CN102132137B - 用芯片载光谱仪检测流体 - Google Patents

Abstract

一种用于在结构上的某位置处检测流体的流体检测装置包括：纳米级的芯片载光谱仪和用于在所述位置处吸收流体并将芯片固定至该结构的流体吸收元件。通过光谱仪分析由元件吸收的流体。

Description

用芯片载光谱仪检测流体

背景技术

众所周知，燃料泄漏发生在飞机燃料分配系统和存储箱中。燃料泄漏能够降低燃料经济性并导致其它问题，例如腐蚀。

腐蚀还可由于湿气积聚而发生。在商用飞机上，湿气通常积聚在厨房和盥洗室下面，并靠近门口和其它开口。湿气还能够被捕集在蜂窝状面板和具有较轻重量和较低强度的其它“夹层”结构中。

商用飞机上的湿气和由此导致的腐蚀经常发生在隐蔽位置，并且视觉检查腐蚀需要移开厨房、盥洗室、面板和地板，这需要耗费高额的成本。这种检查导致在飞机运载期间很长的停机时间和运载之后乘客机群的调度延误。

此外，湿气和腐蚀的视觉检查可能花费很多工时。该检查还非常昂贵，特别是当检查了飞机但没有发现湿气或腐蚀时。时间和金钱将已被浪费。

对飞机上的燃料泄漏和湿气积聚的持续检测能够识别潜在的问题。对燃料泄漏和湿气积聚的持续检测还能够减少人力劳动和所浪费的时间。因此，对飞机上的燃料泄漏和湿气的持续检测是非常可取的。

发明内容

根据本发明的实施例，用于在结构上的位置处检测流体的流体检测装置包括纳米级的芯片载光谱仪(spectrometer-on-a-chip)和流体吸收元件，该流体吸收元件用于在上述位置处吸收流体并且还将芯片固定至结构。通过光谱仪分析由该元件吸收的流体。

根据本发明的另一个实施例，航空航天平台包括易发生燃料泄漏或湿气积聚的结构和通过流体吸收元件固定至结构的不同位置的多个芯片。每个芯片包括用于对被相应元件吸收的流体进行光谱分析的光谱仪。

根据本发明的另一个实施例，给飞机配备湿气和泄漏检测的方法包括将多个芯片固定至易发生燃料泄漏或湿气积聚的结构。用吸收流体的材料固定芯片。每个芯片包括与吸收固定材料流体连通的光谱仪。每个光谱仪包括用于从吸收材料吸取(draw in)流体并对所吸取的流体进行光谱分析的装置。

根据本发明的另一个实施例，流体检测芯片包括基底、形成于基底中的流体通道、用于抽取流体使其通过通道的微流体泵、形成于基底上的半导体激光器、用于将来自半导体激光器的光聚焦到通道的位置上的由MEMS控制的光学系统、形成于基底上的检测器以及用于接收来自所述位置的光并将光谱线聚焦到检测器上的由MEMS控制的光栅。

附图说明

图1是固定至结构的流体检测器的图示说明；

图2是用于流体检测的芯片的图示说明；

图3是包括一个或更多个流体检测芯片的柔性带的图示说明；

图4a和图4b是柔性带的不同形状的图示说明；

图5是包括泄漏和湿气检测系统的航空航天平台的图示说明；

图6是使用来自一个或更多个流体检测芯片的数据的方法的图示说明；

图7是用于飞机上被联网的流体检测芯片的不同位置的图示说明；

图8是给飞机配备湿气和泄漏检测的方法的图示说明；

图9是操作湿气和泄漏检测系统的方法的图示说明；以及

图10是用于流体检测的芯片的图示说明。

具体实施方式

参考图1，其显示了用于检测来自结构100的泄漏或结构100内的湿气的流体检测器110。结构100不特别局限于任何结构。作为第一示例，结构100包括燃料箱，并且流体检测器110被配置为检测来自燃料箱的泄漏。作为第二示例，结构100包括液压管路，并且流体检测器110被配置为检测来自液压管路的泄漏。作为第三示例，结构100包括蜂窝状面板，并且流体检测器110被配置为检测面板内的湿气积聚。其它示例包括但不限于：被配置为检测飞机压力舱(aircraftpressure domes)、存储箱、燃料泵总成、燃料管路、燃烧瓶、货物区域和需要流体冷却的区域(例如，电子装置、环境控制系统部分)周围的泄漏。

流体检测器110包括芯片载光谱仪(spectrometer-on-a chip)120。芯片120能够对流体进行光谱分析以识别流体的成分，这能够区分流体的类型。区分流体的能力对于泄漏检测是有利的。例如，在燃料箱上，将泄漏燃料与湿气区分开的能力能够最小化错误警报的发生。

光谱仪可以基于MEMS(MEMS指微电机系统)。可以用半导体技术将纳米级基于MEMS的光谱仪制造在芯片120上。得到能够提供持续监测和分析泄漏和湿气的低成本、低功率光谱仪。

流体检测器110进一步包括用于将芯片120固定至结构100的元件130(例如，带、粘合剂)。元件130还具有流体吸收能力。这样，元件130吸收在它附近的结构100上的流体。之后由元件130吸收的流体被传送到光谱仪120并由光谱仪120进行分析。这样，流体吸收元件130使芯片载光谱仪120适于流体检测。流体吸收元件130还可以符合(conform)结构100的表面，以使其更易于固定至结构100。

用直线示意性地表示流体吸收元件130。实际上，元件130能够用不同的方式实现。下面将描述几个不同的实施例。作为一个示例，流体吸收元件130可以是吸湿性聚合物层。柔性聚合物层能够符合结构的表面。

在一些实施例中，流体吸收元件130可以是涂在或喷在结构表面上的粘性吸湿性材料。芯片120能够安装在所喷的材料上。喷吸湿性粘性材料对于在难以接近的区域中安装芯片特别有利。

在一些实施例中，芯片120可以与结构100是一体的。作为第一示例，在制造结构100期间，芯片120被嵌入结构100中。作为第二示例，结构100本身为芯片120提供基底，芯片120的元件(例如光谱仪)由此形成于结构100上。

所述结构不特别局限于任何结构。例如，通过将芯片置于壁之间并将它固定至核心，芯片可以与蜂窝状面板是一体的。芯片被置于流体可能积聚的位置。流体吸收元件130吸收聚积在面板内的流体。

现在参考图2，其显示了芯片210的示例，其包括纳米级基于MEMS的光栅光谱仪220。光谱仪220分析在检测区域250处的流体。例如，激光器产生光束，并且光束被聚焦到检测区域250处的流体上。光束可以通过由MEMS装置控制的聚焦光学器件来聚焦。检测区域250处的流体反射、分散并吸收光束。被传递的和分散的光被光栅反射，并被MEMS装置聚焦到光谱线中。光谱线被检测器例如线性CCD检测器检测。

芯片210进一步包括从流体入口235延伸并输送流体至检测区域250的流体通道230。流体入口235与流体吸收元件流体连通。

芯片210进一步包括用于输送流体通过通道230的泵240。泵240可以是医药工业中所使用的微流体泵类型。该泵能够从流体入口235抽取数纳升流体，使其通过流体通道230并经过检测区域250。

芯片210可以进一步包括电源260，其用于供应芯片上的电力。在一些实施例中，电源260可以包括存储装置，例如电池。

在一些实施例中，电源260能够从它所运行的环境中获取能量。考虑用于经受机械振动的结构的芯片210。电源260可以包括用于将振动转换为电能的压电装置。由压电装置释放的电能能够被存储在芯片210上并被芯片210使用。或者考虑经常暴露于太阳辐射的芯片210。电源260可以包括用于将阳光转化为电能的太阳能电池。能够获取的其它形式能量包括但不限于流体运动和温度梯度。能量获取能够与存储装置(例如电池)结合使用。

芯片210可以进一步包括通讯装置270。在一些实施例中，通讯装置270可以从芯片210传递原始数据到另一个装置(例如计算机)，所述另一个装置处理原始数据以确定泄漏是否已发生或湿气是否已积聚，或存储原始数据以用于将来的诊断。在一些实施例中，通讯装置270可以包括实时数字信号处理器，用于处理原始数据并将结果(例如警报)发送到另一装置(例如，维护计算机或中央网络站)，表明泄漏是否已发生或湿气是否已积聚。通讯可以是有线的或无线的。

该低功率芯片210可以执行“持续”监测。光谱仪220能够持续地采样检测区域250处的流体。

持续监测具有其优点。其中一个优点为，当泄漏和湿气积聚发生时，芯片210能够检测泄漏和湿气积聚。

本发明的监测系统可以包括单个芯片或多个芯片。一个或更多个芯片能够被置于结构易发生泄漏的位置。多个芯片能够被布置在覆盖结构的规则图案(例如，栅格)中。用多个芯片覆盖结构的优点在于能够定位泄漏和湿气积聚。

现在参考图3。在一些实施例中，流体吸收元件可以包括“柔性带”310。柔性带310包括由柔性电介质材料制成的载体320。一个或更多个芯片330被嵌入载体320中。导体340也可以被嵌入载体320中。导体340能够传输能量、数据信号等。对于包括多个芯片的柔性带，导体340可以包括用于将芯片联网的总线。

例如，柔性带310可以例如通过粘性背衬被粘合到结构上。柔性带310与结构之间的粘合剂将是吸湿性的，因此流体被输送到芯片330。柔性带310的部分可以是吸湿性的并且其余部分能够是疏水性的。吸湿性与疏水性的比例和设计能够适用于结构的不同部分，并且因此能够被用于各种不同的几何形状、环境条件和材料。

柔性带不限于任何特定的几何形状。在一些实施例中，柔性带能够具有条带的形状。图4a和图4b示出了柔性带410和420的其它形状。一般，柔性带的形状可以被定制成将被监测的结构的表面。

本发明的流体检测系统不限于任何特定的平台。一个或更多个检测器可以被用来检测以下平台中的泄漏和湿气：航空航天平台、管路、炼油厂、潜艇和其它潜水载具、大油箱、地下储存设施、核废弃物储存箱等。

参考图5，其显示了一个这种平台：航空航天平台500。例如，航空航天平台500可以是飞机、无人航空器、空间站、太空舱或卫星。航空航天平台500包括传输流体或易发生流体积聚的不同结构510。这些结构510包括但不限于燃料箱、燃烧瓶、液压管路、蜂窝状面板和必须被保护与湿气隔开的电子器件隔室。可以持续地监测一些或所有这些结构510的流体泄漏或湿气积聚，或流体泄漏和湿气均被监测。

通过将多个芯片载光谱仪520固定至关于结构510的不同位置，可以监测每个结构510。可以通过流体吸收元件530(用单条直线共同表示元件530)固定芯片520。每个光谱仪对由相应元件530吸收的流体进行光谱分析。至少一些光谱仪能够区分泄漏的流体与其他类型的流体。

芯片520可以被联网在一起。到机载(on-board)系统和维护装置的通讯可以是有线的或无线的或两者的结合。

机载系统中的一个可以包括用于处理由芯片520产生的信号的处理单元540(例如，中央网络单元)。芯片产生的信号可以包括原始数据、被处理数据、警告信号等。处理单元540可以能定位结构510上的问题区域。即，可以确定问题的性质和位置。可以通过定期轮询芯片520来定位问题。

另外参考图6。处理单元540还可以响应检测到的泄漏或湿气积聚而采取行动。例如，处理单元540能够给维护站报警(方框610)、发送警报到座舱(方框620)、为地面维修人员保存数据(方框630)，发送数据到诊断系统等。数据可以持续地传输到飞机中央计算系统和座舱警告系统，该飞机中央计算和座舱警告系统能够命令易发生燃料泄漏或其它泄漏的任何飞机系统关闭(方框640)。关闭能够被自动地(例如，通过燃料输送系统中的闭环控制)或手动地(例如，由飞行员)执行。进水也能够被识别从而能够进行清除或结构维修。

飞机500可以进一步包括用于主动加载结构510中的至少一个的系统550。这些负载将使得很小的缺陷充分地暴露以被检测，由此提供早期泄漏检测和预防。主动加载系统550能够是被动的(例如，在现有负载状况下操作和检测)或主动的，通过压力加载或RF或其它结构加载技术施加负载。可以通过气压加载(例如，用氦)来进行主动加载。主动加载还能够包括标准使用加载，其包括起飞和飞行状况。

本发明描述的流体检测系统对于航空航天平台是有利的。芯片成本低并且重量轻。它们消耗很低的能量并且占有很小的空间。

本发明描述的流体检测系统是自主式的，并且不会干扰或损坏航空航天平台的系统或结构。它能够减少运行成本，并简化和缩短目前的湿气和泄漏检测程序。

在飞机的情况下，本发明的流体检测系统能够通过提供运行中的实时湿气和泄漏检测来改善机群安全性。监测能够在不同的环境状况下都是可用的，包括登机门装载货物(gate cargo load)状况、滑行、起飞、飞行以及着陆状况。

参考图7，其显示了用于持续监测飞机700的燃料分配和存储区域的芯片的不同位置。飞机700包括中央机翼燃料箱702、每个机翼中的多个主燃料箱704以及多个储备燃料箱706和机翼中的通风防震动燃料箱(vent surge tanks)708和水平稳定器。一个或更多个芯片(用“X”表示)被固定至每个主燃料箱704的外表面上的不同位置。一个或更多个芯片(用“Y”表示)可被固定至每个储备燃料箱706的外表面上的不同位置。一个或更多个芯片(用“Z”表示)可被固定至每个水平稳定器燃料箱710的外表面上的不同位置。尽管没有显示，但一个或更多个芯片可以被固定至通风防震动燃料箱708、燃料管路上、连接区域附近等。

参考图8，其显示了装备飞机以持续监测泄漏和湿气积聚的方法。该方法包括将多个芯片固定至易发生燃料泄漏或湿气积聚的结构(方框810)。每个芯片包括光谱仪。芯片用吸收流体的材料固定，以使得芯片能够对由材料吸收的流体进行光谱分析。

该方法进一步包括将芯片连接到一个或更多个处理单元(方框820)。这可以通过有线或无线或两者的结合来进行。例如，柔性带能够被用来提供从芯片到无线集线器的有线连接，并且有线或无线连接能够建立在无线集线器与中央处理单元之间。

现在参考图9，其显示了操作湿气和泄漏检测系统的方法。芯片被处理单元(例如，飞行计算机、维护计算机、诊断计算机)控制。芯片能够被持续轮询以确定是否检测到任何泄漏或湿气积聚(方框910)。除了持续轮询，在主动加载结构(方框920)之后，覆盖结构的一个或更多个芯片能够被轮询(方框930)。主动加载充分地暴露微裂纹等，并且检测能够识别并修复这些位置，由此提供早期的泄漏检测和预防。

现在参考图10，其显示了半导体芯片1000，该半导体芯片1000包括基底1010、形成于基底1010中的流体通道1020、用于抽取流体通过通道1020的微流体泵1030、形成于基底1010上的半导体激光器1040、用于将来自半导体激光器1040的光聚焦到通道的检测位置上的由MEMS控制的光学系统1045、形成于基底1010上的检测器1050和用于接收来自该位置的光并将光谱线聚焦到检测器1050上的由MEMS控制的光栅1060。

在一些实施例中，单个芯片1000可以包括多个检测器1050。例如，设计相同的多个线性硅阵列可以布置在规则的栅格中。在使用多个检测器1050的其它实施例中，检测器1050可以制造成变化的、可互换的尺寸，并且具有随机的或伪随机的布置。

如果用于流体检测，芯片1000还包括流体吸收元件1070。在一些实施例中，流体吸收元件1070可以由吸湿性聚合物制成。在其它实施例中，流体吸收元件1070可以是能够通过化学沉积或半导体处理而制造在芯片1000上的纳米管型结构。

在一些实施例中，能够制造没有流体吸收元件的芯片1000。例如，芯片1000可以使用将芯片固定至结构的吸收元件1070。

或者，芯片可以用于气体检测。能够制造没有流体吸收元件或在流体吸收元件的位置具有气体入口的气体检测器芯片。例如，这些芯片可以被用来检测气体泄漏。

Claims (8)

1.一种用于在结构上的位置处检测流体的流体检测装置，所述装置包括：

纳米级的芯片载光谱仪；以及

流体吸收元件，其用于在所述位置处吸收流体并还将所述芯片固定至所述结构；

其中，通过所述光谱仪分析由所述元件吸收的流体，并且所述流体吸收元件是涂在或喷在所述结构表面上的粘性吸湿性材料并且包括由吸湿性材料制成的表面符合层。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述光谱仪包括流体通道和用于泵送数纳升的流体通过所述通道的微流体泵；检测器；以及用于在流体检测期间产生光谱线并将所述光谱线聚焦到所述检测器上的半导体激光器和相关光学器件。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述流体吸收元件符合所述结构的表面。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述流体吸收元件包括吸湿性粘合剂。

5.根据权利要求1所述的装置，其进一步包括用于给所述芯片供电的电力获取装置。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述流体吸收元件包括柔性带。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述柔性带包括粘合到所述结构的柔性导体，所述芯片嵌入所述柔性导体中。

8.一种湿气和泄漏检测方法，所述方法包括将多个芯片固定至易发生燃料泄漏或湿气积聚的结构，所述芯片用吸收流体的材料固定，每个芯片包括与该吸收固定材料流体连通的光谱仪，每个光谱仪包括用于从所述吸收材料吸取流体并对被吸取的流体进行光谱分析的装置，其中所述吸收材料是涂在或喷在所述结构表面上的粘性吸湿性材料并且包括由吸湿性材料制成的表面符合层。

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