CN110456340A - 复合材料结构监控系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于监控复合材料结构中的性质改变的方法，包括：使用嵌入在复合材料结构中的毫米波雷达传感器向复合材料结构发射射频(RF)信号；使用该毫米波雷达传感器接收来自复合材料结构的反射信号；处理反射信号；以及基于对反射信号的处理，确定复合材料结构中的性质改变。

Description

复合材料结构监控系统
技术领域
本发明一般涉及电子系统，并且在特定实施例中，涉及复合材料监控系统。
背景技术
诸如汽车的交通工具在过去几年中提高了燃油效率。无论汽车的技术如何(例如内燃机、电动汽车或混合动力汽车)，通常都希望提高效率。例如，提高的效率通常引起驾驶范围增大。例如，由于燃料消耗减少，也可以实现运行成本降低。燃油效率提高也可以有助于减少对环境的有害影响。
可以以各种方式提高汽车的效率。例如，可以将汽车发动机设计成用于提高效率，或者可以修改汽车的空气动力学设计以提高效率。提高效率的另一途径是减轻汽车重量。
减轻汽车重量的一种途径是使用轻质材料来制造例如汽车的框架。因此理想的是，使用诸如复合材料的轻质材料。在汽车、自行车、摩托车、公共汽车和火车框架的生产中，复合材料(诸如碳纤维)的使用在将来预期会增加。例如，图1A示出了使用碳纤维框架的汽车的示例。图1B示出了碳纤维自行车的示例。
复合材料在框架生产中日益普及的原因之一在于，复合材料通常坚固且重量轻。例如，图1C示出了由两个人抬起的汽车的碳纤维框架的示例。
发明内容
根据实施例，一种用于监控复合材料结构中的性质改变的方法包括：使用嵌入在复合材料结构中的毫米波雷达传感器向复合材料结构发射射频(RF)信号；使用毫米波雷达传感器接收来自复合材料结构的反射信号；处理反射信号；以及基于对反射信号的处理，确定复合材料结构中的性质改变。
根据另一实施例，一种系统包括安置在复合材料结构中的多个感测装置和中央处理器。多个感测装置中的每个感测装置包括毫米波雷达传感器电路和相应的控制器，毫米波雷达传感器电路被配置成：向复合材料结构发射RF信号；以及在发射RF信号之后，接收来自复合材料结构的回波信号，其中相应的控制器或中央处理器被配置成：处理回波信号；以及基于对回波信号的处理，确定复合材料结构中的性质改变。
根据又一个实施例，一种汽车包括：碳纤维框架；主中央处理单元(CPU)；以及嵌入在碳纤维框架中的多个感测装置。多个感测装置中的每个感测装置包括毫米波雷达传感器电路和相应的控制器，毫米波雷达传感器电路被配置成：向碳纤维框架发射多个RF信号，以及接收来自碳纤维框架的多个回波信号，其中相应的控制器或主CPU被配置成：处理多个回波信号中的每个回波信号；以及基于对多个回波信号中的每个回波信号的处理，确定碳纤维框架中的性质改变。
附图说明
为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考以下结合附图的描述，其中：
图1A-图1C示出了碳纤维框架的示例；
图2示出了根据本发明的实施例的毫米波雷达系统；
图3示出了根据本发明的实施例的汽车框架；
图4图示了根据本发明的实施例的、用于监控复合材料结构的性质的实施例方法的流程图；以及
图5示出了根据本发明的实施例的、用于监控复合材料结构的性质的传感器的示意图。
除非另有指示，否则不同附图中的对应的附图标记和符号通常指示对应的部分。绘制附图以清楚地说明优选实施例的相关方面，并且不一定按比例绘制。为了更清楚地说明某些实施例，指示相同结构、材料或过程步骤的变化的字母可以遵循图号。
具体实施方式
下面详细讨论目前优选实施例的制作和使用。然而，应当理解，本发明提供了许多可应用的发明概念，它们可以在各种具体环境中实施。所讨论的具体实施例仅说明制作和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。
下面的描述说明了各种具体细节，以提供对根据本描述的几个示例实施例的深入理解。可以在没有一个或多个具体细节的情况下或者利用其他方法、组件、材料等获得实施例。在其他情况下，未详细示出或描述已知的结构、材料或操作，以免实施例的不同方面模糊不清。在本描述中对“实施例”的引用指出关于该实施例描述的特定配置、结构或特征包括在至少一个实施例中。因此，可能出现在本描述的不同点处的诸如“在一个实施例中”的短语不一定恰好涉及相同的实施例。另外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式组合特殊的构造、结构或特征。
将结合具体上下文中的实施例来描述本发明，系统用于监控汽车的框架中的复合材料的性质改变。本发明的实施例可以用在其他类型的交通工具(诸如公共汽车、火车、摩托车和自行车)或其他类型的复合材料结构(诸如复合材料建筑起重机)中。实施例还可以用在需要监控复合材料结构的性质改变的其他系统中。
复合材料(诸如碳纤维)的性质可能会随时间改变。例如，长期应力(例如，压缩力、振动等)可能导致分层、变形、破裂或刚度损失。复合材料的介电常数(也称为εr)也可能随时间改变。在一些情况下，诸如汽车轮胎撞击路面中的结构破坏(例如，坑洞)的临时应力，可以产生足够的应力以引起复合材料的性质方面的改变。
在具有由复合材料制成的框架的汽车中，框架的复合材料的性质改变可能导致故障。例如，复合材料可能随时间失去弹性(例如，由于各种应力)。复合材料的弹性的损失可能使复合材料结构响应于各种应力(诸如汽车撞击坑洞)更容易破裂。
因此有利的是，监控框架的复合材料的性质改变并确定复合材料的性质是否已经改变。例如，通过监控复合材料的性质改变，可以确定复合材料结构是否接近破裂。
复合材料性质方面的改变可以产生特殊标记，该特殊标记可通过照射复合材料并分析反射的回波信号检测。例如，来自碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料的表面的GHz照射的平均反射功率与材料的应力线性相关。
在本发明的一个实施例中，嵌入在复合材料结构中的毫米波雷达用于：通过将对回波信号的相位的测量与初始相位测量进行比较，和/或通过将对回波信号的平均功率的测量与初始平均反射功率进行比较，以检测复合材料结构的性质改变。在一些实施例中，所监控的复合材料的性质改变包括复合材料的分层、变形和介电常数。
本发明的实施例通过将毫米波雷达连同信号处理技术一起使用，以检测汽车框架的复合材料的性质改变(例如，变形、分层、介电常数改变等)。例如，图2示出了根据本发明的实施例的毫米波雷达系统200。毫米波雷达系统200包括毫米波雷达202和处理器204。
在正常操作期间，毫米波雷达202向复合材料208发射一个或多个辐射脉冲206，例如啁啾。所发射的辐射脉冲206被复合材料208反射。反射的辐射脉冲(图2中未示出)，也称为反射信号或回波信号，由毫米波雷达202检测、数字化，从而生成回波数据，并由处理器204处理，以例如标识复合材料结构208中的性质改变。
处理器204分析回波数据以确定：复合材料结构的性质方面的改变是否已经发生。更具体地，处理器204基于反射信号与预期信号之间的差来确定这种改变是否已经发生，预期信号指示汽车框架(例如，已经生成反射信号的结构的特殊区域)处于良好状态(即未损坏)。这里，“差”被理解为反射信号和预期信号之间的差异或偏差。实际上，差可以采用一个或多个定量参数的形式，定量参数指示两个信号之间的间隙。例如，在一些实施例中，可以使用指示信号之间的相位差的参数。在其他实施例中，可以使用指示信号的相应功率方面的差的参数。还可以使用构造为其他这种参数的函数(诸如其加权组合等)的参数。
例如，处理器204可以分析回波信号的相位并将相位与相位基准进行比较，以确定复合材料结构是否已经改变。例如，在第一时间(例如，在制造或组装期间)，执行并存储第一相位测量。由于毫米波雷达202和复合材料结构208之间的距离在正常操作期间不改变，因此预期任何后续相位测量等于第一测量或预期的测量。如果后续的相位测量与第一测量不同，则这种相位方面的改变指示复合材料结构的性质方面的改变(例如，分层、变形、位移等)已经发生。例如，复合材料的介电常数εr方面的改变可能导致使复合材料结构变形的气泡。这种变形改变了复合材料结构208和毫米波雷达202之间的距离。毫米波雷达202通过检测后续相位测量方面的改变来检测这种距离方面的改变。
作为另一示例，处理器204可以分析回波信号的平均功率，并将平均功率与平均功率基准进行比较，以确定复合材料是否已经改变。例如，在第一时间(例如，在制造或组装期间)，执行并存储第一平均功率测量。如果复合材料结构的性质没有改变，则预期任何后续的平均功率测量等于该第一测量。如果后续的平均功率测量与第一测量不同，则平均功率方面的这种改变表示复合材料的性质方面的改变(例如，强度损失)已经发生。
处理器204可以被实施成通用处理器、控制器或数字信号处理器(DSP)，诸如低功率通用微控制器。在一些实施例中，处理器204可以被实施成定制专用集成电路(ASIC)。在一些实施例中，处理器204包括多个处理器，每个处理器具有一个或多个处理核。在其他实施例中，处理器204包括具有一个或多个处理核的单个处理器。
毫米波雷达202包括毫米波雷达传感器电路和天线。在一些实施例中，毫米波雷达传感器电路和天线以双基地配置(即，发射器和接收器以一定距离分离)实施。在其他实施例中，毫米波雷达传感器电路和天线以单基地配置(即，发射器和接收器被组合)实施。一些实施例可以具有专用于发射器(TX)模块的一个或多个天线以及专用于毫米波雷达的接收器(RX)模块的一个或多个天线。其他实施例可以共享用于毫米波雷达的RX模块和TX模块的相同天线，诸如在单基地实施方式中。
毫米波雷达传感器电路可以发射和接收GHz范围内的信号。例如，一些实施例可以在围绕诸如95GHz、120GHz、140GHz和/或240GHz的频率和/或在约95GHz和约240GHz范围之间的其他频率分配的频带中发射和接收诸如啁啾的信号。其他实施例可以发射和接收诸如20GHz至122GHz范围内的啁啾的信号。其他实施例可以发射和接收信号，诸如频率高于240GHz的啁啾。其他频率和频率范围也是可能的。
在一些实施例中，毫米波雷达传感器电路通过使用带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)、混频器、低噪声放大器(LNA)和中频(IF)放大器，以本领域已知的方式处理所接收的回波信号。然后使用一个或多个模数转换器(ADC)将回波信号数字化以用于进一步处理。其他实施方式也是可能的。
复合材料结构208可以包括复合材料，诸如碳纤维、玻璃纤维(也称为玻璃增强塑料、玻璃纤维增强塑料或GFK)或芳香族聚酰胺纤维。可以使用其他类型的复合材料。
图3示出了根据本发明的实施例的汽车框架300。汽车框架300包括复合材料框架302和多个传感器304。为清楚起见，图3示出了安置在复合材料框架302的第一半部上的传感器304。应当理解，复合材料框架302的第二半部包括相对于第一半部对称安置的多个传感器304(未示出)。
如图3中所示的复合材料框架302中的传感器304的布置是可能布置的非限制性示例。在一些实施例中，传感器304可以以不同于图3中所示布置的对称布置被安置在复合材料框架302中。在其他实施例中，传感器304可以以非对称布置来安置。
汽车框架300的传感器304的数量(数量为11)是传感器304的可能数量的示例。可以使用不同数量的传感器304，例如多于11个传感器，或少于11个传感器。
传感器304可以例如用毫米波雷达202实施。每个传感器304监控复合材料框架302的相应的位置或区域。每个传感器304的位置可以基于，例如，对特别容易退化的位置(例如，比其他位置承受更多的应力或特定类型的应力)或特别关键(例如，在关键位置处的故障导致灾难性故障)的监控。
在一些实施例中，传感器304可以在复合材料框架302的制造期间嵌入复合材料框架302内。例如，传感器304可以固定到复合材料框架302，并且例如胶合到复合材料框架302。在其他实施例中，传感器304可以在制造复合材料框架302之后安置在复合材料框架302的表面。在一些实施例中，传感器304和复合材料的对应部分之间的距离非常短(例如，小于10cm、或小于1cm、诸如1mm)。也可以使用更大的距离。
在一些实施例中，执行校准步骤以确定一个或多个传感器304和其对应的复合材料框架302的部分之间的距离。在一些实施例中，在校准后，传感器304和其对应的复合材料框架302的部分之间的距离被固定。
每个传感器304将处理后的数据发送到中央处理器306，该数据指示在相应的被监控位置处是否已经发生性质改变。在一些实施例中，传感器304将未处理的数据发送到中央处理器306，并且中央处理器306处理来自每个传感器304的数据，以确定在相应的被监控位置处是否已经发生性质改变。传感器304与中央处理器306之间的处理任务不同分配也是可能的。
中央处理器306可以基于从传感器304接收的数据生成输出，以警告用户(例如，驾驶员或外部控制者)和/或向用户报告改变(或没有改变)。在一些实施例中。中央处理器306存储每个传感器304的基准相位测量和基准平均功率测量，并且每当每个传感器304进行测量时，从每个传感器304接收原始测量。在这种实施例中，中央处理器306、而不是单个(局部)传感器304确定复合材料的性质改变是否已经发生。
在一些实施例中，中央处理器306聚集来自所有或大多数传感器304的信息，以确定复合材料框架302的整体健康状况。
在一些实施例中，中央处理器306可以是汽车的主CPU，其通常监控汽车的其他功能，诸如发动机温度、轮胎压力等。在其他实施例中，中央处理器306可以耦合到汽车的主CPU。在又一实施例中，中央处理器306并不耦合到汽车的主CPU。
在一些实施例中，每个传感器304被以单基地实施方式实施。与双基地实施方式相比，使用单基地实施方式通常具有的优点是更小。
由于复合材料框架302的性质改变在长时间段(例如，数月或数年)上发生，因此可以以非常低的占空比测量复合材料框架302的性质。例如，在一些实施例中，每个传感器304每天、或每次启动汽车、或例如每两个小时执行一次测量(例如，发射GHz信号，并且接收并分析由复合材料框架302的相应部分反射的回波信号)。其他间隔也是可能的。
以非常低的占空比测量复合材料框架302的性质改变的优点是，每个传感器304可以以非常低的平均功耗操作。在一些实施例中，每个传感器304通过使用来自电池(例如，锂离子、碱性或其他)的能量来操作。由于每个传感器304的能量消耗可以非常低(例如，由于非常低的占空比)，因此每个传感器304可以运行很长时间(例如，数月或数年)，而无需再充电或更换它们相应的本地电池。在这种实施例中，可以避免耦合在每个传感器304和汽车主电池(例如，汽车的通常12V的电池)之间的导线。
在一些实施例中，收集(例如，从机电辐射、太阳辐射、汽车振动等)的能量可用于对连接到每个传感器304的相应的本地电池进行再充电，以延长每个传感器304的使用寿命。在其他实施例中，导线耦合在每个传感器304和汽车的电池之间，以对每个传感器304的相应的本地电池再充电，或者直接向每个传感器304提供电力。
在一些实施例中，每个传感器304可以经由无线通信与中央处理器306通信，诸如通过使用WiFi、蓝牙或与轮胎压力监控系统(TPMS)中使用的通信协议类似或等同的通信协议。通过经由无线通信的通信，可以避免将每个传感器304连接到中央处理器306的导线。在其他实施例中，每个传感器304使用有线通信(诸如通过使用串行外围接口(SPI))与中央处理器306通信。
在一些实施例中，例如在以低占空比执行测量并使用无线通信与中央处理器306通信的实施例中，传感器30没有穿过复合材料框架302的导线。例如，在这种实施例中，传感器304可以缺少将传感器304连接到汽车的主电池的导线，并且可以缺少将传感器304连接到中央处理器306的导线。
复合材料框架302的一些性质可能由于长期应力而改变，例如经由被称为蠕变的过程。对于短期应力，如果短期应力的幅度较低，则复合材料框架302的性质可以暂时改变并恢复到原始状态。如果短期应力的幅度很高，则复合材料框架302的性质可以永久地改变。
在一些实施例中，每个传感器304连续地测量回波信号的相位和/或平均功率。通过连续地发射、反射和分析回波信号的相位和/或平均功率，可以检测复合材料框架302中的临时性质改变。临时性质材料改变的数量可以指示复合材料框架302的加速老化。例如，在一些实施例中，监控/跟踪的临时性质改变中的偏差幅度基于足以引起复合材料变形的最小偏差。
另外，通过连续监控复合材料框架302的性质，可以立即提醒用户复合材料框架302中是否发生突然改变。这在复合材料框架302经受连续的、周期性的、频繁的或强烈的应力的环境中特别有利，诸如在越野交通工具、军用交通工具、具有复合结构的飞行器以及工业应用中。
图4图示了根据本发明的实施例的、用于监控复合材料结构的性质的实施例方法400的流程图。方法400可以在汽车框架300中实施。方法400也可以在其他复合材料结构中实施。以下讨论假定汽车框架300实施用于监控复合材料结构的性质的方法400。
在步骤402期间，对复合材料结构(诸如复合材料框架302)的性质进行初始测量，以便获得预期的一个或多个信号，未来的测量将与该一个或多个信号进行比较，以确定结构的性质改变是否已经发生。步骤402也可以称为校准步骤。步骤402可以在复合材料结构的制造或组装期间执行，或者在开始监控复合材料结构的性质时执行。
在步骤404期间，由诸如用毫米波雷达202实施的传感器300的感测装置进行诸如关于图2所描述的第一相位测量。在步骤406期间，将第一相位测量存储在毫米波雷达内的或耦合到毫米波雷达202的非易失性存储器中，或存储在中央处理器或相关联的存储器(诸如中央处理器306)中。
在步骤408期间，由感测装置进行诸如关于图2所描述的第一平均功率测量。在步骤410期间，第一平均功率测量存储在非易失性存储器中。
可以以不同的顺序执行步骤404、406、408和410，诸如408、然后410、然后404并且然后404。备选地，步骤404和步骤408可以在步骤406和步骤410之前执行。在一些实施例中，可以跳过步骤404和步骤406。在其他实施例中，可以跳过步骤408和步骤410。在又一实施例中，可以测量和存储与回波信号有关的附加参数，诸如频率改变(例如，多普勒效应)或其他时域改变。
在步骤412期间，执行复合材料结构的性质的后续测量，以便确定其性质改变是否已经发生。在步骤414期间，利用感测装置执行后续的相位测量。在步骤416期间，利用感测装置执行后续的平均功率测量。在一些实施例中，步骤414在步骤416之前执行。在其他实施例中，步骤416在步骤414之前执行。在其他实施例中，步骤414和步骤416同时执行。在一些实施例中，可以跳过步骤414。在其他实施例中，可以跳过步骤416。在又一实施例中，可以测量与回波信号有关的附加参数，诸如频率改变(例如，多普勒效应)或其他时域改变。
在步骤418期间，将后续相位测量与第一相位测量之间的相位差的幅度和相位阈值Thphase进行比较。如果相位差的幅度低于相位阈值Thphase，则执行步骤412。如果相位差的幅度大于相位阈值Thphase，则在步骤420期间提醒用户(诸如包括汽车框架300的汽车的驾驶员或外部控制者)：复合材料结构可能失效。
在步骤418期间，将后续平均功率测量与第一平均功率测量之间的平均功率差的幅度和平均功率阈值Thavg_power进行比较。如果平均功率差的幅度低于平均功率阈值Thavg_power，则执行步骤412。如果平均功率差的幅度大于相位阈值Thavg_power，则在步骤420期间提醒用户：复合材料结构可能失效。在步骤420之后执行步骤412，重复该顺序。
应当理解，尽管关于单个感测装置解释了方法400，但复合材料结构可以包括多个感测装置，每个感测装置监控复合材料结构的对应部分。
对于不同的复合材料和复合材料结构，相位阈值Thphase和平均功率阈值Thavg_power可以不同。本领域技术人员应当能够找到特定复合材料和复合材料结构的特殊阈值。例如，在一些实施例中，在特定应用中使用的特殊阈值可以在表征步骤期间确定，在该步骤中测试复合材料结构经受各种应力，直到复合材料结构失效(例如，破裂)，同时连续监控由测试复合材料结构反射的回波信号的相位和平均功率。
其他实施例可以从使用中收集信息并使用机器学习算法(诸如随机森林算法)来确定指示性质改变的故障签名。例如，在一些实施例中，多个汽车可以收集相应的回波数据。可以周期性地测量相应的汽车框架的性质改变。然后，基于相位改变、平均功率改变、多普勒效应等之间的相关性，机器学习算法可以创建签名，来检测复合材料结构的性质方面的偏差，该偏差预示一个失效(例如，破裂)的机械模式。然后可以使用分类器来区分相关的改变(例如，永久变形)和不指示潜在故障的改变(例如材料的性质或测量噪声的临时改变)。
图5示出了根据本发明的实施例的、用于监控复合材料结构的性质的传感器500的示意图。传感器500包括以单基地配置实现的毫米波雷达传感器电路508、天线504、控制器518和接口电路524。毫米波雷达传感器电路508包括射频(RF)电路514和混合信号电路516。控制器518包括数字块520和信号处理块522。
RF电路514被配置成向复合材料结构发射信号(例如，啁啾)，并接收来自复合材料结构的回波(即，反射)信号。RF电路514包括发射器电路510、接收器电路512。以单基地配置实施RF电路514。
发射器电路510和接收器电路512可以以本领域中已知的任何方式实施。如图5中所示，在单基地配置中，发射器电路510和接收器电路512连接到相同的天线504。一些实施例可以以双基配置实施，其中发射器电路510连接到第一天线，并且接收器电路512连接到第二天线。
混合信号电路516被配置成控制RF电路514以发射信号(例如，啁啾)，并接收回波信号。混合信号电路516还被配置成将RF信号转换为数字信号，数字信号然后被传输到控制器518。
可以以本领域中已知的任何方式实施混合信号电路516。例如，在一些实施例中，混合信号电路516包括一个或多个带通滤波器(BPF)、低通滤波器(LPF)、混频器、低噪声放大器(LNA)、中频(IF)放大器和ADC。
控制器518被配置成处理从毫米波雷达传感器电路508接收的信号，并将其传输到中央处理器(未示出)。控制器518可以以本领域已知的任何方式实施，并且通常包括数字块520和信号处理块522，数字块用于一般控制目的(例如，控制毫米波雷达传感器电路508和接口电路524)，信号处理块用于处理从毫米波雷达传感器电路508接收的信号。在一些实施例中，未实施信号处理块522，而是将从毫米波雷达传感器电路508接收的原始数据发送到中央处理器以进行进一步处理。
接口电路524被配置成将数据从控制器518传输到中央处理器。接口电路524可以包括无线接口526和/或有线接口528。如果实施无线接口526，则无线接口526连接到天线530。
可以以本领域中已知的任何方式实施无线接口526。例如，无线接口526可以被实施成用于WiFi或蓝牙通信。可以使用其他通信协议，包括低功率通信协议和低数据速率通信协议。
可以以本领域中已知的任何方式实施有线接口528。例如，有线接口528可以被实施成用于SPI通信、通用异步收发器(UART)通信或内部集成电路(I2C)通信。可以使用其他通信协议。
在一些实施例中，毫米波雷达传感器电路508、控制器518和接口电路524耦合到电池530。电池530可以是可充电电池。例如，在一些实施例中，电池530是可再充电电池，其通过从环境(例如，电磁、太阳能、振动等)收集的能量进行再充电。
在一些实施例中，电池530是不可再充电电池。例如，在以非常低的占空比执行对复合材料结构的性质改变的测量的实施例中，可以使用不可再充电电池。
其他实施例不包括电池530。在这种实施例中，毫米波雷达传感器电路508、控制器518和接口电路524接收来自汽车的主电池的电力。例如，传感器连续监控复合材料结构的性质改变的实施例可以接收来自汽车的主电池的电力，而不是实施本地电池。
在一些实施例中，毫米波雷达传感器电路508、控制器518和接口电路524被实施在同一封装502内。一些实施例包括封装502内的天线504和/或天线530。其他实施例将每个毫米波雷达传感器电路508、控制器518和接口电路524以及天线504和天线530离散地实施在印刷电路板(PCB)中。
这里总结了本发明的示例性实施例。根据整个说明书和本文提交的权利要求，还可以理解其他实施例。
示例1.一种用于监控复合材料结构中的性质改变的方法，方法包括：使用嵌入在复合材料结构中的毫米波雷达传感器向复合材料结构发射射频(RF)信号；使用毫米波雷达传感器接收来自复合材料结构的反射信号；处理反射信号；以及基于对反射信号的处理，确定复合材料结构中的性质改变。
示例2.根据示例1的方法，其中确定复合材料结构中的性质改变包括：使用分类过程，以确定一组可能的性质改变类型中的一个性质改变类型。
示例3.根据示例1或2所述的方法，其中处理反射信号包括：确定反射信号与预定的预期反射信号之间的差。
示例4.根据示例1至3之一所述的方法，还包括：使用毫米波雷达传感器向复合材料结构发射初始RF信号；在发射初始RF信号之后，使用毫米波雷达传感器接收来自复合材料结构的初始反射信号；以及基于初始反射信号，确定预定的预期反射信号。
示例5.根据示例1至4之一所述的方法，其中确定复合材料结构的性质改变包括当所确定的差大于第一阈值时，确定已经发生性质改变，并且其中第一阈值在表征阶段期间被确定。
示例6.根据示例1至5之一所述的方法，其中处理反射信号包括：确定反射信号的相位；以及确定反射信号的相位与相位基准之间的相位幅度差，并且其中确定复合材料结构的性质改变包括：当所确定的相位幅度差大于相位阈值时，确定已经发生性质改变。
示例7.根据示例1至6之一所述的方法，其中处理反射信号包括：确定反射信号的平均功率；以及确定反射信号的平均功率与平均功率基准之间的平均功率幅度差，并且其中确定复合材料结构的性质改变包括：当所确定的平均功率幅度差大于平均功率阈值时，确定已经发生性质改变。
示例8.根据示例1至7之一所述的方法，其中复合材料结构包括碳纤维。
示例9.根据示例1至8之一所述的方法，还包括使用毫米波雷达传感器向复合材料结构发射多个RF信号，其中每两个小时或更慢地发射多个RF信号中的每个信号。
示例10.根据示例1至9之一所述的方法，其中复合材料结构是汽车的框架。
示例11.根据示例1至10之一所述的方法，还包括使用毫米波雷达传感器向汽车的框架发射多个RF信号，其中发射多个RF信号包括：在汽车每次启动时发射RF信号。
示例12.根据示例1至11之一所述的方法，其中RF信号包括啁啾。
示例13.根据示例1至12之一所述的方法，其中啁啾具有约95GHz、120GHz、140GHz或240GHz的频带。
示例14.根据示例1至13之一所述的方法，还包括将第一数据传输到中央处理器，其中第一数据基于反射信号。
示例15.根据示例1至14之一所述的方法，其中第一数据包括反射信号与预定的预期反射信号之间的差。
示例16.根据示例1至14之一所述的方法，其中传输第一数据包括：使用无线链路传输第一数据。
示例17.根据示例1至16之一所述的方法，还包括对耦合到毫米波雷达传感器的电池再充电，再充电通过使用从电磁辐射收集的能量来进行。
示例18.根据示例1至17之一所述的方法，其中复合材料结构的性质改变包括复合材料结构的分层、变形或介电常数方面的改变。
示例19.一种系统，包括：安置在复合材料结构中的多个感测装置；和中央处理器，其中多个感测装置中的每个感测装置包括：毫米波雷达传感器电路和相应的控制器，毫米波雷达传感器电路被配置成向复合材料结构发射射频(RF)信号，以及在发射射频信号后，接收来自复合材料结构的回波信号，其中相应的控制器或中央处理器被配置成：处理回波信号，以及基于对回波信号的处理，确定复合材料结构中的性质改变。
示例20.根据示例19所述的系统，其中处理回波信号包括：确定回波信号和预定回波信号之间的差。
示例21.根据示例19或20所述的系统，其中相应的控制器或中央处理器被配置成通过以下方式处理回波信号：确定回波信号的相位；确定回波信号的平均功率；确定回波信号的相位与相位基准之间的相位幅度差；以及确定回波信号的平均功率与平均功率基准之间的平均功率幅度差，其中相应的控制器或中央处理器被配置成通过在如下情况时确定已经发生性质改变来确定性质改变：所确定的相位幅度差大于相位阈值，或者所确定的平均功率幅度差大于平均功率阈值。
示例22.根据示例19至21之一所述的系统，其中复合材料结构包括碳纤维。
示例23.根据示例19至22之一所述的系统，其中复合材料结构是汽车的框架。
示例24.根据示例19至23之一所述的系统，其中中央处理器是汽车的主中央处理单元(CPU)。
示例25.根据示例19至24之一所述的系统，其中每个毫米波雷达传感器电路和相应的控制器一起封装在相同的相应封装中。
示例26.根据示例19至25之一所述的系统，其中每个毫米波雷达传感器电路耦合到相应的本地电池。
示例27.根据示例19至26之一所述的系统，其中相应的本地电池是不可再充电电池。
示例28.根据示例19至27之一所述的系统，其中每个毫米波雷达传感器电路包括无线接口电路，该无线接口电路耦合到相应的控制器并且被配置成与中央处理器无线通信。
示例29.根据示例19至28之一所述的系统，其中每个毫米波雷达传感器电路包括发射天线和接收天线。
示例30.根据示例19至29之一所述的系统，其中发射天线和接收天线是相同的天线。
示例31.一种汽车，包括：碳纤维框架；主中央处理单元(CPU)；和嵌入碳纤维框架中的多个感测装置，其中多个感测装置中的每个感测装置包括：毫米波雷达传感器电路和相应的控制器，毫米波雷达传感器电路被配置成：向碳纤维框架发射多个射频(RF)信号，以及接收来自碳纤维框架的多个回波信号，其中相应的控制器或主CPU被配置成：处理多个回波信号中的每个信号；以及基于对多个回波信号中的每个信号的处理，确定碳纤维框架中的性质改变。
示例32.一种用于监控复合材料结构中的性质改变的方法，方法包括：使用嵌入在复合材料结构中的毫米波雷达传感器向复合材料结构发射多个射频(RF)信号；使用毫米波雷达传感器接收来自复合材料结构的多个反射信号；处理多个反射信号中的每个信号；以及基于对多个反射信号中的每个信号的处理，确定复合材料结构中的性质改变。
虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是该描述并不旨在以限制意义来解释。参考本描述，说明性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合对本领域技术人员是显而易见的。例如，尽管前面的示例涉及复合材料框架，但是实施例可以在其他类型的结构中实施，诸如在复合材料起重机和其他工业应用中。因此，所附权利要求旨在涵盖任何这种修改或实施例。

Claims (25)

1.一种用于监控复合材料结构中的性质改变的方法，所述方法包括：
使用嵌入在所述复合材料结构中的毫米波雷达传感器向所述复合材料结构发射射频(RF)信号；
使用所述毫米波雷达传感器接收来自所述复合材料结构的反射信号；
处理所述反射信号；以及
基于对所述反射信号的处理，确定所述复合材料结构中的性质改变。
2.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述复合材料结构中的所述性质改变包括：使用分类过程，以确定一组可能的性质改变类型中的一个性质改变类型。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述复合材料结构的所述性质改变包括所述复合材料结构的分层、变形或介电常数方面的改变。
4.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述反射信号包括：确定所述反射信号与预定的预期反射信号之间的差。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
使用所述毫米波雷达传感器向所述复合材料结构发射初始RF信号；
在发射所述初始RF信号之后，使用所述毫米波雷达传感器接收来自所述复合材料结构的初始反射信号；以及
基于所述初始反射信号，确定所述预定的预期反射信号。
6.根据权利要求4所述的方法，其中确定所述复合材料结构的所述性质改变包括：当所述所确定的差大于第一阈值时确定已发生性质改变，并且其中所述第一阈值在表征阶段期间被确定。
7.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述反射信号包括：
确定所述反射信号的相位；以及
确定所述反射信号的所述相位与相位基准之间的相位幅度差，并且其中确定所述复合材料结构的所述性质改变包括：当所述所确定的相位幅度差大于相位阈值时，确定已经发生性质改变。
8.根据权利要求1所述的方法，其中处理所述反射信号包括：
确定所述反射信号的平均功率；以及
确定所述反射信号的所述平均功率与平均功率基准之间的平均功率幅度差，并且其中确定所述复合材料结构的所述性质改变包括：当所述所确定的平均功率幅度差大于平均功率阈值时，确定已经发生性质改变。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述毫米波雷达传感器向所述复合材料结构发射多个RF信号，其中每两小时或更慢地发射所述多个RF信号中的每个信号。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述复合材料结构是汽车的框架。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括使用所述毫米波雷达传感器向所述汽车的所述框架发射多个RF信号，其中发射所述多个RF信号包括：在所述汽车每次启动时发射RF信号。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述RF信号包括啁啾，所述啁啾具有大约95GHz、120GHz、140GHz或240GHz的频带。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括将第一数据传输到中央处理器，其中所述第一数据基于所述反射信号。
14.根据权利要求13所述的方法，其中传输所述第一数据包括：使用无线链路传输所述第一数据。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括对耦合到所述毫米波雷达传感器的电池再充电，所述再充电通过使用从电磁辐射收集的能量来进行。
16.一种系统，包括：
多个感测装置，安置在复合材料结构中；和
中央处理器，其中所述多个感测装置中的每个感测装置包括：
毫米波雷达传感器电路，被配置成
向所述复合材料结构发射射频(RF)信号，以及
在发射所述RF信号之后，接收来自所述复合材料结构的回波信号，和
相应的控制器，其中所述相应的控制器或所述中央处理器被配置成：
处理所述回波信号，以及
基于对所述回波信号的处理，确定所述复合材料结构中的性质改变。
17.根据权利要求16所述的系统，其中处理所述回波信号包括：确定所述回波信号与预定回波信号之间的差。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述相应的控制器或所述中央处理器被配置成通过以下方式处理所述回波信号：
确定所述回波信号的相位；
确定所述回波信号的平均功率；
确定所述回波信号的所述相位与相位基准之间的相位幅度差；以及
确定所述回波信号的所述平均功率与平均功率基准之间的平均功率幅度差，其中所述相应的控制器或所述中央处理器被配置成通过在如下情况时确定已经发生性质改变来确定所述性质改变：
所述所确定的相位幅度差大于相位阈值，或
所述所确定的平均功率幅度差大于平均功率阈值。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述复合材料结构包括碳纤维。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述中央处理器是汽车的主中央处理单元(CPU)。
21.根据权利要求16所述的系统，其中每个毫米波雷达传感器电路和所述相应的控制器一起封装在相同的相应封装中。
22.根据权利要求16所述的系统，其中每个毫米波雷达传感器电路耦合到相应的本地电池。
23.根据权利要求16所述的系统，其中每个毫米波雷达传感器电路包括发射天线和接收天线。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述发射天线和所述接收天线是相同的天线。
25.一种汽车，包括：
碳纤维框架；
主中央处理单元(CPU)；和
嵌入所述碳纤维框架中的多个感测装置，其中所述多个感测装置中的每个感测装置包括：
毫米波雷达传感器电路，被配置成：
向所述碳纤维框架发射多个射频(RF)信号，以及
接收来自所述碳纤维框架的多个回波信号，和
相应的控制器，其中所述相应的控制器或所述主CPU被配置成：
处理所述多个回波信号中的每个回波信号；以及
基于对所述多个回波信号中的每个回波信号的处理，确定所述碳纤维框架中的性质改变。
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