CN103575740B - 具有嵌入式传感系统的复合结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有嵌入式传感系统的复合结构，以及监控复合结构健康度的相应系统和方法。复合结构包括复合材料和设置在复合材料内的光纤。光纤包括用于增强其非线性光学特性的多个量子点。量子点可设置在纤芯，包层中和/或光纤的表面。光纤被配置为支持信号传播且对复合材料内的缺陷是敏感的。响应于复合材料中的缺陷，量子点产生非线性效应，如二阶效应。根据对包括量子点产生的非线性效应的信号的检测和分析，复合材料内的缺陷可被检测。

Description

具有嵌入式传感系统的复合结构
相关申请的交叉参考
本申请是2011年8月23日提交的编号为13/215，969的共同在审美国专利申请的部分继续申请，其全部内容并入本文作为参考。
技术领域
本发明的实施例一般涉及复合结构，更具体地涉及具有用于监控复合材料健康度的嵌入式传感系统的复合结构。
背景技术
复合结构是包括通常具有给定顺序的两个或更多组件的结构，其被用于各种各样的应用。例如，如航空器，航天器等的飞行器可使用复合结构以利用其益处，即由复合材料提供的增加的强度重量比。其他可能包括复合结构的应用包括其他类型的车辆，如汽车，船舶，自行车等，以及其他各种结构，如建筑物，桥梁等。通过适当修改所用材料，结构本身，或制造该结构的过程，同样可以生产和使用具有包括改变的热、电、声或机械特性的额外功能的的复合结构。
复合结构可以以各种方式被制造，这些方式被设计成将预定的顺序给予分散在树脂或其他近似连续介质中的多种元素，其他近似连续介质例如，聚合物，玻璃，或胶合剂。通常，复合结构包括嵌入在树脂基体的多种结构纤维，如玻璃纤维或其他元素，包括碳纤维、金属化碳纤维、金属或聚合物薄片、碳或聚合物层，预浸渍复合片材，纤维编织布、随机或有序的纤维席纹布、金属或聚合物网。树脂基体可是许多热塑性或热固性聚合物的组合、粘合剂或其他粘结材料或胶合剂之中的任何一个。一旦复合结构被贮存，比如以能够产生所需的形状或编织为预先确定的二维（2d）或三维（3d）结构的方式，将多个复合层一个放在另一个上或将多个复合丝束一个挨着另一个放置，该复合结构在一个或多于一个处理步骤中可被固化，融化或粘接。
虽然复合结构拥有许多优势，但复合结构可能偶尔有很多异常，如复合层之间分层，复合层之间的波浪状起伏或卷曲，其中复合丝束的顶端至少一部分卷起，从而在复合结构内产生内漩涡。虽然其中一些异常可由复合结构的目视检查发现，大量的异常仍可留在复合结构的内部以致使其在复合结构的目视检查中不能被发现。因此，多种利用诸如X射线，超声波信号或类似信号的检验技术已被开发，以探寻复合结构的内部。虽然这些检测技术可以检测一些如层的分层的异常，其他可由复合结构的树脂内的结构纤维的取向差或错位而产生的异常，从检测的角度来看可存在更大的挑战。
就这方面而言，在复合结构内的多数结构纤维或其他元素一般在预定义的方向延伸，而复合结构的物理特性取决于或至少部分取决于结构纤维或其他元素的方向性。然而，在某些情况下，复合结构内的结构纤维或其他元素可呈现不同的和意外的方向或位置，这可导致复合结构的物理性质也不同。例如，向近似树脂富集区扩展的结构纤维或其他元素可迁移或移向或进入树脂富集区，从而偏离其预定的方向。所述结构纤维的非预期的方向或位置可以是重力、静水压力、化学或沸腾作用或机械作用的结果。由于这种在结构纤维或其他元素的方向和位置偏差可能会影响复合结构的物理性质，所以需要以可靠的方式检测在结构纤维或其他元素的方向或位置偏差，以及在复合结构内的其他缺陷，并且如果需要的话，做适当的修复。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提供具有嵌入式传感系统的复合结构。在这方面，嵌入式传感系统可包括具有多个量子点的光纤，多个量子点可增强光纤的非线性光学性质。因此，复合结构内的缺陷或其他现有的或过去的变化或状态（以下统称“缺陷”）可导致量子点产生可容易辨别的非线性效应，从而提供了复合结构内缺陷的可靠指示。根据本发明实施例，一种监控复合结构健康度的系统和方法也被提出。在这样的背景下，复合结构的健康度包括其化学状态，例如，固化程度，其力学状态，例如应力场，其环境，例如，温度或湿度含量，存在的缺陷或孔隙度，如脱胶或层位错，其热或电特性，或其离子密度，这其中任何一个都可能和所述结构实现其功能有关系。
在一个实施例中，提供了监视复合结构健康度的系统，该复合结构包括复合材料，其具有树脂和嵌入在树脂内的多种结构元素和设置在复合材料内的光纤，所述光纤包括增强其非线性光学特性的多个量子点。对于一个实施例，该光纤包括纤芯和围绕该纤芯的包层，纤芯可包括多个量子点，以放大通过纤芯传播的信号和/或提高光纤的灵敏度。另外地或替代地，所述光纤的包层可包括多个量子点，以通过光纤消失波增强与周围的树脂的相互作用。另外，所述多个量子点可被布置在光纤的表面，以便提供与局部应变场，材料和消失波的较强的相互作用。本实施例中的系统，还包括配置为提供信号给光纤以使其沿光纤传播的信号源。所述多个量子点响应复合材料中的缺陷产生非线性效应，如二阶效应，例如，二次谐波的产生。本实施例中的系统还包括检测器，其配置为检测包括通过光纤传播后的非线性效应在内的信号。由于非线性效应可以很容易地被确定，因此本实施例的系统可以可靠地检测出在复合材料中的缺陷，以便进行进一步的检查或修复。例如，诸如纤维束路径或复合层的偏差之类的缺陷，可在某些实施例中与这种缺陷出现的位置一起被检测出来。
一个实施例中的检测器被配置为在信号反射后检测该信号。例如，光纤可包括布拉格光栅或一个或更多部分反射镜，其用于反射至少一部分所述信号。对于另一个实施例，其中，光纤在第一端和第二端之间延伸，且信号源定位于靠近所述光纤的第一端，系统还可包括定位在所述光纤的第二端的反射器，以便从第二端向第一端将信号反射通过光纤。
对于另一个实施例，一种具有嵌入式传感系统的复合结构被提供。在这方面，该复合结构包括具有树脂和嵌入树脂中的多个结构元素的复合材料。该复合结构还包括放置于复合材料内的光纤。该光纤包括多个量子点，以增强光纤的非线性光学特性。对于一个实施例，其中光纤包括芯和围绕该纤芯的包层，纤芯可包括多个量子点，以放大通过纤芯传播的信号和/或提高光纤的灵敏度。另外地或替代地，光纤的包层包括多个量子点，以通过光纤消失波增强与周围的树脂的相互作用。进一步地，多个量子点可被置于所述光纤的表面，以提供与局部应变场，所述材料和所述消失波更强的相互作用。本实施例中的光纤被配置为支持信号沿其传播并对复合材料内的缺陷是敏感的。在这方面，所述多个量子点响应复合材料内的缺陷产生非线性效应，如二阶效应，例如，二次谐波的产生。对于一个实施例，光纤可包括布拉格光栅或部分反射镜，其用于反射至少部分光信号。
对于更进一步的实施例，提供了一种用于监控复合结构健康度的方法。该方法包括提供复合结构和光纤，所述复合结构包括含有树脂和嵌入在树脂内的多个结构元素的复合材料，所述光纤被设置在复合材料内，且具有用以增强所述光纤的非线性光学特性的多个量子点。对于一个实施例，其中光纤包括纤芯和围绕该纤芯的包层，纤芯可包括多个量子点，以放大通过纤芯传播的信号和/或增强所述光纤的灵敏度。另外地或替代地，所述光纤的包层可包括多个量子点，以通过光纤消失波增强与周围的树脂的相互作用。另外，所述多个量子点可被布置在光纤的表面，以便提供与局部应变场、所述材料和所述消失波的更强的相互作用。该方法还包括给光纤提供信号以使其沿光纤传播，如从光纤的第一端传播到与其相对的第二端。一个实施例的方法还包括产生非线性效应，如二阶效应，例如，多个量子点响应复合材料中的缺陷而造成的二次谐波的产生。本实施例的方法还在通过光纤传播信号后检测信号，其包括非线性效应。由于非线性效应可被很容易地确定，因此在此实施例中的方法可以可靠地检测出复合材料中的缺陷，以便进行进一步的检查或修复。
对于信号源被定位为接近光纤的第一端的实施例，该方法还可包括从第二端向第一端反射信号通过光纤，信号最初是从第一端发射的。在本实施例中，对信号的检测可包括检测由光纤的第一端发射后又经光纤反射的信号。
替代的实施例可按照如下声明：
A.一种用于监控复合结构的方法，该复合结构具有嵌入在其中的光纤，所述光纤包括多个量子点，该方法包括：
给光纤提供沿其传播的信号；并且
检测离开所述光纤的信号。
B.根据权利要求A所述的方法，其包括纤芯和围绕该纤芯的包层，并且所述纤芯包括多个量子点。
C.根据权利要求A所述的方法，其包括纤芯和围绕该纤芯的包层，并且所述包层包括多个量子点。
D.根据权利要求A所述的方法，其中所述多个量子点置于所述光纤的表面。
E.根据权利要求A所述的方法，进一步包括响应在复合材料中的异常，通过多个量子点产生非线性效应。
F.根据权利要求E所述的方法，其中产生非线性效应包括响应在复合材料中的异常来产生二阶效应。
AA.一种用于在复合结构制造过程中监控复合结构的方法，所述方法包括：
将光纤嵌入处于未固化状态的复合结构中，所述光纤包括多个量子点；
给光纤提供沿其传播的信号，直到复合结构达到固化状态；并且
检测离开光纤的信号，直至复合结构达到固化状态。
BB.根据权利要求AA所述的方法，其中所述光纤包括纤芯和围绕该纤芯的包层，其中所述纤芯包括多个量子点。
CC.根据权利要求AA所述的方法，其中所述光纤包括纤芯和围绕该纤芯的包层，其中所述包层包括多个量子点。
DD.根据权利要求AA所述的方法，其中所述多个量子点置于所述光纤的表面。
EE.根据权利要求AA所述的方法，进一步包括响应在复合材料中的异常，通过多个量子点产生非线性效应。
FF.根据权利要求EE所述的方法，其中产生非线性效应包括响应在复合材料中的异常来产生二阶效应。
根据本公开的实施例，提供了系统，方法和复合结构，以可靠地识别复合材料内的缺陷，从而以知情和有效的方式进行进一步的检查或修复。然而，已经讨论的特征，功能和优点可被独立地实现，并且本发明的多个实施例可被合并到其他实施例，其进一步详情可参照详细描述和附图。
附图说明
已经概括的介绍了本发明的示例性实施例，现参照附图，附图不一定按比例绘制，且其中：
图1是根据本发明实施例的复合结构的截面示图，其图示了复合材料和嵌入式传感系统，包括具有多个量子点的光纤，该光纤放置于所述复合材料中；
图2是根据本发明实施例的光纤的局部透视图；
图3是根据本发明实施例监控复合结构健康度的系统的示意性表示；
图4-6是根据本发明实施例的方法的流程图；并且
图7是根据本发明实施例的用于监控复合结构健康度的方法的流程图。
具体实施方式
本发明的实施例将在下文中通过附图的参照更详细的被描述，本发明示出了其中一些实施例，但并非全部实施例都被示出。事实上，这些实施例可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被描述为限于本文所述的实施例；相反地，这些实施例被提供以使得本公开将满足适用的法律要求。全文各处相同的数字指代相似的元件。
现在参看图1，其图示了根据本发明实施例的具有嵌入式传感系统的复合结构10。复合结构10可用于各种各样的应用，其包括空中交通工具，如飞行器，航天器之类，地面交通工具，如汽车，卡车，拖车，自行车等，海上交通工具，建筑以及其它结构。如图1所示，复合结构10包括复合材料，其中多个结构元素12嵌入到树脂14的基体内。该复合材料可包括多个不同类型的结构元素12，其包括结构纤维，如玻璃纤维，碳纤维之类以及其他元素，如石墨板，碳面纱，织物预浸料，固体片和金属或聚合物网。另外，复合材料可包括多个不同类型的树脂14，其包括，例如环氧树脂，聚酯树脂等。
在图示的实施例中，该复合材料包括多个复合层，每个层都具有嵌入在树脂14基体中的多个结构元素12。复合层可以一个放置在另一个上，如图1所示。然而，该复合材料可以以其他的方式来制造，例如，可一个挨一个地放置的多个复合丝束，或通过包括片，幕布，预浸渍的布，金属或聚合物网等。在该复合材料的制造过程中，复合材料被铺设或定形以形成所需的形状，例如通过将复合层或复合丝束或其他元素铺设在具有所需的形状的芯模或工具上。在复合材料的形成过程中，如在铺设或放置多个复合层、复合丝束或之类时，并且在固化复合材料之前，一个或更多包括多个量子点18的光纤被放置在复合材料中，例如被嵌入在复合材料中，如图1所示。在这方面，光纤16以这样的方式被放置在复合材料中，即光纤的至少一个端，更典型的是，光纤的两个相对的端都可接入，例如通过将光纤延伸到复合材料的一个边缘或相对的两个边缘。尽管单个光纤16在图1中被示出，复合材料10可包括多个光纤，多个光纤在另一实施例中可彼此平行延伸穿过复合材料。光纤16可被放置在复合层、复合丝束之类之间。一旦光纤16被放置在复合材料中，复合材料可被固化或处理以固化树脂14，以使复合材料保持形状，其中复合层或复合丝束被层叠放置。这个固化或复合材料的其他固化也可将光纤16束缚在复合材料内，以使光纤16穿过该复合材料。
放置在复合材料中的光纤16包括多个量子点18。尽管多个量子点18在图1的光纤16中被示出，量子点被图示为比典型的大，是以图示为目的，并不是以示例为目的。一个实施例中的光纤16被形成为包括量子点18，通过在光纤内植入光谱增强特性，或在光纤内诱导光纤结构变化以导致光纤超极化率的增强。如下所述，相对于不包括量子点的可比光纤，多个量子点18增强了光纤16的非线性特性。
关于植入光谱增强特性或诱导光纤内微观结构改变，需要注意的是光谱增强在非线性光学的情况下与传统的线性的情况有所偏差。在线性光谱学中，当光频率与材料激励相匹配时，光更容易被材料吸收。一旦光被吸收，其可被重新发射或在材料内被热化，这取决于剩余的材料参数。
在非线性情况下，全部或任何光输入频率与材料激励相匹配以产生所讨论的效应的光谱增强是没有必要的。在一种情况下，例如，可有两个输入，其中之一与材料参数谐振，另一个不与材料参数谐振。在两个输入的和频，将提高和频生产的效率，即使其本身在材料中不存在吸收。在另一种情况下，两个输入都可不与材料激励相匹配，但如果两输入的频率差与材料激励相匹配，在差频的光的生产效率会提高。另外，二次谐波的产生可能会有不谐振的输入信号，但如果二次谐波的频率正好与材料激励匹配，二次谐波产生过程将被增强。
可能会有与任何光纤或量子点材料相关联的天然产生的材料激励。这样的话，光纤的输入频率可被选为允许非线性过程与一个或更多材料激励共振。例如，如果有两个不同的输入频率v1和v2，这样的话v1可与一个或更多材料参数共振，或v2可与一个或更多材料参数共振，或v1+v2可与一个或更多材料参数共振，或v1-v2可与一个或更多材料参数共振。另外，几个组合可同时共振。对于二次谐波来说，有频率为v1的单一频率输入与v1共振或与2v1(v1+v2)共振。另外，具有量子点的光纤可与提供材料谐振的材料掺杂。与光纤掺杂材料可为但不限于为已知光谱特性的原子或分子材料。
另外，微观结构改变不包括能导致非线性信号增强的材料激励。在这方面，在物理状态上拉紧的光纤，其局部分子键会拉紧。在这方面，已经确定，拉紧的分子键会通过更大的超极化率增加光纤的非线性响应。还有，在物理状态上拉紧的光纤将会具有净取向，其在分子水平上被引入，也将增加超极化率的净累积效应。即使纯光谱增强不可用，这两个效应的结合也会导致更大的非线性光学响应。
光纤16可在一个或更多区域内包括量子点18。如图2所示，例如，一个实施例中的光纤16可包括纤芯16a，其被包层16b环绕，包层16b有与纤芯相比不同的折射率，以在很大程度上限制在纤芯内沿纤芯传播的信号。在图示的实施例中，量子点18被包含在光纤的纤芯16a中。在该实施例中，光纤内的量子点18可用来放大在光纤的纤芯中传输的信号，并且增强光纤对复合结构的缺陷的敏感性。在另一个实施例中，光纤16可包括在纤芯16a和包层16b接口处的量子点。在又一个实施例中，光纤16可包括在包层16b中的量子点，从而增强沿光纤传输的信号和通过周围的复合材料光纤消失波的相互作用。在进一步的实施例中，光纤16可包括在光纤外表面16c上的量子点18，例如，在包层的外表面。在该实施例中，放置于光纤16外表面上的多个量子点18可在复合材料中通过消失波与局部应变场有更强的相互作用。光纤16可在以下区域中的一个区域包括多个量子点18，这些区域是，光纤的纤芯16a，包层16b或外表面16c。另外，光纤16可在以下区域中的任两个区域包括多个量子点，如光纤的纤芯16a，包层16b，或外表面16c，在一些实施例中，可在全部三个区域中包括多个量子点，三个区域为，光纤的纤芯，包层，和外表面。
在另一个实施例中，光纤16可为包括多个量子点的梯度折射率光纤。因此，本文关于光纤的核心包括量子点的引用也意图包含梯度折射率光纤包括量子点的实施例。在另一个实施例中，光纤16可为中空的光导管，其用于支持红外线或其他信号沿其传播。在该实施例中，光纤16可以也包括多个量子点18。例如，多个量子点18可被放置于光导管的内表面，面向并定界其中空核心。尽管上面介绍了几种不同的光纤16，前面的例子并不意味着包括一切，其他类型的光纤也可被应用，其包括椭圆纤芯的光纤，多孔光纤，多核光纤，以及拥有大量内部或表面结构的光纤，其能影响放置于光纤之中或之上的任意的临近量子点的环境。
不管光纤16的类型和/或其包括量子点18的区域，光纤可以以相对统一的方式，沿其长度包括量子点或可只在沿光纤长度的一个或多个分离的区域包括量子点。在这种情况下，光纤16接近包含量子点18的部分相对于不包含量子点的部分可对复合材料的缺陷更加敏感。
如上所述并在图3中更详细展示，光纤16的至少一个端，并且更典型的，例如通过延伸超过或达到复合材料的至少一个边缘，光纤的相对的第一和第二端都可接入。如图3所示，根据本发明一个实施例的系统不仅包括复合结构10，其包括复合材料和嵌入光纤16，该系统还包括信号源20，例如光源，用于给光纤提供沿其传播的信号。在这方面，信号源20可被配置为引导信号通过光纤16的第一端以沿光纤的长度传导向光纤的第二端。尽管系统可包括多种类型的信号源20，用以引导不同类型的信号沿光纤传播，实施例的信号源是激光器，例如脉冲激光器，用以给光纤16产生沿其传播的激光信号。在另一个实施例中，其中光纤16是光导管，信号源20可为红外线信号源，用于给光纤的第一端提供红外信号。
信号源20可直接给光纤16提供信号，例如给光纤的第一端提供信号。然而，如图3所示，信号源所产生的信号可为按照条件优先被传递给光纤16。例如，系统可包括波长选择设备22，例如波长滤波器，用于过滤信号源20产生的信号，以保证通过波长选择器以传递给光纤16的信号只含有一个或更多预先确定的频率或预先确定的一段频率。系统也可包括极化设备24，例如格兰-泰勒棱镜，格兰·汤普森棱镜，渥拉斯顿棱镜，薄膜偏振器，其与波板组合在一起，波板包括薄膜器件或光学活性材料，如石英，用于限制信号传播超出那些具有一个或多个预定偏振方向的偏振装置。更进一步的，系统可包括强度过滤器26，如中性密度过滤器，滤色器，可变衰减设备，例如楔形双棱镜或匹配棱镜，或其他固定的或可变的光学衰减设备，以限制提供给光纤16的信号所携带的能量，来确保光纤16不被具有过高能量级的信号所损害。尽管图示的实施例中的系统包括波长选择设备22，极化敏感设备24和强度过滤器26中任何一个，在其他实施例中，系统可包括一个组件或这些组件的任意组合。如图3所示，系统也可包括光学设备28，例如镜头，其用于将信号聚焦到光纤的第一端，例如通过将信号匹配到光纤的数值孔径。
同样如图3所示，系统也包括检测器30，其配置为接收信号，其包括信号通过光纤16传输后产生的任何非线性效应，例如通过复合结构10的制造之后的光纤，这样复合结构是类固化的，或通过在复合结构的制造过程中的光纤，以提供过程监控。在一个实施例中，可放置检测器30，以接收离开光纤16第二端的信号，光纤第二端与第一端相对，来自信号源20的信号从这里进入光纤。但是，在图示的实施例中，系统被配置为信号被反射并重新回到光纤16的第一端。这样的话，该实施例中的检测器30可被放置，以接收信号和信号离开光纤16第一端所产生的非线性效应。通过构造系统使得检测器30接收从光纤16第一端反射回来的信号，该系统的大多数组件可共同协作，从而可能简化了组件的设计和实施。
如图3所示，分束器34可被放置以接收反射信号并把离开光纤16第一端的反射信号重定向到检测器30。通过包括分束器34，即使检测器偏离或超出了光纤的线性排列，检测器30可接收离开光纤16第一端的信号，从而便于信号从信号源20到光纤第一端的引入，而不被检测器阻碍。系统可包括各种类型的检测器，其包括固体检测器，例如光电二极管。检测器可由基于被检测信号的波长来选择的材料制成，这是因为，例如，半导体二极管一般检测具有预定波长范围的信号，该预定波长范围的信号可被半导体材料吸收。在一个实施例中，硅光电二极管可被用于检测返回的信号及其伴随的非线性效应。为了增加灵敏度，例如方便检测比反射信号小的非线性效应，检测器可包括雪崩光电二极管。
沿光纤16传播的信号可以各种方式被反射。例如，系统可包括反射器32，例如镜子，以接收到达光纤16第二端的信号，并反射该信号，这样该信号及其伴随的非线性效应也回到了光纤中，从光纤的第二端向第一端传播，以被检测器30吸收和检测。另外，光纤16可包括布拉格光栅36或如部分反射器之类的其他类型的反射器，例如有一个或更多部分反射镜的法布里-珀罗标准具，其形成于光纤内部，如在美国专利第5,682,237号所描述的，用于反射沿光纤传播的至少一部分的信号及其相关非线性效应。对于一个实施例，在光纤16具有部分反射镜的示例中，量子点18可被放置于反射镜之中或之上。
关于本发明的一个实施例，复合材料内的缺陷可影响信号沿光纤16的传播，例如通过改变信号的幅度和/或相位。例如，复合材料内的缺陷导致光纤16弯曲或使光纤受到压力或拉力，例如由于复合材料内的结构组件14的位移，层的波纹、起卷之类可导致沿光纤传播的信号的改变。通过检测沿光纤16传播的信号并通过识别信号的任何改变，复合材料中缺陷可被识别。例如，根据本发明的实施例，包括纤维丝束路径上的偏差或复合层位置的偏差在内的缺陷可根据从光纤16返回的信号被识别。
复合材料内的一些缺陷可不仅改变沿光纤16传播的光信号的特性，还可导致信号，或至少一部分信号被反射。同样的，本实施例的检测器30不仅只是检测返回到光纤16第一端的信号，还可确定信号返回光纤第一端的时间。通过确定信号射入光纤16第一端的时间和反射信号离开光纤第一端的时间之差，以及信号沿光纤传播的速度，检测器30和/或相关的时域反射仪可确定缺陷被定位的沿光纤长度的相关位置，从而指导对复合材料的进一步检查和/或维修复合材料出问题的位置。
如上所述，光纤16包括多个量子点18。多个量子点18响应复合材料中的缺陷而产生非线性效应。例如，量子点可产生包括二阶效应在内的多个非线性效应，例如二次谐波的产生。关于这点，二阶效应，例如二次谐波的产生，是由一个实施例中的多个量子点产生的，该二阶效应被复合材料内存在的缺陷引起的中心不对称强烈影响，例如被结构组件14的布局和定位的改变引起的缺陷所影响。另外或可替代地，多个量子点可产生三阶效应，例如三次谐波的产生。量子点具有本质上是非线性的非线性光学响应。由于他们小的物理尺寸，而且由于他们的光学折射率会根据周围媒介而改变，所以任何光在其附近传播是都会有局部场增强。因为非线性效应是基于光强的，所以由量子点产生的局部场增强将会增大任何非线性响应的大小。除了三次谐波的产生，其他增强的效应可包括参量放大、拉曼散射、四波混频。总之，二阶非线性效应在中心对称的介质中是不允许的。但是复合结构的变形，加上量子点的存在，能打破材料对称，允许二阶响应，例如二次谐波产生，和频以及差频的产生。同样的，通过在光纤16中包括多个量子点18，其响应复合材料中的缺陷而产生的非线性效应，例如导致光纤产生不可预料的弯曲的缺陷，可作为可靠的且可辨别的缺陷的指示。这些非线性响应可也沿光纤16传输并被检测器30检测。事实上，由多个量子点18产生的非线性响应可具有幅度，其足够被检测器30轻易识别，从而作为复合材料内缺陷的可靠的指示。更进一步的，检测器30可轻易检测非线性响应，因为非线性响应不太可能被噪声产生不利影响，噪声可危害主信号的检测和评估，尤其是在具有相对低的信噪比（SNR）的示例中。
根据本发明的实施例，多种方法可被提供。在图4的框图40中所示，具有多个量子点18的光纤16可被嵌入到复合结构10中。一旦光纤16被嵌入到复合结构10中，信号可被提供给光纤以沿其传播。见框图42。离开光纤16的信号可随后被检测，见框图44。类似的，图5图示了一种方法，其提供信号给嵌入到复合结构10中的光纤以使信号沿其传播。见框图50。光纤16包括多个量子点18。离开光纤16的信号可随后被检测。见框图52。作为该方法的额外说明或代替与已固化的复合材料联合使用的方法，该方法的实施例可与未固化的复合结构10联合使用。如图6的框图60所示，例如，包括多个量子点18的光纤16可被嵌入处于未固化状态的复合结构10中。一旦光纤16被嵌入复合结构10中，信号可被提供给光纤以使信号沿其传播，直到复合结构达到固化状态。见框图62。离开光纤16的信号可随后被检测，直到复合结构10达到固化状态。见框图64。
通过进一步的解释，一种方法可因此被提供，用以监控复合结构10的健康度，例如，如图7的流程图所示。尽管复合结构10的健康度可在其被制造后被监控，例如其处于类固化状态时，本发明实施例的系统和方法可在其先于固化或其他树脂固化的制造过程中监控复合结构的健康度，从而提供过程监控。事实上，实施例中的系统或方法可监控没有固化的复合结构以监控层和复合丝束的方向。关于这点，复合结构10可被提供，其包括复合材料或一个或更多置于复合材料内的光纤16，如图7的操作70所示。光纤16包括多个量子点，其用于增强光纤的非线性效应。如操作72所示，信号可随后被提供给光纤16以使信号沿其传播，例如从信号被引入的第一端到与其相对的第二端。为响应复合材料中的缺陷，例如可导致光纤以不可预计的方式弯曲的缺陷，或导致施加于光纤上的不可预计的数量的压力或拉力，非线性效应可被多个量子点18产生，如操作74所示。许多非线性效应可被产生，其包括二阶效应的产生，例如二次谐波的产生，三阶效应的产生，例如三次谐波的产生，或之类的对材料内缺陷的响应。该方法也可检测信号，包括通过光纤16传播后的非线性效应，如操作76所示。通过分析包括非线性效应在内的信号，例如通过检测器30或与检测器相关联并响应检测器的计算机的方式，其中复合材料有缺陷，该缺陷改变了沿光纤16传播的信号并产生了非线性效应的情况可被识别。见操作78。根据本发明实施例，关于能被检测到的缺陷，纤维束路径上的偏移以及复合层路径和位置上的偏移可被检测。另外，在一些实施例中，缺陷的位置也可被确定，例如根据时域反射计（TDR）。根据检测到的复合材料内潜在的缺陷，实施例中的方法可提供对潜在缺陷的进一步的检测和分析，和/或作出适当的维修以修复缺陷。
关于这点，检测到的信号及其相关非线性效应可被比较，例如被检测器30或相关计算机比较，与通过复合材料不包括任何缺陷的情况下的光纤16传输后预期被检测到的信号及其相关非线性效应作比较。在信号和/或非线性效应相偏离的示例中，例如以至少一个预定的量或百分比偏离，该方法可以识别复合材料内潜在的缺陷，以允许对复合材料进行更详细的分析和/或修复，或通知用户改变任务的需要。
通过包括多个量子点18来增强光纤16的非线性特性，复合材料内的缺陷对通过光纤传播的信号的影响相应增强。在这方面，多个量子点18响应复合材料内的缺陷而产生的非线性效应是充分可重复的，并且其幅度可被检测器30轻易识别。因此，一个实施例的系统和方法有利于检测复合结构内的缺陷，以便允许复合材料被进一步分析或检查和/或以及时促进对复合材料更集中修复或响应新信息。事实上，对由多个量子点18响应复合材料内缺陷而产生的非线性效应的分析可允许缺陷以可靠的方式被识别，该方式不被相对低的信噪比所限制，相对低的信噪比可影响仅基于光纤16内的反射信号而不考虑其相关非线性效应的分析。
如上所述，复合材料的健康度可通过在复合材料内嵌入多个光纤16来监控，比如光纤阵列组，光纤包括量子点。由检测器30检测到的沿光纤阵列传播后的信号及其相关非线性效应可提供多维数据，例如二维或三维数据来指示复合材料的健康度，通过提供，例如，纤维丝束或复合层偏差的位置的指示，并且，在一些实施例中，利用光纤时域反射计提供偏差的位置。对于一个实施例，检测器30可被配置为显示多维数据的可视化表示，比如通过给正在被制造的复合结构10的模型覆盖多维数据的可视化表示，使得模型能为由本发明实施例的系统收集的多维数据提供参考。
实施例所属的本领域技术人员能够想到本发明的许多修改和其它实施例拥有前文描述及其附图的限定的益处。因此，应当理解，这些实施例不局限于特定公开的实施例，并且对实施例的修改以及其他实施例被打算包括在所附的权利要求书的范围之内。此外，尽管前文的描述及其相关附图在某些元素和/或功能的示例性组合的上下文中描述了示例实施例，应理解，不同的组件和/或功能的组合在不脱离其所附的权利要求书的范围的前提下可被不同的实施例提供。考虑到这一点，例如，前文所描述以外的元素和/或功能的不同组合也被认为可由所附权利要求中的一些说明。虽然本文采用了特定术语，但其只被用于一般的和描述性的意义，而不是为了限制的目的。

Claims (14)

1.一种监控复合结构的系统，所述系统包括：
在相对的第一端和第二端之间延伸的光纤，所述光纤的至少一部分在所述复合结构内，所述光纤包括多个量子点；
接近所述光纤的第一端并且与所述光纤耦合的信号源，其为所述光纤提供光信号以使所述信号沿所述光纤传播，其中所述信号源被配置为提供具有第一和第二不同的输入频率v1和v2的光信号，其中v1+v2或v1－v2中的至少一个与所述光纤的材料激励共振；
设置为和所述光纤光连通的反射器，以通过所述光纤向所述第一端反射所述光信号；以及
与所述光纤耦合的检测器，其检测在所述光信号通过所述光纤的反射之后从所述光纤的所述第一端离开所述光纤的光信号，
其中所述多个量子点响应于所述复合结构内的异常产生包括二次谐波或三次谐波中的至少一个的非线性特性，所述异常根据离开所述光纤的光信号的分析是可检测的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光纤包括纤芯和围绕所述纤芯的包层，并且其中所述纤芯包括所述多个量子点。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述光纤包括纤芯和围绕所述纤芯的包层，并且其中所述包层包括所述多个量子点。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个量子点被设置在所述光纤的表面上。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述反射器包括布拉格光栅或法布里-珀罗标准具中的至少一个，该法布里-珀罗标准具包括一个或更多部分反射镜。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述反射器设置在所述光纤的第二端，以从所述第二端向所述第一端反射所述信号通过所述光纤。
7.一种监控复合结构的方法，所述方法包括：
嵌入在相对的第一端和第二端之间延伸的光纤，所述光纤的至少一部分在所述复合结构内，所述光纤包括多个量子点；
提供光信号给所述光纤的第一端以使其沿所述光纤传播，其中提供所述光信号包括提供具有第一和第二不同的输入频率v1和v2的光信号，其中v1+v2或v1－v2中的至少一个与所述光纤的材料激励共振；
利用设置为和所述光纤光连通的反射器，通过所述光纤向所述第一端反射光信号；以及
检测在所述光信号通过所述光纤的反射之后从所述光纤的所述第一端离开所述光纤的光信号，其中检测所述光信号包括分析离开所述光纤的所述光信号，以检测包括二次谐波或三次谐波的非线性特性，所述非线性特性是所述多个量子点响应于所述复合结构内的异常而产生的。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述光纤包括纤芯和围绕所述纤芯的包层，并且其中所述纤芯包括所述多个量子点。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述光纤包括纤芯和围绕所述纤芯的包层，并且其中所述包层包括所述多个量子点。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述多个量子点被设置在所述光纤的表面上。
11.一种监控具有光纤嵌入其中的复合结构的方法，所述光纤在相对的第一端和第二端之间延伸并且包括多个量子点，所述方法包括：
提供光信号给所述光纤的所述第一端以使所述光信号沿所述光纤传播，其中提供光信号包括提供具有第一和第二不同的输入频率v1和v2的光信号，其中v1+v2或v1－v2中的至少一个与所述光纤的材料激励共振；
利用设置为和所述光纤光连通的反射器，通过所述光纤向所述第一端反射光信号；以及
检测在所述光信号通过所述光纤的反射之后从所述光纤的所述第一端离开所述光纤的光信号，其中检测所述光信号包括分析离开所述光纤的所述光信号，以检测包括二次谐波或三次谐波的非线性特性，所述非线性特性是所述多个量子点响应于所述复合结构内的异常而产生的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述光纤包括纤芯和围绕所述纤芯的包层，并且其中所述纤芯包括所述多个量子点。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述光纤包括纤芯和围绕所述纤芯的包层，并且其中所述包层包括所述多个量子点。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述多个量子点被设置在所述光纤的表面上。
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