[发明专利]感测系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及感测系统和方法。

背景技术

结构健康监视(SHM)是在例如民用、结构和航空航天工程技术等工业中吸引越来越多的关注的技术领域。SHM的目标在于使用传感器收集关于关键结构元件的数据，以便提供在结构中检测到的反常的指示器，进而监视其可靠性和安全性。当前的SHM系统需要在所关注的任何结构的重要点处安装一个或一个以上传感器，传感器的类型取决于待感测的所关注的特定参数。这可使此类系统安装起来昂贵且耗时，同时传感器的实时、连续监视实际上是不切实际的。

已知系统的一个缺点在于用于现代飞行器中的复合材料使当前的SHM技术显得过时，从而在此产业中产生当前技术不能满足的需求。

越来越多地使用复合材料的其它产业是：油气产业，其中监视例如密封件和垫圈等组件的疲劳度是关键的；例如隧道和管道网等地下结构；以及军事飞行器和潜艇技术，其中可靠性和安全性是极为重要的。

这些优点与医疗部门相关，其中需要监视植入的组件、心瓣膜和髋关节的可靠性和安全性；对于环境感测，其中可用低成本的稳健材料跟踪水或空气中的污染；对于高级制造，其中可在生产过程期间跟踪材料(尤其是复合材料)以提高塑料零件的质量；以及对于不利或不可接近位置中的应用，例如太空或使用例如涡轮等旋转组件的位置。

上文所描述的技术领域需要可靠的且准确的无线感测，以便选择性地或连续地监视不可直接接近以进行严格检查的结构。

本发明寻求克服上文概述的问题。

发明内容

根据本发明，提供一种感测系统，其包括：

具有基质结构的材料，多个感测元件内嵌在所述基质结构中，所述感测元件具有响应于所述材料的物理或化学特性中的改变而改变的电子分布和/或输送特性；以及

包含天线的接收器，所述接收器经布置以接收源RF信号和返回的RF信号，所述返回的RF信号是从所述材料接收到的；

其中所述感测元件的所述电子分布和/或输送特性中的改变致使所述源RF信号改变，使得可根据所述返回的RF信号确定所述材料的特性中的改变。

本发明还提供一种感测材料的特性中的改变的方法，所述材料具有基质结构，多个感测元件内嵌在所述基质结构中，所述感测元件具有响应于所述材料的物理或化学特性中的改变而改变的电子分布和/或输送特性，所述方法包括以下步骤：

用源RF信号询问所述材料；

从所述材料接收返回的RF信号；以及

根据由所述感测元件的所述电子分布和/或输送特性中的改变引起的所述返回的RF信号中的改变来确定所述材料的特性中的改变。现在将参考附图详细描述本发明，附图中：

附图说明

图1是根据本发明的系统的一实例的示意图；

图2是根据本发明的系统的另一实例的示意图；

图3a到3c展示在采用根据本发明的系统时获得的输出的实例；

图4a到4c展示在采用根据本发明的系统时获得的输出的其它实例；

图5展示空气中的与粘稠溶液接触的石英芯片的谐振的图表；

图6展示代表碳纳米管(CNT)聚合物复合物的微波谐振的图表；

图7展示9Ghz下多壁纳米管复合物对不具有纳米管的样本的微波谐振的图表；

图8展示代表递减的压力(从左到右)的GHz谐振的图表；

图9展示响应于接触压力和气体/静水压力的O形环本征传感器几何形状；

图10展示复合导管本征传感器几何形状，其中声学上谐振的颗粒通过壁而并入，但仅内表面上的颗粒处于振荡的有利条件且具有与溶液粘度相关的衰减；

图11展示复合飞行器翼，其在表面处并入本征感测粘合剂，从而使表层与支撑框架相配，从而提供对不结合和结合点处的张力的反馈，在所述结合点处结构力常处于其最高值；

图12展示用于监视热瓦片的完整性的本发明；以及

图13展示基于环境测量方法的本征感测系统的示意图。

具体实施方式

参看图1，展示具有天线2的无线收发器1的示意图。材料3(例如，聚合物材料)的一部分具有基质结构，多个感测元件4内嵌在所述基质结构中，使得所述感测元件4分散在所述基质材料3内并被基质材料3围绕。感测元件4具有响应于所述材料的物理或化学特性中的改变而改变的电子分布和/或输送特性。此行为导致从收发器1经由天线2发射的用以询问基质材料3的射频(radio frequency，RF)信号(例如，微波信号)中的改变，使得可根据所接收的信号确定材料中的改变。以此方式，感测元件4允许对材料的特性中的改变进行非侵入性、本征的感测。