CN102933956B - 感测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种感测系统，其包含：由基体和复数个非绝缘粒子（40）形成的材料（30），所述非绝缘粒子在所述基体内大致上是等间隔的，使得所述材料在至少一个维度中具有相干电学周期性；以及接收器（10），所述接收器经布置以接收源RF信号和返回的RF信号，所述源RF信号由所述非绝缘粒子反射以产生所述返回的RF信号。所述非绝缘粒子中的一者或一者以上的位置的改变致使所述返回的RF信号改变，使得可根据所述返回的RF信号来确定所述材料的性质的改变。

Description

感测系统和方法

技术领域

本发明涉及一种感测系统和方法。

背景技术

结构健康监测（SHM）是例如土木、结构和航空航天工程等行业中越来越受关注的技术领域。SHM的目标是使用传感器收集关于关键结构元件的数据，以便为在结构中检测到的异常提供指示，进而监测其可靠性和安全性。

SHM尤其与越来越多地使用复合材料的技术领域相关。现有的复合材料包括纤维强化的聚合物复合材料，其具有高的强度重量比、良好的刚度性能、固有的耐腐蚀性和低的电磁反射率。这些性质已经使得纤维强化的复合材料成为用于主要航空器结构的有吸引力的材料，正日益取代金属组件。

正越来越多地使用复合材料的其它行业有石油天然气行业（其中监测例如密封件和垫圈等组件的疲劳是关键），例如隧道和管道网络等地下结构，以及军用航空器和潜水艇技术（其中可靠性和安全性是首要的）。

SHM还与需要监测植入组件、心脏瓣膜和髋关节以获得可靠性和安全性的医学领域相关；用于环境感测中可以以低成本用耐用材料跟踪水或空气中的污染；用于先进制造业中可在制造过程期间跟踪材料，尤其是复合材料，以提升塑料零件的质量；以及用于例如空间等敌对或难以接近的位置中的应用或使用例如风轮机/风叶等旋转组件的那些应用。

上文所描述的技术领域可受益于可靠且准确的无线感测，以便选择性地或连续地监测无法直接接近以进行严格检查的结构。

已知多种SHM方法。使用X射线来形成与材料密度相关的图像的射线照相术已经使用了一百多年，然而这种方法是有害的且因此很少使用。热成像或振动红外热像法是一种通过监测在红外线光谱中的热能传递来检测解散和分层的公认方法。然而，热成像的不足之处在于难以解释结果。可用以评估所检查材料的强度的激光剪切散斑和全息成像是有利的非接触性技术，然而由于振动，它们遭受图像噪声。

仅适用于金属/黑色金属结构的其它SHM方法使用荧光或磁性粒子渗透剂。应注意，金属检查可使用涡电流检测方法，然而此类方法不可在复合材料中使用。由于复合材料的异种性质，缺陷形式常常非常不同于通常在金属材料中发现的那些缺陷形式，且破裂机制更为复杂。

当前SHM系统需要在任何所关注的结构的关键点处安装一个或一个以上传感器，传感器类型取决于待感测的所关注的特定参数。这可使得此类系统安装起来较为昂贵且耗时，同时传感器的实时连续监测实际上是不切实际的。

用于检测复合材料中的损坏的最合意的SHM方法是声学，或跟踪多个粒子的无线电性质，进而形成本征传感器。根据机械状态（根据特定材料，其与温度、压力、水合作用等相关），本征传感器是具有无线电性质的结构材料（通常为复合材料）。此类材料的表面或体积可映射为用于SHM的图像。

然而，针对常规的复合材料的无线电信号不能够提取关于所述材料的机械、电学和化学状态的信息。因此，现有的本征传感器需要添加感测元件，所述感测元件的电子分布和/或传输性质由其局部环境更改，以便使得此监测功能成为可能。

所述感测元件经布置以更改所述材料的例如介电或磁性性质等性质。举例来说，可使用无线电波来跟踪振动频率受损坏扰乱的嵌入式压电粒子。通过在所述材料中的若干点处检测此振动频率，可创建频率图像以便检查损坏。

然而，此类本征传感器的不足之处在于其需要添加独立的离散感测元件，这不适用于上文所描述的大量应用中（尤其是在航空航天系统中）正越来越多地使用的常规复合材料。

发明内容

因此，本发明设法提供一种能够使用常规复合材料的感测系统和方法，其不需要任何额外的感测元件。

根据本发明，提供一种感测系统，其包含：

包含基体和复数个非绝缘粒子的材料，所述非绝缘粒子在所述基体内大致上是等间隔的，使得所述材料在至少一个维度中具有相干电学周期性；以及

接收器，其经布置以接收源RF信号和返回的RF信号，所述源RF信号由所述非绝缘粒子反射以产生所述返回的RF信号；

其中，所述非绝缘粒子中的一者或一者以上的位置的改变致使所述返回的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性质的改变。

所述基体可为非导电基体，且所述非绝缘粒子可为导电粒子。所述导电粒子可为碳粒子、碳纤维、石墨烯、铝粒子、银粒子、铜粒子、金粒子或碳纳米管。或者，所述非绝缘粒子可为半导体粒子，或其可为包含金属和绝缘体的复合粒子。

绝缘基体可包括聚合物，例如热固性环氧树脂、热塑性聚酯、乙烯基酯或尼龙。

所述材料可在至少一个维度中具有相干周期性导电性或相干周期性介电常数。

所述返回的RF信号的改变可为振幅改变、频率改变、相移或干扰效应改变，其涉及测量复合材料电荷。所检测到的所述材料的性质的改变可为粒子破裂、微裂纹、分层、污染物、基体撞击损坏或多孔性中的任一者。

所述接收器进一步经布置以接收也由所述复合材料拾取的环境信号（与源信号分离）。

本发明还提供一种感测材料的性质的改变的方法，所述材料包含基体和复数个非绝缘粒子，所述非绝缘粒子在所述基体内大致上是等间隔的，使得所述材料在至少一个维度中具有相干电学周期性，所述方法包含以下步骤：

用源RF信号询问所述材料；

接收从所述非绝缘粒子反射的返回的RF信号；以及

根据所述非绝缘粒子中的一者或一者以上的位置的改变引起的所述返回的RF信号的改变确定所述材料的所述性质的所述改变。

询问所述材料可包含使用单个机械探针或用电子多探针扫描所述材料的表面。所述探针可为具有电子开关或多个信号通道的2D探针阵列。

询问所述材料可包含像天线那样激发所述材料，以产生表面场分布。所述材料可包含复数个单元，其中每一单元表示一个天线元件。所述复数个单元可经耦合以形成单元阵列，例如经由所诱发的经调制的RF电流。在优选实施例中，所述探针阵列包含至少一个高阻抗探针，且所述返回的RF信号由零差接收器接收。

询问所述材料可进一步包含使用单个机械探针扫描所述表面场分布。询问所述材料可进一步包含使用电子多探针扫描所述表面场分布。

所述源RF信号可以是经脉冲调制的或调制的，或者调制可通过其它数字或模拟方法来进行。

所述材料可通过掺杂半导体材料获得，以实现相干电学周期性。

通过使用常规复合材料而不需要嵌入感测材料，本发明具有其可用于较熟悉应用（包括SHM应用）中的优点。此外，本发明的感测材料常常是已经可用的。举例来说，用于航空航天应用的某些碳纤维层状结构是形成有序晶格状结构的准晶体。

本发明可选择电磁波谱的低频率部分以穿透到复合材料中且直接与损坏相互作用。这相对于上文所提及的竞争性方法（例如剪切散斑或IR，其观看表面以获得亚表面损伤的间接迹象）提供一个优点。声学也具有此优点，因为其直接与损坏相互作用。声学信号穿透到复合材料SHM结构/架构中以通过散射离开声学阻抗扰乱的波来显露亚表面损伤，所述声学阻抗扰乱反过来又是所述损坏自身的结果。类似地，根据本发明的电磁方法激发受边界间断扰乱的电磁波模式。

附图说明

现将参看附图详细描述本发明，在附图中：

图1为现有技术本征传感器的实例的示意图；

图2为根据本发明的系统的示意图；

图3(A)和3(C)展示在采用根据本发明的系统时获得的输出的实例；

图3(B)和3(D)展示在采用具有无序粒子晶格的材料时获得的输出的实例；图4(A)到4(D)示意性地展示根据本发明的无线电检测几何结构；

图5(A)和5(B)示意性地展示用于将无线电信号引入到复合材料“单元”中的方法；

图6(A)和6(B)示意性地展示用于耦合复合材料“单元”的方法；

图7(A)到7(C)展示根据探针元件的检测方法；

图8(A)到8(C)展示高阻抗探针；

图9(A)示意性地展示信号检测的实例；

图9(B)说明扫描复合材料单元的有源天线探针的表面阵列；

图9(C)到9(E)展示用于将如图9(B)中所示的所收集的信息发射到接收器的三个电路变型；

图10示意性地展示使用同步接收器的检测方法；

图11示意性地展示使用网络分析器的检测方法；

图12展示使用根据本发明的方法获得的复合材料的代表性图像；

图13(A)展示有可能由复合材料制成的客机零件的列表；

图13(B)示意性地表示使用根据本发明的方法的测试场景；

图14展示所检测到的非均匀橡胶复合材料的扭曲场；

图15(A)到15(C)展示数据管理过程；

图16表示Yeecell方法；

图17表示构建复合材料的3D图像的方法；以及

图18表示立体成像方法。

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）的一部分具有基体结构，多个感测元件4嵌入在所述基体结构中，使得所述感测元件4分散在基体材料3内并由基体材料3包围。感测元件4具有响应于所述材料的物理或化学性质的改变而改变的电子分布和/或传输性质。此行为导致经由天线2从收发器1发射以询问基体材料3的射频（RF）信号（例如，微波信号）的更改，使得可根据所接收的信号确定所述材料的改变。以此方式，感测元件4允许对所述材料的性质的改变进行非侵入性本征感测。

因此，图1的现有技术本征传感器使用嵌入感测元件4的微波谐振以便将复合材料的无线电性质链接到其结构。

图2展示根据本发明的本征传感器的实例。展示用于检测无线电信号振幅的基本无线电探针10。优选地，无线电探针为具有集中场的开口的同轴线。材料30（优选绝缘聚合物材料）的一部分具有包含粒子（或纤维）40（优选导电粒子）的基体结构。不同于图1的现有技术感测元件4，导电粒子40不具有微波谐振；导电粒子40为纯反射性的。导电粒子40在基体材料30内是等间隔的，使得其形成有序晶格状结构。因此，复合材料本质上具有准晶体形式。

在制造复合材料时，重要的是导电粒子40在绝缘材料30内大致上等间隔。可出于此目的而使用的粒子40可为球形的，或可由纤维、薄片和其它形状组成。将理解，可使用各种各样的粒子40，例如金属板、石墨烯、铝、银、铜或金粒子。或者，粒子40可包括半导体（有机和无机）以及导电聚合物。此外，可使用碳黑材料（其展现超均匀的粒子分布）或碳纤维（例如碳纤维薄片）。

本发明的材料30的关键性质在于粒子40之间的距离是规则的，使得所述材料形成晶格型结构。所述结构几乎类似于准晶体，但所属领域的技术人员将了解，可使用其中粒子40之间的距离在至少一个维度中为规则的任何基体材料30。还重要的是，粒子40为非绝缘的，使得在此项技术中已知的复合材料的电学性质中存在相干周期性，例如周期性导电性或周期性介电常数。优选地，粒子40为导电的，但技术人员将了解，可使用任何非绝缘粒子，包括半导体粒子。优选地，基体为非导电的，例如绝缘体，以实现导体-绝缘体-导体-绝缘体周期性。在至少一个空间维度中需要电学周期性。因此，此周期性可在1、2或3维中（即，1D、2D或3D）。

下文描述使用无线电波来询问此准晶复合材料的机制。

如果粒子40的导电性和/或大小较低，那么无线电信号将穿透复合材料。对于一些材料，此穿透在MHz到GHz范围内可为几厘米。相反，在金属和导体中，无线电波仅穿透到表皮深度（几微米）。本发明所使用的复合材料允许无线电信号穿透其达几毫米到几厘米，使得所返回的信号涉及复合材料结构。

无线电信号从每一粒子40反射，每一粒子非常像反射镜那样对无线电信号起作用。然而，无线电信号的重要部分穿透到所探测材料的更深处，由若干粒子40反射，使得在表面处，可检测到净反射信号。因此，净反射信号与正被探测的复合材料的体积相关，且所探测的复合材料的深度取决于无线电信号穿透多远。因为此深度为波长的一小部分，所以信号检测所在的表面处的相位和干扰效应可忽略不计。因此，对第一近似值，仅需要测量所检测到的信号的振幅。

因此，优选地将返回的信号的改变检测为返回的信号的振幅的改变，但将了解，还存在返回的信号的波长、相位和干扰的轻微改变，其涉及测量复合材料电荷。

根据本发明的方法，在需要时可使用比与图1的现有技术本征传感器相关联的方法大得多的信号，从而使得本发明在没有优化的情况下适合于较大范围的应用。

因此，根据本发明的复合材料像3D反射镜那样对微波起作用，其中反射镜的反射性质可能受到对复合材料的损坏的影响。所反射的无线电信号可检测所述材料的性质的改变，例如故障类型，比如复合材料中的亚表面裂纹。

因此，本发明的本征传感器使用“体积”反射性（而非图1的现有技术感测元件4的微波谐振），其在整个复合材料上为恒定的，以便将复合材料的无线电性质链接到其结构。然而，将了解，在一些例子中，根据已知函数，反射性可随位置变化，位置将由损坏改变。

无线电收发器10经构造以产生并发射射频信号，且实时地检测所发射的信号以及来自复合材料的返回的信号。净反射无线电信号位于材料上的各种位置处，通常经由散射、反射或透射设置（反射适合于大多数应用）来收集。如上文所解释，净反射信号的所跟踪的振幅被链接到导电粒子40的环境。对复合材料的损坏的净结果是返回的信号的振幅与周围材料相比的改变，进而提供关于体复合材料的物理和化学性质的信息的远程收集。所发射和所返回的信号的测量可在同一位置发生，或者，可跟踪传播通过复合材料的行进模式的改变。

图3(A)展示在如上文描述的导电粒子晶格材料的表面处看到的光滑表面所返回信号振幅，而图3(B)展示针对无序（且未受损）粒子晶格的粗糙表面振幅。图3(C)展示图3(A)的材料中的内部裂纹在损坏之后如何明显。相反，图3(D)展示内部裂纹对于图3(b)的无序晶格如何不明显。如果粒子40之间的间隔改变（例如，通过损坏），那么材料30内部的阻抗将改变。因此，表面无线电阻抗/电位也将以相关方式变化。其还意味着，存在无线电信号进入复合材料的变化的穿透，其是变化的趋肤深度。

常规的反射镜必须非常光滑，使得当发生裂纹时，其抵靠着光滑的背景来看较明显。同样，为了使3D反射镜显露裂纹，其对于无线电波必须为光滑的。此光滑性可通过使粒子40在绝缘材料30内均匀地间隔开来实现。

可开发用以使得复合材料“无线电光滑”的过程。这些包括用以调整导电性以允许无线电穿透（在所选择的操作频率下）的过程或用以修整复合材料的介电性质的过程，和任选地添加薄导电涂层以引导行进波而使得复合材料自身变换或转换机械损坏以使得其在所反射的无线电信号中可见的过程。因此，根据本发明的系统中所使用的材料可视为本征传感器。

除了导电粒子40与绝缘材料30之间的导电性差异之外，介电差异也可用以创建3D反射器，只要足够的无线电穿透到复合材料中是可能的。导电和介电差异可较一般地视为根据其原子结构使用两种材料之间的电子差异。这包括能带结构的导电性或极化性。在一些应用中，可有可能掺杂邻接或非邻接的半导体材料以创建电学周期性。

这种损坏检测技术对于准晶体内的空间改变非常敏感。这样的改变表示粒子40远离规则次序的位置改变，其可由损坏引起。此外，温度、张力、振动和化学改变也可改变粒子40的位置，然而，检测这些参数需要开发相关模型和软件。绝缘基体30可接着经调适以优化其对这些参数的敏感性。举例来说，软聚合物材料30将较容易膨胀和收缩，所以其对温度较敏感。

图4示意性展示根据本发明的用于局部波和行进波测量的方法。操作原理是基于以下事实：复合材料板部分导电且具有允许经由传播穿过其的行进波进行询问的介电性质。为了在实践中实现这点，可经由此项技术中已知的近侧天线和匹配单元耦合发射器Tx以激起传播波模式。

横向波主要在两维中从天线源传播。这还可视为由于媒体的衰减特性引起的泄漏波，其具有减少来自通常创建驻波的边界反射的干扰的优点。泄漏波是由复合材料媒介衰减的电磁波，而衰减有助于减少不想要的反射。

参看图4(A)，开口的同轴探针10可经由发射器Tx发射无线电信号且经由接收器Rx检测在位于坐标XY处的特定点处的返回的信号（表面电位、阻抗、电压等）。接收器Rx可包含天线。收集在多个点处的渐逝信号使得能够创建图像。如此项技术中已知的，例如这可通过以机械方式扫描或通过形成同轴探针阵列（在图4B中表示）来进行。同轴探针阵列使用一组电子开关而非机械扫描，从而在速度和再现性方面提供显著的实用优点。因此，检测机制涉及测量穿过复合材料组件的场振幅，所述复合材料组件自身有效地充当天线。然而，在相对于几乎完美的组件的情况下，由于复合材料损坏引起的波阻抗的介电边界和间断可以改变信号振幅，这又在图像中检测到。

参看图4(C)和4(D)，通过将复合材料的被探测区视为各向异性的天线元件来根据本发明进行对复合材料30的分析。从发射器Tx发射的无线电波以圆形波前行进。RF信号在其中行进且可视为天线元件的被探测的复合材料区或结构也称为“单元”。

发射器Tx可通过电容性耦合来附接到结构或单元。发射器Tx表示在材料30内引入电磁EM场模式的RF源，且此模式耦合到材料30的表面渐逝场。因此，表面渐逝场可用接收器Rx来探测。

接着从无线电扰动的中心开始在各点探测复合材料30。这种场模式可为涉及单元边缘反射的连续波，其通过扫描节点和波腹位置来检测，如图4D中所示。或者，场模式可为行进波，其通过扫描朝向单元边界衰退的泄漏波模式的振幅来检测。在很少情况下，如果需要完全隔离体积，那么有可能使用脉冲式无线电信号以避免来自所述结构或单元的边缘的反射（图4C）。在此型式中，损坏将扰乱复合材料30且将在波速中存在间断和变化，其将改变渐逝电场的分布和强度（即，渐逝电场的“纹理”）以显露亚表面信息。渐逝场的“纹理”涉及复合材料的结晶性，且可用作复合材料质量的量规。

因此，所扫描的复合材料的区的体积可通过电学处理所述单元的发射器源来确立，或使用已知的数字和模拟技术用特定签名或标签调制无线电信号以标记无线电信号来自此特定发射器源来确立。在大多数情况下，所扫描的体积涉及所扫描的复合材料的组分的区域。举例来说，在面板形成表皮的情况下，每一面板表示一个单元。例如可通过确立所标记的源的强度是否高于特定阈值来确定单元边界。在某些情况下，可有可能通过移动电话网络中常用的时间选通方法来减少存在于单元之间的串扰。

为了确保有效传输穿过所扫描结构的所有组件，需要注意板厚度、操作频率和介电常数。为了检测行进波，将天线接收探针Rx放置于复合材料面板的顶侧或底侧上，前者适合于现场维护，后者适合于在材料的关键点（例如，航空器中的关键点）处进行实时监测。

复合材料可具备薄金属涂层。这可有助于形成用于行进波的波导，然而，如果涂层非常厚，那么将必须从相反侧进行探测。

使用图4的不同方法有助于最佳地适应其中无法改变形状和材料（电磁阻抗）的测量场景。

分辨率取决于探针尺寸（mm大小）和分离度而非频率。可使用GHz频率，然而，由于穿透与频率反向相关，所以还可将频率减少到MHz区以增加进入结构中的穿透。

可校准根据本发明的本征传感器。传感器校准涉及原始信号的收集及其时间稳定性。因此，与校准相关的方面主要地涉及天线探针系统由于温度引起的漂移。通过测量连同渐逝场的温度，可将校准偏移并入到数据处理算法中。

表面信号的变化可用以产生2D色彩图。将了解，在多个频率下进行扫描可导致含有来自不同深度的信息的一系列不同2D图。此数据可经处理以制作3D图像。因此，2D和3D图两者都可视化地表示所述损坏。

图5展示用于将来自一个RF源的输入射频信号（由箭头表示）引入到复合材料单元C中的方法。如上文所解释，每一单元被视为充当天线元件。举例来说，天线元件的激发可经由如图5(A)所示的偶极子或如图5(B)所示的环形天线。将了解，实际上，天线元件将是取决于复合材料的性质和形状的较复杂辐射组件。然而，如果所扫描的复合材料未受损坏，那么渐逝场随位置的平滑变化得以保持。

RF源在复合材料内引入了电磁场，其耦合到复合材料的表面渐逝场，所述表面渐逝场接着可用（例如）表面场探针阵列来探测。因此，所关注的是表面渐逝场而非大多数天线制造商通常旨在改善的远场。

通过将每一单元视为天线元件，有可能将输入RF信号“固定”在每一单元中。充当天线元件的每一单元可由一个RF源来激发，或可使用复数个RF源来激发一个单元。

图6(A)示意性地表示用于当仅有一个RF源可用时将无线电信号馈入到复合材料结构的复数个不同单元C的方法。复数个单元形成单元“阵列”。所述单元可经耦合以便将从每一探针阵列收集的返回的信号传递到合适的收集点以供存储和/或进一步处理。合适的收集点或集线器将由所扫描的结构的约束条件决定。

在每一阵列内，单元C可通过接线“织机”WL耦合，所述接线“织机”WL可包含（例如）光纤、导线或允许从单元C收集数据的任何其它结构。或者，来自单元C的数据可经由穿越局部导电单元C的被诱发的经调制的RF电流来耦合，如图6(B)中所表示。

根据如图6中所示的用于耦合复数个单元的方法，可使用单个RF源来照明单元阵列。有利地，这些方法可用来在扫描复合材料面板期间克服实际约束条件，例如当复合材料为较大结构的一部分且RF源无法在实践中放置于较大结构内部时。扫描单元阵列（或包含若干单元阵列的单元网络）的另一主要优点是减少的扫描时间以及实时扫描的可能性。举例来说，在制造航空航天结构的情况下，优选的是当航空航天结构接近完成时施加呈薄片状形式的探针。

因此，探针阵列可集成到测试结构中，其中探针阵列必须放置在接近于测试材料处。举例来说，在简单的复合材料样本测试期间，探针阵列可在外部并位于复合材料的顶部表面上。结构（例如航空器）的监测也可通过在可疑区域中的探针阵列的外部位置来执行。然而，优选地，将探针阵列加载于内部表面上，且作为中心薄片集成到结构中。以此方式，探针阵列变成用于到达其下方的复合材料的渐逝场的集成场测量和发射装置。预计，当用于测试具有其自身的“神经系统”的下一代材料时，此中心薄片也可为材料本身的一部分。

图7展示用于从复合材料接收信号的不同方法。举例来说，图7中的探针P可为充当探针和源两者的同轴探针。或者，探针P可为下文参看图8所描述的类型的高阻抗探针。

在图7(A)中，包含单个天线的单个探针P可在复合材料的区域上方以机械方式步进。举例来说，此接收器适合于扫描个别面板，所述个别面板可易于接达且不必形成较大结构的一部分。如图7(B)所示的具有电子开关的1D探针阵列A可在一个方向上沿着复合材料移动。举例来说，包含复数个探针P的1D探针阵列A可有利地在形成结构的一部分的面板上猛击或可用以测试隔离的个别面板。

图3(C)展示在探针中的天线之间具有电子开关的2D探针阵列。或者，2D探针阵列可具有多个信号通道。2D天线阵列适合于扫描个别面板或结构内的面板，然而，这种类型的接收器优选地用以扫描单元阵列，其中所述阵列可在结构内形成蜂窝式网络。可构建所述复数个单元以对应于可充当复合材料“神经系统”的无线蜂窝式网络或网状网络。2D天线可用于多通道摄影术（以创建2D或3D色彩图，如上文所解释）。

图8展示可在图7(B)或7(C)中所表示的天线阵列中使用的个别天线。图8的天线表示高阻抗探针，其非常适合于零差或类似的接收系统，其用以测量此信号的振幅或其谐波。

将了解，高阻抗探针可在此项技术中已知的任何接收系统（包括外差和零差系统两者）中使用。然而，零差系统在存在相对较高的环境噪声的情况下具有较高性能。零差系统在存在对源的直接接达时尤其适合。在零差系统中，源信号和所接收的信号经混频以获得含有所需信息（在此情况下，局部渐逝场）的几乎DC电平信号。有利地，从处于稍微不同的频率下的任何其它信号获得的噪声电平平均为零。因此，零差接收系统提供极窄的信号滤波，通常小于0.1Hz。

应注意，图8的高阻抗探针P仅可充当探针而不可充当源。所述高阻抗探针还称为基于电压的天线或有源天线，且提供其可在非常宽的带宽上操作并可非常紧凑（高达比它们的电磁波长小若干数量级）的优点。

图8(A)到8(C)展示复合材料表面点C与有源探针P之间的连接。有源探针P可用以扫描复合材料的相对较小区域，例如在毫米范围内，且因此称为小区域探针P。小区域探针P可形成高阻抗探针阵列的元件。探针P与复合材料的表面间隔开一个间隙。因此，小区域探针P电容性地耦合到复合材料的局部表面渐逝场。

假设小区域探针P处于高阻抗区中且其未含有过多金属而使得其扭曲渐逝场，那么探针P累积的电荷可为对所述复合材料区中的渐逝场的强度的如实再现。在优选配置中，高阻抗探针可由彼此间隔开的相对较小金属元件或称为金属“圆点”或“斑点”的微型元件制成，以避免扰乱渐逝场。或者，金属元件可为小导线环。

图8(B)和8(C)展示高阻抗探针，其包含RF信号二极管整流器D以便对所检测到的信号进行整流。优选地，二极管为锗二极管，使得可检测DC电压，其并不电容性地耦合到相邻线，

如图8(B)和8(C)所示。为了避免二极管从有源探针泄漏电荷且因此降低其电压，诸如高阻抗JFET的场效应晶体管的栅极可改为连接到所述探针，如图8(D)所示。取决于测量的噪声电平，此信号电压可包括来自其它不想要的源的贡献。在此情况下，图8(D)中所示的探针可包含额外信号混频区段（未图示），使得其与源频率相乘。因此，在此基础上，图8(D)的探针可仅在源频率下检测信号分量，所有其它频率平均为零。

作为对图8的高阻抗探针的替代方案，上文所描述的类型的同轴探针可用于网络分析器中。

图9(A)展示图5中所描述的类型的RF源，其在复合材料30内引入电磁EM场。因此，所引入的EM场在复合材料30内构成电磁模式。又，电磁模式耦合到复合材料的渐逝表面场，

其可接着用图7(B)中所描述的类型的表面场探针阵列A来探测。在所扫描的表面点处所测量的电势或电压优选地用（图8中所展示的类型的）高阻抗探针来测量。在许多情况下，电势或电压与表示那点处的电分量与磁分量的比率的表面阻抗成比例。网络分析器还可通过测量相位（在那点处从同轴探针反射回的电力的振幅）来获得表面阻抗。

图9(B)展示有源天线探针阵列A的阵列，其探测与阵列间隔开一个间隙的复合材料单元C的表面。来自探针阵列的数据在针对单元C的共同收集点中收集，所述收集点还称为单元集线器H。探针所测量的表面渐逝场在经由间隔物（未图示）稳定的区中形成。优选地，探针的金属含量尽可能地少，以便避免表面渐逝场的加载和扭曲。因此，每一天线探针的电极（和因此存储在电极上的电荷）优选地由具有非常短的长度的导体接达。短长度导体可馈入到例如图9(C)中所示的类型中的任一者的高阻抗缓冲器中。除了电路中的这个点（缓冲器）之外，对表面场的敏感性由于降低的线阻抗以及同轴线的屏蔽而大大降低。

图9(C)到9(E)展示适合于从探针阵列A搜集信息以馈入到单元集线器H中的三个电路。

所述三个电路中的每一者发射关于由有源天线探针阵列A（图9B中所示）检测到的渐逝场的强度的信息。图9(C)中所示的第一电路使用低通滤波器F，其允许将几乎DC电平信号沿着薄同轴线（微型同轴电缆MC）传递到接收器。

图9(D)中所示的第二电路包含电压/频率转换器VFC而非图9(C)的低通滤波器。在将信号发射（例如）穿过噪声传输区时，在检测点处将电压转换为高频率较好地保存信息。在一些情况下，可改为使用模/数转换器。

图9(E)中所示的第三电路也用于潜在的噪声环境。电路包含电压/频率转换器VFC和光学调制器OM，例如发光二极管，其可将信号经由光纤OF发射到接收器（未图示）。有利地，此电路不受电学噪声影响，且确保在单元集线器处接收到高质量数据。

图10展示用于在不用导体“加载”场的情况下以电学方式俘获复合材料面板的表面渐逝场的方法（如果“加载”场，那么其被扭曲且其强度由于导体的存在而显著地降低）。这种方法可如实地从面板的上侧或下侧俘获渐逝场的分布。同步（零差）接收器用以依靠以所定义的顺序将个别探针（p1、p2、…、pN）中的每一者连接到接收器的电子开关依据位置提供对小射频信号的极窄带滤波（通常，小于0.1Hz）。探针可为图8中所示的类型的高阻抗探针。

图11展示使用网络分析器以用于在探针（p1、p2、…、pN）处检测电场的检测方法，所述探针通常为同轴探针。RF源可并入在每一探针（p1、p2、…、pN）内，且探针阻抗可经测量以又获得复合材料的表面阻抗。同轴探针可为开口同轴线，其中从同轴线的端点发射并接收信号。同轴线的端点上的电荷可由于渐逝场的差异而改变。网络分析器可经配置以检测所接收的信号的振幅和相位的改变。电荷的改变还可转换为由电分量与磁分量的比率和/或损耗角正切表示的场阻抗的改变。

图12展示用于经由本征感测检测复合材料面板中的损坏的复合材料面板的代表性图像。在此应用中使用采用同轴探针阵列（如图4(B)中所表示）的无线电几何结构。图13(A)展示有可能由复合材料制成的客机零件的列表，而图13(B)表示其中调查客机尾翼的根区以查找疲劳损坏的测试场景。疲劳损坏还称为“缓冲”，可在此区中由于航空器尾部的振荡应力和张力而出现。这使得需要连续监测此区，所述监测可使用根据本发明的方法来实现。

在此场景中，半柔性薄片300可在组装之前或之后固定在根区处。此外，探针可并入到柔性天线/探针薄片中，其可使用柔性电子技术。场感测装置400用于扫描所述区的地形，而RF源100用以根据本发明激发低频率EM模式。

图14展示使用上文所描述的方法检测到的非均匀橡胶复合材料的被检测到的扭曲场。如上文所解释，表面渐逝场的扭曲可用图8和9中所描述的类型的“导线”天线或探针P获得。扭曲的电场含有关于材料中存在的任何缺陷的信息。相反，用标准导线天线SA检测到的表面渐逝场是平滑的，且因此不显露材料中的缺陷。

在测量大复合材料结构期间，控制中心可用以检测在特定单元地址处发生的数据俘获事件。这触发数据俘获过程。当这发生时，在相关单元中产生源RF信号。此信号被发射贯穿（即，穿透）复合材料结构。所述信号可通过所述结构的任何分层导电/绝缘区来增强。所述信号被反射贯穿所述材料，从而以最简单的近似创建复合材料的空间导电性的“阴影”。在表面处，此信息在由探针检测的渐逝波中作为电压信号。外差或零差方法可接着用以测量此信号的振幅或其谐波。

图15表示从由多个面板形成的大复合材料结构收集结构健康数据。可根据上文所描述的方法来扫描许多复合材料单元。所述单元可用与所述单元内的单个源相关联或者与所述单元内的多个照明源相关联的许多阵列探针来扫描。通过在所述单元内包括开关构件和接收系统，有可能收集针对整个复合材料结构将电磁场表达为位置的函数的集成原始数据组。所述数据接着在中心点处集成。所述数据可接着进行存储（S1）、处理（S2），且可获得图像数据（S3）。或者，如果不是立即需要反馈，那么可离线进行数据处理。

一旦已经从个别单元的网络收集到数据，其便可接着集成为表示整个结构的渐逝场的原始数据组。第一个处理步骤是通过选择使用例如此项技术中已知的贝氏滤波器（Bayesian filter）等滤波器而减少噪声以及任何运动模糊来恢复。

下一个处理步骤是辨识具有特定特征的几何对象。为了提取特定类型的损坏的特征，本发明的发明人使用在数字上和实验上从复合材料伪晶体结构确定的渐逝场纹理的所建立库来训练算法。这些渐逝场纹理具有唯一的空间频率分量且是不同损坏/故障类型的签名。图像算法可使用此数据库来对空间频率签名去卷积以暴露特定结构位置处的损坏。这些图案接着用特定颜色来加标签。因此，用于那个特定频率片段的图像成为经色彩编码的图像。最终用户图像接着组合这些频率片段以产生3D图像。

为了进行处理，所俘获的数据需要解译（数据“诊断”）。数据可由适合于识别所述数据中的图案的软件来解译。这可包括如下文中将较详细地描述的3D成像方法，以及其它图像分析方法。举例来说，用于确定对象特征的图像分析方法可基于此项技术中已知的内插和去马赛克以及其它方法，无论哪一个都可包括低通滤波器和贝氏解译（Bayesian interpretation）来减少噪声。

为了辅助解译，损坏/故障类型及其对应的无线电签名的库可经编译以供参考。故障类型包括裂纹、张力/应力/疲劳，或温度，以及其它。另外，这些方法可提供对在复合材料内的结晶性的测量，其可为用以评估复合材料损坏的重要标准/度量。

对于大规模结构需要数据管理。数据管理系统可用以按合适的时间间隔周期性地记录数据（非常像个人计算机收集并记录其动作那样）。举例来说，如果在此间隔期间采取测试，那么可一天两次或三次记录数据。如果实时地进行测试，那么数据记录更频繁。检查数据记录可接着有用于诊断任何问题且标记任何待决问题。

能够处理来自复合材料的渐逝场的经卷积的结构信息的决定性部分需要理解穿透复合材料结构的体电磁场。应注意，内部场由复合材料的结构确定，尤其是其结晶性程度和次序，这些可由损坏减小（如图3中所示）。

为了帮助对从体传递到渐逝场的结构信息进行去卷积，本发明的发明人已经编译了通过从其已经在真实复合材料中辨识到的单位单元构建虚拟材料来导出的电磁签名的库。此项技术中已知（且图16中表示）的Yee单元（Yee cell）方法用以解决电磁场结构关系且覆盖广阔的频率范围，尤其是到低频率，其中电磁场通常由“漫射”描述。“漫射”涉及当波长变得非常大（例如高达比原始值大10倍）时电磁相互作用的简化。在此制度下，相位可视为可忽略不计的。然而，此简化可导致缺陷可见到为获得图像中的阴影。有利地，Yee单元方法不需要此简化。尤其是在漫射适用的低频率下，这种方法恢复材料的各向异性导电性。

Yee单元方法包含六个时间推进函数：

$H_x{|}_{i,j,k}^{n+1/2}=D_a{|}_{i,j,k}\·H_x{|}_{i,j,k}^{n-1/2}+D_{b_z}{|}_{i,j,k}\·(E_y{|}_{i,j,k+1/2}^n-E_y{|}_{i,j,k-1/2}^n)-D_{b_y}{|}_{i,j,k}\·(E_z{|}_{i,j+1/2,k}^n-E_z{|}_{i,j-1/2,k}^n)$

$H_y{|}_{i,j,k}^{x+1/2}=D_a{|}_{i,j,k}\·H_y{|}_{i,j,k}^{n-1/2}+D_{b_x}{|}_{i,j,k}\·(E_z{|}_{i+1/2,j,k}^n-E_z{|}_{i-1/2,j,k}^n)-D_{b_z}{|}_{i,j,k}\·(E_x{|}_{i,j,k+1/2}^n-E_x{|}_{i,j,k-1/2}^n)$

$H_z{|}_{i,j,k}^{n+1/2}=D_a{|}_{i,j,k}\·H_z{|}_{i,j,k}^{n-1/2}+D_{b_y}{|}_{i,j,k}\·(E_x{|}_{i,j+1/2,k}^n-E_x{|}_{i,j-1/2,k}^n)-D_{b_x}{|}_{i,j,k}\·(E_y{|}_{i+1/2,j,k}^n-E_y{|}_{i-1/2,j,k}^n)$

$E_x{|}_{i,j,k}^{n+1}=C_a{|}_{i,j,k}\·E_x{|}_{i,j,k}^n+C_{b_y}{|}_{i,j,k}\·(H_z{|}_{i,j+1/2,k}^{n+1/2}-H_z{|}_{i,j-1/2,k}^{n+1/2})-C_{b_z}{|}_{i,j,k}\·(H_y{|}_{i,j,k+1/2}^{n+1/2}-H_y{|}_{i,j,k-1/2}^{n+1/2})$

$E_y{|}_{i,j,k}^{n+1}=C_a{|}_{i,j,k}\·E_y{|}_{i,j,k}^n+C_{b_z}{|}_{i,j,k}\·(H_x{|}_{i,j,k+1/2}^{n+1/2}-H_x{|}_{i,j,k-1/2}^{n+1/2})-C_{b_x}{|}_{i,j,k}\·(H_z{|}_{i+1/2,j,k}^{n+1/2}-H_z{|}_{i-1/2,j,k}^{n+1/2})$

$H_z{|}_{i,j,k}^{n+1}=C_a{|}_{i,j,k}\·E_z{|}_{i,j,k}^n+C_{b_x}{|}_{i,j,k}\·(H_y{|}_{i+1/2,j,k}^{n+1/2}-H_y{|}_{i-1/2,j,k}^{n+1/2})-C_{b_y}{|}_{i,j,k}\·(H_x{|}_{i,j+1/2,k}^{n+1/2}-H_x{|}_{i,j-1/2,k}^{n+1/2})$

图17展示含有来自复合材料中的不同深度的结构信息的各种图像平面如何在渐逝场中“集合”且需要去卷积。图17中所示的用于构建3D图像的方法涉及在一系列不同频率下获得图像且将衰退函数归于每一成像特征。举例来说，较高频率可检测表面特征且在所获得的图像中较强烈地呈现所述表面特征，而较低频率在相对意义上检测较少的表面信息和较多的较深内部结构。借助这种方法，可提取特征及其深度信息两者。

图18表示可单独地或结合上文所描述的成像方法来使用的用于获得立体图像的成像方法。一半数目的探针可用以在一个位置处获得第一图像（图像1），而另一半探针可用以测量来自等于探针元件之间的间隔的稍微移位的参考点的图像（图像2）。根据图像1和图像2，可使用常规的立体技术来获得立体图像。

复合材料通常由加强物和基体构成，用于航空航天且尤其是客机的加强物通常为碳纤维或凯夫拉尔（Kevlar）。基体通常是热固性环氧树脂或热塑性聚酯、乙烯基酯或尼龙。结果是碳纤维加强的聚合物或碳纤维加强的塑料（CFRP或CRP）。对于这些高级复合材料的典型航空航天应用是超高性能压力容器、火箭发动机壳体和发射管。对于本征传感器应用，相对绝缘基体中的导电纤维产生显著电学周期性，其可由根据本发明的方法利用。导致电学性质中的显著周期性的其它加强物材料选项包括金属、半导体、复合粒子（例如，金属或绝缘体）或基体中的孔洞。

使用根据本发明的本征感测方法，可在制造期间以及在最终应用内获得对关于结构材料的信息的快速接达。与当前SHM系统和方法相比，以非常低的成本便利地实现所述感测。

可用本发明检测的复合材料的缺陷表示的复合材料的性质的典型改变包括纤维破裂、微裂纹、分层、外来物体或污染物、撞击损坏和多孔性。术语“多孔性”大体上指代由截留空气或在固化过程期间释放的挥发性气体造成的空隙。受基体控制的特征（例如抗压强度、横向拉伸强度和层间剪切强度）受多孔性影响。大体上已经发现，层间剪切强度每1％的空隙减少大约7％，直到约7％的总空隙含量。

用于在复合材料中检测多孔性的技术可广义地分类为以下各项中的一者：直接成像、与单个超声频率相关（窄带方法）或与超声频率斜率相关（宽带方法）。与衰减曲线的频率斜率相关已经被成功证实且已经广泛应用。还似乎存在作为渐增的空隙含量的函数的斜率的近似线性变化。在使用空隙含量与衰减斜率之间的相关的情况下，已经以超声方式确定空隙含量并且将其与通过酸消化法破坏性地确定的空隙含量进行比较。虽然差异可能较微小，但例如根据本发明的方法等高级成像技术帮助确定所扫描样品中的富含基体或缺乏基体的区域。

此外，纤维/基体分布、纤维波度和纤维定向是复合材料的重要显微结构性质。粒子的环境的改变还可由于材料内随时间的蠕变或不稳定性而发生，这可使材料的性能降级。所有这些性质可使用根据本发明的方法来很好地检测。

所采用的材料通常为构造材料，其中寻找关于磨损、损坏或温度的信息。有利地，可采用常规复合材料以便提供关于材料的环境的改变的信息，所述改变例如为应力、张力、体积扭曲或密度波动的改变。此外，通过开发模型和软件，可关联返回的信号以确定材料的温度、pH、水化污染、辐射或结冰。

因此，本发明具有许多重要优点。举例来说，其允许连续或选择性地收集关于关键结构组件（例如用于航空航天行业的结构组件（例如航空器机翼、面板、螺栓、容器和密封件）和用于油气行业的智能密封件）的数据，而不需要在结构上或结构中安装任何额外传感器，安装额外传感器可能会削弱所述结构。因为这些本征传感器使用常规材料，所以在一些情况下，本征感测材料是已经可用的。举例来说，用于航空航天应用的某些碳纤维层状结构为准晶体。

这还呈现经济得多的SHM系统，从而在越来越多地使用复合材料来形成此类结构组件的行业中减少航空器维修成本。

用于在航空航天工程中测试复合材料的现有方法包括（例如）超声换能器和水浴中的复合材料样本以获得2D图像，或硬币轻敲方法，其中“收听”“声音”。有利地，本发明允许在不需要利用水浴的情况下测试此类材料。此外，根据本发明的测试系统可小型化，且提供便携性优点。本发明还具有低功率消耗（仅需要若干毫瓦功率）。

本发明的另一优点在于其允许非常快速地俘获数据，且可实时地收集组件的磨损或疲劳状态，使得更换时间清楚，且组件的制造和使用中的停机时间、控制和操作成本得以降低。制造过程还可用来自材料内部的反馈严密地监测并优化。

此外，在管道感测的领域中，本发明的系统和方法有利地实现连续张力的监测，从而允许操作者防止例如泄漏等问题出现。相反，只要一旦已经发生泄漏，当前光纤技术便辨识分别指示在液体或气体系统中存在泄漏的“热点”或“冷点”。

本发明的另一优点在于其改善监测系统（例如井底监测）的稳健性，从而移除了对连接器和导线的需要。还移除了对传感器装置具有单独电源的需要，因为经由无线交互来向感测元件提供电力。其它应用领域包括复合材料质量控制、航空器和高速汽车制动系统、土木结构或人类健康监测、核电站和化工厂中的压力监测、隔热罩和头锥的温度测量，以及空间站、铁路线和油轮中的裂纹检测。

为了在苛刻环境中获得可靠性，本发明可利用所述结构作为传感器。一个良好实例是测量导管内部的水粘性。复合材料航空器机翼在使表皮与支撑框架配对的表面处并入有本征感测粘合剂。这些区域通常是面板或其它承载结构中的应力热点，且传达关于其机械状态的信息。为此，在结合点处可以得到复合材料结构的关键机械信息。

Claims (31)

1.一种感测系统，其包含：

包含基体和复数个非绝缘粒子的材料，所述非绝缘粒子在所述基体内大致上是等间隔的，使得材料在至少一个维度中具有相干电学周期性；以及

接收器，其经布置以接收用于询问所述材料的源RF信号和返回的RF信号，所述源RF信号由所述非绝缘粒子反射以产生所述返回的RF信号；

其中，询问所述材料包括像天线那样激发所述材料，以产生表面场分布，且所述源RF信号在所述材料内引入的电磁场与所述材料的表面渐逝场耦合；

其中，所述非绝缘粒子中的一者或一者以上的位置的改变致使所述返回的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结晶性的改变。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述基体为非导电基体，且所述非绝缘粒子为导电粒子。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述导电粒子包括碳粒子、碳纤维、石墨烯、铝粒子、银粒子、铜粒子、金粒子和碳纳米管中的至少一者。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述非绝缘粒子为半导体粒子。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述非绝缘粒子为包含金属和绝缘体的复合粒子。

6.根据任一先前权利要求所述的系统，其中所述基体包含聚合物。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述基体包含热固性环氧树脂、热塑性聚酯、乙烯基酯或尼龙中的至少一者。

8.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其中所述材料在至少一个维度中具有相干周期性导电性。

9.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其中所述材料在至少一个维度中具有相干周期性介电常数。

10.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其中所述返回的RF信号的所述改变为振幅改变、频率改变、相移或干扰效应改变中的任一者。

11.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其中所述材料的结晶性的所述改变为粒子破裂、微裂纹、分层、污染物、基体撞击损坏或多孔性改变中的任一者。

12.根据权利要求1-5任一项所述的系统，其中所述接收器经布置以接收环境RF信号。

13.一种感测材料的结晶性的改变的方法，所述材料包含基体和复数个非绝缘粒子，所述非绝缘粒子在所述基体内大致上是等间隔的，使得所述材料在至少一个维度中具有相干电学周期性，所述方法包含以下步骤：

用源RF信号询问所述材料，其中，询问所述材料包括像天线那样激发所述材料，以产生表面场分布，且所述源RF信号在所述材料内引入的电磁场与所述材料的表面渐逝场耦合；

接收从所述非绝缘粒子反射的返回的RF信号；以及

根据所述非绝缘粒子中的一者或一者以上的位置的改变引起的所述返回的RF信号的改变确定所述材料的结晶性的改变。

14.根据权利要求13所述的方法，其中询问所述材料包含使用单个机械探针扫描所述材料的表面。

15.根据权利要求13所述的方法，其中询问所述材料包含用电子多探针沿1D或2D路径扫描所述材料的表面。

16.根据权利要求13所述的方法，其中询问所述材料进一步包含使用单个机械探针扫描所述表面场分布。

17.根据权利要求13所述的方法，其中询问所述材料进一步包含使用电子多探针扫描所述表面场分布。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述电子多探针为具有电子开关或多个信号通道的2D探针阵列。

19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包含将所述2D探针阵列放置在柔性探针薄片中。

20.根据权利要求13到19任一项所述的方法，其中所述源RF信号是经调制的。

21.根据权利要求13到19任一项所述的方法，其中所述材料通过掺杂半导体材料来获得，以实现所述相干电学周期性。

22.根据权利要求15到19任一项所述的方法，其中所述材料包含复数个单元，且其中每一单元表示一个天线元件。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述复数个单元经耦合并形成单元阵列。

24.根据权利要求23所述的方法，其中所述复数个单元经由所诱发的经调制的RF电流来耦合。

25.根据权利要求18到19任一项所述的方法，其中所述2D探针阵列包含至少一个高阻抗探针。

26.根据权利要求25所述的方法，其中所述高阻抗探针包含复数个金属微型元件。

27.根据权利要求25所述的方法，其中所述高阻抗探针为二极管整流器或场效应晶体管的栅极。

28.根据权利要求26所述的方法，其中所述返回的RF信号由零差接收器接收。

29.根据权利要求13到19任一项所述的方法，其中询问所述材料包含在所述材料内引入电磁场模式，且其中接收所述返回的RF信号包含检测所述材料的表面渐逝电磁场。

30.根据权利要求23所述的方法，其中所述复数个单元形成无线蜂窝式网络。

31.根据权利要求13到19任一项所述的方法，其中确定所述材料的所述结晶性的所述改变包含所述材料的2D或3D成像。