CN117413167A - 用于监测复合结构的多元件传感器 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于监测复合结构的传感器。传感器包括多个不同尺寸的感测元件，每个感测元件被配置用于不同的相应监测任务。还公开了制造传感器、设计和制造传感器以及将传感器附接到复合结构的方法。

Description

用于监测复合结构的多元件传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年8月6日递交的标题为“Multi-Element Sensor forMonitoring Composite Structure”的美国专利申请号17/395,885，和于2021年4月6日递交的标题为“Composite Cylinder Monitoring System”的美国专利申请号17/223,628的优先权，每篇专利申请的公开内容在此全文引入作为参考。

技术领域

本说明书涉及用于监测复合层压结构的传感器。

背景技术

车辆可用于运输乘客和/或货物。一些用于运输货物的车辆使用存储在气瓶中的燃料提供动力。这些气瓶在车辆运行期间可能被损伤。当气瓶损伤时，维修气瓶是重要的。

发明内容

描述了一种用于监测复合结构的传感器。该传感器包括第一传感器元件，该第一传感器元件具有第一尺寸并且被配置为检测与第一监测任务相关联的数据。该传感器还包括第二传感器元件，该第二传感器元件具有第二尺寸并且被配置成检测与第二监测任务相关联的数据。

还描述了一种用于制造传感器的方法。该方法包括制造具有第一尺寸的第一正电极和具有第二尺寸的第二正电极。该方法还包括制造尺寸大于第一尺寸和第二尺寸的组合的接地电极。该方法还包括将压电材料设置在具有第一正电极和第二正电极的层与接地电极之间。

还描述了一种监测复合结构的方法。该方法包括确定具有多个传感器元件的传感器的多个监测任务。该方法还包含基于相应多个监测任务而确定多个传感器元件的相应多个传感器元件尺寸。该方法还包括基于所确定的多个传感器元件尺寸来制造传感器。该方法还包括将传感器联接到复合结构。

附图说明

在研究了下面的附图和详细描述之后，本发明的其它系统、方法、特征和优点对本领域技术人员来说将是明显的。附图中所示的组成部件不一定是按比例的，并且可以被放大以更好地示出本发明的重要特征。

图1示出了根据各种实施例的具有储存燃料以向车辆提供动力的复合气瓶的车辆。

图2A-2B示出了根据各种实施例的复合气瓶。

图3A-3B示出了根据各种实施例的系统的监测部件的框图。

图4示出了根据各种实施例的气瓶、传感器和冲击部位的模型。

图5和6示出了根据各种实施例的系统的传感器数据。

图7示出了根据各种实施例的气瓶、传感器和估计的冲击部位的模型。

图8示出了根据各种实施例的系统的数据。

图9示出了根据各种实施例的用于填充气瓶的部件的框图。

图10示出了根据各种实施例的用于监测和填充气瓶的部件的框图。

图11-13示出了根据各种实施例的在填充气瓶期间的检测数据。

图14是根据各种实施例的系统的框图。

图15A和15B是根据本发明的各种实施例的由系统执行的过程的流程图。

图16A示出了根据本发明的各种实施例的传感器的俯视图。

图16B示出了根据本发明的各种实施例的传感器的侧视截面图。

图16C示出了根据本发明的各种实施例的在平坦表面上的传感器的侧视图。

图16D示出了根据本发明的各种实施例的在弯曲表面上的传感器的侧视图。

图17示出了根据本发明的各种实施例的具有三种不同尺寸的传感器元件的传感器的俯视图。

图18示出了根据本发明的各种实施例的具有四种不同尺寸的传感器元件的传感器的俯视图。

图19示出了根据本发明的各种实施例的具有五种不同尺寸的传感器元件的传感器的俯视图。

图20示出了根据本发明的各种实施例的与传感器一起使用的实验装置的示意图。

图21A-21B示出了根据本发明的各种实施例的检测的实验数据。

图22示出了根据本发明的各种实施例的时移为时间相干信号的相干和求和的检测数据。

图23A和23B示出了根据本发明的各种实施例的检测的实验数据。

图24提供了根据本发明的各种实施例的频率-波长频散关系。

图25示出了根据本发明的各种实施例的与传感器一起使用的实验装置的示意图。

图26示出了根据本发明的各种实施例的具有不同直径的感测元件的比较。

图27示出了根据本发明的各种实施例的用于制造传感器的过程的流程图。

图28示出了根据本发明的各种实施例的用于制造和使用传感器的过程的流程图。

图29A-F示出了根据本发明的各种实施例的制造用于传感器的压电元件的过程。

图30A-30D示出了根据本发明的各种实施例的具有图29A-F的压电元件的传感器。

图31示出了根据本发明的各种实施例的与传感器一起使用的实验装置的示意图。

图32示出了根据本发明的各种实施例的在与传感器一起使用的实验设置中使用的源的曲线图。

图33-39示出了根据本发明的各种实施例的检测的实验数据。

图40A-40B示出了根据本发明的各种实施例的检测的实验数据。

图41示出了根据本发明的各种实施例的用于制造传感器的过程的流程图。

具体实施方式

本文公开了用于监测车辆的复合气瓶的系统、车辆和方法。本文公开的系统、车辆和方法自动检测复合气瓶的损伤并采取相应的步骤。本文描述的系统和方法改进了使用复合气瓶的车辆的安全性，因为复合气瓶的完整性从使用到填充(或再填充)被连续地监测。

虽然本文讨论了复合气瓶，但是系统和方法可以适用于各种环境，例如风力机、机身、机翼的前缘或冲击损伤有害的任何复合结构。

此外，还公开了用于监测复合结构的传感器。本文所述的传感器可以是能够使用单个传感器执行多个监测任务的多元件传感器。本文所述的传感器易于适应和重新设计，并且可以以低成本和大批量来制造。传统的压电传感器成本更高，并且不适于多个监测任务。

如本文所使用的，“驾驶者”可以指当车辆是非自主车辆时驾驶车辆的人，和/或“驾驶者”还可以指用于自主或半自主驾驶车辆的一个或多个计算机处理器。当车辆是非自主车辆时，“用户”可以用于指代车辆的驾驶者或乘员，并且当车辆是自主或半自主车辆时，“用户”还可以用于指代车辆的乘员。如本文所用，“气瓶”包括储罐、压力容器和可用于储存气体的其它容器，并且不必限于特定形状，例如直气瓶和/或具有恒定或不变的圆形横截面的气瓶。如本文所用，“燃料”或“气体”是指用于为车辆提供动力的任何流体，例如气体燃料或液体燃料。

图1示出了车辆102。特别地，车辆102是被配置为联接到拖车106并牵引该拖车的牵引车。车辆102可以使用存储在复合压力气瓶(或“复合气瓶”或“气瓶”)中的燃料来提供动力。例如，燃料可以是存储在复合气瓶中的压缩天然气。

气瓶可以是气瓶组件的一部分。该气瓶组件与发动机或车辆102的任何其它动力产生系统流体连通并向其供应燃料。车辆102可以是汽车、货车、厢式货车、公共汽车、高承载车辆、卡车、牵引拖车、诸如垃圾车的重型车辆或任何其它车辆。在一些实施例中，气瓶组件被配置成用于在船舶、飞机和移动或固定加油站中使用。

例如，燃料气瓶可以存储在车辆102侧面的车厢或壳体104A中、拖车106上的车厢或壳体104B中、或车辆102的驾驶室后面的车厢或壳体104C中。在一些实施例中，燃料气瓶可以存储在车顶上或者安装到车辆的后挡板。

复合压力气瓶的现场故障主要源自三个根本原因：热暴露事件、冲击损伤或对复合层压材料有害的累积损伤。虽然可以减轻热暴露，但是不存在保护复合压力气瓶免受冲击损伤(例如，汽车碰撞)或由于不适当的操作条件(例如，不适当的安装或在气瓶和外壳之间捕获的碎片)而累积的损伤的系统或方法(市场上可买到的或其他)。经验表明，当气瓶由于不适当的环境条件(例如，螺栓卡在气瓶和外壳之间)而经历足够显著水平的冲击损伤或累积的潜在损伤时，当层压体内的应力状态超过临界水平时，在随后的填充循环中发生气瓶的灾难性失效。

图2A示出了被配置成存储流体例如压缩天然气或氢气的气瓶100。气瓶100可由金属形成，例如钢、铝、玻璃纤维、碳纤维、聚合物或复合材料，例如碳纤维增强聚合物、另一种合适的材料或其组合。例如，气瓶100可以包括由气密的聚乙烯塑料制成的内衬，该内衬具有位于该内衬上方的高压碳纤维增强塑料结构。在另一个示例中，气瓶100可以包括由复合树脂或纤维树脂缠绕的金属衬里。

图2B示出了气瓶100的侧视剖视图。气瓶100可具有多个层。例如，气瓶100可具有内层222和外层220。内层222可以由金属或塑料或任何其它刚性材料制成。外层220可以由在制造过程中设置在内层222顶部上的复合或纤维树脂制成。外层220的外侧可限定气瓶100的外表面218。气瓶100的壁可以限定用于存储燃料的内腔224。虽然图2B中示出了两层(例如，内层222和外层220)，但是可以使用任何数量的层形成气瓶100。

返回参考图2A，气瓶100包括中心部分216和两个端部208、210。中心部分216可以是圆柱形管状形状或任何其它形状。在一些实施例中，两个端部208、210中的每一个包括圆顶结构，如图2A所示。在一些实施例中，两个端部部分彼此对称。圆顶结构至少在其端部可以是大致半球形的。在一些实施例中，两个端部208、210具有不同的形状，使得气瓶100具有不对称的形状。

在一些实施例中，气瓶100包括至少一个颈部212、214(例如，凸台的纵向突起)，其提供气瓶100的内部容积的入口和/或出口。在一些实施例中，气瓶100包括形成在两个端部208、210处的颈部212、214。在一些实施例中，颈部可以仅形成两个端部208、210中的一个。在一些实施例中，颈部212、214可以是金属结构的一部分，有时被称为凸台，其穿过内部压力外壳的第一端部形成，内部压力外壳有时被称为内衬组件或简单地称为气瓶100的衬里。

颈部212、214可以由任何数量的材料制成，例如金属。在一些实施例中，颈部212、214使用不用于内部压力外壳的一种或多种材料形成。在某些实施例中，颈部212、214由与内部压力外壳相同的材料制成。

气瓶100可具有跨越气瓶100的主体的外表面218。在一些实施例中，外表面218包括颈部212、214。在其它实施例中，外表面218不包括颈部212、214。如本文所述，气瓶100可能受到损伤。该损伤可能是气瓶100与诸如岩石或其它车辆的物体之间的碰撞的结果。该损伤可能是诸如螺栓的物体被夹在气瓶100和气瓶100的壳体(例如，壳体或隔室104)之间并且当气瓶100基于压力或温度变化而膨胀时损伤气瓶100的结果。在一些情况下，损伤可能导致可见的凹痕204，但是在许多其他情况下，损伤可能不会导致可见的凹痕。这种不容易被人眼看到的损伤可能与可见的凹痕一样损伤气瓶100。本文描述的系统和方法防止具有损伤的气瓶的再使用，包括具有人眼不容易看见的损伤的气瓶。

气瓶100可具有在各个传感器位置206处附接到气瓶100的多个传感器202。传感器202被配置为检测对气瓶100的冲击。传感器202可以是宽带压电传感器，其对复合压力气瓶(例如，气瓶100)的层压体的面外位移分量敏感。传感器202可用于检测和建立碰撞事件的能量水平。宽带压电传感器利用与复合叠层通信的压电材料来测量由层压体内的冲击或渐进损伤累积引起的应力波。在一些实施例中，本文所使用的宽带压电传感器不一定依赖于由压电材料中的应力状态的变化引起的谐振或反谐振频率的偏移的测量来检测复合层压体中的损伤。在一些实施例中，本文所使用的宽带压电传感器有意地不使用由压电材料中的应力状态的变化引起的谐振或反谐振频率的偏移的测量来检测复合层压体中的损伤。

传感器202可被认为是无源传感器，即传感器中的一个或多个不主动地发射将由一个或多个其它传感器检测的波。相反，传感器202用于确定冲击事件何时发生、在储罐上何处发生、以及发生到何种严重程度，以及当层压体受到来自外部源的应力时被动地监测层压体。

在一些实施例中，传感器202可移除地附接到气瓶100。在其它实施例中，传感器202被整体形成并嵌入在气瓶100内。传感器202可以位于外表面218上，或者可以位于气瓶100的层内(或层间)。在一些实施例中，传感器202可以位于气瓶100的内腔224内的内表面中。

传感器202可以位于已知的传感器位置206处，并且由传感器检测到的数据连同气瓶100上的传感器位置206一起可以用于确定任何检测到的损伤的位置，例如凹痕204。虽然示出了四个传感器202，但是可以使用任何数量的传感器。在许多情况下，使用更多的传感器202导致更精确地确定损伤的位置和损伤的大小。

图3A示出了可以联接到气瓶100的部件的框图。系统300包括气瓶100和传感器202，如本文所述。传感器202物理地联接到气瓶100，也如本文所述。

传感器202可以通信地联接到控制器302(或“气瓶控制器”或“气瓶侧控制器”或“冲击监测控制器”)。传感器202可以被配置为检测与由气瓶100接收(或经历)的冲击相关联的变形数据。如本文所使用的，“变形数据”可以用于指气瓶100的变形。在这方面，“扰动数据”、“冲击数据”或“气瓶完整性数据”等可以与“变形数据”互换使用。“

变形数据可以被提供给控制器302。控制器302可以是计算机处理器、微处理器、控制单元或被配置为执行存储在非暂时性存储器中的指令的任何设备。控制器302可以位于物理地联接到气瓶100的壳体中(例如，直接位于气瓶100上、气瓶100的壳体上或联接到气瓶100的装置上)。如图3A所示，控制器302被配置为仅监测气瓶100，使得如果车辆102使用多个气瓶，则每个气瓶100具有其自己的传感器202阵列和其自己的相应控制器302。

传感器202可以经由电线或以无线方式使用相应的收发器(例如，用于每个传感器202的收发器和用于控制器302的收发器)通信地联接到控制器302。虽然示出了两个传感器202，但是系统300中可以包括任何数量的传感器202，并且每个传感器202可以通信地联接到控制器302。

控制器302可接收由传感器202检测到的变形数据，并检测气瓶100是否已经经历了冲击事件，并确定冲击事件的能量水平。在一些实施例中，控制器302将由传感器202检测到的变形数据数字化，以检测气瓶100是否已经经历了冲击事件，并确定冲击事件的能量水平。

图3B示出了可以连接到气瓶100的部件(例如，气瓶100A和气瓶100B)的框图。系统350包括多个气瓶100和传感器202(例如，传感器202A和传感器202B)，如本文所述。传感器202物理地联接到它们各自的气瓶100，也如本文所述。

传感器202可以通信地联接到类似于控制器302的控制器352。传感器202可以被配置为检测与由气瓶100接收(或经历)的冲击相关联的变形数据。变形数据可以被提供给控制器352。控制器352可以是计算机处理器、微处理器、控制单元或被配置为执行存储在非暂时性存储器中的指令的任何设备。控制器352可以位于物理地联接到气瓶100的壳体中(例如，直接位于气瓶100中的一个上、气瓶100的壳体上或联接到气瓶100的装置上)。如图3B所示，控制器352被配置成监测气瓶100A和100B，使得如果气瓶100A或气瓶100B受到冲击，则控制器352可以检测该冲击。

传感器202可以经由电线或以无线方式使用相应的收发器(例如，用于每个传感器202的收发器和用于控制器352的收发器)通信地联接到控制器352。虽然示出了两组传感器202和气瓶100，但是系统350中可以包括任意数量的传感器202和气瓶100的组，并且每组传感器202可以通信地联接到控制器302。

控制器352可接收由传感器202检测到的变形数据，并检测气瓶100是否已经经历了冲击事件，并确定冲击事件的能量水平。从传感器202接收的数据可以包括数据与哪个气瓶100相关联的标识。例如，每个传感器202可以与标识符相关联，并且该标识符可以由传感器202连同变形数据一起传送到控制器352。

在一些实施例中，控制器302、352是与车辆102的控制器(例如，电子控制单元)或车辆102的任何其他子系统的控制器分离的控制器。在其他实施例中，控制器302、352是车辆102的控制器，其被配置为控制一个或多个其他车辆系统。

图4示出了被配置为检测变形数据的传感器和气瓶的模型401。模型401可以由与传感器(例如，传感器202)通信地联接的控制器(例如，控制器302、352)来构造。模型401的气瓶400类似于真实世界气瓶100。在一些实施例中，控制器设置有与气瓶100相关联的标识，并且与气瓶100相关联的尺寸可以从本地或远程非暂时性存储器访问。在一些实施例中，控制器被提供有气瓶100的尺寸。

模型401的传感器402类似于真实世界传感器202。控制器被提供有真实世界传感器202在真实世界气瓶100上的位置，并且控制器识别模型传感器402在模型气瓶400上的对应位置。虽然示出了四个传感器402，但是可以使用任何数量的传感器。在许多情况下，使用更多的传感器402导致更精确地确定损伤的位置和损伤的大小。

在使用本文所述的系统和方法进行的实验中，宽带压电传感器联接到353mm直径×889mm长250巴4型复合压力气瓶的表面，如由气瓶400和传感器402模型示出的。

然后用半球形的50mm直径TUP以600J的能量水平冲击(在模拟的冲击部位404中示出)该仪器化的气瓶，并且捕获传播的面外位移分量应力波并将其数字化以用于位置和能量定量分析。

图5示出了从示例性冲击事件捕获的波形的曲线图500，从中可以观察到作为冲击事件的结果而传播的引导应力波。

具有相应轨迹的每个曲线图对应于传感器202，并且示出了每个传感器随时间检测到的幅度(或面外位移)。波的传播由导模波传播来控制。拉伸模式，标记为E₀，之后是较大幅度弯曲模式，标记为F₀。不同的模式具有不同的速度，并且模式由宽的频带宽度组成。因此，为每个传感器通道确定相同模式的公共频率分量以确定波在每个传感器处的到达时间不是显而易见的建议。

图6示出了曲线图600，其示出了使用阈值独立到达时间估计技术来识别每个通道上的基本弯曲波(由垂直线识别)的25kHz分量的直达时间。在每个传感器通道的直达时间被用作源位置确定算法中的输入，以确定曲线表面的测地线曲线。

更具体地，然后可以利用从层压体的频散关系的知识导出的基本弯曲波模式的25kHz分量的群速度的知识、将气瓶表面离散成N个点、计算从气瓶上的第i个点到第j个换能器的测地线传播距离、以及最小化所计算的通道间到达时间差和物理测量的到达时间差的平方误差的，来计算气瓶表面上的最佳源位置。

图7示出了具有对图6中观察到的冲击击事件的最优源位置估计(具有覆盖在气瓶表面上的测地路径)的识别的模型。一旦确定了位置，就可以确定从冲击位置到每个传感器的波的直达时间。该直达时间被用于确定测量的直达波形能量，如下所述。

本文描述的系统和方法量化直达波形能量的计算。测量的直达波形能量(U_WAVE)的计算可以从捕获的波形计算为其中t_DIRECT表示从估计的源位置到考虑中的传感器的波传播的最慢移动波分量的直达时间，V表示在每个传感器(例如，压电传感器)处检测的电压。

本文描述的系统和方法使用直接能量，因为能量的其它量化也可包括从冲击扩散的波能量的波反射或备选(较长)到达路径，其可与其它波建设性地放大，从而导致检测到的冲击的不准确量化。例如，聚焦在振幅评估上的能量的量化不如本文所述的系统和方法准确，因为传播的波可能相长地或相消地组合，使得评估振幅不会导致波能量的准确评估。相比之下，通过使用直达波能量，本文所述的系统和方法减轻了反射和绕波(wrappingwave)。本文描述的归一化过程考虑了由于波前从源传播出去时的几何扩展而引起的作为传播距离的函数的能量损失。

在图8中，示出了测量的直达波能量(由冲击事件引起)在远场中按照修正的平方反比定律衰减，从而允许对从波能量测量的冲击能量严重性进行定量评估。因此，基于传播距离，可以建立冲击能量，并且对照给定的气瓶构造的阈值来评估冲击能量。本文描述的系统和方法检测高于阈值的事件，并且还针对可能发生的每个真实世界的波传播效应进行归一化。这种归一化减少了假触发的数量，增强了系统的可靠性。如本文所述，归一化说明了由于从源到传感器距离的几何扩展以及其它衰减效应而导致的振幅和能量损失。

如果对冲击能量严重性的定量评估超过冲击损伤阈值(例如，预定的层压体冲击能量阈值)，则控制器302、352被配置为提供气瓶100已经经历损伤的指示。该指示可以被提供给任何数量的设备，例如车辆102的ECU、本地非暂时性存储器或远程非暂时性存储器。

当向车辆102的ECU提供指示时，车辆102的ECU可以指示灯或其他通知指示器被点亮，诸如车辆102的仪表板或车辆102的仪表板上的灯。光或其他通知可以用作在再填充气瓶100之前检查气瓶100的提醒。

当指示被提供给本地非暂时性存储器时，控制器302、352可以在本地非暂时性存储器上更新与车辆102的每个气瓶100相关联的状态指示，并且状态指示可以从对应于气瓶的非损伤状况的第一状态改变到对应于气瓶的潜在损伤状况的第二状态。本地非暂时性存储器可由另一装置(例如，填充装置)访问以确定是否应在再填充之前检查气瓶100，并且当本地非暂时性存储器指示气瓶的状态处于第二状态时，填充装置(或其它装置)可向操作者提供对应指示，或者填充装置可自动防止气瓶100的填充。

类似地，当指示被提供给远程非暂时性存储器时，控制器302、352可以更新远程非暂时性存储器上的与车辆102的每个气瓶100相关联的状态指示，并且状态指示可以从对应于气瓶的非损伤状况的第一状态改变到对应于气瓶的潜在损伤状况的第二状态。远程非暂时性存储器可由另一装置(例如，填充装置)访问以确定是否应在再填充之前检查气瓶100，并且当远程非暂时性存储器指示气瓶的状态处于第二状态时，填充装置(或其它装置)可向操作者提供对应指示，或者填充装置可自动防止气瓶100的填充。远程非暂时性存储器可由控制器302、352使用相应收发器(例如，联接到控制器302、352的收发器和联接到远程非暂时性存储器的收发器)来访问。

在具有受损强度的受冲击气瓶100将被再填充的情况下，用于检测冲击的相同传感器202也可以用于执行模态声发射(MAE)检查以检测再填充期间气瓶完整性的损失。

图9示出了包括联接到填充装置的气瓶100的系统900。填充装置可包括阀902和供应罐904。阀902可由控制器自动控制，以控制气瓶100填充有存储在供应罐904中的气体。在一些情况下，在填充期间，气瓶100可保持附接到车辆102。

在填充气瓶100期间，气瓶100的内容物将内向外压力施加到气瓶壳体，并在气瓶100的复合层压体内引起机械应力。如果复合层压体由于损伤而显著劣化，如本文所述，受影响的材料体积将通过与复合压力气瓶相关的许多损伤机理(例如，纤维断裂、基体破裂、界面失效等)而失效。当损伤机制发生时，应力波从损伤机制位置的起点传播到气瓶100的壁中。传感器(例如，宽带压电传感器)202通过将应力波转换成数字捕获的电压以用于分析来检测与这些损伤机制相关联的变形数据。

当检测到填充期间的损伤时，可采取一个或多个步骤来减轻破裂的气瓶的损害。可以触发视觉警报，例如光或显示的消息。可以触发听觉警报，例如警笛或警报。阀902可自动关闭以防止进一步用气体填充气瓶。

在一些实施例中，通过选择性地打开和关闭供应罐904、气瓶100和缓冲罐906之间的一个或多个端口，来自供应罐904和/或气瓶100的气体可被引导到缓冲罐906。例如，阀902能够打开和关闭联接到供应罐904的端口、联接到气瓶100的端口和联接到缓冲罐906的端口。端口的任何组合可以选择性地打开和关闭。例如，在填充期间，供应罐904和气瓶100的端口可以打开，缓冲罐906的端口可以关闭。在另一示例中，在检测到气瓶100破裂的情况下，气瓶100和缓冲罐906的端口可以打开，而供应罐904的端口可以关闭。

在一些实施例中，缓冲罐906具有比气瓶100更低的压力，因此如果缓冲罐906与气瓶100之间的端口打开，则气体可被迫使行进到缓冲罐906。在一些实施例中，可对气体施加吸力或压力以迫使气体从气瓶100移动到缓冲罐906。还可以存在通风竖管以促进气体的移动。

数字捕获的波形的模态声发射分析算法可以集中在以下中的至少一个上：对于给定的气瓶层压材料，检测和量化高于指定阈值的纤维束断裂、测量高于指定阈值的局部体积的材料内的不稳定性、在高于指定阈值的局部体积的材料中累积的损伤机制、和/或检测高于指定阈值的微振磨损发射。

当在填充期间一起使用上述组合来检测受损气瓶时，可以基于燃料系统的各种特性来加权这些因素，包括气瓶和其尺寸和构造。例如，微振磨损发射和局部生长的组合可以用于确定在填充期间特定气瓶是否受损，微振磨损发射比局部生长更重地加权。

图10示出了系统1000的框图。系统1000包括气瓶100、传感器202和控制器302，如本文所述。

控制器302可以通信地联接到填充控制器1002(或“填充设备控制器”或“填充侧控制器”)。控制器302可以以有线或无线方式通信地联接到填充控制器1002。填充控制器1002还可以通信地联接到在气瓶100的再填充期间控制燃料流动的阀902。

如本文所述，填充控制器1002可从控制器302、从车辆102的ECU、从本地非暂时性存储器和/或远程非暂时性存储器获得气瓶100的状态。

填充控制器1002还可以通信地联接到显示器1004和扬声器1006。填充控制器1002可以被配置为呈现由显示器1004显示的图形用户界面。图形用户界面可以包括在填充之前是否应该检查气瓶100的通知，并且显示器1004可以显示这些通知。填充控制器1002还可被配置为提供在填充之前是否应使用扬声器1006检查瓶100的通知。扬声器1006可发出噪声、警报、口语单词(例如，“在填充之前检查气瓶”)或任何其它指示。

在一些实施例中，填充控制器1002可能不知道气瓶100的状态，并且可以执行本文描述的功能而不考虑气瓶100的当前状态。

当气瓶100正在填充燃料时，传感器202可以检测变形数据并将检测到的变形数据提供给填充控制器1002。在一些实施例中，传感器202经由控制器302通信地联接到填充控制器1002。在一些实施例中，传感器202使用相应的收发器或有线连接直接通信地联接到填充控制器1002。

填充控制器1002接收检测到的变形数据并检测由正在填充的气瓶100引起的对气瓶100的损伤，并且当检测到的损伤超过阈值时，填充控制器1002可以自动关闭阀902以防止气瓶100的进一步填充。在一些实施例中，填充控制器1002在填充期间总是使用传感器202监测气瓶100，以检测气瓶100的完整性的破坏。在一些实施例中，填充控制器1002仅在填充期间当控制器302、352已经基于冲击的直接能量的量化检测到超过冲击损伤阈值的损伤时使用传感器202监测气瓶100。

如本文所述，当填充控制器1002接收检测到的变形数据并检测到由正在填充的气瓶100引起的气瓶100的损伤时，可使用缓冲罐(例如，缓冲罐906)来接收燃料。

尽管控制器302、352和填充控制器1002使用相同的传感器202，但是控制器302、352被配置为检测由外力引起的对气瓶100的冲击，并且填充控制器1002被配置为检测由气瓶100在填充期间的膨胀引起的对气瓶100的损伤，所述损伤可能由于先前弱化或变形的区域(例如，经受冲击的区域)而破裂。

在使用本文所述的系统和方法进行的实验中，宽带压电传感器联接到353mm直径×889mm长250巴4型复合压力气瓶的表面，如由图4的气瓶400和传感器402模型示出的。在模拟填充过程中使用了这些相同的传感器来演示劣化气瓶的MAE检查。

图11提供了在第一阈值交叉通道上检测到的累积事件作为测试时间和压力的函数的曲线图1100。即，曲线图1100示出了在模拟气瓶加燃料期间第一检测通道的事件的累积数量。虚线对应于在两个填充循环期间气瓶内的压力。

图12示出了在模拟填充期间的气瓶的局部不稳定性曲线。实线示出了气瓶中的压力，虚线是背景能量，其指示气瓶容积中的局部不稳定性的不稳定性指示。当背景能量曲线振荡超过给定气瓶结构的指定阈值时，这表明不稳定。不稳定性分析的执行发现，气瓶在已经停止填充过程的通道1上呈现出高于为该气瓶设计建立的阈值水平的局部不稳定性。

如图12所示的不稳定性分析可以是用于确定在填充期间对瓶100的损伤的多个因素之一，如本文所述。此外，使用频率和能量量化算法，可以进行纤维断裂严重程度的定量评估，并针对指定阈值进行评估。

图13示出了在受冲击气瓶的模拟填充期间检测到的、源自已经经历冲击损伤的一定体积的材料的纤维束断裂事件的时域和时频域曲线图。

图14示出了根据本发明的各种实施例的示例性系统1400。系统1400包括气瓶100、传感器202和控制器302，每个如本文所述。如本文所述，传感器202被配置为检测气瓶100的变形数据并将变形数据传送到控制器302。传感器202可以是压电传感器(例如，光纤布拉格光栅、非接触激光器等)或被配置为检测气瓶100的变形的任何其他传感器。同样如本文所述，控制器302被配置为基于变形数据检测对气瓶100的损伤，并确定损伤是否超过冲击阈值。该损伤可以是基于来自接触气瓶100的物体的冲击的直接能量确定的定量值。

系统1400还包括联接到控制器302的存储器1402。存储器1402可以是非暂时性存储器，其被配置为存储由控制器302执行的指令，其可以是计算机处理器，诸如微处理器或微控制器。存储器1402还可以存储例如由传感器202检测到的变形数据或气瓶100的状态等数据。气瓶100的状态可以表示为多个层(例如，2层、3层、4层)，每个层与一个单词(例如，“正常”、“需要检查”、“损伤”)或数量(例如，1、2、3、4)相关联。

系统1400还包括联接到控制器302的收发器1404。控制器302可使用收发器1404以联接到网络，例如局域网(LAN)、广域网(WAN)、蜂窝网络、数字短距离通信(DSRC)、因特网或其组合。

收发器1404可以包括通信端口或通道，诸如Wi-Fi单元、蓝牙单元、射频识别(RFID)标签或读取器、DSRC单元或用于访问蜂窝网络(诸如3G、4G或5G)的蜂窝网络单元中的一个或多个。收发器1404可以向不直接连接到控制器302的设备和系统发送数据和从其接收数据。例如，控制器302可以与远程数据服务器1408和/或填充装置1416通信。此外，收发器1404可以访问远程数据服务器1408和填充装置1416也连接到的网络。

控制器302还可被配置为与由气瓶100提供动力的车辆(例如，车辆102)的一个或多个计算机或电子控制单元(ECU)通信。车辆的ECU可以控制车辆的一个或多个方面，包括指示灯、显示屏、扬声器或其他通知装置，用于当控制器302检测到气瓶100的损伤时警告驾驶员或用户，如本文所述。控制器302可以经由电线或经由收发器1404与车辆的ECU通信，其中ECU联接到其自身的相应收发器。在这点上，ECU还可以连接到其自身的类似于存储器1402的非临时性存储器。

气瓶100、传感器202、控制器302、存储器1402和收发器1404可统称为气瓶监测装置1406。气瓶监测装置1406可以物理地位于车辆(例如，车辆102)上。在一些实施例中，“气瓶监测装置”可以指传感器202、控制器302、存储器1402和/或收发器1404，其中气瓶100与气瓶监测装置分离。尽管图14示出了连接到控制器302的各种元件，但是气瓶监测装置1406的元件可以使用通信总线彼此连接。

控制器302可以将来自传感器202的变形数据和/或对气瓶100的状态的更新传送到远程数据服务器1408。远程数据服务器1408可以包括处理器1410、存储器1412和收发器1414。处理器1410可以是被配置为执行存储在非暂时性存储器中的指令的任何计算设备。存储器1412可以类似于存储器1402，并且被配置为存储例如由处理器1410执行的指令以及由传感器202检测的变形数据或气瓶100的状态。

收发器1414类似于收发器1404，并且被配置成从一个或多个其他装置，例如气瓶监测装置1406和填充装置1416，发送和接收数据。

在一些实施例中，代替控制器302基于来自传感器202的变形数据执行确定，处理器1410可接收变形数据并执行本文所述的控制器302的责任中的一个或多个。在这些实施例中，将由传感器202检测到的变形数据(经由相应的收发器1404、1414)传送到远程数据服务器1408以用于由处理器1410处理可能比使控制器302执行处理在计算上更高效。

虽然示出了一个远程数据服务器1408，但是可以存在被配置为分配计算负荷以提高计算效率的多个远程数据服务器1408。在一些实施例中，远程数据服务器1408可以是能够与气瓶监测装置1406通信并且能够执行计算机处理的任何装置，诸如车辆的ECU或移动装置(例如，智能电话、膝上型计算机、平板计算机)。

控制器302还可以将来自传感器202的变形数据和/或对气瓶100的状态的更新通信至填充装置1416。如本文所述，填充装置1416包括填充控制器1002。填充控制器1002被配置为控制用于填充瓶100的阀(例如，阀902)。填充控制器1002可以经由类似于收发器1404和收发器1414的收发器1418从控制器302接收数据。填充控制器1002可以连接到存储器1422(例如，非暂时性存储器)，其可以类似于存储器1402和存储器1412并且被配置为存储用于由填充控制器1002执行的指令以及由传感器202检测的变形数据或例如气瓶100的状态。

如本文所使用的，“单元”可以指硬件部件，诸如被配置为执行存储在非暂时性存储器中的指令的一个或多个计算机处理器、控制器或计算设备。

图15A示出了由本文所述的系统执行的过程1500的流程图。

多个传感器(例如，传感器202)检测与复合气瓶(例如，气瓶100)相关联的变形数据(步骤1502)。复合气瓶可以具有层压结构，该层压结构具有多个层，并且由多个传感器检测到的变形数据指示对多个层中的一个或多个层的损伤。传感器可以是位于复合气瓶上不同位置的压电传感器。

控制器(例如，控制器302)基于当复合气瓶经受冲击损伤时检测到的变形数据确定损伤值(步骤1504)。传感器可以以有线或无线方式联接到控制器。损伤值可基于直达波能量确定来确定，本文参照图15B进一步详细描述。

继续图15A的过程1500，当损伤值超过冲击损伤阈值时，控制器传送通知(步骤1506)。冲击损伤阈值可以预先确定并存储在存储器(例如，存储器1402)中。冲击损伤阈值可以在具有各自不同的构造、尺寸和材料成分的各种复合气瓶模型之间不同。

如本文所述，当损伤值超过冲击损伤阈值时由控制器传送通知可以包括将通知传送到车辆(例如，车辆102)的ECU中的至少一个以激活指示复合气瓶的检查的灯，或者传送到非暂时性存储器(例如，存储器1402、1412、1422)以更新复合气瓶的存储状态。当控制器302在损伤值超过冲击损伤阈值时传送通知时，可使用相应的收发器(例如，收发器1404、1414、1418)。

该通知警告用户或操作员或技术人员在复合气瓶被再填充之前检查复合气瓶。此时可以检测由于来自物体的冲击而导致的对复合气瓶的任何损伤，并且如果合适的话可以移除和/或修复复合气瓶。然而，可能存在尽管已经遭受来自物体的冲击损伤或由于不适当的操作条件(例如，螺栓卡在气瓶和外壳之间)导致的未检测到的累积损伤，复合气瓶仍然可以被再填充的情况。

填充控制器(例如，填充控制器1002)被配置为通过控制阀(例如，阀902)用流体(例如，气体燃料、液体燃料)填充复合气瓶(步骤1508)。在用流体填充(或重新填充)复合气瓶期间，传感器可以用于监测复合气瓶的完整性。

填充控制器从传感器接收变形数据，并基于变形数据在复合气瓶被填充流体时检测对复合气瓶的损伤(步骤1510)。填充控制器可以使用模态声发射检查，该模态声发射检查使用多个传感器来检测对复合气瓶的损伤。

使用模态声发射检查，填充控制器可确定一个或多个指示符是否超过相应的预定阈值，并且当它们超过相应的预定阈值时，填充控制器可确定对复合气瓶的完整性存在损伤。

基于复合气瓶的层压体组成，一个或多个指示符可以包括对应于检测到的纤维束断裂事件被量化并且与纤维束断裂阈值比较的纤维束断裂指示符、对应于局部体积的材料内的不稳定性高于不稳定性阈值的不稳定性指示符、累积在指定局部体积的材料内的损伤、对应于局部体积的材料内累积的损伤机制高于损伤机制阈值的损伤机制指示符、和/或对应于微振磨损发射高于微振磨损发射阈值的微振磨损发射指示符。

基于在模态声发射检查期间由传感器检测到的并且在传感器数据中反射的波的频率和能含量来确定纤维束断裂指示符。纤维束断裂指示符也可以基于所确定的直接能量来确定，该直接能量在多个传感器上被归一化。

不稳定性指示符可以是基于在模态声发射检查期间由传感器检测到的并且在传感器数据中反映的检测到的振荡和背景能量而确定的局部不稳定性指示符。

可基于所确定的跨多个传感器归一化的直接能量来确定分层事件指示符。还可以基于在模态声发射检查期间由传感器检测到的并且在传感器数据中反射的波的频谱的锐度来确定分层事件指示符。

损伤机制指示符可与源自材料的局部体积的损伤相关联。可以基于由传感器检测到的损伤的阈值无关到达时间确定和由传感器检测到的损伤在曲线空间上的最短传播距离来确定损伤机构位置(聚类)。

上述指示符可以单独或组合考虑。当组合考虑时，可以向指示符分配相应的权重。例如，可以考虑纤维束断裂指示符和不稳定性指示符两者，但是可以给予纤维束断裂指示符比不稳定性指示符更小的权重，反之亦然。指示符的考虑可以基于复合气瓶的组成、复合气瓶中使用的材料、复合气瓶的尺寸和复合气瓶的任何其它方面而改变。另外，指示符的相应阈值可基于复合气瓶的组成、复合气瓶中使用的材料、复合气瓶的尺寸和复合气瓶的任何其它方面而变化。

在一些实施例中，当指示符中的任何一个超过它们各自的阈值时，填充控制器可以在填充期间检测对复合气瓶的损伤。例如，如果纤维束断裂指示符和不稳定性指示符被考虑，并且纤维束断裂指示符超过其阈值或者不稳定性指示符超过其阈值，则填充控制器在填充期间检测对复合材料气瓶的损伤。

在一些实施例中，填充控制器基于超过其相应阈值的指示符的数量来确定组合的损伤指示符，并且当指示符的阈值数量(或百分比)超过其相应阈值时，在填充期间检测对复合气瓶的损伤。例如，可以考虑纤维束断裂指示符、微振磨损发射指示符和不稳定性指示符。超过其各自阈值的指示符的阈值数量可以是三个中的两个。因此，如果纤维束断裂指示符、微振磨损发射指示符或不稳定性指示符中的至少两个超过它们各自的阈值，则填充控制器在填充期间检测到对复合气瓶的损伤。

在一些实施例中，填充控制器基于超过其相应阈值的指示符的加权数量来确定组合损伤指示符，并且当加权指示符的阈值百分比超过其相应阈值时，填充控制器在填充期间检测到复合气瓶的损伤。例如，可以考虑纤维束断裂指示符、微振磨损发射指示符和不稳定性指示符。纤维束断裂可被加权5，微振磨损指示符可被加权1(指示纤维束断裂比微振磨损发射指示符重要5倍)，并且不稳定性指示符可被加权2。因此，如果纤维束断裂指示符、微振磨损发射指示符和不稳定性指示符中的每一个超过它们各自的阈值，则存在8个可能的总指示符点。超过其各自阈值的指示符的阈值百分比可以是65％。因此，如果纤维束断裂指示符超过其阈值(5个点)，微振磨损发射指示符超过其阈值(1个点)，并且不稳定性指示符未超过其阈值，则填充控制器在填充期间检测到对复合气瓶的损伤，因为6个点除以8个点大于65％。如果纤维束断裂指示符是超过其阈值的唯一指示符，则填充控制器将不会在填充期间检测到对复合气瓶的损伤，因为5个点除以8个点不超过65％。

本文所述的阈值可各自基于测试来确定，并且针对特定复合气瓶来校准。各个阈值中的每一个可以存储在非暂时性存储器(例如，存储器1402、1412、1422)中，并且可以由与被监测的特定复合气瓶相关联的标识符索引，使得填充控制器可以基于被监测的特定复合气瓶参考对应的阈值。

控制器和填充控制器都可以执行数字信号处理算法，以减轻在正常操作期间通常遇到的外部噪声源(例如，电磁干扰(EMI)、流动噪声、机械摩擦)以避免假触发。数字信号处理算法可以应用于由传感器检测的变形数据。数字信号处理算法可基于波到达传感器的同时性、检测到的预触发能量或后触发能量与预触发能量的比率中的至少一者来确定假触发。

在填充控制器在复合气瓶正在被填充流体时检测到对复合气瓶的损伤之后，可以自动地执行安全动作(步骤1512)。安全动作可以包括填充控制器指示阀关闭以防止进一步填充复合气瓶。安全动作可以包括在扬声器或显示屏上提供检测到的损伤的通知，使得操作者可以停止填充复合气瓶。安全动作可以包括填充控制器调节阀以将流体引导到缓冲罐。

在填充复合气瓶期间，可以总是执行这些自动过程，而不管控制器是否检测到对复合气瓶的冲击损伤。在其它实施例中，在填充复合气瓶期间的自动过程可以仅在控制器检测到对复合气瓶的冲击损伤时执行。

图15B示出了由本文所述的系统执行的确定直达波能量的过程1520的流程图。在图15A中的过程1500的步骤1504期间，在确定与冲击损伤相关的损伤值期间，控制器可以使用过程1520。

控制器(例如，控制器302)从传感器(例如，传感器202)接收变形数据，并且数字化变形数据(步骤1522)。

然后，控制器确定特定波分量从冲击位置到多个传感器中的每个传感器的相应直达时间(步骤1524)。即，多个传感器中的每个传感器检测变形数据(例如，在图5中的四个通道中示出了来自四个传感器的以波示出的变形数据)。识别每个波的共同特定波分量(例如，如由来自图6中的四个传感器的每个波中的垂直条所指示)。为每个传感器确定共同特定波的到达时间。到达时间表示特定波分量从冲击位置行进到相应传感器的时间。

控制器确定冲击位置在复合气瓶上的估计位置(步骤1526)。可以基于所确定的到达时间、用于到达时间估计的波分量的速度、正被监测的特定气瓶的几何形状以及传感器在气瓶上的已知位置来确定估计位置。各种气瓶的几何形状、频散关系(作为频率的函数的波模速度)和传感器的已知位置可以存储在存储器(例如，存储器1402、1412、1422)中并且由控制器访问。控制器可以模拟冲击位置在复合气瓶上的估计位置(例如，如图7所示)。

控制器基于特定波分量到每个传感器的相应直达时间和在每个传感器处的检测到的电压来确定直达波能量(步骤1528)。在一些实施例中，控制器可以使用方程来确定直达波形能量(U_WAVE)，其中t_DIRECT表示对于给定传播距离，每个传感器处的感兴趣的最低速度波分量的直达时间，并且V表示在每个传感器(例如，压电传感器)处检测到的电压。

本文描述的系统和方法可以使用相对大量的传感器202用于可靠的覆盖和监测。传统的传感器具有相对高的成本，这对于实现稳健的监测系统可能是一个挑战。因此，需要具有新设计的传感器，其具有至少相当的性能(例如，关于灵敏度和带宽)且成本经济。

图16A是被配置成与本文所述的系统和方法以及其它系统和方法一起使用的传感器1600的俯视图。传感器1600是可用作传感器202的传感器，如本文所述。因此，在传感器202在本文中被描述为具有特性或能力的情况下，传感器1600也可具有相同的特性或能力。如将在此描述的，传感器1600能够批量生产并且具有相对低的成本。传感器1600还能够对多个不同的应用执行感测。此外，传感器1600能够使其设计以成本有效的方式适应和改变。

传感器1600是多元件压电传感器，其被配置成检测复合结构的变形数据，复合结构诸如是复合气瓶100或本文描述的任何其他复合结构(例如，风力机、机身、机翼的前缘或冲击损伤有害的任何复合结构)。传感器1600包括被配置为检测变形数据的多个感测元件1602。特别地，传感器1600包括第一感测元件1602A、第二感测元件1602B、第三感测元件1602C、第四感测元件1602D和第五感测元件1602E。

传感器1600包括多个引线1616，其被配置成将感测元件1602连接到连接器1610。特别地，第一感测元件1602A经由第一引线1616A联接到连接器1610，第二感测元件1602B经由第二引线1616B联接到连接器1610，第三感测元件1602C经由第三引线1616C联接到连接器1610，第四感测元件1602D经由第四引线1616D联接到连接器1610，并且第五感测元件1602E经由第五引线1616D联接到连接器1610。传感器1600经由连接器1610联接到系统的其它元件(例如，控制器302、控制器352、填充控制器1002)。在许多实施例中，感测元件1602联接到前置放大器电路，该前置放大器电路被配置成放大由感测元件1602检测到的信号，并且该前置放大器电路联接到控制器(例如，控制器302、控制器352、填充控制器1002)。

如图16所示，感测元件1602设置有第一感测元件1602A、第二感测元件1602B、第三感测元件1602C和第四感测元件1602D，这些具有相同感测面积(或孔径或尺寸)1612并环绕具有较大感测面积1614的第五感测元件1602E。第一感测元件1602A、第二感测元件1602B、第三感测元件1602C和第四感测元件1602D可以具有相同的直径1604，这导致相同的感测面积1612，第五感测元件1602E可以具有较大的直径1606，这导致较大的感测面积1614。

由于具有更大的表面积，更大直径的元件(例如，感测元件1602E)具有更大的灵敏度(在特定的、更低的频率范围内)，但是由于所谓的孔径效应引起的相位消除，更大直径的元件在更高的频率下将不会表现得同样好。较小直径的元件(例如，感测元件1602A-1602D)可能不如较大直径的元件(假设所有其它结构元件都相同)那么灵敏，但由于孔径效应而不会遭受相位消除，因此将具有优异的高频响应。

虽然感测元件1602被示出为具有圆形形状，但是在其他实施例中，感测元件1602具有其他形状，例如六边形、五边形或十边形。在其它实施例中，元件可以设计成具有椭圆形几何形状并且在具有准椭圆波模式的各向异性结构上对准。

此外，虽然图16A中示出的感测元件1602为特定的数量和布置，但是可以制造和使用任何构造或布置的任何数量的感测元件。感测元件的数量、感测面积的尺寸和感测元件的布置都可以基于传感器1600的应用、传感器1600在待监测的结构上的位置和/或待监测的结构的组成来定制。

例如，本文所述的用于监测复合结构(例如，复合气瓶100)的系统和方法包括使用定量冲击检测来检测由于冲击损伤或累积损伤而对复合结构造成的损伤，以及使用MAE检验在用流体(例如，压缩天然气或氢气)填充复合结构期间检测对复合结构的损伤。在该示例中，一个或多个感测元件(例如，感测元件1602A-1602D)可以包括在传感器1600中，并且用于在用流体填充复合结构期间检测对复合结构的损伤。此外，传感器1600中还可以包括一个或多个尺寸相对较大的感测元件(例如，感测元件1602E)，用于检测冲击事件。

对于定量碰撞检测，该事件不以相对高的频率(即，短波长)激励传感器，因此具有高灵敏度的大直径元件是合适的。相反，当对具有层压体成分的复合结构进行MAE检查时，需要通过感测元件检测更高频率，以便区分损伤机制(例如，光纤断裂相对于基质破裂相对于分层)，因此较小直径的感测元件是合适的。

通过将用于两种应用的两个元件的尺寸组合到单个传感器1600中，传感器1600能够以特定且定制的方式支持系统的感测要求。这使得单个传感器1600能够用于使用两种不同感测技术或应用的应用中。传感器元件的第一尺寸可以针对第一技术或应用进行优化，并且传感器元件的第二尺寸可以针对第二技术或应用进行优化。因此，当传感器1600(经由连接器1610)联接到各种系统时，传感器1600可以提供比仅具有一个传感器元件大小的其它传感器更大的灵活性。具有多个传感器元件尺寸的传感器1600在计算效率和成本效率方面比使用两个不同尺寸的两个单独传感器更有效。

图16B示出了沿图16A的线A-A的侧视剖视图。图16B示出了第一感测元件1602A和第四感测元件1602D的侧视剖视图，并且关于第一感测元件1602A和第四感测元件1602D描述的特征可以存在于所有感测元件1602中。

传感器1600可以包括第一聚酰亚胺薄膜层1624(例如，来自DuPontv的)。如果传感器集成到层压体中，则第一聚酰亚胺膜层1624被配置为在接地电极和该结构之间提供介电层。

传感器1600还可包括用于每个感测元件1602的正电极1626。正电极1626可以由导电材料制成，例如铜。如图16B所示，第一感测元件1602A对应于第一正电极1626A，第四感测元件1602D对应于第四正电极1626D。每个正电极1626的顶表面接触聚酰亚胺薄膜层1624的底表面。当传感器是平的时，每个感测元件1602的正电极1626可以彼此共面，如图16B所示。即使在传感器不是平放的且环绕曲面的情况下，每个感测元件1602的正电极1626相对于与传感器所位于的曲面平行的曲面而彼此共面。

正电极1626位于第一带层1628上方，其将正电极1626与位于第一带层1628下方的有源感测元件1630联接。第一带层1628的顶部表面接触正电极1626的底部表面，并且第一带层1628的底部表面接触有源感测元件1630的顶部表面。

第一带层1628可由一层或多层仅在z轴上导电的z轴各向异性带制成。也就是说，第一带层1628可不沿x轴或y轴导电。此外，有源感测元件1603的与第一带层1628接触的顶表面不具有设置在顶表面上的导电层，从而使其不是等电位面。此允许第一正电极1626A及第四正电极1626D两者电联接到有源感测元件1630，同时还允许第一正电极1626A及第四正电极1626D彼此电隔离。虽然仅显示第一正电极1626A及第四正电极1626D，但所有正电极皆电联接至有源感测元件1630，且彼此电性隔离

有源感测元件1630可以是压电材料，例如PVDF-TrFE(聚二氟乙烯-三氟乙烯)，其具有固有的低品质因数，这适于宽带响应。有源感测元件1630被配置成当置于机械应力下时产生电流。即，有源感测元件1630所经受的机械应力(诸如当由于结构受到冲击或来自结构断裂的材料而导致瞬时应力波传播时)导致正电极1626和接地电极1634两端的电压，该电压由系统(经由联接到连接器1610的控制器)检测并且用于确定结构的变形，如本文所述。

有源感测元件1630位于第二带层1632之上。即有源感测元件1630的底表面接触第二带层1632的顶表面。在一些实施例中，第二带层1632由一层或多层z轴各向异性带制成，所述z轴各向异性带仅在z轴上导电，类似于第一带层1628。在其它实施例中，第二带层1632在所有方向上导电。与有源感测元件1630的顶表面相比，接触第二带层1632的有源感测元件1630的底表面可具有沉积于其上的导电层，使其成为等电位面。

如图16B所示，第一带层1628、有源感测元件1630和第二带层1632的宽度(例如，沿y轴的水平宽度)可大于每个正电极(例如，第一正电极1626A和第四正电极1626D)的宽度。因此，第一带层1628、有源感测元件1630和第二带层1632的尺寸和形状可不对应于正电极1602的尺寸和形状。这是可能的，因为第一带层1628仅在z轴上导电。因为第一带层1628、有源感测元件1630和第二带层1632不需要被制造成对应于正电极1602的尺寸和形状，并且可跨越正电极1602中的一些或全部，所以与第一带层1628、有源感测元件1630和第二带层1632各自对应于正电极的传感器相比，传感器1600的制造复杂性可降低。第一带层1628、有源感测元件1630和第二带层1632的宽的多元件跨越可在图16A的轮廓1608中看到。图16A还示出了正电极1626的圆形形状。

再次参看图16B，第二带层1632位于接地电极1634上方。接地电极1634可以由诸如铜的导电材料制成。接地电极1634的顶表面可以接触第二带层1632的底表面。

接地电极1634位于第二聚酰亚胺薄膜层1636(例如，来自DuPont^TM的)上方。第二聚酰亚胺膜层1636用于双重目的，即在接地电极和结构(如果集成到层压体中)之间提供介电层，以及提供非常适于结合到经受复杂应力状态(例如，双轴张力)的结构的柔性基底。

在一些实施例中，铜层1638可以被放置在传感器1600的顶部之上，以提供电磁干扰(EMI)屏蔽，从而保护传感器1600免受来自一个或多个其他设备的电磁干扰。

图16B还示出了引线1616A的横截面图。引线1616可以由导电材料制成，例如铜。虽然图16B示出了第一聚酰亚胺层1624和铜层1638覆盖引线1616，但是在一些实施例中，第一聚酰亚胺层1624和铜层1638不横向延伸以覆盖引线1616。在一些实施例中，引线下方的区域1640仅包括电介质材料以使引线1616与下方的物体绝缘。在一些实施例中，一些部件(包括有源感测元件1630)横向延伸以位于引线1616下方，但是在这些实施例中，非导电层位于有源感测元件1630和引线1616之间以将引线与有源感测元件1630隔离。

接地电极层1634、正电极1626和引线1616可以使用柔性基底在耐用的柔性印刷电路板上制造，使得接地电极层1634、正电极1626和引线1616都是柔性的。此外，有源感测元件1630还可以是柔性的。第一带层1628、第二带层1632、第一聚酰亚胺膜层1624和第二聚酰亚胺膜层1636也可以是柔性的。传感器1600的部件的柔性允许传感器1600是柔性的且可顺应于其所放置的表面，从而与刚性传感器相比，提供对弯曲及/或粗糙表面的改进的粘附及声联接。

接地电极层1634、正电极1626和引线1616可以任何方式制造在柔性基底上，包括例如热转移-抗蚀剂-显影方法或使用CNC电极沉积。这些技术可以促进有效的制造成本和高产量。

图16C示出了布置在气瓶100的外表面1656上的传感器1600的侧视剖视图。传感器1600具有外表面1654和内表面1652。传感器1600的内表面1652接触气瓶100的外表面1656。传感器1600可以使用任何方法，例如使用粘合剂，附接到气瓶100的外表面。

图16D示出了顺应于气瓶100的曲面的传感器1600的侧视剖视图。传感器1600可以使用粘合剂或任何其它方法附接到气瓶100。在一些实施例中，传感器1600可以一体地制造到气瓶100中。例如，传感器1600可以直接制造在气瓶100上，或者可以位于气瓶100的层之间，其中气瓶100由多层组成。

在一些实施例中，在制造气瓶100期间，外表面1656(或外表面1656的将附接传感器1600的部分)可以被平滑以便于将传感器1600粘附到气瓶100。例如，在气瓶的制造期间，可以使用具有与气瓶100的外径相对应的曲率的隔板。脱模剂可以被施加到隔板，并且脱模的隔板在气瓶100的传感器附接位置被放置在未固化的气瓶100上。固化气瓶100，并且在固化后移除隔板，留下用于传感器粘附的光滑表面，这将改善传感器1600的粘合层性能(即粘合层循环寿命)和声联接(更好的响应)。

虽然图16C和16D示出了传感器1600附接到气瓶100，但是传感器1600可以联接到任何用于监测的结构，例如风力机、机身、机翼前缘或冲击损伤有害或结构高度受压的任何复合结构。

图17示出了类似于传感器1600和传感器202的传感器1700，不同之处在于传感器1700具有三个不同的传感器元件尺寸。传感器1700与传感器1600类似地编号，并且除非另外指出，否则包括与传感器1600类似的特征。特别地，图16B中所示的横截面结构对于沿线A-A的传感器1700是相同的。

传感器1700具有多个感测元件1702。也就是说，传感器1700具有第一感测元件1702A、第二感测元件1702B、第三感测元件1702C、第四感测元件1702D和第五感测元件1702E。第一感测元件1702A、第二感测元件1702B和第四感测元件1702D各自具有相同的直径1704，并因此具有相同的感测面积(或孔径或尺寸)。

与传感器1600类似，第五感测元件1702E大于第一感测元件1702A、第二感测元件1702B和第四感测元件1702D。第五感测元件1702E具有大于直径1704的直径1706，因此，第五感测元件1702E具有比第一感测元件1702A、第二感测元件1702B和第四感测元件1702D更大的感测面积。

与传感器1600不同，第三感测元件1702C大于第一感测元件1702A、第二感测元件1702B和第四感测元件1702D，但小于第五感测元件1702E。第三感测元件1702D具有大于直径1704但小于直径1706的直径1740。因此，第三感测元件1702D具有比第一感测元件1702A、第二感测元件1702B和第四感测元件1702D大的感测面积，但具有比第五感测元件1702E小的感测面积。

虽然传感器1600具有两种传感器元件尺寸，但是传感器1700具有三种传感器元件尺寸。这使得传感器1700能够用于使用三种不同感测技术或应用的应用中。传感器元件的第一尺寸可以针对第一技术或应用进行优化，传感器元件的第二尺寸可以针对第二技术或应用进行优化，并且传感器元件的第三尺寸可以针对第三技术或应用进行优化。因此，当传感器1700(经由连接器1710)联接到各种系统时，传感器1700可以比具有少于三个不同传感器元件大小的其它传感器提供更多灵活性。具有多个传感器元件尺寸的传感器1700在计算效率和成本效率方面比使用不同尺寸的多个单独的传感器更有效。

图18示出了类似于传感器1600、传感器1700和传感器202的传感器1800，不同之处在于传感器1800具有四个不同的传感器元件尺寸。传感器1800与传感器1600和1700类似地编号，并且包括与传感器1600和1700类似的特征，除非另外指出。特别地，图16B所示的横截面结构被传感器1800使用。如果图16A的线A-A出现在图18中，则侧面横截面结构将类似于图16B中所示的结构，差别在于传感器1800中的第一正电极的水平宽度比传感器1600中的更宽，如下面进一步描述的。

传感器1800具有多个感测元件1802。即，传感器1800具有第一感测元件1802A、第二感测元件1802B、第三感测元件1802C、第四感测元件1802D和第五感测元件1802E。第二感测元件1802B和第四感测元件1802D各自具有相同的直径1804，并且因此具有相同的感测面积(或孔径或尺寸)。

类似于传感器1600和1700，第五感测元件1802E大于第二感测元件1802B和第四感测元件1802D。第五感测元件1802E具有大于直径1804的直径1806，并且因此，第五感测元件1802E具有比第二感测元件1802B和第四感测元件1802D大的感测面积。

与传感器1600不同(但类似于传感器1700)，第三感测元件1802C大于第二感测元件1802B和第四感测元件1802D，但小于第五感测元件1802E。第三感测元件1802D具有大于直径1804但小于直径1806的直径1840。因此，第三感测元件1802D具有比第二感测元件1802B和第四感测元件1802D大的感测面积，但是具有比第五感测元件1802E小的感测面积。

与传感器1600和1700不同，第一感测元件1802A大于第二感测元件1802B、第三感测元件1802C和第四感测元件1802D，但小于第五感测元件1802E。第一感测元件1802A具有大于直径1804和1840但小于直径1806的直径1842。因此，第一感测元件1802A具有比第二感测元件1802B、第三感测元件1802C和第四感测元件1802D大的感测面积，但是具有比第五感测元件1802E小的感测面积。

虽然传感器1700具有三种传感器元件尺寸，但是传感器1800具有四种传感器元件尺寸。这使得传感器1800能够用于其中使用四种不同感测技术或应用的应用中。传感器元件的第一尺寸可以针对第一技术或应用进行优化，传感器元件的第二尺寸可以针对第二技术或应用进行优化，传感器元件的第三尺寸可以针对第三技术或应用进行优化，并且传感器元件的第四尺寸可以针对第四技术或应用进行优化。因此，当传感器1800(经由连接器1810)联接到各种系统时，传感器1800可提供比具有少于四个不同传感器元件大小的其它传感器更多的灵活性。具有多个传感器元件尺寸的传感器1800在计算效率和成本效率方面比使用不同尺寸的多个单独的传感器更有效。

图19示出了传感器1900，其类似于传感器1600、传感器1700、传感器1800和传感器202，不同之处在于传感器1900具有五种不同的传感器元件尺寸。传感器1900与传感器1600、1700和1800类似地编号，并且包括与传感器1600、1700和1800类似的特征，除非另外指出。特别地，图16B所示的横截面结构被传感器1900使用。

传感器1900具有多个感测元件1902。也就是说，传感器1900具有第一感测元件1902A、第二感测元件1902B、第三感测元件1902C、第四感测元件1902D和第五感测元件1902E。第二感测元件1902B具有对应于感测面积(或孔径或尺寸)的直径1904。

与传感器1600、1700和1800不同，第四感测元件1902D大于第二感测元件1902B。第四感测元件1902D具有大于直径1904的直径1944。因此，第四感测元件1902D具有比第二感测元件1902B更大的感测面积。

与传感器1600不同(但类似于传感器1700和1800)，第三感测元件1902C大于第二感测元件1902B和第四感测元件1902D，但小于第五感测元件1902E。第三感测元件1902D具有大于直径1904和直径1944但小于直径1906的直径1940。因此，第三感测元件1902D具有比第二感测元件1902B和第四感测元件1902D更大的感测面积，但是具有比第五感测元件1902E更小的感测面积。

与传感器1600和1700不同(但与传感器1800相似)，第一感测元件1902A大于第二感测元件1902B、第三感测元件1902C和第四感测元件1902D，但小于第五感测元件1902E。第一感测元件1902A的直径1942大于直径1904、1940和1944，但小于直径1906。因此，第一感测元件1902A具有比第二感测元件1902B、第三感测元件1902C和第四感测元件1902D更大的感测面积，但是具有比第五感测元件1902E更小的感测面积。

类似于传感器1600、1700和1800，第五感测元件1902E大于所有其它传感器元件。第五感测元件1902E的直径1906大于直径1904、1940、1942和1944，因此，第五感测元件1902E的感测面积大于其他感测元件。

虽然传感器1800具有四种传感器元件尺寸，但是传感器1900具有五种传感器元件尺寸。这使得传感器1900能够用于使用五种不同感测技术或应用的应用中。传感器元件的第一尺寸可以针对第一技术或应用进行优化，传感器元件的第二尺寸可以针对第二技术或应用进行优化，传感器元件的第三尺寸可以针对第三技术或应用进行优化，传感器元件的第四尺寸可以针对第四技术或应用进行优化，并且传感器元件的第五尺寸可以针对第五技术或应用进行优化。因此，当传感器1900(经由连接器1910)联接到各种系统时，传感器1900可提供比具有少于五个不同传感器元件大小的其它传感器更多的灵活性。具有多个传感器元件尺寸的传感器1900在计算效率和成本效率方面比使用不同尺寸的多个单独传感器更有效。

虽然图16A、17、18和19示出了具有各种数量的不同尺寸的传感器元件的传感器，但是在此描述的传感器中可以包括任何数量的传感器元件，并且在那些传感器中可以使用任何数量的不同尺寸。使用两个、三个、四个或五个不同的传感器元件和/或传感器元件尺寸是说明性的而非限制性的

如本文所述，传感器(例如，传感器1600、1700、1800、1900)可被认为是无源传感器，因为传感器中的一个或多个不主动地发射将由一个或多个其它传感器检测的波。相反，传感器用于确定冲击事件何时、在复合结构上何处、以及发生到何种严重程度，以及当复合结构受到来自外部源的应力时被动地监测复合结构。

为了说明这里描述的传感器的各个方面的性能(该传感器可以被称为通用多元件光栅阵列(OMEGA)传感器)，呈现了从类似于传感器1600的示例性OMEGA传感器收集的数据，以及描述的各个实施例的特征。

为了量化OMEGA传感器相对于传统宽带压电传感器的灵敏度，图16A和16B所示的OMEGA传感器和传统的单元件B 1025传感器都被结合到3.1mm厚的7075铝板上，该铝板具有1200mm×1800mm的横向尺寸。图20(左)提供了使用相关尺寸的实验装置的示意图，而图20(右)提供了实际实验装置的视图。

来自源2处的0.5mm 6H铅笔芯断裂源的时间波形和时间-频率分布在图21A中示出了B 1025换能器，在图21B中示出了OMEGA传感器的元件1(例如，第一元件1602A)。从图21A和21B可以观察到若干次关键结论。首先，OMEGA传感器比B1025传感器显示出更主要的面内变形(S₀模式)灵敏度，而不显示同样多的面外(A₀模式)灵敏度。其次，OMEGA传感器的元件1(例如，第一元件1602A)的峰值响应在B1025传感器的10dB内。

如果期望灵敏度响应比传统的单元件压电陶瓷换能器有所改进，则可以对OMEGA传感器利用信号时间相干移位和组合方法。作为一个示例，来自图21A和21B的所有5mm直径的元件的数据被时移到与元件1的时基相干，并且如图22所示，对所得到的时间相干信号求和。

来自源2处的0.5mm 6H铅笔芯断裂源的时间波形和时间-频率分布在图23A中示出了B1025换能器，在图23B中示出了OMEGA传感器的时移到相干的求和信号。

已知传感器的感测元件的直径由于所谓的孔径效应而对所述传感器的灵敏度具有很大影响。实际上，当传播的波的波长等于有源感测元件的直径(或其整数倍)时，压电元件的一半处于拉伸状态，而压电元件的另一半处于压缩状态，从而导致传感器对于该波长(频率)的净零响应。由于许多工程结构中的部件的厚度比传播的波长薄得多，所以导波(由频散关系支配)是传播的波的类型。图24提供了3.1mm厚7075A1板的频率-波长(l)频散关系，其中对应于不经受孔径失真的频率(波长)的不同孔径直径(cp)具有阴影区域。从图24可以看出，孔径效应发生的频率是模式相关的。可以观察到，对于所有考虑的模式，较大直径的孔径将在较高频率处表现出降低的灵敏度。

为了说明孔径大小对所获取的信号的影响，将代表性的OMEGA传感器结合到3.1mm厚的7075T6 A1板上，该板具有1200mm×1800mm的横向尺寸。OMEGA传感器被设计为如图16A所示，其中元件1-4(例如，传感器元件1602A-1602D)的直径为5mm，元件5(例如，传感器元件1602E)的直径为13mm。图25显示了实验装置的示意图。作为一个示例，利用了图25中的源1处的0.5mm 6H铅笔铅断裂(PLB)。图26提供了元件1(例如，传感器元件1602A)(5mm直径)和元件5(例如，传感器元件1602E)(13mm直径)的时间(顶部)和归一化频率(底部)响应。从图26中可以看出，由于元件表面积较大，13mm直径具有大得多的振幅响应，但是5mm直径的有源元件具有高于150kHz的优良相对频率响应。

对于图26中的数据，断裂源的取向相对于板在平面外，这导致基本挠曲模式(F₀)的优先激发；如图26所示，对于F₀模式13mm直径元件的第一孔效应发生在150kHz，而对于F₀模式5mm直径元件的孔径效应直到550kHz才第一次发生，这导致较小直径元件的较高的高频响应。

在各种测量情形中，灵敏度响应或高频响应可能是更期望的。例如，如果无源传感器监测冲击事件，其中事件的持续时间将为毫秒量级并且将不激励高于～100kHz的频率，则较大直径、较高灵敏度的元件是有利的选择。相反，如果使用无源传感器来监测材料断裂(发生在纳秒到微秒的量级)，则支持高达1MHz及以上的频率内容，没有孔径效应失真的较小直径元件是有利的解决方案。

对于复合压力气瓶检查，区分各种损伤机制和量化有害损伤机制的能力从提供更定量的评估和减少错误指示的角度是有益的。例如，在复合材料压力容器的模态声发射(MAE)检查中，利用高达600kHz(或更高)的频率含量来区分纤维断裂和其它各种损伤机制(例如，基质开裂、纤维/基质脱粘、分层等)。为了检测频率内容而没有孔径效应失真，需要较小直径的有源感测元件。

图27示出了用于制造本文所述的传感器(例如，传感器1600、1700、1800、1900)的过程2700的流程图。

制造接地电极(例如，接地电极1634)(步骤2702)。接地电极可以由导电材料制成，例如铜，并且可以使用柔性基底制造，使得接地电极是柔性的，如本文所述。

制造多个正电极(例如正电极1626)和相应的引线(例如引线1616)(步骤2704)。正极和引线可以由导电材料如铜制成，并且可以使用柔性基底制造，使得正极和引线是柔性的，如本文所述。

使用导电带(例如，第二带层1632)将压电材料(例如，感测元件1630)的底表面联接到接地电极的顶表面(步骤2706)。

使用z轴各向异性带(例如，第一带层1628)将压电材料的顶表面联接到正电极的底表面(步骤2708)。如这里所述，压电材料、将压电材料联接到接地电极的导电带、以及z轴各向异性带的形状和尺寸可以独立于正电极的形状和尺寸而被确定。与具有形状和尺寸与正电极匹配或对应的层的传感器相比，这有助于提高制造效率并降低制造成本。

在一些实施例中，正电极被聚酰亚胺膜层(例如，第一聚酰亚胺膜层1624)覆盖，并且接地电极也被联接到聚酰亚胺膜层(例如，第二聚酰亚胺膜层1636)。在一些实施例中，传感器覆盖有铜层(例如，铜层1638)，该铜层被配置成向传感器提供EMI屏蔽。

图28示出了用于制造和使用本文所述的传感器(例如，传感器1600、1700、1800、1900)的过程2800的流程图。

确定传感器的多个监测任务(步骤2802)。可以基于待监测的结构和/或待监测的结构所位于或将位于的环境来确定多个监测任务。例如，对于被配置成储存用于车辆的燃料的复合气瓶，监测任务可包括监测影响复合气瓶的完整性的冲击事件，以及在复合气瓶的再填充期间监测复合气瓶的结构完整性的损失，如本文所述。

基于多个监测任务确定相应的多个传感器元件尺寸(步骤2804)。在一些实施例中，计算设备的处理器可以基于监测任务自动地确定传感器元件尺寸以及传感器内的不同尺寸的传感器元件的布置和布局。计算设备具有被配置为存储要由处理器执行的指令的非暂时性计算机可读存储器。除了多个监测任务之外，计算装置还可基于用于制造复合结构的材料和/或传感器元件在复合结构上的位置来自动地确定传感器内的传感器元件尺寸和/或不同尺寸的传感器元件的布置和布局。为多个监测任务中的每一个确定传感器元件的尺寸。例如，如果传感器被配置成为三个不同的监测任务提供监测，则确定三个传感器元件尺寸。

计算设备可以针对监测任务的数量、监测任务的类型、传感器位置和/或复合结构材料的任何变化进行快速调整，并且重新设计传感器的感测元件的布局。感测元件的布局可以指正电极的布局，因为正电极上方和下方的层可以在各种传感器设计上保持相同。因此，本文所述的传感器的重新设计成本较低，并且重新设计时间比其中传感器的所有层都可以被重新设计和调整的常规传感器更快。

制造具有用于多个监测任务的多个元件尺寸的传感器(步骤2806)。步骤2806的制造可以类似于本文所述的过程2700。制造步骤可以使用一个或多个机器自动化，所述机器被配置成自动制造传感器的层(例如，接地电极和正电极和引线层)和/或抓取和放置传感器的各个层以执行本文所述的制造步骤。传感器元件的设计可以使用与专用计算机辅助设计软件相对应的可计算机解释的计算机辅助设计数据来执行。用于印刷电路板的机器可以使用计算机解释的计算机辅助设计数据来自动地制造传感器的各个层。

将制造的传感器联接到复合结构(步骤2808)。如本文所述，复合结构的外表面可以被平滑以便于传感器粘附到复合结构，从而改善声联接和胶层机械可靠性。可以使用任何方法或技术，包括施加粘合剂，将制造的传感器自动联接到复合结构。

在此描述的传感器中使用的压电元件可以有利地使用切割和填充复合(DFC)工艺来制造。使用本文描述的DFC工艺制造的压电元件可以被称为DFC压电元件。

图29A-29F示出了制造DFC压电元件2900的过程。在图29A中，提供了压电材料2902。在图29B中，压电材料2902在第一方向2906(例如，沿着x轴)上被切成方块(或切割)，从而产生压电材料2902的行2904。在图29C中，压电材料2902在第二方向2910(例如，沿着y轴)上被切块(或切割)，从而产生压电材料2902的柱2908。

在图29D中，环氧树脂2912设置在已切割的压电材料2902上方。在图29E中，环氧树脂2912和已切割压电材料2902可以被加热和/或经受真空，使得环氧树脂2912流入已切割压电材料2902的柱2908之间的沟道2914中。环氧树脂2912在初始阶段可以是液体，并且热量降低粘度并促进流动。真空有助于除气并减少空隙。在图29F中，压电材料2902涂覆有导电元件2916。例如，金溅射涂层被施加到压电材料2902。

DFC压电元件2900的环氧树脂填充的沟道允许DFC压电元件2900比沿着压电元件的长度和/或宽度连续为实心的压电元件更容易地顺应附接表面。DFC压电元件2900可以被加热至足以软化环氧树脂2912的温度，并且使完成的DFC传感器2900弯曲，以实现与待监测的复合结构的表面相对应的特定轮廓。

虽然第一方向2906被示出为垂直于第二方向2910，但是在一些实施例中，第一方向2906和第二方向2910可以不垂直。例如，在复合结构的表面具有不同方向的多个轮廓的情况下，DFC压电元件2900可以被切割成特定于复合结构的表面的图案。DFC压电元件2900的形状越靠近复合结构的表面，在使用DFC压电元件2900的传感器与复合结构之间可以实现的接触面积越大。传感器和复合结构之间的接触面积的改善了声联接(即，传感器响应)和胶层完整性。如图29A-29F所示，所得到的压电元件2900是1-3压电复合材料，表明它仅在一个方向上是导电的。

图30A示出了使用DFC压电元件(例如，DFC压电元件2900)制造的传感器3000的俯视图。传感器3000包括感测元件3002和引线3016。在许多实施例中，感测元件3002联接到前置放大器电路，该前置放大器电路被配置成放大由感测元件3002检测到的信号，并且该前置放大器电路联接到控制器(例如，控制器302、控制器352、填充控制器1002)。

图30B示出了沿图30A的线A-A的侧视剖视图。虽然传感器3000是单元件传感器，但是传感器3000的分层结构可以另外类似于传感器1600，并且类似的特征/层被类似地编号。

传感器3000可以包括第一聚酰亚胺薄膜层3024(例如，来自DuPontTM的)。如果传感器集成到层压体中，则第一聚酰亚胺膜层3024被配置为在接地电极和该结构之间提供介电层。

传感器3000还可包括正电极3026。正电极3026可由导电材料制成，例如铜。正电极3026的顶表面接触聚酰亚胺膜层3024的底表面。

正电极3026位于第一导电层3028上方，该第一导电层将正电极3026与位于第一导电层3028下方的有源感测元件3030导电地联接。第一导电层3028可由被配置成联接相邻元件的任何导电材料制成，诸如例如导电带、z轴导电带、或焊料。第一导电层3028的顶表面接触正电极3026的底表面，并且第一导电层3028的底表面接触有源感测元件3030的顶表面。

有源感测元件3030可以是压电元件，例如压电元件2900。有源感测元件3030被配置成当置于机械应力下时产生电流。即，有源感测元件3030所经受的机械应力(诸如当由于结构受到冲击或来自结构断裂的材料而导致瞬时应力波传播时)导致正电极3026和接地电极3034两端的电压，该电压由系统(经由联接到引线3016的控制器)检测并且用于确定结构的变形，如本文所述。

有源感测元件3030位于第二导电层3032上方。即有源感测元件3030的底表面接触第二导电层3032的顶表面。第二导电层3032可以由被配置成联接相邻元件的任何导电材料制成，诸如例如导电带、z轴导电带、或焊料。第二导电层3032位于接地电极3034上方。接地电极3034可以由诸如铜的导电材料制成。接地电极3034的顶表面可以接触第二导电层3032的底表面。

在第一导电层3028和第二导电层3032是焊料的实施例中，可通过在相应的相邻层之间设置固体焊料并将传感器放置在回流炉中来自动化制造。当在回流炉中时，焊料将熔化并导电地联接相应的相邻层。

接地电极3034位于第二聚酰亚胺薄膜层3036(例如，来自DuPont^TM的)上方。第二聚酰亚胺膜层3036用于双重目的，即在接地电极和结构(如果集成到层压体中)之间提供介电层，以及提供非常适于结合到经受复杂应力状态(例如，双轴张力)的结构的柔性基底。

在一些实施例中，铜层3038可以被放置在传感器3000的顶部之上，以提供电磁干扰(EMI)屏蔽，从而保护传感器3000免受来自一个或多个其他设备的电磁干扰。

引线3016可以由导电材料制成，例如铜。在一些实施例中，第一聚酰亚胺层3024和铜层3038覆盖引线3016，并且在其他实施例中，第一聚酰亚胺层3024和铜层3038不横向延伸以覆盖引线3016。在一些实施例中，引线下方的区域仅包括电介质材料以使引线3016与下方的物体绝缘。在一些实施例中，包括有源感测元件3030的一些部件横向延伸以位于引线3016下方，但是在这些实施例中，非导电层位于有源感测元件3030和引线3016之间以将引线与有源感测元件3030隔离。

接地电极层3034、正电极3026和引线3016可以使用柔性基底在耐用的柔性印刷电路板上制造，使得接地电极层3034、正电极3026和引线3016都是柔性的。此外，有源感测元件3030也可以是柔性的。第一导电层3028、第二导电层3032、第一聚酰亚胺膜层3024和第二聚酰亚胺膜层3036也可以是柔性的。传感器3000的部件的柔性允许传感器3000是柔性的且可顺应于其所放置的表面，从而与刚性传感器相比，提供对弯曲及/或粗糙表面的改进的粘附及声联接。

接地电极层3034、正电极3026和引线3016可以任何方式制造在柔性基底上，包括例如热转移-抗蚀剂-显影方法或使用CNC电极沉积。这些技术可以促进有效的制造成本和高产量。

图30C示出了设置在气瓶100的外表面3056上的传感器3000的侧视剖视图。传感器3000具有外表面3054和内表面3052。传感器3000的内表面3052接触气瓶100的外表面3056。传感器3000可以使用任何方法，例如使用粘合剂，附接到气瓶100的外表面。

图30D示出了与气瓶100的曲面一致的传感器3000的侧剖视图。传感器3000可以使用粘合剂或任何其它方法附接到气瓶100。在一些实施例中，传感器3000可以一体地制造到气瓶100中。例如，传感器3000可以直接制造在气瓶100上，或者可以位于气瓶100的层之间，其中气瓶100由多层组成。

在一些实施例中，在制造气瓶100期间，外表面3056(或外表面3056的将附接传感器3000的部分)可以被平滑以便于将传感器3000粘附到气瓶100。例如，在气瓶的制造期间，可以使用具有与气瓶100的外径相对应的曲率的隔板。脱模剂可以被施加到隔板，并且脱模的隔板在气瓶100的传感器附接位置被放置在未固化的气瓶100上。固化气瓶100，并且在固化后移除隔板，留下用于传感器粘附的光滑表面，这将改善传感器3000的粘合层性能(即粘合层循环寿命)和声联接(更好的响应)。

在一些实施例中，传感器3000被加热到满足或超过DFC压电元件2900的树脂2912从固体转变到更可延展状态的转变温度(例如，玻璃化转变温度T_g)的温度。当传感器3000被加热至超过转变温度时，DFC压电元件2900变得更容易弯曲和卷曲以顺应于待监测的复合结构的表面。树脂(或树脂的混合物)的选择可取决于许多因素，包括所需的转变温度。也就是说，可以使用一种或多种树脂来实现期望的转变温度。

与多元件传感器的传感器1600相比，传感器3000是单元件传感器。因此，许多传感器3000将与本文所述的复合结构监测系统一起使用。尽管使用了许多传感器3000，但是DFC压电元件2900可以导致比其他相当的传感器显著更低的系统成本，包括多元件传感器1600，这是由于电子部件成本的降低。另外，DFC压电元件2900可以允许传感器3000比其他可比较的传感器更好地顺应于复合结构的表面。

虽然图30C和30D示出了传感器3000附接到气瓶100，但是传感器3000可以联接到任何用于监测的结构，例如风力机、机身、机翼前缘或冲击损伤有害或结构高度受压的任何复合结构。

为了说明本文描述的DFC传感器的各个方面的性能，呈现了从类似于传感器3000的示例性传感器收集的数据，并且描述了相应实施例的特征。

为了量化DFC传感器相对于传统宽带压电传感器的灵敏度，DFC传感器和传统的单元件B1025传感器两者都被结合到3.1mm厚的7075铝板，该铝板具有1200mm×1800mm的横向尺寸。图31提供了使用相关尺寸的实验装置的示意图。

图32示出了该源，其为0.5mm 6H铅笔芯(pencil lead)断裂。图32中示出了源模型，其具有1N幅度和1μs上升时间的余弦钟形强制函数。

图33中示出了B1025换能器和DFC传感器的来自源1处的0.5mm 6H铅笔芯断裂源的时间波形和频率波形。

图34A中呈现了来自源1处的0.5mm 6H铅笔芯断裂源的时间-频率分布，用于DFC传感器，并且用于图34B中的B1025换能器。如在图34A和34B的比较中可以看出，从DFC传感器到B1025换能器的灵敏度有一个数量级的增加。

图35中呈现了B1025换能器和DFC传感器的来自源2的时间波形和频率波形。

图36A中呈现了DFC传感器的源2处的时间-频率分布，并且图36B中呈现了B1025换能器的时间-频率分布。如在图36A和36B的比较中可以看出，从DFC传感器到B1025换能器的灵敏度有一个数量级的增加。

图37中呈现了B1025换能器和DFC传感器的来自源3的时间波形和频率波形。

图38A中呈现了DFC传感器的源3处的时间-频率分布，并且图38B中呈现了B1025换能器的时间-频率分布。如在图38A和38B的比较中可以看出，从DFC传感器到B1025换能器的灵敏度有一个数量级的增加。

在另一个实验中，DFC传感器和B1025换能器彼此紧密接近地结合在类型3的自给式呼吸器(SCBA)气瓶上。源1是面外裂隙，源2是面内裂隙。源和传感器位置在下表中示出：

	Z(mm)	Θ(度)
			传感器	0	270
源1[面外裂隙]	0	170
			源2[面内裂隙]	125	353

图39中呈现了B1025换能器和DFC传感器的来自源1处的面外裂隙的时间波形和频率波形。

图40A中呈现了来自源1处的面外裂隙的DFC传感器的时间-频率分布，并且图40B中呈现了B1025换能器的时间-频率分布。如在图40A和40B的比较中可以看出，从DFC传感器到B1025换能器的灵敏度有一个数量级的增加。

图41示出了用于制造和使用本文所述的传感器(例如，传感器3000)的过程4300的流程图。

制造接地电极(例如，接地电极3034)(步骤4302)。接地电极可以由导电材料制成，例如铜，并且可以使用柔性基底制造，使得接地电极是柔性的，如本文所述。

制造正极(例如，正极3026)和相应的引线(例如，引线3016)(步骤4304)。正极和引线可以由导电材料如铜制成，并且可以使用柔性基底制造，使得正极和引线是柔性的，如本文所述。

制造DFC压电元件(例如，DFC压电元件2900)(步骤4306)。如这里所述，DFC压电元件可以通过在多个方向切割压电材料并用树脂填充由切割形成的沟道来制造，如图29A-29F所示。

将DFC压电元件(例如，感测元件3030)的底表面(例如，使用第二导电层3032)联接到接地电极的顶表面(步骤4308)。

将DFC压电元件的顶表面联接到正电极的底表面(例如，使用第一导电层3028)(步骤4310)。

在一些实施例中，正电极被聚酰亚胺膜层(例如，第一聚酰亚胺膜层3024)覆盖，并且接地电极也联接到聚酰亚胺膜层(例如，第二聚酰亚胺膜层3036)。在一些实施例中，传感器覆盖有铜层(例如，铜层3038)，该铜层被配置成向传感器提供EMI屏蔽。

将制造的传感器联接到复合结构(步骤4312)。如本文所述，复合结构的外表面可以被平滑以便于传感器粘附到复合结构，从而改善声联接和胶层机械可靠性。同样如本文所述，传感器可被加热至满足或超过DFC压电元件的树脂(例如，树脂2912)从固态转变为更可延展状态的转变温度(例如，玻璃化转变温度T_g)的温度。当传感器被加热至超过转变温度时，DFC压电元件变得更容易弯曲和卷曲以顺应于待监测的复合结构的表面。可以使用任何方法或技术，包括施加粘合剂，将制造的传感器自动联接到复合结构。

已经以说明性的方式公开了方法/系统的示例性实施例。因此，在全文中使用的术语应当以非限制性的方式来阅读。尽管本领域技术人员可以对这里的教导进行微小的修改，但是应当理解，旨在被包括在这里所授权的专利的范围内的是所有这样的实施例，这些实施例合理地落入由此对本领域所贡献的改进的范围内，并且除了根据所附权利要求及其等同物之外，该范围不应当被限制。这里描述的每个特征以及两个或多个这些特征的每个组合都包括在本发明的范围内，只要包括在这种组合中的特征不是相互矛盾的。

Claims (34)

1.一种监测系统，包括：

多个传感器，其连接到复合气瓶并且被配置成检测与所述复合气瓶相关联的变形数据；

控制器，其通信地联接到所述多个传感器并且被配置成：

当所述复合气瓶经受冲击损伤时基于检测到的变形数据确定损伤值，以及

当所述损伤值超过冲击损伤阈值时，传送通知；以及

填充控制器，其通信地联接到所述多个传感器并且被配置成：

控制用于用流体填充所述复合气瓶的阀，

当所述复合气瓶被填充所述流体时检测对所述复合气瓶的损伤，所述损伤是基于来自所述多个传感器的所述变形数据检测到的，以及

当检测到对所述复合气瓶的所述损伤时，自动地执行安全动作。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述复合气瓶具有层压结构，所述层压结构具有多个层，并且由所述多个传感器检测到的所述变形数据指示对所述多个层中的一个或多个层的损伤。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其中所述控制器进一步被配置成在所述复合气瓶经受所述冲击损伤时确定来自物体的直达波能量，并且其中所述控制器基于所确定的直达波能量确定所述损伤值。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器通过以下步骤确定所述直达波能量：

将来自所述多个传感器的所述变形数据数字化，

确定从冲击位置到所述多个传感器中的每个传感器的感兴趣的最低速度波分量的相应直达时间，

确定所述冲击位置在所述复合气瓶上的估计位置，以及

基于每个传感器的感兴趣的最低速度波分量的相应直达时间和每个传感器处的检测到的电压来确定直达波能量。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中所述填充控制器进一步被配置成执行模态声发射检查以在所述复合气瓶被填充所述流体时检测对所述复合气瓶的损伤。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的系统，其中所述控制器被配置成将所述通知传送到车辆的ECU或非暂时性存储器中的至少一个，传送到所述ECU以用于激活指示所述复合气瓶的检查的灯，传送到所述非暂时性存储器以用于更新所述复合气瓶的存储状态。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的系统，其中所述安全动作包括关闭所述阀以防止填充所述复合气瓶、在扬声器或显示屏上提供通知、或调节所述阀以将所述流体引导至缓冲罐中的至少一个。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中所述填充控制器被配置成当所述复合气瓶被填充所述流体时基于超过相应预定阈值的一个或多个指示符来检测对所述复合气瓶的损伤。

9.根据权利要求8所述的系统，其中所述一个或多个指示符包括以下指示符中的至少一个：对应于检测到的纤维束断裂事件被量化并与纤维束断裂阈值比较的纤维束断裂指示符、对应于局部体积的材料内的不稳定性高于不稳定性阈值的不稳定性指示符、对应于所述复合气瓶的一个或多个层的层离高于层离阈值的层离事件指示符、对应于累积在所述局部体积的材料中的损伤机制高于损伤机制阈值的损伤机制指示符、或对应于基于所述复合气瓶的层压体组成的高于微振磨损发射阈值的微振磨损发射指示符。

10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的系统，其中所述多个传感器是压电传感器，其各自具有通过在多个方向上切割压电材料而形成的沟道，所述压电传感器被配置成顺应于所述复合气瓶的形状，

其中，所述压电材料的沟道填充有树脂，所述树脂被配置为当所述树脂的温度高于阈值温度时转变到可延展状态，以及

其中所述压电材料位于正电极和接地电极之间。

11.根据权利要求10所述的系统，其中每个压电传感器进一步包括位于所述正电极之上的第一聚酰亚胺膜和位于所述接地电极之下的第二聚酰亚胺膜。

12.一种方法，包括：

通过连接到复合气瓶的多个传感器检测与所述复合气瓶相关联的变形数据；

当所述复合气瓶经受冲击损伤时由通信地联接到所述多个传感器的控制器基于检测到的变形数据确定损伤值；

当所述损伤值超过冲击损伤阈值时，由所述控制器传送通知；

通过通信地联接到所述多个传感器的填充控制器控制用于用流体填充所述复合气瓶的阀；

通过所述填充控制器当所述复合气瓶被填充所述流体时检测对所述复合气瓶的损伤，所述损伤是基于来自所述多个传感器的所述变形数据检测到的；以及

当检测到对所述复合气瓶的所述损伤时，自动地执行安全动作。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述复合气瓶具有层压结构，所述层压结构具有多个层，并且由所述多个传感器检测到的所述变形数据指示对所述多个层中的一个或多个层的损伤。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其进一步包括当所述复合气瓶经受所述冲击损伤时通过所述控制器确定来自物体的直达波能量，并且其中所述控制器基于所确定的直达波能量确定所述损伤值。

15.根据权利要求14所述的方法，其中确定所述直达波能量包括：

将来自所述多个传感器的所述变形数据数字化，

确定从冲击位置到所述多个传感器中的每个传感器的感兴趣的最低速度波分量的相应直达时间，

确定所述冲击位置在所述复合气瓶上的估计位置，以及

基于每个传感器的感兴趣的最低速度波分量的相应直达时间和每个传感器处的检测到的电压来确定直达波能量。

16.根据权利要求12-15中任一项所述的方法，其中当所述复合气瓶被填充所述流体时检测对所述复合气瓶的损伤包括由所述填充控制器使用所述多个传感器执行模态声发射检查。

17.根据权利要求12-16中任一项所述的方法，其中当所述损伤值超过所述冲击损伤阈值时由所述控制器传送所述通知包括将所述通知传送到车辆的ECU或非暂时性存储器中的至少一个，传送到所述ECU以用于激活指示所述复合气瓶的检查的灯，传送到所述非暂时性存储器以用于更新所述复合气瓶的存储状态。

18.根据权利要求12-17中任一项所述的方法，其中所述安全动作包括关闭所述阀以防止进一步填充所述复合气瓶、在扬声器或显示屏上提供通知、或调节所述阀以将所述流体引导至缓冲罐中的至少一个。

19.根据权利要求12-18中任一项所述的方法，其中当所述复合气瓶被填充所述流体时检测对所述复合气瓶的所述损伤包括确定多个指示符中的一个是否超过相应的预定阈值。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述一个或多个指示符包括以下指示符中的至少一个：对应于检测到的纤维束断裂事件被量化并与纤维束断裂阈值比较的纤维束断裂指示符、对应于局部体积的材料内的不稳定性高于不稳定性阈值的不稳定性指示符、对应于所述复合气瓶的一个或多个层的层离高于层离阈值的层离事件指示符、对应于累积在所述局部体积的材料中的损伤机制高于损伤机制阈值的损伤机制指示符、或对应于基于所述复合气瓶的层压体组成的高于微振磨损发射阈值的微振磨损发射指示符。

21.一种用于监测复合结构的传感器，所述传感器包括：

第一传感器元件，其具有第一尺寸并且被配置成检测与第一监测任务相关联的数据；以及

第二传感器元件，其具有第二尺寸并且被配置成检测与第二监测任务相关联的数据，

其中，所述第一传感器元件包括第一正电极，并且所述第二传感器元件包括第二正电极，所述第一正电极与所述第二正电极共面。

22.根据权利要求21所述的传感器，其中所述第一正电极具有所述第一尺寸且所述第二正电极具有所述第二尺寸，且所述第一正电极和所述第二正电极经由被配置成仅在垂直轴上传导电能的第一导电带层在相应底表面处联接到有源感测元件，所述有源感测元件被配置成在置于机械应力下时产生电流且具有大于所述第一尺寸与所述第二尺寸的组合的尺寸。

23.根据权利要求22所述的传感器，其中所述第一导电带层的尺寸大于所述第一尺寸和所述第二尺寸的组合。

24.根据权利要求22或23所述的传感器，其中所述有源感测元件的底表面经由第二导电带层联接到接地电极的顶表面，所述接地电极具有大于所述第一尺寸和所述第二尺寸的组合的尺寸。

25.根据权利要求24所述的传感器，其中所述第二导电带层的尺寸大于所述第一尺寸和所述第二尺寸的组合。

26.根据权利要求24或25所述的传感器，进一步包括位于所述第一正电极和所述第二正电极之上的第一聚酰亚胺膜层和位于所述接地电极之下的第二聚酰亚胺膜层。

27.根据权利要求26所述的传感器，进一步包括铜层，所述铜层位于所述第一聚酰亚胺膜层上方并且被配置成屏蔽所述传感器免受电磁干扰。

28.根据权利要求26或27所述的传感器，其中所述第一聚酰亚胺膜层、所述第一正电极、所述第二正电极、所述第一导电带层、所述有源感测元件、所述第二导电带层、所述接地电极、所述第二聚酰亚胺膜层各自为柔性的并且被配置成顺应于所述传感器所联接到的表面。

29.根据权利要求21-28中任一项所述的传感器，其中所述复合结构是被配置成存储流体的复合气瓶，

其中第一监测任务是当所述复合气瓶经受来自物体的冲击损伤时检测来自所述物体的直达波能量，以及

其中所述第二监测任务是当所述复合结构被填充所述流体时检测对所述复合气瓶的损伤。

30.根据权利要求29所述的传感器，其中所述第一传感器元件电联接到控制器，所述控制器被配置成基于检测到的直达波能量来确定损伤值，以及

其中所述第二传感器元件电联接到控制器，所述控制器被配置成执行模态声发射检查以在所述复合气瓶被填充所述流体时检测对所述复合气瓶的损伤。

31.一种用于制造传感器的方法，所述方法包括：

制造具有第一尺寸的第一正电极和具有第二尺寸的第二正电极；

制造尺寸大于所述第一尺寸和所述第二尺寸的组合的接地电极；以及

将压电材料设置在具有所述第一正电极和所述第二正电极的层与所述接地电极之间。

32.根据权利要求31所述的方法，进一步包括：

使用导电带将所述压电材料的底表面联接到所述接地电极的顶表面；以及

使用z轴各向异性带将所述压电材料的顶表面联接到所述正电极的底表面。

33.根据权利要求31或32所述的方法，进一步包括：

将第一聚酰亚胺膜层联接在所述第一正电极和所述第二正电极上方；以及

将第二聚酰亚胺膜层联接在所述接地电极下方。

34.根据权利要求31-33中任一项所述的方法，其中所述制造所述第一正电极包含使用柔性基底材料，使得所述第一正电极是柔性的且被配置成顺应于所述传感器所联接到的表面，

其中所述制造所述第二正电极包含使用柔性基底材料，使得所述第二正电极是柔性的且被配置成顺应于所述传感器所联接到的表面，以及

其中所述制造所述接地电极包含使用柔性基底材料，使得所述接地电极是柔性的且被配置成顺应于所述传感器所联接到的表面。