[發明專利]用于結構健康監測的納米粒子墨水基壓電傳感器分布式網絡的方法和系統

在審

• 申請號: 201210295064.X
• 申請日: 2012-08-17
• 公開（公告）號: CN102954893A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發明（設計）人: J·L·杜斯;S·R·約翰斯頓
• 申請（專利權）人: 波音公司
• 主分類號: G01M99/00
• 分類號: G01M99/00;G01D5/12
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 趙蓉民

技術領域

本公開大體涉及結構健康監測方法和系統，并且更具體地涉及使用被沉積在結構的表面上的納米粒子傳感器的結構健康監測方法和系統。

背景技術

例如微型傳感器的小傳感器可以被用于包括結構健康監測（SHM）系統和方法的各種應用來連續地監測例如復合材料或金屬結構的結構，并且測量結構特征以及應力和應變水平，以便評估結構的性能、可能損壞和當前狀態。公知的SHM系統和方法可以包括使用被集成到聚酰亞胺基體或其他適當基體上的小的剛性的陶瓷圓盤傳感器。這些公知的傳感器通常使用粘結劑被手動粘結到結構。這種手動安裝會增加勞動力和安裝成本，并且這種粘結劑會隨時間老化并且會導致傳感器脫離結構。此外，這些公知傳感器可以由堅硬的平面和/或脆性材料制成，而這會限制其使用，例如難以用在彎曲或非平面基體表面上。此外，這些陶瓷圓盤傳感器需要動力和通信配線且最少兩根電線連接到每個傳感器。這種配線會需要使用電線系繩、吊架、托架或其他硬件來連接和管理以便維持對配線的組織。這種配線和管理和組織配線的硬件會增加結構的復雜性和重量。

此外，公知傳感器系統和方法，例如微機電系統（MEMS）和方法，會包括使用納米粒子沉積在基體壓電傳感器，例如鋯鈦酸鉛（PZT）傳感器的用法。用于制造這種MEMS的公知方法可以包括用于直寫墨水的PZT粉末的熔融鹽合成。不過，應用由這樣的公知方法制造的PZT傳感器會受限于PZT傳感器的物理幾何形狀。這種物理幾何限制會導致不足的感測能力或者不足的致動響應。此外，由這樣的公知方法制造的PZT傳感器由于PZT傳感器制造方法的原因而不能夠應用于或被置于其功能非常重要的區域。例如，公知的熔融鹽合成方法會需要在比某些應用基體能夠容忍的溫度更高的溫度下進行。

此外，這樣的公知MEMS系統和方法還會包括使用具有納米粒子的傳感器，且所述納米粒子還沒有晶體化并且其比已經晶體化的納米粒子效率更低。非晶結構通常具有更大的無序性，從而導致對應變和電壓的響應敏感性減小，而晶體結構通常具有更大的內部有序性，從而導致對應變的響應敏感性增加并且操作能量的必要性減小。此外，傳感器的納米粒子對于某些公知的沉積過程和系統而言是過大的，例如噴射原子化沉積（JAD）過程，并且這種納米粒子會需要高溫燒結/結晶過程，而這會導致損壞對溫度敏感的基體或結構。

因此，本領域需要一種改進的方法和系統，其用于可以被用在結構的結構健康監測系統和方法中的納米粒子壓電傳感器分布式網絡，而這種改進的方法和系統提供了優于公知方法和系統的優點。

發明內容

滿足了對于一種改進的方法和系統的這種需要，且其中該方法和系統用于可以被用在結構的結構健康監測系統和方法中的納米粒子壓電傳感器分布式網絡。如下述具體描述中所討論的，系統和方法的實施例可以提供優于已有系統和方法的顯著優點。

在所公開的實施例中，提供一種用于監測結構的結構健康的系統。該系統包括針對結構健康待監測的結構。該系統還包括被沉積在結構上的納米粒子墨水基的壓電傳感器組件的分布式網絡。每個組件均包括多個納米粒子墨水基的壓電傳感器。每個組件還包括多個導電墨水動力和通信電線組件以用于互連多個傳感器。系統還包括墨水沉積設備以用于將納米粒子墨水基的壓電傳感器組件分布式網絡沉積在結構上。系統還包括向分布式網絡提供電動力的電源。系統還包括數據通信網絡，其用于經由來自傳感器的一個或更多個信號檢索和處理結構的結構健康數據。結構可以具有非彎曲或平面表面、彎曲或非平面表面或者非彎曲或平面表面和彎曲或非平面表面的組合。納米粒子墨水基的壓電傳感器組件可以被沉積在結構的表面上且一層或更多層的絕緣物、涂層或漆處于結構主體和傳感器組件之間。

在本公開的另一實施例中，提供一種監測結構的結構健康的方法。方法包括提供針對結構健康待監測的結構。方法還包括經由墨水沉積過程將多個納米粒子墨水基壓電傳感器以及用于互連多個傳感器的多個導電墨水動力和通信電線組件沉積在結構上以形成納米粒子墨水基壓電傳感器組件的分布式網絡。方法還包括經由電源向分布式網絡提供電動力。方法還包括使用數據通信網絡經由來自傳感器的一個或更多個信號檢索和處理結構的結構健康數據。