CN117501116A - 使用嵌入的超声波感测元件监测物理介质随时间推移的变化的系统和方法 - Google Patents

使用嵌入的超声波感测元件监测物理介质随时间推移的变化的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本文提供了一种监测物理介质随着时间的推移的物理性质的系统和方法。该方法可以包括以下步骤：在物理介质固化之前将多个声学传感器嵌入到物理介质中；由耦合到所述物理介质或嵌入到所述物理介质内的至少一个发射器发射声波；在不同的时间点上重复计算所述声波在至少一个发射器和多个声学传感器之间的传播时间；以及分析所述传播时间，以检测与所述传播时间相关联的所述物理介质的物理性质随着时间的推移的变化。

Description

使用嵌入的超声波感测元件监测物理介质随时间推移的变化 的系统和方法
发明领域
本发明总体上涉及使用传感器感测材料内的物理性质随着时间的推移的变化的领域。
发明背景
许多建筑和其他材料(下文称为“物理介质”)往往会随着时间的推移经历影响其物理性质的变化。这些变化中的一些变化对于确定材料的质量及其耐久性是至关重要的。
这些材料中的一些材料由一种或更多种液体或其他物质制备，并经历凝固或固化过程，在此过程期间，在过渡期之后，材料达到它们的最终强度。确保正确执行固化过程非常重要，因为这也影响被固化材料的强度。
传统的调查方法包括对这些材料进行人工定期检查。一种已知的方法涉及将声波从材料外部发送到材料中，并分析从材料到达的反射。
所有当前的监测方法都需要技术人员的访问，其中测试设备并不总是校准的，并且每次访问的测试设备都会有所不同。此外，当前的监测方法不能同时在多个地点测试材料的质量。
也很难评估固化过程对材料老化过程的影响，因为与材料凝固的过渡期相关的数据是未知的。
因此，提供一种用于现场监测这些材料的老化过程的方法和系统将是有利的，该方法和系统有可能考虑到与材料的固化过程相关的数据。
以上论述是作为本领域中相关技术的一般概述而呈现的，并且不应被解释为承认其包含的信息中的任何信息构成针对下文所论述的本专利申请的实施例的现有技术。
发明的简要概述
本发明的一些实施例提供了本文提供的一种随着时间的推移监测介质的物理性质的系统和方法。该方法可以包括以下步骤：在物理介质固化之前将多个声学传感器嵌入到物理介质中；由耦合到所述物理介质或嵌入到所述物理介质中的至少一个发射器发射声波；在不同的时间点上重复计算所述声波在至少一个发射器和多个声学传感器之间的传播时间；以及分析所述传播时间，以检测与所述传播时间相关联的所述物理介质的物理性质随着时间的推移的变化。
一些实施例可以包括多个传感器，这些传感器在制品内被连接在一起，具有主传感器，电源插座将从主传感器向外引出，用于连接到电源以对所有传感器充电。
一些实施例还可以包括将多个传感器中的主传感器连接到结构电源的电源转换线。
一些实施例还可以包括传感器，该传感器被定位成足够靠近无线再充电设备以使得能够通过射频电磁波进行能量传输。
一些实施例还可以包括配电单元，该配电单元包括能够使用射频电磁波进行充电的电池。
根据本发明的一些实施例，该装置可以包括主传感器模块，该主传感器模块可以包括中央处理单元和数据传输模块；另外的感测模块可以包括温度计和简单电路，并且此外，数据可以通过有线连接传输到主传感器模块，或者经由无线通信协议传输到主集线器。
一些实施例还可以包括一个或更多个辅助集线器，该辅助集线器从传感器接收数据并向主集线器传输数据，其中主集线器向互联网传输数据，其中数据传输经由以下项中的至少一项来实现：3G/4G/5G通信、自主交通工具连接设备(linkage)和卫星通信。
一些其他实施例提供了一种用于检测制品的使用状况的系统。该系统可以包括：铁弹性物质，该铁弹性物质物理地耦合到所述制品，并被配置成响应于所述制品的制造过程和使用状况中的至少一个的变化而经历其至少一种物理性质的变化，其中，至少一种物理性质的所述变化是不可逆的，并且其中，使用状况的所述变化包括所述制品在其制造后的至少第一次使用；以及至少一个检测器，该检测器被配置为感测所述物质的至少一种物理性质的所述变化。
根据本发明的一些实施例，物理介质可以由胶水或混凝土组成，并且还可以包括铁弹性部分。在过渡期的持续时间内，由于外部环境状况的变化，化合物可能会受到许多应力和应变。
化合物的铁弹性部分可以承受这些力，并且还可以保留其在过渡期内所经受的所述力的历史。在检查铁弹性部分所经受的力时，可以确定化合物所经历的变化的更一般的图片和认识。
也就是说，在分析铁弹性材料的极化变化时，可以确定这样一种性质，该性质的变化指示对化合物的总体影响。可以经由传感器检测极化变化，并且可以查阅查找表来确定检测到的变化的确切本质，以及因此确定对于铁弹性材料在过渡期期间所驻留在其中的化合物的更大影响(implications)。
根据本发明的一些实施例，该系统还可以包括用于检测在检测器附近存在行人或交通工具的原位存在指示器，该原位存在指示器被配置为考虑过度应变。
本发明的一些其他实施例可以提供一种系统，该系统包括位于检测器附近的预定义位置的门交通计数器(door traffic counter)，该门交通计数器被配置为考虑过度应变。
一些其他实施例提供了一种用于检测制品的使用状况和制造过程中的至少一个的方法，该方法可以包括：将物质物理地耦合到所述制品，并配置成响应于所述制品的制造过程和使用状况中的所述至少一个的变化而经历其至少一种物理性质的变化；以及感测所述物质的至少一种物理性质的所述变化，其中，至少一种物理性质的所述变化是不可逆的，并且其中，使用状况的所述变化包括所述制品在其制造后的至少第一次使用。
根据本发明的一些实施例，传感器阵列可以分布在预定义的位置以提供关于结构的相关信息，称为结构健康监测(SHM)。传感器可以被校准以提供铁弹性表现的更准确的读数；如果发生偏移，则这可以通过软件操作来抵消。
根据本发明的一些实施例，物理耦合的步骤基于以下项中的至少一项的物理性质在特定时间点执行：制品的使用状况和制造过程。
本发明的这些附加的和/或其它方面和/或优点在下面的详细描述中进行了阐述。
附图简述
为了本发明的更好理解并且为了显示它可以如何被实现，仅仅通过示例的方式参考附图，附图中相似的数字表示相应的物质或部分。在附图中：
图1A和图1B是示出根据本发明的一些实施例的用于经由嵌入到物理介质中的声学传感器来监测该物理介质的系统的框图；
图2示出了根据本发明的一些实施例的使用嵌入到物理介质中的声学传感器来监测物理介质随着时间的推移的物理状况的方法的流程图；
图3是示出了根据本发明的一些实施例的使用嵌入到物理介质中的声学传感器和铁弹性传感器的组合来监测物理介质的系统的框图；
图4示出了根据本发明的一些实施例的使用嵌入到物理介质中的声学传感器和铁弹性传感器的组合来监测物理介质随着时间的推移的物理状况的方法的流程图；
图5示出了根据本发明的一些实施例的曲线图，该曲线图示出了物理介质的性质随着时间的推移的变化，展示了与固化物理介质相关联的过渡期；
图6A、图6B和图6C示出了根据本发明的一些实施例的图，该图示出了耦合到在不同时间被监测的物理介质的声学脉冲发生器和传感器设备；
图7A示出了根据本发明的一些实施例的表格图，该表格图示出了所监测的介质性质的非限制性示例；
图7B示出了根据本发明的一些实施例的曲线图，该曲线图示出了所监测的介质性质的非限制性示例；
图8示出了根据本发明的一些实施例的利用由压电传感器校准的嵌入式声学传感器来监测物理介质的物理状况的方法的流程图；
图9是示出根据本发明的一些实施例的实验结果的曲线图，该实验结果示出了使用嵌入到物理介质中的声学传感器来监测物理介质的物理性质的非限制性示例；
图10是示出根据本发明的一些实施例的实验结果的曲线图，该实验结果示出了在物理介质中观察到的一些物理性质的变化的非限制性示例；
图11是示出根据本发明的一些实施例的传感器在物理介质内的可能的布置的框图；
图12是示出根据本发明的一些实施例的传感器在物理介质内的另一种可能的布置的框图；
图13是示出根据本发明的一些实施例的传感器在物理介质内的又一种可能的布置的框图；
图14是示出根据本发明的一些实施例的传感器在物理介质内的又一种可能的布置的框图；
图15是示出根据本发明的一些实施例的传感器在物理介质内的另一种可能的结构布置的框图；以及
图16是示出根据本发明的一些实施例的传感器在物理介质内的另一种可能的逻辑/电气布置的框图。
要理解的是，为了简单和清楚地说明，在附图中示出的元素不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元素的尺寸可能相对于其它元素被夸大。此外，在认为适当的情况下，可以在附图之间重复附图标记以指示相应或相似的元素。
发明的详细描述
在阐述本发明的描述之前，提供将在下文中使用的某些术语的定义可能是有帮助的。
如本文中使用的术语“超声脉冲速度”(UPV)被定义为用于检查诸如混凝土和天然岩石之类的材料的质量的原位无损测试。在该测试中，通过测量超声脉冲穿过混凝土结构或天然岩层的速度来评估混凝土或岩石的强度和质量。
该测试是通过使超声波脉冲穿过被测试的混凝土、并测量脉冲穿过结构所花费的时间来进行的。较高的速度指示材料的质量和连续性良好，而较慢的速度可能指示混凝土有许多裂缝或空隙。
超声测试设备包括脉冲生成电路和接收信号的脉冲接收电路(例如接收器)，脉冲生成电路由用于生成脉冲的电子电路和用于将电子脉冲变换成具有在几十kHz范围内的振荡频率的机械脉冲(例如声波)的换能器(例如发射器)组成。
如本文中使用的术语“感测元件”被定义为用于将电子脉冲变换成机械脉冲的前述换能器和接收在它们之间的预定义距离内配对的信号的脉冲接收电路。感测元件适于在材料(例如混凝土)固化期间或固化之前嵌入到或耦合到该材料中。
如本文中使用的术语“信号发生器”被定义为被配置成将40kHz至50kHz的范围内的振荡频率施加到用于将电子脉冲变换为机械脉冲的换能器的振荡器。
如本文中使用的术语“中央处理单元”或“处理器”是用于处理从感测元件检索到的数据的基于硬件和软件的设备。
如本文中使用的术语“物理介质(physical medium)”、“物理介质(physicalmedia)”、“物质”或“材料”被定义为在其固化之前或其固化期间至少一个感测元件被嵌入到或耦合到其的任何材料。
如本文中使用的术语“铁弹性”被定义为能够表现出自发应变的材料。当将应力施加到铁弹性材料上时，在材料中将发生从一个相到同样稳定的相的相变，该同样稳定的相或者具有不同的晶体结构(例如立方结构到四方结构)，或者具有不同的取向(“孪晶(paired)”相)。这种应力引起的相变导致材料中的应变梯度。施加到铁弹性材料上的压力可以产生压力引起的极化或部分极化，只要保持应变梯度，就会存在这种极化或部分极化。根据可替代的定义，作为“铁弹性”材料的性质的“挠曲电效应(flexoelectricity)”是介电极化对宏观应变梯度的响应。
现在详细地具体参考附图，要强调的是，所示的细节是为了示例的目的且仅仅用于讨论本发明的优选实施例，并且它被呈现是为了提供被认为是本发明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的描述的内容。在这点上，没有试图比本发明的基本理解所必需的更详细地示出本发明的结构细节。结合附图进行的描述使可以如何在实践中体现本发明的几种形式对于本领域中的技术人员来说变得明显。
在详细解释本发明的实施例之前，应理解，本发明在它的应用中不限于在下面的描述中阐述或在附图中示出的部件的构造和布置的细节。本发明适用于其他实施例并且可以以各种方式来实践或执行。此外，应理解，本文采用的措辞和术语是为了描述的目的且不应被看作是限制性的。
图1A和图1B是示出根据本发明的一些实施例的用于经由嵌入到物理介质10中的声学传感器16A-16N来监测物理介质10的系统的框图。一种监测介质的物理性质随着时间的推移的变化的系统100A，该系统包括：多个声学传感器16A-16N，该多个声学传感器16A-16N在物理介质固化之前被嵌入到物理介质内；发射器12A-12N，该发射器12A-12N耦合到所述物理介质或被嵌入到所述物理介质内，该发射器12A-12N发射一个或更多个声波14A-14N；以及在控制单元110上的至少一个计算机处理器，其在不同的时间点上重复计算所述声波在至少一个发射器和多个声学传感器之间的传播时间，其中，所述计算机处理器分析所述传播时间，以检测与所述传播时间相关联的所述物理介质的物理性质随着时间的推移的变化。
图2示出了根据本发明的一些实施例的使用嵌入在物理介质中的声学传感器来监测物理介质随着时间的推移的物理状况的方法的流程图。一种监测介质的物理性质随着时间的推移的变化的方法200包括：在物理介质固化之前将多个声学传感器嵌入到物理介质中210；由耦合到所述物理介质或嵌入到所述物理介质内的至少一个发射器发射声波220；在不同的时间点上重复计算所述声波在至少一个发射器和多个声学传感器之间的传播时间230；以及分析所述传播时间，以检测与所述传播时间相关联的所述物理介质的物理性质随着时间的推移的变化240。
图3是示出根据本发明的一些实施例的使用嵌入到物理介质中的声学传感器和铁弹性传感器的组合来监测物理介质的系统的框图；一种监测介质的物理性质随着时间的推移的变化的系统，包括：多个声学传感器，该多个声学传感器在物理介质固化之前被嵌入到物理介质内；发射器，该发射器耦合到所述物理介质或被嵌入到所述物理介质内，该发射器发射一个或更多个声波；以及至少一个计算机处理器，其在不同的时间点上重复计算所述声波在至少一个发射器和多个声学传感器之间的传播时间，其中，所述计算机处理器分析所述传播时间，以检测与所述传播时间相关联的所述物理介质的物理性质随着时间的推移的变化。
图4示出了根据本发明的一些实施例的使用嵌入到物理介质中的声学传感器和铁弹性传感器的组合来监测物理介质随着时间的推移的物理状况的方法的流程图。一种监测介质的物理性质随着时间的推移的变化的方法，方法400包括：在物理介质固化之前将多个声学传感器嵌入到物理介质中410；由耦合到所述物理介质或嵌入到所述物理介质内的至少一个发射器发射声波420；在不同的时间点上重复计算所述声波在至少一个发射器和多个声学传感器之间的传播时间430；使用声学传感器来监测表征物理介质的过渡期的固化参数440；以及还基于所述固化参数来分析所述传播时间，以检测所述物理介质的物理性质随着时间的推移的变化。
图5示出了根据本发明的一些实施例的曲线图，该曲线图示出了物理介质的性质随着时间的推移的变化，展示了与物理介质固化相关联的过渡期。监测物质(例如铁弹性或压电材料)的件(pieces)被嵌入到物理介质中，该物理介质经历固化或凝固过程，该过程可能产生压力引起的极化或物理性质的其他变化。物理介质可以包括但不限于：胶水、环氧树脂、混凝土、密封剂、土壤、沥青、墨水、凝胶或在其制造、运输或储存期间发生变化的任何其他人造和/或生物物质或化合物。曲线图500示出了在固化过程(固化过程例如是胶水或混凝土从液体凝固成固体时的过程)期间作为时间函数的监测物质的电容(通过示例的方式)。在固化过程期间，物理介质向监测物质引入压力变化(通常是压力增加)，直到达到稳定状态。当在制品的固化过程期间添加诸如铁弹性监测元件之类的监测物质时，压力可能对铁弹性监测物质产生压力引起的极化，并且可能发生部分极化或全极化，这可以随时间的推移作为电容(可以监测监测元件上的极化效应的不同特性，而不仅仅是电容)被监测到。监测监测物质上的压力引起的极化可以指示制造过程参数，例如：认证、强度、质量、物质混合比率等。因此，与预定义的制造过程的任何偏差都可以被记录和检测为嵌入到物理介质内的物质的一个或更多个物理性质的变化。鉴于指定的质量保证要求，所监测到的变化可以明显表明非真实的制造过程或不合规的产品，并且可以进一步用于校准声学传感器的读数。
例如，与指定的制造过程的这样的偏差可以在曲线图500中看到。在绘图线(plotline)501中随着时间的推移示出了示例性非限制性制造参数(例如，电容)，绘图线501表示具有100:38的混合比率的物质，而在绘图线502中可以看到与绘图线501的预定义阈值的偏差，绘图线502表示具有100-60的不同混合比率的物质。
当引入监测物质(例如压力引起的铁弹性监测元件)时，不同类型的曲线图表现可以指示不同类型的物理介质或不同类型的制造过程，其中曲线图指示不同的点，例如展示放热最大值的点502、可以指示物质凝胶化开始的点501和可以反映凝胶化终点的点503。测量指示制品的物理变化的监测物质的物理性质的能力可以用于确定制品的真实性、质量、混合比率强度和其他参数，这些参数源于制造过程或源于不同的固化过程(例如在建筑物中施用混凝土)。这可以通过以下方式来实现：了解被监测的制品、它在制造期间经历了什么样的过程，并将其与存储的且适用于已知过程的数据及该已知过程对相同制品的影响进行比较。该比较可以指示该过程是否符合预定义的过程和制品定义。在环氧树脂固化或混凝土凝固时间的情况下，可以基于在点503其开始处及在之后的点处指示的最终稳定状态来评估制品最终阶段的所需的质量。在不同类型的制品中，混合比率点501、502、503和总体曲线图表现可以改变，以指示非认证过程或与良好质量制品曲线图相比所使用的低质量的制品。可以使用阈值以便指示与良好质量参考的允许偏差。在分析混合比率为100-38(实线)的制品、混合比率为100-60的制品、混合比率为100-24的制品时并且通过了解每个混合比率的表现和特性来检测和监测制品中的不同混合比率的情况下，监测制品可以通过监测监测物质曲线图的电容来实现，并且如果混合比率不符合所需的制造过程则进行报告。在另一种情况下，当测量环氧树脂或混凝土(或其它物质)的沉降时间时，曲线图表现和点501、502、503可以指示制品的强度及其总体质量。可以控制和预先定义诸如混合比率、混合量、凝胶化时间等参数，以便创建过程的独特ID，该ID可以指示制品的真实性以及它是否经历了适当的制造过程。使用嵌入在制品中的监测铁弹性物质(例如建筑物中的混凝土或芯片中的环氧树脂)可以指示在制品的寿命周期期间是否已经发生了监测物质上的压力引起的极化的任何变化，并且这些变化可以指示制品可能在强度、湿度、稳定性、振动和制品的其他特性方面经历不同的变化。这些变化可以被传输到远程监测站，该远程监测站可以收集数据并向终端用户报告警报。例如，如果监测铁弹性物质被嵌入到不同的建筑物中，则地震可能改变监测元件的压力引起的极化的稳定状态，并且因此可以根据来自不同位置的读数指示已经发生了地震事件。
根据本发明的一些实施例，铁弹性物质可以经历结构相变。结构相变可以包括铁弹性物质的压力引起的极化。
根据本发明的一些实施例，压力引起的极化后的铁弹性物质具有独特的性质，这些性质可以用于以下项中的至少一项：所述制品的认证、制造过程监测和使用监测。
根据本发明的一些实施例，压电物质包括陶瓷物质。
根据本发明的一些实施例，至少一种物理性质包括压电物质的极性状态。
根据本发明的一些实施例，所述压电物质的极性状态可以在第一相中被极化(poled)而在第二相中未被极化(un-poled)。
图6A、图6B和图6C示出了使用嵌入到介质601A-601C内的监测物质602来监测介质(例如过滤器)的物理状况的过程，该监测物质602可以结合声学感测来指示介质的状况。介质的状况可以从起始状况(新制备的介质)601A变化到中间寿命(midlife)状况601B和最终状况601C，最终状况601C指示介质不再安全。介质可以是过滤器，该过滤器可以是适于吸收某些颗粒并且另一方面允许其它颗粒通过的任何部件(例如油过滤器、气体过滤器、烟雾过滤器等等)。监测物质602可以是压电监测元件，并且被放置或嵌入到物理介质602内，并且发射器607被放置在介质602内，或者在监测物质的同一侧，或者在介质的另一侧。发射器607可以生成声波611，声波611根据其速度可以在压电监测物质602上生成电压波动，压电监测物质602在这里用作声波传感器。
下面的公式(1)示出了与这些传感器的操作相对应的声波速度关系：
其中：
其中，在下面的等式(2)中，d＝过滤器壁之间的距离、声波需要传播的距离，以及t＝使用标准计时设备、声波到达感测元件(压电)所花费的时间：
在封闭环境中，声波的速度将根据前述等式(2)保持恒定，距离d保持恒定，并且声波参数可以被控制，并且因此传播相同距离的时间保持相同，并且声波速度也保持相同。在过滤器充当将声波传送恒定距离d的介质的情况下，过滤器可以改变其密度，并且因此导致声波以不同的速度传播，如上述等式(1)所示。介质的杨氏模量E不会改变，但随着介质在其工作寿命周期期间保持吸收颗粒，介质的密度可能增加。测量在压电602监测物质中接收到的电压表明声波在介质的两个侧壁之间传播的速度之间的联系，使用等式1，其中杨氏模量E是已知的并且取决于材料，声波的速度将根据过滤器内部的材料的密度而改变。过滤器内部的材料的密度在过滤器的寿命周期期间是改变的，因为在过滤器的使用期间，一些颗粒(例如油)被吸收到过滤器中，并且可能改变过滤器密度。密度的改变将转化为放置在过滤器壁上的压电传感器的读数。
初始过程可以从校准步骤开始，该校准步骤可以取已知物理介质在不同状况下的不同读数，例如在过滤器的情况下：处于新状况(未使用)的第一过滤器，处于中间寿命状况的第二过滤器，以及处于其最终状况(失效(dead)过滤器)的第三过滤器。发射具有已知参数的声波611并测量随着时间的推移的电压波动可以指示过滤器在其寿命周期内的阶段(例如，“新的”、“使用过的”和“失效的”)，并且可以在如下所述的查找表(LUT)中表示。
图6A示出了位于或耦合到外壳600的处于第一状况的过滤器601A(新过滤器)，外壳600可以允许流体、气体或其他工作物质流过它。在图6A中，工作物质的流动方向通过作为进口的606指示以及通过作为出口的605A指示，并且605A处的箭头数量(606处的三个箭头，以及606A处的一个箭头)指示过滤器工作正常并且正在吸收大量需要过滤的颗粒。发射器607生成具有已知性质的声波，该声波以特定速度在过滤器601A内部传播，该特定速度对于处于第一状况的特定滤波器(新滤波器)来说是典型的。压电监测物质生成可以对应于过滤器状况的电压读数。使用耦合到监测物质的无线发射器(未示出)可以允许将压电读数和相应的过滤器状况传输到远程监测站或用户。
图6B和图6C是相同的配置，其示出了处于不同寿命状况的过滤器，因为图6B指示了中间寿命过滤器状况，而图6C示出了处于最终寿命的过滤器，其中出口605C示出了过滤器中几乎没有进行吸收。在这种情况下，压电监测元件将达到诸如图3中的点编号4所示的稳定状态读数。通过将过滤器状态传输到远程位置/用户，新的过滤器可以替换年老的过滤器。
图7A示出了根据本发明的一些实施例的表格图，该表格图示出了所监测的介质性质的非限制性示例。数据以在校准阶段准备的查找表(LUT)的形式给出，其中校准或学习阶段是先验地完成的，以学习过滤器(或制品)在不同使用状况和寿命周期下的表现。
图7B示出了根据本发明的一些实施例的曲线图，该曲线图示出了所监测的介质性质的非限制性示例。这些是经验数据，根据这些数据可以创建如上所述的LUT。
图8示出了根据本发明的一些实施例的使用由压电传感器校准的嵌入式声学传感器来监测物理介质的物理状况的方法的流程图。方法800可以包括以下步骤：将包含铁弹性材料的至少一个物质部分耦合到化合物，所述物质部分被配置为响应于在所述过渡期内施加到其上的应变梯度而连续改变其极化水平，这导致所述改性(modification)810；感测由于所述改性而受所述物质部分的极化水平影响的所述物质部分的物理性质820；以及使用计算机处理器基于感测到的所述物质部分的物理性质来确定所述改性830。
根据本发明的一些实施例，过渡期可以是所述化合物从一种状态改变到另一种状态的时间，或者可以是所述化合物经历凝固的时间。过渡期仅仅是化合物中存在明显且可检测的改变的时间。
根据一些实施例，每个被测试的化合物的改性可以是不同的度量。在化合物是混凝土的情况下，改性度量可以是压缩强度(例如，标准ASTM C39)。对于胶水，相应的改性度量将是玻璃化转变温度。
前述流程图和框图示出了根据本发明的各种实施例的系统和方法的可能实施方式的架构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个块可以表示模块、段或代码部分，该模块、段或代码部分包括用于实现指定逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应当注意的是，在一些可替代的实施方式中，在块中提到的功能可以不以附图中提到的顺序发生。例如，连续地示出的两个块事实上可以基本上同时执行，或者块有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意，框图和/或流程图图示的每个块、以及框图和/或流程图图示中的块的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统、或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
图9示出了根据本发明的一些实施例的监测物质性质的非限制性示例。图片910描绘了包括发射器和接收器的处于第一状况(新)的过滤器。图片920处于相同的配置，描绘了再次包括发射器和接收器的处于不同状况、即在其寿命后期(使用过)的过滤器。曲线图900描绘了两个发射器(新的和使用过的)之间的信号变化，其中，新的发射器处于干燥状况，而使用过的发射器处于潮湿状况。
图10示出了曲线图，在该曲线图中可以观察到具有不同标称混合比率的物质的变化表现。清晰地标记了凝胶化时期的开始和结束、以及异常表现的时期和物质可能被硬化的区域。
在说明书的提示中，术语“检测器(detector)”或“检测器(detectors)”可以涉及前述铁弹性物质部分，该铁弹性物质部分被配置为经历压力引起的极化，该压力引起的极化可以在以后被感测并用于监测铁弹性物质部分所耦合到的化合物的改性。
图11是示出根据本发明的一些实施例的可能的布置的图。在该布置中，由铁弹性物质部分制成的检测器1100A-1100D的阵列被耦合或嵌入到化合物1101内，并且每个铁弹性物质部分都可以如上所述地被感测，以确定在过渡期中以及还有在过渡期结束后的稳定状态期中化合物1101内的改性和应变。因此，在过渡期或稳定状态期间出现的裂纹(诸如1102)可以影响压力或应变，并且基于由检测器测量的应变水平的差异，并且可以被检测到。类似地，使用基于围绕检测器(例如1103B或1103A)的相应半径的三角测量，可以检测和定位影响应变梯度的事件1105。事件可能在过渡期期间或在稳定状态下发生。
图12是示出根据本发明的一些实施例的可能的布置的图。在该布置中，几个检测器1200A-1200D通过电缆串联连接，该电缆具有可以连接到网络的两个节点1201和1202。串联连接在使用最少的布线和易于部署方面是有利的。它还是有利的，因为所有检测器共享相同的通信和电源布线。点1802可以位于不受混凝土影响的安全位置，因此可以容易地连接到其他网络而不会受到干扰。此外，它可以用于获得被测试的化合物内应变梯度的良好平均。
图13是示出根据本发明的一些实施例的可能的布置的图。在该布置中，嵌入在被测试的化合物1301(例如，混凝土)内的可能已经存在的金属网格1303(出于结构原因而使用)用作铁弹性物质1300A-1300D的检测器的阵列的布线网络。这种并联布线的布置在允许更好地定位在稳定状态相期间发生的应变相关事件方面是有利的，这是因为每个检测器都可以被单独地监测。此外，金属网格可以用作为检测器阵列递送电力和通信的基础设施。
图14是示出根据本发明的一些实施例的可能的布置的图。在该布置中，智能手机1402或具有无线连接性的任何设备(例如，可能安装在无人机上的专用感测设备)可以用于感测化合物1400内施加到铁弹性检测器1401的应变梯度的水平，该铁弹性检测器1401提供有无线连接性。可替代地，经由引脚1403执行监测。可替代地，与检测器1401的通信可以经由近场通信(NFC)来执行。
图15是示出根据本发明的一些实施例的可能的布置的图。在该布置中，示出了嵌入到环(例如橡胶环1503)内的检测器如何可以容易地附接到混凝土块1601中出于结构原因而使用的结构金属棒1502。该实施例是使用现有基础设施(金属网格)来稳定检测器并可能将检测器布线到网络的改型布置。
图16是示出根据本发明的一些实施例的可能的布置的图。该布置示出了几个检测器1600A-1600D如何可以部署在自组织(ad hoc)网络中，其中超级节点1600D可以从普通节点1600A、1600B和1600C收集读数，并将其传送到另一个网络1605和可能的超级节点1606，并从那里经由另外的超级节点将其传送到另外的网络。有利地，该布置有助于本发明的可扩展性。
在上面的描述中，实施例是本发明的示例或实施方式。“一个实施例”、“实施例”或“一些实施例”的各种出现并不一定都指相同的实施例。
尽管可以在单个实施例的上下文中描述本发明的各种特征，但是也可以单独地或以任何合适的组合来提供特征。相反，尽管为了清楚起见，本文可以在单独的实施例的上下文中描述本发明，但是也可以在单个实施例中实现本发明。
在说明书中对“一些实施例”、“实施例”、“一个实施例”或“其他实施例”的提及意指结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在发明的至少一些实施例中，但不一定被包括在发明的所有实施例中。还将认识到，在上文中描述的本发明的方面可以在本发明的实施例中被组合或以其他方式共存。
应当理解，本文采用的措辞和术语不应被解释为限制性的，并且仅用于描述性目的。参考所附说明书、附图和示例可以更好地理解本发明的教导的原理和用途。应当理解，本文中阐述的细节并不解释为对本发明的应用的限制。
此外，应当理解，本发明可以以各种方式执行或实践，并且本发明可以在不同于上面的描述中概括的实施例的实施例中实现。应当理解，术语“包括(including)”、“包括(comprising)”、“由...组成”及其语法变体并不排除一个或更多个部件、特征、步骤或完整事物(integers)或其组的添加，并且术语应被解释为指定部件、特征、步骤或完整事物。
虽然已经相对于有限数量的实施例描述了本发明，但是这些不应被解释为对本发明的范围的限制，而是作为一些优选实施例的例证。其他可能的变化、修改和应用也在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种监测介质的物理性质随着时间的推移的变化的方法，所述方法包括：
在物理介质固化之前将多个声学传感器嵌入到所述物理介质中；
由耦合到所述物理介质或嵌入到所述物理介质内的至少一个发射器发射声波；
在不同的时间点上重复计算所述声波在所述至少一个发射器和所述多个声学传感器之间的传播时间；以及
分析所述传播时间，以检测与所述传播时间相关联的所述物理介质的物理性质随着时间的推移的变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述物理介质表现出在整个所述物理介质中均匀的声学系数。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过分配与所述声波中的每一个的方向相关联的独特信号编码来对所述声波进行编码，使得所计算出的传播时间中的每一个与所述传感器的不同位置相关联。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述声学传感器来监测表征所述物理介质的过渡期的固化参数，其中，还基于所述固化参数来分析所述传播时间，以检测所述物理介质的物理性质随着时间的推移的变化。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述声学传感器包括压电传感器，所述压电传感器对所述声波敏感并且还对所述过渡期期间所述物理介质中的应变梯度敏感。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括：
在所述固化过程之前或在所述固化过程期间将铁弹性传感器嵌入到所述物理介质中；以及
使用来自所述铁弹性传感器的读数来获得所述物理介质的固化参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，使用所述铁弹性传感器来获得所述物理介质的固化参数是在所述过渡期的早期阶段执行的，并且其中，使用所述声学传感器来获得所述物理介质的固化参数是在所述过渡期的后期阶段执行的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，还通过以下方式来执行所述分析：将所述传播时间的值与关联于所述介质的所述物理性质随着时间的推移的变化的历史数据库进行比较。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述声波是具有20kHz至100kHz的频率范围的超声波。
10.一种监测介质的物理性质随着时间的推移的变化的系统，所述系统包括：
多个声学传感器，所述多个声学传感器在物理介质固化之前被嵌入到所述物理介质内；
发射器，所述发射器耦合到所述物理介质或嵌入到所述物理介质内，所述发射器发射一个或更多个声波；以及
至少一个计算机处理器，所述至少一个计算机处理器在不同的时间点上重复计算所述声波在所述至少一个发射器和所述多个声学传感器之间的传播时间，
其中，所述计算机处理器分析所述传播时间，以检测与所述传播时间相关联的所述物理介质的物理性质随着时间的推移的变化。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述物理介质表现出在整个所述物理介质中均匀的声学系数。
12.根据权利要求10所述的系统，其中，通过分配与所述声波中的每一个的方向相关联的独特信号编码来对所述声波进行编码，使得所计算出的传播时间中的每一个与所述传感器的不同位置相关联。
13.根据权利要求10所述的系统，其中，所述计算机处理器使用所述声学传感器来监测表征所述物理介质的过渡期的固化参数，其中，还基于所述固化参数来分析所述传播时间，以检测所述物理介质的物理性质随着时间的推移的变化。
14.根据权利要求13所述的系统，其中，所述声学传感器包括压电传感器，所述压电传感器对所述声波敏感并且还对所述过渡期期间所述物理介质中的应变梯度敏感。
15.根据权利要求13所述的系统，还包括：在所述固化过程之前被嵌入到所述物理介质中的铁弹性传感器，其中，所述计算机处理器使用来自所述铁弹性传感器的读数来获得所述物理介质的固化参数。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，使用所述铁弹性传感器来获得所述物理介质的固化参数是在所述过渡期的早期阶段执行的，并且其中，使用所述声学传感器来获得所述物理介质的固化参数是在所述过渡期的后期阶段执行的。
17.根据权利要求10所述的系统，其中，还通过以下方式来执行所述分析：将所述传播时间的值与关联于所述介质的所述物理性质随着时间的推移的变化的历史数据库进行比较。
18.根据权利要求10所述的系统，其中，所述声学传感器被改型并且被布线到所述物理介质内的金属网格中。
19.根据权利要求15所述的系统，其中，所述铁弹性传感器被改型并且被布线到所述物理介质内的金属网格中。
20.根据权利要求10所述的系统，其中，所述发射器连接到智能手机，并且其中，所述至少计算机处理器位于服务器和所述智能手机上。
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