CN110809727A - 用于储罐监测和校准的智能涂层装置 - Google Patents

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CN110809727A CN201880042980.8A CN201880042980A CN110809727A CN 110809727 A CN110809727 A CN 110809727A CN 201880042980 A CN201880042980 A CN 201880042980A CN 110809727 A CN110809727 A CN 110809727A
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Abstract

一种能够校准结构的装置和系统包括至少一个细长带，其具有比该结构低的温度系数，以及足以包围该结构的外表面的圆周的长度，以及至少一个衍射光栅，其具有至少与该结构一样高的温度系数，其中所述衍射光栅联接到所述带并且与所述结构的外表面直接接触。结构的外表面中的变形在衍射光栅中引起相应的变形。

Description

用于储罐监测和校准的智能涂层装置
技术领域
本发明涉及监测结构的结构变化，包括变形，并且尤其涉及能够定位在结构的表面上、可用于监测这种结构变化的装置。
背景技术
石油和天然气工业中使用的管道和容器结构随着时间的推移会受到应力的影响，这些应力会累积而在结构中产生缺陷。遗憾的是，通常难以确定这种结构是否受到破坏性应力，直到容易观察到的缺陷发生。
结构材料例如管道中使用的非金属管的非破坏性检查技术的可用性是有限的。在大多数情况下，到目前为止可用的技术要么对材料具有破坏性，要么是实验性的和不可靠的。即使考虑当前用于非破坏性检查的实验技术，也没有现有技术能够可靠地预测缺陷的形成，并且因此通常仅用于检测现有缺陷。
更具体地说，现有的建筑材料以及用于检查材料的相应系统和技术不足以以足够的准确度和精度检测材料上或材料中的应力的存在，例如拉伸应力或压缩应力，从而可以在之前预测缺陷。目前用于感测材料缺陷的可用技术通常基于单维光纤布拉格光栅。这些纤维提供单维信息：即，它们仅能检测沿纤维长度发生的应力，并且仅检测对应于已经损坏的材料的显著应力，其中结构材料中具有显著的裂缝和破裂。
需要一种用于在一个以上的维度上精确地检测大型结构中的扰动的方法。还需要一种可以快速且无损地执行的方法。
关于这些和其它考虑因素，提出了本文所公开的内容。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于使结构校准的装置的实施例。该装置的实施例包括至少一个细长带，其具有比该结构低的温度系数，以及足以包围该结构的外表面的圆周的长度，以及至少一个衍射光栅，其具有至少与该结构一样高的温度系数，其中所述衍射光栅联接到所述带并且与所述结构的外表面直接接触。结构的外表面的变形在衍射光栅中引起相应的变形。
在一些实施例中，至少一个细长带包括以第一高度定位在所述结构的外表面上的第一带和以第二高度定位在所述结构的外表面上的第二带。在一些实施方式中，至少一个细长带中的一个或多个包括多个段，多个段中的每个段均包括衍射光栅。至少一个衍射光栅可以是二维的，并且可以包括在垂直方向上对准的周期性特征。至少一个细长带也可以由玻璃纤维材料构成。
在其他实施例中，还提供了一种用于进行结构校准的系统。该系统包括与该结构的外表面接触的指示器装置。该指示器装置包括：至少一个细长带，其具有比该结构低的温度系数，以及足以包围该结构的外表面的圆周的长度，以及至少一个衍射光栅，其具有至少与该结构一样高的温度系数，其中所述衍射光栅联接到所述带并且与所述结构的外表面直接接触，其中在该结构的外表面中的变形引起衍射光栅中的相应变形。该系统还包括检查装置，用于通过询问指示器装置的至少一个衍射光栅来确定结构的尺寸变化。
该检查装置的实施例包括用于照射结构的一部分的辐射源，用于接收从所述结构的所述部分中的光子材料衍射的辐射的辐射传感器，和耦合到传感器的处理器，其被配置为根据接收的辐射的以下至少一种确定所述至少一个衍射光栅的变形：i)强度，ii)位置和iii)波长。在一些实施例中，辐射源发射单色辐射，并且至少一个衍射光栅的变形根据在辐射传感器处接收的辐射强度确定。在其他实施例中，辐射源发射多色辐射，并且至少一个衍射光栅的变形根据接收的辐射的波长确定。在还其他实施例中，可以使用两个或更多个辐射源，包括单色和多色辐射源。在使用多色辐射源的一些实施方式中，多色辐射在可见光谱中，并且辐射传感器包括具有多个具有不同位置的像素元件的相机。
在一些实施例中，指示器装置的至少一个细长带包括以第一高度定位在所述结构的外表面上的第一带和以第二高度定位在所述结构的外表面上的第二带。在一些实施方式中，指示器装置的至少一个细长带中的一个或多个包括多个段，多个段中的每个段均包括衍射光栅。指示器装置的至少一个衍射光栅是二维的，并且包括在垂直方向上对准的周期性特征。另外，指示器装置的至少一个细长带可以由玻璃纤维材料构成。
这些和其它方面、特征和优点可以从本发明的某些实施例和附图以及权利要求书的以下描述中了解。
附图说明
图1A是装置的实施例的示意性前视平面图，其显示固定至示范性结构，用于根据本发明进行结构校准。
图1B是装置的另一实施例的示意性前视平面图，其用于根据本发明进行结构校准。
图2是装置的另一实施例的示意性前视平面图，其用于根据本发明进行结构校准。
图3A是装置的实施例中使用的二维衍射光栅的示例性图案的示意性前视图，其用于根据本发明进行结构校准。
图3B是可以由图3A中所示的二维光栅图案产生的衍射图案的示意性图示。
图4是根据本发明的实施方案的检查装置的组件的示意性框图。
图5是示出根据本发明的实施方案的检查的角度模式的透视图。
图6是示出根据本发明的实施方案的检查的波长模式的透视图。
图7是根据本发明的实施方案的检查包含光子材料的结构的方法的流程图。
图8是示出根据本发明的实施例的检查波长模式的示意性图示。
具体实施方式
在一个或多个实施例中，公开了用于进行结构校准的装置。就本申请目的而言，“校准”结构是指确定结构的精确尺寸，包括该结构的任何和所有尺寸(即宽度、长度、高度)的精确大小以及此类尺寸的任何变化，包括此类变化的位置。
装置的实施例包括联接到至少一个衍射光栅的细长带。所述带被设计得足够长，以包围结构的周长；更具体地，如果结构具有可变的周长，则所述带被设计成包围结构的外表面的周长。在一些实施例中，所述带紧紧地包裹在结构上并固定在特定的高度。在其他实施例中，可以使用多个带，并且可以将多个带固定在结构上的不同高度上。另外，单个带可以由彼此连接的多个段构成。选择带的材料以具有相对较低的温度系数(优选地低于被监测结构的温度系数)，而通常将衍射光栅图案化到选择为具有高温度系数(优选高于被监测结构的温度系数)的光子材料上。
当将带装置固定到结构上时，由于结构由于温度变化或由于其他原因而膨胀或收缩，因此带和联接到带的衍射光栅受到相同的变化，并相应地膨胀或收缩，其程度由它们的温度膨胀系数决定是相等、较小或较大。选择衍射光栅的材料以具有高的系数，以使其充分记录下层结构的变形。衍射光栅然后可以提供“智能材料”的功能，因为可以使用衍射技术以非常精确的极限确定衍射光栅的变形。由于光栅的温度膨胀系数至少与下面的结构一样高，因此光栅的任何变形的程度在下面结构的变形程度上设置了上限。此外，可以补偿温度对光栅和下层结构的不同影响，以精确确定结构的变形程度。类似地，当结构的表面由于其他原因(例如内部压力)而发生变形时，变形会传递到与结构表面直接接触的带和光栅上。
检查装置可用于通过一条或多条固定带“询问”位于被监测结构上各个位置的一个或多个衍射光栅。该检查装置包括：辐射源，用于向一个或多个衍射光栅上发射辐射；以及辐射传感器，例如适于接收由一个或多个衍射光栅衍射的辐射的照相机。根据所应用的检查模式，可以确定一个或多个光栅中任何变形或位移的大小。由一个或多个光栅的变形直接确定结构的变形的相应大小。
图1A示出了用于校准结构的装置100的实施例，其被示出为以特定高度(h1)设置在结构105的外表面上。装置100包括带102和联接到带102的衍射光栅104。光栅104可以粘接到带上，或者通过销钉、夹子、缝合或任何其他将光栅牢固地联接到带102上的技术机械地结合。如将在下面更详细地描述的，可以使用检查装置(图1A中未示出)来询问衍射光栅以确定其是否已经发生位移或变形。装置100的带102可以以多种不同方式固定到结构105上。例如，带102可以使用粘合剂、附加的联接元件(其又联接到结构例如壁架、托架或紧固构件)或通过本领域普通技术人员已知的任何方便、非破坏性且低成本的技术而附接到结构105。带102可以由温度膨胀系数低于被监测结构的材料的材料制成，后者通常由各种类型的钢制成。在一些实施方式中，可以使用具有在4.0-8.0×10-6m/m K范围内的温度膨胀系数的玻璃纤维，尽管也可以使用具有类似合适特性的其他材料。衍射光栅104可以由具有大温度膨胀系数(例如，>50x10-6m/m K)的任何光子材料制成，其中可以嵌入光栅，诸如但不限于聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
图1B示出了另一个实施例，其中包括相似的带和衍射光栅元件的两个装置120、130被布置在结构105上的不同高度处。通过将第一装置120固定在第一高度(h1)上并将第二装置130固定在第二高度(h2)上，这些装置可以捕获在结构上不同高度处结构变化的可能差异。例如，由于暴露在阳光下的差异，在结构的不同高度处温度引起的膨胀可能存在差异。图1B的实施例可以帮助监测这种差异。
图2示出了能够校准结构的装置200的另一实施例，该结构包括多个衍射光栅，例如202、204、206以及多个带段212和214。如所示，光栅202联接到带段212的第一端。光栅204联接到带段212的第二端，并且还联接到带段214的第一端。光栅206联接到带214的第二端。尽管装置200包括由两个相似大小的带联接的相似大小的三个衍射光栅，但是装置可以包括更多数量的光栅和带段，并且带段和光栅可以具有不同的尺寸。诸如图2中所描绘的实施例使得光栅能够定位在结构的外表面上的不同圆周位置处，以捕获可能在不同位置处发生的变形的变化。
在图2的实施例中，衍射光栅被示意性地显示为一系列雕刻线，其示出了一维衍射光栅。但是，也可以使用二维和三维光栅。图3A示出了可以在本发明的装置中使用的二维衍射光栅300的示例性图案。衍射光栅包括周期性特征的行和列。例如，第一行包括一系列周期性特征，例如302a、302b，而第三行包括另一系列周期性特征，例如306a、306b。图3B示出了可以使用衍射光栅300产生的示例性二维衍射图案。沿垂直方向的位移的变化将改变衍射点沿垂直方向的距离，而沿水平方向的位移将改变衍射点沿水平方向的距离。因此，使用二维光栅可以捕获沿结构表面的更大范围的表面变形。
检查装置可以在不同的检查模式下操作，例如角度模式和波长模式。在共同转让和共同待决的美国专利申请第15/594,116号中讨论了检查方法和模式，该专利申请的标题为“用于智能材料分析的设备和方法”。如在‘116申请中讨论的，在角度模式中，在辐射传感器处接收衍射的辐射，并且根据衍射光束照射传感器的位置，或者更具体地，传感器上的位置处的强度的变化，确定变形。通过位置的强度的变化用于确定位移距离。在波长模式中，在光传感器上的一个或多个特定位置处接收的光的波长而不是强度用于量化位移。通过选择检测波长和光子材料的相应周期，可以调节检测的灵敏度。在一个或多个实施方案中，可以组合多个检查模式以帮助确定具有嵌入的光子材料103的结构102的变形，如将从下面的讨论中理解的。
图4示出了根据本发明的检查设备400的示例性实施方案，其用于检查具有嵌入的光子材料403的结构402。光子材料403可以(优选地)包括衍射光栅，但是也可以包括表现出光学特性例如折射率的周期性变化的其他结构。设备400包括壳体405，壳体105包含用于检查结构的多个组件，所述壳体可以沿着结构402的长度作为一个单元定位和移动。为此目的，壳体405可以连接到运载器，例如机器人或无人机，或者，壳体可以包括用于自动运动的驱动机构和轮子。壳体405包括用于辐射源和检测器的开口407。
放置在壳体405内的是辐射源410、415，其定位成将辐射引向结构402的一部分。尽管描绘了两个辐射源，但是在一些实施方案中可以使用单个源，并且在替代实施方案中，可以使用两个以上的源。在示例性实施方式中，辐射源410是激光源(例如，具有例如单一波长的准直光束)，并且辐射源415是发射多个不同波长的漫射辐射源。漫射辐射源415可以采取多种形式，并且可以在可见光谱中和/或可见光谱外的宽波长或窄波长范围内发射辐射。例如，漫射辐射源可以使用白色LED、闪光灯、X射线发射器或自然环境辐射来实现。一个或多个透镜例如420可以被配置为将通过漫射辐射源410发射的辐射聚焦到结构402以进行检查。
在光子材料403处接收的辐射被衍射并反射回检查装置的开口407。在一些实施方案中，设备100包括反射器425(如图所示)，其被定位以接收从光子材料403衍射的辐射。反射器425和一个或多个聚焦组件428定向成将入射辐射引导并聚焦到辐射传感器430中。辐射传感器430可以以多种方式实现，包括数码相机、红外检测器、电荷耦合器件(CCD)光电倍增管、摄影胶片等。在传感器构成单个元件的实施方式中，传感器输出信号的幅度或强度用于确定位移。对于包括诸如CCD阵列的元件阵列的传感器，特定阵列元件(即位置)的响应提供了可以确定位移的信息。在所示实施方案中，辐射传感器耦合到本地处理器440并将捕获的传感器数据发送到本地处理器440。在替代实施方案中，处理器位于远程，并且设备包括无线通信模块(如图2所示)，用于将传感器数据发送到远程处理器。
检查设备400可以布置有各种计算机硬件和软件组件，其用于使得能够操作检查装置，并且更具体地，执行与由辐射传感器430捕获的信息的分析相关的操作。图5是描绘包括处理器440和电路板150的检查设备400的示例性计算机硬件和软件组件的框图。如图2所示，电路板可包括存储器455、通信接口460和可由处理器140访问的计算机可读存储介质465。处理器440和/或电路板450还可以耦合到用于可视地输出信息给操作员(用户)的显示器470，用于接收操作员输入的用户界面475，以及用于提供声音反馈的声音输出480，如本领域技术人员理解的。作为实例，当遇到高于特定阈值的缺陷或变形时，设备400可以从显示器470发出视觉信号，或者从声音输出480发出声音。可以在测量之前通过用户界面475手动或默认设置阈值，用户界面475可以是触摸屏或合适的键盘。虽然各个组件被描绘为独立于电路板450或者是电路板450的一部分，但是可以理解的是，所述组件可以以各种配置布置而不背离本文的公开内容。
处理器440用于执行可以加载到存储器中的软件指令。处理器440可以使用多个处理器、多处理器核或一些其他类型的处理器以及分布式处理器来实现，为了本公开的目的，它们共同被称为“处理器”。存储器455可由处理器440访问，从而使处理器能够接收和执行存储在存储器和/或储存器上的指令。存储器455可以使用例如随机存取存储器(RAM)或任何其他合适的易失性或非易失性计算机可读存储介质来实现。另外，存储器455可以是固定的或可移除的。存储介质465还可以采取各种形式，这取决于具体实施方式。例如，存储介质465可以包含一个或多个组件或设备，例如硬盘驱动器、闪存、可重写光盘、可重写磁带或上述的一些组合。存储介质465也可以是固定的或可移动的或远程的，例如基于云的数据存储系统。电路板450还可以包括或耦合到电源(未示出)，用于为检查装置供电。
一个或多个软件模块485被编码在存储器455和/或存储介质465中。软件模块可以包括一个或多个软件程序或应用程序，其具有在处理器440中执行的计算机程序代码或一组指令。用于执行操作和实现本文公开的系统和方法的各方面的这种计算机程序代码或指令可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写。当软件模块485本地存储在处理器440上时，处理器可以经由局域网或广域网与基于远程的计算平台交互，优选地无线地交互，以经由通信接口460执行计算或分析。
在执行软件模块485期间，处理器440被配置为执行与由传感器430捕获的辐射的分析有关的各种操作，用于检测和量化作为衍射图案的函数的被检查材料中的扰动，如将在下面更详细描述的。软件模块485的程序代码和一个或多个非暂时性计算机可读存储设备(诸如存储器455和/或储存器465)形成计算机程序产品，其可以根据本公开内容进行制造和/或分发，如本领域普通技术人员所知的。另外，与本设备和方法的配置和操作相关的信息和/或数据也可以与软件模块相关联地存储。这样的信息可以包括与设备以及可以检查的各种材料和光子材料有关的规定设置和参数，例如预期的衍射图案。类似地，还可以存储特定于检查装置的操作参数和各种操作模式(例如，设备组件的相关尺寸、变形阈值、辐射强度)。
根据本发明的一些实施方案，软件模块485包括用于以角度模式486、波长模式487和三维模式488操作检查装置和分析数据的子模块。图6是示出角度检查模式的示意性透视图。如图6所示，检查设备400的实施方案通过首先使用辐射源410照射基材402的一部分来开始根据角度模式子模块486指示进行检查，辐射源410优选地是激光(单色)源。使用单色光源允许波长在分析中是固定参数。在图6中，辐射源410将激活光束502发射到结构402的光子光栅上。入射光束502通过单光束504反射，并且还由光栅沿不同顺序的若干光束路径506、508、510、512衍射。光束506和508分别为1级和-1级，光束510和512为2级和-2级。光栅的特征与衍射参数之间的关系如下：
d(sinα-sinβ)＝nλ (1)
其中d是光栅中凹槽之间的距离，α是光束502的入射角，β是一个光束512的衍射角，它是在传感器430处检测到的，n是衍射级，λ是辐射的波长。以这种方式，给定恒定波长(λ)、级数(n)和激活光束角(α)，光栅间距(d)的任何变化将仅取决于检测到的衍射角(β)。
具有级数n＝-2的光束512由辐射传感器430接收。参数α是光束502相对于垂直轴线指向的角度，因此从辐射源410的配置和位置得知。参数β可以通过考虑辐射源410和辐射传感器430之间的距离e来计算，这也可以从设备400中的这些组件的配置以及设备100和结构表面之间的距离s得知。特别是，β的公式是：
Figure BDA0002338013130000081
因此，给定激光的波长(λ)，光栅等式(1)中唯一未知的是特征之间的间距(d)。该距离的量化提供了关于材料变形的相对和绝对信息。该距离相对于周围的值是相对的并且也是绝对的，因为所提供的值是特定点中材料状态的直接测量而不是比率。
随着特征之间的间距改变，等式(2)中的s值也以相应的方式改变。s的记录值取决于所采用的辐射传感器的类型。在辐射传感器是单个元件例如强度计的一些实施方案中，s的变化被捕获为信号强度的减小(其中传感器位置针对零变形的最大强度进行校准)。单元件传感器不指示位移的变化是否是延伸的压缩。更优选地，辐射传感器包括多个敏感元件，例如CCD阵列。通过确定多个单独元件的强度变化，多元件传感器可以指示变化的方向(膨胀或压缩)以及变形幅度。
测量的灵敏度通常由光子材料的特征之间的间隔确定。因此，为了检测纳米级的变形，间隔的量级也应该在纳米范围内，结果，用于检查的辐射的波长也应该在纳米范围内。例如，以角度模式考虑间距为800nm的光栅，λ＝500nm的检查辐射，入射角α＝45°；10nm的变形将使衍射角从4.7°变为5.15°。因此，对于这种构造，位移比材料的长度小100倍，确定衍射角的变化略小于半度。这很容易测量，因为它导致在距材料1米的距离几乎有1cm的光束偏移。尽管该技术的灵敏度没有理论上的限制，但很容易实现位移比分析对象的尺寸小1000倍的灵敏度。因此，如果诸如储罐的物体的直径为150米，则所公开的方法可以容易地检测到沿整个直径分布的10cm的增加。
设备100还可以包括接近度传感器(未示出)，以自动确定辐射源和结构表面之间的距离e。
如上所述，除了角度模式之外，还可以通过以波长模式操作检查装置来确定光子材料中的变形。在波长模式中，衍射光的波长是用于量化位移的信号。在该模式中，具有多个波长的光(例如，诸如白光的多色辐射源)被引导到样品上并且还根据光栅等式(1)衍射。图7是示出波长检查模式的示意性透视图。图7中示出了检查装置700的另一个实施方案。检查装置包括多色光源710和能够感测光谱的相关部分中的不同波长例如可见光的辐射传感器730，或IR相机。辐射传感器730可以是能够同时检测多个波长的各传感元件的阵列。如上所述，在某些实施方案中可以组合多种操作模式，将变形的确定作为从每种方法返回的结果的平均值，作为加权平均值，或者多种操作模式可以比较结果以进行结果验证，或者可以基于主要条件(例如，测量时的湿度)来选择特定操作模式的结果。
图8示出了波长模式的一般示意图。多色辐射源710或白光源(在该图中在左侧示出)照亮响应带的某个延伸部分。带在所有可能的方向上散射了衍射的辐射；然而，方向会聚到放置辐射传感器730的有限区域。辐射传感器730可以简单地是相机传感器。从相机传感器730的角度来看，由于衍射带上负责向传感器发送辐射的每个衍射点满足不同的衍射条件，因此衍射带在不同的位置显示为不同的颜色。通过考虑测量的几何形状，可以确定衍射带沿着带的整个长度的拉伸水平。这种布置还可以揭示衍射带内的相对差异。对于相对差异测量，不必考虑系统的确切几何形状，因为有可能在衍射图的规则角度变化上揭示不规则的衍射变化。
图7中示意性示出的布置的另一个优点是检测系统的简单性，其可以利用非常简单的元件(例如连续辐射源(例如白灯)和相机传感器)从光源扩展到检测点。检测系统的大小由上述两个元件之间的距离确定。该距离不必要求一定等于或大于衍射带的尺寸，因为可以选择特定的衍射条件，其中入射辐射和衍射辐射以非常近的角度出现，并且在某些情况下，入射辐射和衍射辐射可以甚至会聚。
转向图7，结构表面的被照射区域被涵盖在角度α1和α2之间。被照射的表面上的每个点在各个方向上衍射辐射，但是辐射传感器730仅收集有限范围的辐射。该范围的宽度由辐射传感器730的尺寸和/或设备700中通向传感器的孔径确定。在任何情况下，由于通常制造的光栅的典型几何形状，该范围相当窄。该窄度用于检测的优点，因为单个波长可以与在辐射传感器730处生成的结果图像中的每个像素或点相关联。由传感器收集的图像由传感器本身的视野界定，其由图7中的虚线722和724界定。该视野还由衍射角β1＝β2＝γ界定。如图7中所示，图像中不同位置的不同波长可以对应于相同的位移d。更具体地，由传感器430收集的所有辐射由相同的位移d产生，从不同的角度、从不同波长的α1,β1至α2,β2到达。
因此，具有均匀间距(即，由于拉伸或压缩应力而没有变形)的光子材料以不同的角度衍射不同的波长，并且传感器图像中的衍射角和检测位置随波长均匀地变化。位移将导致特定角度的衍射波长的局部变化，或者在照射区域上的波长的非均匀变化。因此，为了量化该位移，重要的是考虑几个参数：最重要的是照射点相对于检查装置的相对位置，以及由辐射传感器730检测的颜色(波长)。
捕获的波长的像素在收集的图像中的位置可以用于精确地确定照射点相对于设备作为整体的位置。例如，可以将对应于通用点的衍射的角度α、β表示为与所收集的图像中的特定点相对应的像素的坐标的函数。角度α可以根据三角学考虑，通过观察以下进行计算：
Figure BDA0002338013130000101
在等式(3)中，tga是α的正切，y是材料表面上的图像的尺寸，并且Py是从对应于像素坐标0的图像的末端测量的分析点的位置。Py可以从像素py的坐标、像素P上的图像的大小和图像的在长度Y的实际尺寸计算，如：
Figure BDA0002338013130000102
通过代入Py，等式(3)变为：
Figure BDA0002338013130000111
类似地，角度β可表示为：
Figure BDA0002338013130000112
将等式(5)和(6)组合到光栅方程(1)中，得到波长模式的光栅方程(7)：
Figure BDA0002338013130000113
等式(7)以方便的形式写入，因为通常容易在距设备一定距离处测量图像的实际尺寸。然而，也可以通过考虑图像采集的角度(γ)来表达等式(7)。首先，距离(y)可表示为：
y＝2e·tgγ (8)
结合等式(8)，等式(7)变为：
Figure BDA0002338013130000114
等式(7)和(9)提供d的精确值，其用于量化材料中的任何位移。由于所有参数都是从测量设置和设备的架构中得知的，因此唯一的测量变量是λ。
到目前为止所描述的两种模式适用于具有平面周期性的光栅或任何其他二维结构形式的技术。但是，分析也可以扩展到三维周期结构。对于三维光子材料，角度和波长模式分析都受不同机制的支配。在三维光子晶体中，周期性结构与介电常数的周期性调制相关联。光子材料对于波长具有允许的带和禁止的禁带的区域，其方式与半导体跨越电子带结构的方式类似。禁带波长的近似值可以表示为布拉格衍射定律的修正版与Snell折射定律的组合，如下：
Figure BDA0002338013130000115
在等式(10)中，S是收缩因子，其考虑在形成期间晶格结构的最终收缩，是负责所考虑的特定禁带的光子晶体的参数，m是衍射的级数，h、k和l是米勒指数，Φ是构成晶格的材料之一的体积分数，以及n1、n2是两种材料的折射率。如果光子材料发生变形，则参数a将改变。结果，通过监测禁带波长的变化，可以监测材料的变形。通常，三维周期性结构中观察角度的变化不会像二维光子材料那样影响波长的变化。通常，存在一系列角度，禁带的波长将是恒定的。然而，一旦角度改变一定幅度，另一个晶格面和晶格常数起作用，并改变禁带。
利用如上所述的设备可以容易地进行测量。可以以反射模式(即，通过接收来自光子晶体的反射光束)或者以透射模式执行测量。在反射模式中，由辐射传感器测量的波长将对应于禁带的波长。在透射模式中，测量的波长将与禁带互补。入射辐射的角度不会影响测量。用于监测三维光子材料的变形的等式(10)的一种有用形式是：
Figure BDA0002338013130000121
在其他实施方案中，可以使用结构的吸收光谱来确定禁带波长。对于吸收光谱测量，带的峰值的测量值将对应于禁带的波长而不是互补波长。
在其中相机被作为辐射传感器实施的本发明的方法的一些实施方案中，波长测量可以使用相机的色调标度确定。相机像素的色调(H)可用作波长的近似值。例如，在某些相机中，色调可以被建模为从红色穿过黄色等并返回到红色的360弧度。随着可见光范围内的波长减小，色调增加。因此，通过考虑有限范围的色调来匹配从大约650nm到430nm的可见光范围内的波长，可以写出经验对应关系如下：
λ＝650-1.16H (12)
通过色调(H)量化波长不一定精确，但在波长和色调之间存在函数比例。因此，等式(12)具有强大的经验特征并且可能需要校准。色调标度的这种精度水平足以应用于其中变形的局部变化比绝对值更重要的应用。
本系统和方法的说明性实施例和布置提供了用于检查智能结构的系统和计算机实现的方法、计算机系统和计算机程序产品，其包括根据本发明的能够进行校准的装置。图中的流程图和框图示出根据各种实施例和布置的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方案的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示模块、片段或代码的部分，所述代码包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意，在一些替代实施方式中，框中提到的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个方框实际上可以基本上同时执行，或者这些方框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应注意，框图和/或流程图图解中的每个框以及框图和/或流程图图解中的框的组合可由基于专用硬件的系统实施，所述系统执行指定功能或动作或专用硬件和计算机指令的组合。
应理解，本文所公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制所述系统和方法，而是作为用于教导本领域技术人员实现所述方法的一种或多种方式的代表性实施例和/或布置方式来提供。
应进一步理解，贯穿几个附图，在附图中相同的数字表示相同的元件，并且对于所有实施例或布置不是需要所有的参考附图描述和说明的组件和/或步骤
本文所使用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所用，除非上下文另外清楚地指明，否则单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”意图还包括复数形式。将进一步理解，术语“包含(comprises)”和“包含(comprising)”在用于本说明书中时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其群组的存在或添加。
本文所用的取向术语仅用于约定和参考的目的，而不应被解释为限制性的。然而，应认识到，这些术语可参考观看者使用。因此，不暗示或推断出任何限制。
此外，本文所用的措词和术语是出于描述的目的并且不应被视为限制性的。本文“包括(including)”、“包含(comprising)”或“具有(having)”、“含有(containing)”、“涉及(involving)”和其变体的使用意指涵盖在其后所列出的项目和其等效物以及附加项目。
虽然已参考示例性实施方案描述本发明，但是所属领域的技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出各种改变并且可用等效物替代本发明的元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，所属领域的技术人员将理解许多修改来使特定器械、情形或材料适于本发明的教导内容。因此，不希望本发明限于作为预期用于实施本发明的最佳模式来公开的具体实施例，但本发明将包括属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (17)

1.一种能够校准结构的装置，包括：
至少一个细长带，其具有比所述结构低的温度系数，以及足以包围所述结构的外表面的圆周的长度；和
至少一个衍射光栅，其具有至少与所述结构一样高的温度系数，其中所述衍射光栅联接到所述带并且与所述结构的外表面直接接触，
其中所述结构的外表面中的变形在所述衍射光栅中引起相应的变形。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个细长带包括以第一高度定位在所述结构的外表面上的第一带和以第二高度定位在所述结构的外表面上的第二带。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个细长带中的一个或多个包括多个段，所述多个段中的每个段均包括衍射光栅。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个衍射光栅是二维的，并且包括在垂直方向上对准的周期性特征。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一个细长带由玻璃纤维材料构成。
6.一种能够校准结构的系统，包括：
与所述结构的外表面接触的指示器装置，所述指示器装置包括：
至少一个细长带，其具有比所述结构低的温度系数，以及足以包围所述结构的外表面的圆周的长度；和
至少一个衍射光栅，其具有至少与所述结构一样高的温度系数，其中所述衍射光栅联接到所述带并且与所述结构的外表面直接接触，
其中所述结构的外表面中的变形在所述衍射光栅中引起相应的变形；和
检查装置，其用于通过询问所述指示器装置的所述至少一个衍射光栅来确定所述结构的尺寸变化。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述检查装置包括：
用于照射所述结构的一部分的辐射源；
用于接收从所述结构的所述部分中的光子材料衍射的辐射的辐射传感器；和
耦合到所述传感器的处理器，其被配置为根据以下的至少一种确定所述至少一个衍射光栅的变形：接收的辐射的i)强度，ii)位置和iii)波长。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述指示器装置的所述至少一个细长带包括以第一高度定位在所述结构的外表面上的第一带和以第二高度定位在所述结构的外表面上的第二带。
9.根据权利要求8所述的系统，其中所述辐射源发射单色辐射，并且所述至少一个衍射光栅的变形根据在所述辐射传感器处接收的辐射强度确定。
10.根据权利要求8所述的系统，其中所述辐射源发射多色辐射，并且所述至少一个衍射光栅的变形根据接收的辐射的波长确定。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述多色辐射在可见光谱中，并且所述辐射传感器包括具有多个具有不同位置的像素元件的相机。
12.根据权利要求7所述的系统，其中所述指示器装置的所述至少一个细长带中的一个或多个包括多个段，所述多个段中的每个段均包括衍射光栅。
13.根据权利要求7所述的系统，其中所述指示器装置的所述至少一个衍射光栅是二维的，并且包括在垂直方向上对准的周期性特征。
14.根据权利要求7所述的系统，其中所述指示器装置的所述至少一个细长带由玻璃纤维材料构成。
15.根据权利要求7所述的系统，其中所述辐射源发射单色辐射，并且所述至少一个衍射光栅的变形根据在所述辐射传感器处接收的辐射强度确定。
16.根据权利要求7所述的系统，其中所述辐射源发射多色辐射，并且所述至少一个衍射光栅的变形根据接收的辐射的波长确定。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述多色波长在可见光谱中，并且所述辐射传感器包括具有多个具有不同位置的像素元件的相机。
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