(xù)張力的監(jiān)測，從 而允許操作者防止例如泄漏等問題出現(xiàn)。相反，只要一旦已經(jīng)發(fā)生泄漏，當(dāng)前光纖技術(shù)便辨識分別指示在液體或氣體系統(tǒng)中存在泄漏的“熱點(diǎn)”或“冷點(diǎn)”。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于其改善監(jiān)測系統(tǒng)(例如井底監(jiān)測)的穩(wěn)健性，從而移除了對連接器和導(dǎo)線的需要。還移除了對傳感器裝置具有單獨(dú)電源的需要，因為經(jīng)由無線交互來向感測元件提供電力。其它應(yīng)用領(lǐng)域包括復(fù)合材料質(zhì)量控制、航空器和高速汽車制動系統(tǒng)、土木結(jié)構(gòu)或人類健康監(jiān)測、核電站和化工廠中的壓力監(jiān)測、隔熱罩和頭錐的溫度測量，以及空間站、鐵路線和油輪中的裂紋檢測。為了在苛刻環(huán)境中獲得可靠性，本發(fā)明可利用所述結(jié)構(gòu)作為傳感器。一個良好實例是測量導(dǎo)管內(nèi)部的水粘性。復(fù)合材料航空器機(jī)翼在使表皮與支撐框架配對的表面處并入有本征感測粘合劑。這些區(qū)域通常是面板或其它承載結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力熱點(diǎn)，且傳達(dá)關(guān)于其機(jī)械狀態(tài)的信息。為此，在結(jié)合點(diǎn)處可以得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵機(jī)械信息。
權(quán)利要求
1.一種感測系統(tǒng)，其包含 包含基體和復(fù)數(shù)個非絕緣粒子的材料，所述非絕緣粒子在所述基體內(nèi)大致上是等間隔的，使得材料在至少一個維度中具有相干電學(xué)周期性；以及 接收器，其經(jīng)布置以接收源RF信號和返回的RF信號，所述源RF信號由所述非絕緣粒子反射以產(chǎn)生所述返回的RF信號； 其中，所述非絕緣粒子中的一者或一者以上的位置的改變致使所述返回的RF信號改變，使得可根據(jù)所述返回的RF信號確定所述材料的性質(zhì)的改變。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述基體為非導(dǎo)電基體，且所述非絕緣粒子為導(dǎo)電粒子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述導(dǎo)電粒子包括碳粒子、碳纖維、石墨烯、鋁粒子、銀粒子、銅粒子、金粒子和碳納米管中的至少一者。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述非絕緣粒子為半導(dǎo)體粒子。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其中所述非絕緣粒子為包含金屬和絕緣體的復(fù)合粒子。
6.根據(jù)任一先前權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述絕緣基體包含聚合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述絕緣基體包含熱固性環(huán)氧樹脂、熱塑性聚酯、乙烯基酯或尼龍中的至少一者。
8.根據(jù)任一先前權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述材料在至少一個維度中具有相干周期性導(dǎo)電性。
9.根據(jù)任一先前權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述材料在至少一個維度中具有相干周期性介電常數(shù)。
10.根據(jù)任一先前權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述返回的RF信號的所述改變?yōu)檎穹淖儭㈩l率改變、相移或干擾效應(yīng)改變中的任一者。
11.根據(jù)任一先前權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述材料的性質(zhì)的所述改變?yōu)榱Ｗ悠屏?、微裂紋、分層、污染物、基體撞擊損壞或多孔性改變中的任一者。
12.根據(jù)任一先前權(quán)利要求所述的系統(tǒng)，其中所述接收器經(jīng)布置以接收環(huán)境RF信號。
13.—種感測材料的性質(zhì)的改變的方法，所述材料包含基體和復(fù)數(shù)個非絕緣粒子，所述非絕緣粒子在所述基體內(nèi)大致上是等間隔的，使得所述材料在至少一個維度中具有相干電學(xué)周期性，所述方法包含以下步驟 用源RF信號詢問所述材料； 接收從所述非絕緣粒子反射的返回的RF信號；以及 根據(jù)所述非絕緣粒子中的一者或一者以上的位置的改變引起的所述返回的RF信號的改變確定所述材料的所述性質(zhì)的所述改變。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中詢問所述材料包含使用單個機(jī)械探針掃描所述材料的所述表面。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中詢問所述材料包含用電子多探針沿ID或2D路徑掃描所述材料的所述表面。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中詢問所述材料包含像天線那樣激發(fā)所述材料，以產(chǎn)生表面場分布。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中詢問所述材料進(jìn)一步包含使用單個機(jī)械探針掃描所述表面場分布。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中詢問所述材料進(jìn)一步包含使用電子多探針掃描所述表面場分布。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述探針為具有電子開關(guān)或多個信號通道的2D探針陣列。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其進(jìn)一步包含將所述2D探針陣列放置在柔性探針薄片中。
21.根據(jù)權(quán)利要求12到20所述的方法，其中所述源RF信號是經(jīng)調(diào)制的。
22.根據(jù)權(quán)利要求12到21所述的方法，其中所述材料通過摻雜半導(dǎo)體材料來獲得，以實現(xiàn)所述相干電學(xué)周期性。
23.根據(jù)權(quán)利要求15到22所述的方法，其中所述材料包含復(fù)數(shù)個單元，且其中每一單元表示一個天線元件。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述復(fù)數(shù)個單元經(jīng)耦合并形成單元陣列。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中所述復(fù)數(shù)個單元經(jīng)由所誘發(fā)的經(jīng)調(diào)制的RF電流來耦合。
26.根據(jù)權(quán)利要求17到25所述的方法，其中所述探針陣列包含至少一個高阻抗探針。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述高阻抗探針包含復(fù)數(shù)個金屬微型元件。
28.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其中所述高阻抗探針為二極管整流器或場效應(yīng)晶體管的柵極。
29.根據(jù)權(quán)利要求27或28所述的方法，其中所述返回的RF信號由零差接收器接收。
30.根據(jù)權(quán)利要求12到29所述的方法，其中詢問所述材料包含在所述材料內(nèi)引入電磁場模式，且其中接收所述返回的RF信號包含檢測所述材料的表面漸逝電磁場。
31.根據(jù)權(quán)利要求24到30所述的方法，其中所述復(fù)數(shù)個單元形成無線蜂窩式網(wǎng)絡(luò)。
32.根據(jù)任一先前權(quán)利要求所述的方法或系統(tǒng)，其中確定所述材料的所述性質(zhì)的所述改變包含所述復(fù)合材料的2D或3D成像。
33.根據(jù)任一先前權(quán)利要求所述的方法或系統(tǒng)，其中確定所述材料的所述性質(zhì)的所述改變包含檢測所述材料的各向異性電導(dǎo)率。
34.根據(jù)任一先前權(quán)利要求所述的方法或系統(tǒng)，其中所述材料的所述性質(zhì)為結(jié)晶性。
35.根據(jù)權(quán)利要求13到32所述的方法，其包含根據(jù)權(quán)利要求I到12所述的系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種感測系統(tǒng)，其包含由基體和復(fù)數(shù)個非絕緣粒子(40)形成的材料(30)，所述非絕緣粒子在所述基體內(nèi)大致上是等間隔的，使得所述材料在至少一個維度中具有相干電學(xué)周期性；以及接收器(10)，所述接收器經(jīng)布置以接收源RF信號和返回的RF信號，所述源RF信號由所述非絕緣粒子反射以產(chǎn)生所述返回的RF信號。所述非絕緣粒子中的一者或一者以上的位置的改變致使所述返回的RF信號改變，使得可根據(jù)所述返回的RF信號來確定所述材料的性質(zhì)的改變。
文檔編號G01N22/02GK102933956SQ201180026603
公開日2013年2月13日 申請日期2011年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者克里斯托弗·羅賓·洛, 卡瑞詩瑪·杰恩, 阿德里安·卡爾·史蒂芬遜 申請人:帕拉馬塔有限公司