DE112021003224T5

DE112021003224T5 - Selbstkalibrierendes Polymer-Nanokomposit(PNC)-Erfassungselement

Info

Publication number: DE112021003224T5
Application number: DE112021003224.0T
Authority: DE
Inventors: Yosef Stein; Seth S. Kessler; Haim Primo
Original assignee: Analog Devices International ULC
Current assignee: Analog Devices International ULC
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2021-06-11
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2021262457A3; WO2021262457A2; US20210389265A1; US11656193B2; CN115812142A

Abstract

Aspekte der vorliegenden Anmeldung gestatten eine Messung eines kalibrierten Widerstands für einen resistiven Film in einem Erfassungselement, so dass Effekte von Verschiebungen beim Kontaktwiderstand und Hintergrundwiderstand aufgrund von Faktoren wie etwa Temperatur, Beanspruchung oder Alterung reduziert oder eliminiert werden können. In einigen Ausführungsformen kann, indem mehrere Zweipolwiderstandsmessungen zwischen verschiedenen Paaren von Elektroden auf einem resistiven Film genommen werden, ein vom Kontaktwiderstand unabhängiger Widerstand eines Referenzabschnitts des resistiven Films bestimmt werden. Weiter kann ein vom Kontaktwiderstand unabhängiger Widerstand eines Erfassungsabschnitts des resistiven Films auf Basis von mehreren Zweipolwiderstandsmessungen zwischen Paaren von Elektroden bestimmt werden. Der Widerstand des Referenzabschnitts kann von dem gemessenen Widerstand des Erfassungsabschnitts abgezogen werden, so dass Variationen beim Referenzabschnittswiderstand, die nicht durch eine erfasste Umgebungsbedingung verursacht werden, kompensiert werden können.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil der am 12. Juni 2020 unter dem Anwaltsaktenzeichen Nummer G0766.70312US00 und dem Titel „SELF-CALIBRATING POLYMER NANO COMPOSITE (PNC) SENSING ELEMENT“ eingereichten vorläufigen US-Anmeldung mit der laufenden Nummer 63/038,551, die in ihrer Gänze hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
MIT BUNDESMITTELN UNTERSTÜTZTE FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Die vorliegende Erfindung erfolgte mit Regierungsunterstützung unter Vertragsnummer FA8649-20-9-9068, erteilt von der US Air Force. Die Regierung hat an der Erfindung gewisse Rechte.
ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Sensoren und betrifft insbesondere eine Messung eines resistiven Sensors.
HINTERGRUND
Sensoren sind Bauelemente, die manchmal zum Erfassen verschiedener Umgebungsbedingungen oder struktureller Gesundheitsbedingungen verwendet werden. Umgebungs- oder Struktursensoren erfassen eine interessierende Bedingung und Kommunizieren auf verdrahtete oder drahtlose Weise mit einer Lesevorrichtung. Mehrere Sensoren können eingesetzt werden, um mehrere räumliche Orte einer Struktur oder einer Umgebung zu überwachen, und diese Sensoren können auch als Sensorknoten bezeichnet werden.
Ein oder mehrere Zustände eines Zielmaterials innerhalb eines Sensors können sich ändern, wenn das Zielmaterial gewissen Umgebungsbedingungen ausgesetzt wird. Beispielsweise kann ein Zielmaterial Korrosion ausgesetzt sein, wenn es einer gewissen Temperatur, mechanischer Schwingung, Feuchtigkeits- oder Nässebedingungen über eine Zeitperiode ausgesetzt wird, so dass sich physikalische und chemische Charakteristika des Zielmaterials über die gleiche Zeitperiode ändern können. Als ein weiteres Beispiel kann ein Zielmaterial in einem Risssensor einem mechanischen Stress unterzogen sein, das eine strukturelle Komponente innerhalb eines Fahrzeugs wie etwa eines Flugzeugs wiedergibt, so dass sich eine oder mehrere physikalische Charakteristika des Zielmaterials als Reaktion auf eine Änderung bei einer strukturellen Gesundheitsbedingung der überwachten Komponente ändern können. Eine Sensorvorrichtung kann zum Überwachen eines Zustands des Zielmaterials verwendet werden.
Manchmal kommuniziert ein Sensor mit einem Lesegerät unter Verwendung eines Drahtlossendeempfängers und von Antennen, die in dem Sensor enthalten sind. Der Sensor verwendet eine externe oder von einer Batterie bestromte Energiequelle, um den Sendeempfänger und/oder andere Komponenten des Sensors zu betreiben.
KURZE DARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Aspekte der vorliegenden Anmeldung gestatten eine Messung eines kalibrierten Widerstands für einen resistiven Film in einem Erfassungselement, so dass Effekte von Verschiebungen beim Kontaktwiderstand und Hintergrundwiderstand aufgrund von Faktoren wie etwa Temperatur, Beanspruchung oder Alterung reduziert oder eliminiert werden können. In einigen Ausführungsformen kann, indem mehrere Zweipolwiderstandsmessungen zwischen verschiedenen Paaren von Elektroden auf einem resistiven Film genommen werden, ein vom Kontaktwiderstand unabhängiger Widerstand eines Referenzabschnitts des resistiven Films bestimmt werden. Weiter kann ein vom Kontaktwiderstand unabhängiger Widerstand eines Erfassungsabschnitts des resistiven Films auf Basis von mehreren Zweipolwiderstandsmessungen zwischen Paaren von Elektroden bestimmt werden. Der Widerstand des Referenzabschnitts kann von dem gemessenen Widerstand des Erfassungsabschnitts abgezogen werden, so dass Variationen beim Referenzabschnittswiderstand, die nicht durch eine erfasste Umgebungsbedingung verursacht werden, kompensiert werden können.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein selbstkompensierender Sensor bereitgestellt. Der selbstkompensierende Sensor weist ein Erfassungselement auf. Das Erfassungselement weist einen Polymer-Nanokomposit(PNC)-Film auf. Der selbstkompensierende Sensor weist weiter mehrere elektrische Abzweigpunkte auf, die an dem Erfassungselement angeordnet sind; eine Messchaltung, die an die mehreren elektrischen Abzweigpunkte gekoppelt ist. Die Messschaltung ist ausgelegt zum Messen von mehreren Widerstandswerten zwischen mehreren Paaren von elektrischen Abzweigpunkten, die ausgewählt sind unter den mehreren elektrischen Abzweigpunkten; auf Basis der mehreren Widerstandswerte, Berechnen eines ersten Widerstands eines Erfassungsabschnitts des PNC-Films, der einer Umgebung ausgesetzt ist; auf Basis der mehreren Widerstandswerte, Berechnen eines zweiten Widerstands eines Referenzabschnitts des PNC-Films bei dem Erfassungsabschnitt; und Bestimmen eines kompensierten Widerstands durch Vergleichen des ersten Widerstands des Erfassungsabschnitts und des zweiten Widerstands des Erfassungsabschnitts. Der kompensierte Widerstand zeigt eine erfasste Bedingung der Umgebung an.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Erfassen einer strukturellen Gesundheitsbedingung einer Struktur unter Verwendung eines Erfassungselements bereitgestellt. Das Erfassungselement weist einen resistiven Film und mehrere linear angeordnete Elektroden in elektrischem Kontakt mit dem resistiven Film auf. Das Verfahren weist auf: Messen von mehreren Widerstandswerten zwischen mehreren Paaren von Elektroden, ausgewählt unter den mehreren linear angeordneten Elektroden; auf Basis der mehreren Widerstandswerte, Berechnen eines vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstandswerts eines Erfassungsabschnitts des resistiven Films; auf Basis der mehreren gemessenen Widerstandswerte, Berechnen eines vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstandswerts eines Referenzabschnitts des resistiven Films; und Bestimmen eines kompensierten Widerstandswerts durch Kombinieren des Widerstandswerts des Erfassungsabschnitts und des Widerstandswerts des Referenzabschnitts, so dass der kompensierte Widerstand die strukturelle Gesundheitsbedingung anzeigt.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein Sensor bereitgestellt. Der Sensor weist auf: einen resistiven Film mit einem Erfassungsabschnitt und einem Referenzabschnitt bei dem Erfassungsabschnitt; mehrere linear angeordnete Elektroden einschließlich einem ersten Paar von Elektroden, das den Erfassungsabschnitt kontaktiert, und einem zweiten Paar von Elektroden, das den Referenzabschnitt kontaktiert; eine Messschaltung, die an die mehreren linear angeordneten Elektroden gekoppelt ist. Die Messchaltung ist ausgebildet zum Messen von mehreren Widerstandswerten zwischen mehreren Paaren von Elektroden, ausgewählt unter den mehreren Elektroden; auf Basis der mehreren Widerstandswerte, Berechnen eines vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstandswerts des Erfassungsabschnitts; auf Basis der mehreren gemessenen Widerstandswerte, Berechnen eines vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstandswerts des Referenzabschnitts; und Bestimmen eines kompensierten Widerstandswerts durch Kombinieren des Widerstandswerts des Erfassungsabschnitts und des Widerstandswerts des Referenzabschnitts.
Figurenliste
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben. Es versteht sich, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. In mehreren Figuren erscheinende Elemente sind in allen Figuren, in denen sie erscheinen, mit der gleichen Referenzzahl bezeichnet. In den Zeichnungen zeigen:

1 ein Schemadiagramm eines beispielhaften Sensors gemäß einigen Ausführungsformen;
2A ein schematisches Draufsichtdiagramm eines beispielhaften Erfassungselements gemäß einigen Ausführungsformen;
2B einen schematischen Schaltplan, der eine Äquivalenzschaltung zeigt, die das in 2A gezeigte Erfassungselement darstellt;
2C ein schematisches Draufsichtsdiagramm eines beispielhaften Erfassungselements mit fünf Elektroden gemäß einigen Ausführungsformen;
3A ein schematisches Draufsichtsdiagramm eines beispielhaften Erfassungselements gemäß einigen Ausführungsformen;
3B einen schematischen Schaltplan, der eine Äquivalenzschaltung zeigt, die das in 3A gezeigte Erfassungselement darstellt;
4A ein schematisches Draufsichtsdiagramm eines beispielhaften PNC-Erfassungselements und mehrerer Messausbildungen gemäß einigen Ausführungsformen;
4B eine Tabelle, die ein beispielhaftes Verfahren unter Verwendung von vier Zweipolwiderstandsmessungen darstellt, um einen vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstand eines Gebiets des resistiven Films zu erhalten, gemäß einigen Ausführungsformen;
5A ein schematisches Draufsichtsdiagramm des beispielhaften PNC-Erfassungselements von 4A mit Messausbildungen, die neun mögliche Permutationen von Elektrodenpaaren darstellen;
5B eine Tabelle, die ein beispielhaftes Verfahren unter Verwendung von vier Zweipolwiderstandsmessungen darstellt, um einen vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstand für mehrere Gebiete des resistiven Films zu erhalten, gemäß einigen Ausführungsformen;
6A eine Tabelle, die eine vorhergesagte Risslänge als Funktion eines Fehlers in einem Prüfwiderstand R für vier verschiedene angegebene tatsächliche Rissgrößen darstellt;
6B ein Datendiagramm eines vorhergesagten Risslängen-Rauschbodens in einer Sensormessung gegenüber Messrauschen in Prozentsatz für die in der Tabelle in 6A zusammengefassten vier tatsächlichen Rissgrößen;
7A und 7B eine beispielhafte Anwendung der Sensoren wie hierin beschrieben, für die Luftfahrzeugerfassung;
8 ein schematisches Draufsichtsdiagramm eines beispielhaften PNC-Erfassungselements gemäß einem nicht beschränkenden Beispiel.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Aspekte der Erfindung betreffen einen selbstkompensierenden Sensor auf Basis von resistiven Erfassungselementen mit einem Polymer-Nanokomposit(PNC)-Film und mehreren Elektroden in Kontakt mit verschiedenen Punkten auf dem PNC-Film. Ein Ziel der vorliegenden Anmeldung betrifft das Entgegenwirken für zwei Faktoren, die eine präzise Widerstandsmessung in einem resistiven Umweltsensor beeinflussen können. Die Erfinder haben erkannt und verstanden, dass, wenn ein resistiver Film zum Erfassen einer Bedingung der Umgebung verwendet wird, wie etwa des Korrosionszustands oder einer strukturellen Risslänge, der gemessene Widerstandswert durch Materialeigenschaften des Widerstands selbst beeinflusst werden kann, unabhängig von Umweltbedingungen. Außerdem können die gemessenen Widerstandswerte zu einem signifikanten Grad durch den Kontaktwiderstand zwischen dem PNC-Film und jeweiligen Elektroden beeinflusst werden.
Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung liefern eine Lösung, die beide derartige Einflüsse des gemessenen Widerstandswerts behandeln. In einigen Ausführungsformen kann, indem mehrere Zweipolwiderstandsmessungen zwischen verschiedenen Paaren von Elektroden auf dem resistiven Streifen vorgenommen werden, ein vom Kontaktwiderstand unabhängiger Widerstand eines Referenzabschnitts des PNC-Films bestimmt werden. Weiter kann ein vom Kontaktwiderstand unabhängiger Widerstand eines Erfassungsabschnitts des PNC-Films auf Basis von mehreren Zweipolwiderstandsmessungen zwischen Paaren von Elektroden bestimmt werden. Der Widerstand des Referenzabschnitts kann von dem gemessenen Widerstand des Erfassungsabschnitts abgezogen werden, so dass Variationen bei dem Referenzabschnittswiderstand, die nicht durch eine erfasste Umweltbedingung verursacht werden, kompensiert werden können.
Einige Aspekte der vorliegenden Anmeldung gestatten eine Messung eines kalibrierten Widerstands für einen resistiven Film in einem Erfassungselement, so dass Effekte von Verschiebungen beim Kontaktwiderstand und dem Hintergrundwiderstand aufgrund von Faktoren wie etwa Temperatur, Beanspruchung oder Alterung reduziert oder eliminiert werden können.
Gemäß einigen Aspekten der vorliegenden Anmeldung weist ein Widerstandselement in einem Sensor einen resistiven Film auf, wobei ein Widerstandswert von mindestens einem Abschnitt des resistiven Films eine erfasste Bedingung anzeigen kann. Beispielsweise kann ein Abschnitt des resistiven Films gegenüber mechanischer Beanspruchung oder einer korrodierenden Umgebung exponiert werden und sein Widerstandswert kann einen Zustand von struktureller Gesundheit, einen Korrosionszustand oder einen Erosionszustand darstellen. Die Erfinder haben erkannt und anerkannt, dass ein Widerstand eines resistiven Films in einer Sensorvorrichtung einer Hintergrundverschiebung über eine Zeitperiode unterworfen sein kann und gemessene Gesamtsignale ein Sensorsignal aufweisen können, das der Hintergrundverschiebung überlagert ist. Die Hintergrundverschiebung kann beispielsweise durch interne Temperatur und Feuchtigkeitsänderungen verursacht werden, die zu der Umgebung, in der das Zielmaterial angeordnet ist, nicht in Beziehung stehen. Zudem fügt in einem resistiven Sensor der Sperrschichtwiderstand zwischen resistivem Film und Kontakt einen Vorspannungsfehler zu der Zweipolwiderstandsmessung hinzu, was es schwierig macht, den Widerstand des resistiven Films selbst genau zu messen und Änderungen an dem resistiven Filmwiderstand aufgrund einer Änderung bei erfassten Bedingungen präzise zu messen.
Eine Kalibrierung eines resistiven Filmsensors kann eine Sensorhintergrundverschiebung korrigieren. Ein Ansatz besteht darin, zwei getrennte resistive Arme innerhalb der gleichen Sensorvorrichtung bereitzustellen, wobei ein resistiver Arm als ein Referenzwiderstand dient. Die beiden resistiven Arme werden der gleichen Hintergrundverschiebung unterworfen, um die gemeinsame Hintergrundverschiebung effektiv zu subtrahieren, während ein gewünschtes Sensorsignal von einem der beiden resistiven Arme, das der erfassten Umwelt ausgesetzt worden ist, betont wird, wodurch das Signal-Hintergrund-Verhältnis ohne die Notwendigkeit erhöht wird, die Sensorvorrichtung offline zu nehmen, um eine Kalibrierung durchzuführen. Ein Beispiel dieses Ansatzes wird in dem US-Patent Nr. 10,502,676 , Anwaltsaktenzeichen Nummer G0766.70124US00 beschrieben, dessen Offenbarung in seiner Gänze hiermit unter Bezugnahme aufgenommen ist.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt und anerkannt, dass ein Erfassungselement bereitgestellt werden kann, das ein einzelnes Stück von resistivem Film aufweist, wobei elektrischer Kontakt über mehrere Elektroden an mehreren Kontaktpunkten auf dem resistiven Film hergestellt wird. Der resistive Film weist mehrere Gebiete auf, die zwischen benachbarten Kontaktpunkten definiert sind, und das Erfassungselement kann betrieben werden, um einen Widerstandswert von einem oder mehreren Gebieten des resistiven Films präzise zu erhalten, indem der Beitrag des Kontaktwiderstands abgezogen wird. Eines der Gebiete kann Widerstandsänderungen aufweisen, die für die erfasste Bedingung repräsentativ sind, während ein anderes der Gebiete einen Referenzwiderstand aufweisen kann zum Kalibrieren oder Kompensieren des Effekts der Hintergrundverschiebung, ohne dass man sich auf einen Referenzwiderstand als eine separate Komponente verlassen muss. Somit kann ein Erfassungselement, wie hierin beschrieben, als ein selbstkalibrierendes oder selbstkompensierendes Erfassungselement bezeichnet werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung wird eine präzise Widerstandsmessung unter Verwendung eines Verfahrens erzielt, um mehrere Messungen durch verschiedene Kombinationen von Kontaktpunktepaaren vorzunehmen. In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren das Messen eines Widerstandswerts zwischen Paaren von Elektroden, ausgewählt unter mindestens vier Elektroden der mehreren Elektroden, und basierend auf den gemessenen Widerstandswerten das Berechnen eines kalibrierten Widerstands des resistiven Films auf, der für eine erfasste Bedingung repräsentativ ist.
Die oben beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen sowie zusätzliche Aspekte und Ausführungsformen werden unten näher beschrieben. Diese Aspekte und/oder Ausführungsformen können individuell, alle zusammen oder in einer beliebigen Kombination aus zweien oder mehreren verwendet werden, da die Anmeldung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist.
1 ist ein Schemadiagramm eines beispielhaften Sensors gemäß einigen Ausführungsformen. 1 zeigt einen Sensor 10, der ein Messmodul 16, ein Erfassungselement 100, einen Verbinder 18 und ein Erfassungselement 100 aufweist. Das Messmodul 16 ist über den Verbinder 18, bei dem es sich um ein Kabel wie etwa ein flexibles Bandkabel handeln kann, an das Erfassungselement 100 gekoppelt, während andere geeignete Verbinder, die eine elektrische Kommunikation bereitstellen können, ebenfalls verwendet werden können. Der Sensor 10 kann auch eine oder mehrere Antennen 12 zum Übertragen und Empfangen von Strom- und Datensignalen von einer externen Einrichtung wie etwa einem Lesegerät aufweisen. Das Messmodul 16 kann ein Gehäuse enthalten, und ein Indikator 14 kann an einem Äußeren des Gehäuses vorgesehen sein, um eine visuelle Rückkopplung an einen Bediener zu liefern. Der Indikator 14 kann beispielsweise eine oder mehrere Leuchtdioden (LEDs) enthalten.
Das Erfassungselement 100 kann einen Widerstandsfilm 110 und mehrere Elektroden 120 in Kontakt mit dem resistiven Film 120 aufweisen. Die mehreren Elektroden 120 bilden mehrere elektrische Abzweigpunkte, die auf dem Erfassungselement 100 angeordnet sind, die mit dem Verbinder 18 koppeln. Elektroden 120 können beispielsweise durch Abscheidung von Streifen aus Metall wie etwa Au oder Cu auf der Oberfläche des resistiven Films 110 gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann der resistive Film einen Polymer-Nanokomposit (PNC) aufweisen und kann als ein PNC-Film bezeichnet werden. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann ein PNC-Film Kohlenstoffnanoröhren (CNT) aufweisen. In einem beispielhaften PNC-Film können die CNT gleichmäßig durch ein Volumen aus Polymer verteilt sein, in einer Folie oder einem Film angeordnet, während andere Formen des Mischens von CNT in den PNC-Film ebenfalls verwendet werden können.
Wie in 1 gezeigt, sind Elektroden 120 in einem linearen Array auf dem resistiven Film 110 angeordnet und weisen 6 Elektroden auf. Jedoch ist zu verstehen, dass 1 nur ein veranschaulichendes Beispiel zeigt, und in einigen Ausführungsformen kann es weniger als 6 Elektroden, wie etwa 5 Elektroden, geben. In einigen Ausführungsformen können mehr als 6 Elektroden verwendet werden.
Wenngleich in 1 nicht gezeigt, kann eine nichtleitende Schicht an einer unteren Oberfläche des Sensors wie etwa an einer Oberfläche des Messmoduls 16 und/oder an der unteren Oberfläche des Erfassungselements 100 angeordnet sein, um eine verbesserte elektrische Trennung von und verbesserte Haftung an einem Hostmaterial oder einer Hoststruktur, die durch den Sensor überwacht wird, bereitzustellen. Eine nichtleitende Schicht kann zusätzlich oder optional auf einer oberen Oberfläche des Sensors angeordnet sein, um verbesserte elektrische und Kontaminationstrennung von der umgebenden Umwelt bereitzustellen.
Der Sensor 10 kann drahtlos bestromt und abgefragt werden und zum Erfassen einer strukturellen Gesundheitsbedingung einer Struktur als Teil einer Wireless Integrity Sensing-Plattform (WISP) verwendet werden. Ein Beispiel einer WISP ist in der am 5. Februar 2019 eingereichten US-Patentanmeldung mit der laufenden Nummer 16/268,437 , Anwaltsaktenzeichen Nummer G0766.70274US00 und mit dem Titel „INTEGRATED RF POWERED PLATFORM FOR STRUCTURE HEALTH MONITORING (SHM) OF AIRCRAFT USING NANOSTRUCTURED SENSING MATERIAL“ und als US-Patentveröffentlichung Nummer 2020/0247562 A1 veröffentlicht, beschrieben, dessen Offenbarung in seiner Gänze hiermit durch Bezugnahme aufgenommen ist.
2A ist ein schematisches Draufsichtsdiagramm eines beispielhaften Erfassungselements 200 gemäß einigen Ausführungsformen. Wie in 2A gezeigt, werden elektrische Kontakte zu einem resistiven Film 210 durch sechs Elektroden 220 hergestellt, die jeweils die Bezeichnungen L, M, N, X, Y beziehungsweise Z tragen. In 2A sind Elektroden 220 als dünne Streifen geformt, die Gebiete des resistiven Films 210 zwischen benachbarten Elektroden, die die Bezeichnungen A, B, C, D und E tragen, definieren.
2B ist ein schematischer Schaltplan, der eine Äquivalentschaltung zeigt, die das in 2A gezeigte Erfassungselement repräsentiert. Der elektrische Widerstand eines Gebiets kann gemessen und zu einer physikalischen Eigenschaft eines Hostmaterials oder einer Hoststruktur oder zu der Umgebung des Hostmaterials oder der Hoststruktur korreliert werden. Beispielsweise kann das Erfassungselement 200 ein strukturierter Gesundheitsmonitor sein, und Gebiet C des Erfassungselements 200, wie in 2A gezeigt, kann ein Erfassungsabschnitt sein, der an einer Struktur angebracht ist und den gleichen physikalischen Beschränkungen der Struktur ausgesetzt ist, so dass eine Änderung beim Widerstand im Gebiet C verwendet werden kann, um eine Änderung der strukturellen Eigenschaft wie etwa Beanspruchung oder Auftreten von Rissbildung zu berechnen. In einigen Ausführungsformen können Widerstandsmessungen eines Gebiets des Erfassungselements 200 zu dem Schadensgrad, dem Ausmaß eines Fehlers oder einer verbleibenden Nutzdauer (RUL) des Hostmaterials oder der Hoststruktur korreliert werden. In einem nicht beschränkenden Beispiel kann die Widerstandsmessung eines Gebiets zu der Länge eines Risses, der in einem Material gewachsen ist, korreliert werden.
3A ist ein schematisches Draufsichtsdiagramm eines beispielhaften Erfassungselements 300 gemäß einigen Ausführungsformen. Das Erfassungselement 300 ist dem Erfassungselement 200 in 2A in vielen Aspekten ähnlich, wobei gleiche Komponenten mit den gleichen Bezugszahlen markiert sind.
3B ist ein schematischer Schaltplan, der eine Äquivalentschaltung zeigt, die das in 3A gezeigte Erfassungselement repräsentiert. Das Erfassungselement 300 kann ein Zeugenkorrosionserfassungselement sein, wobei das Gebiet C mit einem für Korrosion sensibilisierten Material wie etwa einem elektroplattierten Cu beschichtet ist. In dieser Ausführungsform kann eine Messung des Widerstands des Gebiets C (unten als R_c bezeichnet), und analog für den Widerstand anderer alphabetisch bezeichneter Gebiete) zu dem Expositionsgrad des Gebiets C gegenüber einer korrodierenden Umgebung korreliert werden.
Wieder unter Bezugnahme auf 2A kann in der Ausführungsform, dass das Gebiet C ein Erfassungsabschnitt ist, der einen Widerstand aufweist, der eine erfasste Bedingung eines Hostmaterials repräsentiert, ein anderes Gebiet, das der erfassten Bedingung nicht ausgesetzt ist, als ein Referenzabschnitt oder Referenzgebiet bezeichnet werden, dessen Widerstand verwendet werden kann, um Hintergrundverschiebungen in dem resistiven Film zu kompensieren. Da beispielsweise die Gebiete B und C Teil des gleichen resistiven Films sind, sind ihre Widerstandswerte der gleichen Material- und/oder Herstellungsvariabilität und proportionalen Änderungen aufgrund von mechanischen und/oder Umweltfaktoren wie etwa Beanspruchung oder Temperaturänderungen oder Alterung über den ganze resistiven Film unterworfen. In einigen Ausführungsformen, wo Eigenschaften des resistiven Films 210 nicht über die X-Y-Ebene gleichförmig ist, kann das Gebiet B bevorzugter als ein Referenzabschnitt im Vergleich beispielsweise zum Gebiet A gewählt werden, da das Gebiet B näher an dem Erfassungsgebiet am Gebiet C angeordnet ist und deshalb den Widerstand des darunterliegenden Filmmaterials bei Gebiet C präziser wiedergibt.
Die Widerstandswerte eines Gebiets können auf beliebige geeignete Weisen definiert und gemessen werden. Beispielsweise kann ein Widerstandswert von Gebiet C ein Widerstand in Ohm gemessen entlang der X-Richtung über die linke Erstreckung und die rechte Erstreckung zwischen den Elektroden N und X sein. Falls die Dicke und der spezifische Widerstand des resistiven Films 210 über das Gebiet C hinweg im Wesentlichen gleichförmig sind, dann kann auch sein Widerstandswert unter Verwendung eines Flächenwiderstands in Ohm/Fläche gekennzeichnet werden. Zusätzlich kann ein berechneter spezifischer Widerstand von Gebiet C verwendet werden.
Die Erfinder haben erkannt und verstehen, dass beim Versuch zum Messen des Widerstandswerts von Gebiet C ein traditioneller Ansatz des Messens des Zweipolwiderstands zwischen Elektrode N und X in 2 einen zu hohen Wert R_NX = R_N + R_C + R_X ergibt, wobei R_C der tatsächliche Widerstandswert des resistiven Films bei Gebiet C ist, R_N und Rx Kontaktwiderstände bei den beiden Kontaktpunkten zwischen Elektrode N zu dem resistiven Film beziehungsweise zwischen Elektrode X zu dem resistiven Film ist. R_N und R_C sind unbekannte Werte, die zueinander nicht notwendigerweise gleich sind. Ein Aspekt der vorliegenden Anmeldung betrifft ein Verfahren unter Verwendung von mehreren Zweipolwiderstandsmessungen an mehreren gewählten Paaren von Elektroden, um einen kalibrierten oder kompensierten Widerstandswert zu extrahieren, der vom Kontaktwiderstand unabhängig ist, das heißt ohne jeden Beitrag vom Kontaktwiderstand.
In 2A können die Dimensionen der Komponenten, wie etwa die Breite in X- und Y-Richtungen für die Elektroden 220 und die Gebiete A-E des resistiven Films 210, auf beliebige geeignete Weise gewählt werden. 2A veranschaulicht, dass jedes der Gebiete A-E eine jeweilige Breite W_A, W_B, W_C, W_D und W_E entlang der X-Richtung oder entlang einer Richtung des Stromflusses innerhalb des resistiven Films 210 während einer Erfassungsoperation unter Verwendung des Erfassungselements 200 aufweist. In einigen Ausführungsformen ist ein Sensor vorgesehen, und die Breite des Kompensationsgebiets ist größer als die Breite des Seitengebiets. Beispielsweise wird in einigen Ausführungsformen Gebiet C als ein Erfassungsabschnitt verwendet, Gebiet B wird als ein Referenzabschnitt oder Kompensationsgebiet verwendet, und seine Breite W_B ist größer als das Seitengebiet W_A bei den äußeren Grenzen des resistiven Films 210. In einem nicht beschränkenden Beispiel beträgt W_C 12,5 mm, W_B beträgt 2,5 mm, W_A beträgt 1,5 mm, und jedes von W_D und W_E beträgt 1,5 mm, obwohl auch andere Dimensionen verwendet werden können. Es versteht sich, dass die gleichen Bemessungsüberlegungen auf die anderen Figuren angewendet werden können, die das Elektrodenlayout zeigen (2C, 3A, 4A, 5A).
2C ist ein schematisches Draufsichtsdiagramm eines beispielhaften Erfassungselements 2001 mit fünf Elektroden gemäß einigen Ausführungsformen. Das Erfassungselement 2001 ist in vielerlei Hinsicht dem Erfassungselement 200 in 2A ähnlich, wobei die Elektrode Z beseitigt ist, so dass auf dem resistiven Film 210 nur fünf Elektroden verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann Gebiet C des Erfassungselements 2001 als ein Erfassungsabschnitt verwendet werden, während Gebiet B als ein Referenzabschnitt verwendet wird, wie oben bezüglich 2A erörtert. Es versteht sich, dass andere Figuren in der vorliegenden Offenbarung zwar sechs Elektroden auf einem resistiven Film zeigen, Aspekte der vorliegenden Anmeldung sechs Elektroden nicht erfordern und die in der ganzen Anmeldung dargestellten Beispiele mit nur fünf Elektroden in alternativen Ausführungsformen umgesetzt werden könnten.
4A ist ein schematisches Draufsichtsdiagramm eines beispielhaften PNC-Erfassungselements 400 und mehreren Messkonfigurationen gemäß einigen Ausführungsformen. Die Einfügung zu 4A zeigt zwei Rasterelektronenmikroskopie(REM)-Bilder der Oberfläche des PNC-Films bei Gebiet D, was eine ungleichförmige Oberflächentopografie mit Spitzen und Tälern zeigt. Insbesondere zeigt der linke Bereich der REM-Bilder CNT, die auf einem beliebigen Areal angehäuft sind, was eine ungleichförmige Oberfläche verursacht. Der rechte Bereich der REM-Bilder zeigt Spitzen und Täler über die abgebildete Oberfläche. Die ungleichförmige Oberflächentopografie erzeugt wahrscheinlich ein nicht vernachlässigbares Ausmaß an Kontaktwiderstand zwischen den Elektroden L, M, N, X, Y, Z mit dem PNC-Film, was unter Verwendung des hierin beschriebenen Verfahrens kompensiert werden kann.
Ein Zweipolwiderstand könnte zwischen einer beliebigen Kombination aus zwei Elektroden unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Messeinrichtung wie etwa dem Messmodul 16 in 1 gemessen werden. Die Messung kann auf Basis des ohmschen Gesetzes durchgeführt werden, beispielsweise durch Messen des Verhältnisses aus einer an zwei Elektroden angelegten Ruhespannung gegenüber einem Strom, der durch eine der beiden Elektroden fließt. 4A veranschaulicht vier mögliche Permutationen von Elektrodenpaaren für Zweipolwiderstandsmessungen Pair1, Pair2, Pair3 und Pair4.
4B ist eine Tabelle, die ein beispielhaftes Verfahren unter Verwendung von vier Zweipolwiderstandsmessungen darstellt, um einen vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstand eines Gebiets des resistiven Films gemäß einigen Ausführungsformen zu erhalten. 4B zeigt, dass ein an Paar 1 in 4A gemessener Widerstand R1=R_L+R_A+R_M betragen wird. Das Verfahren geht weiter zum Messen von drei weiteren Paaren von Widerständen, um R2=R_L+R_A+R_B+R_N zu erhalten; R3=R_M+R_B+R_C+R_X; R4=R_N+R_C+R_X. Unter Verwendung der vier Formeln und durch Eliminieren von Variablen kann man herausfinden, dass R_B = (R2+R3-R1-R4)/2 ist. Deshalb kann der vom Kontaktwiderstand unabhängige Widerstand des Referenzwiderstandsgebiets B ohne die Notwendigkeit erhalten werden, den genauen Kontaktwiderstand einer beliebigen Elektrode zu resistiven Filmkontakten zu kennen.
In der in 4A gezeigten Ausführungsform ist Gebiet C des PNC-Erfassungselements 400 dem Hostmaterial oder der Hoststruktur ausgesetzt. Deshalb ist der vom Kontaktwiderstand unabhängige Widerstand Rc der Prüfwiderstand R des Ziels, der den Wert auf Basis der erfassten Bedingung ändern wird. Der vom Kontaktwiderstand unabhängige Widerstand für Gebiet C kann nach Durchführen von vier Zweipolwiderstandsmessungen und Kombinieren der Ergebnisse erhalten werden, um Kontaktwiderstände zu eliminieren, und mit einem Basislinienwiderstand für das Gebiet verglichen werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung kann ein Basislinienwiderstand Ro für Gebiet C durch Mittelung und Normalisieren von R_B unter Verwendung von Ro = R_B×AF erzeugt werden, wobei AF ein Flächenfaktor oder geometrischer Faktor ist, der das geometrische Verhältnis zwischen Gebiet C und Gebiet B darstellt.
Weiter kann gemäß einem Aspekt ein vom Kontaktwiderstand unabhängiger Widerstand für Gebiet C nach dem Durchführen von vier Zweipolwiderstandsmessungen und Kombinieren der Ergebnisse behalten werden, um Kontaktwiderstände zu eliminieren.
5A ist ein schematisches Draufsichtsdiagramm des beispielhaften PNC-Erfassungselements von 4A mit Messkonfigurationen, die neun mögliche Permutationen von Elektrodenpaaren für Zweipolwiderstandsmessungen 1-9 veranschaulichen, und 5B ist eine Tabelle, die ein beispielhaftes Verfahren unter Verwendung von vier Zweipolwiderstandsmessungen veranschaulicht, um einen Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstand für mehrere Gebiete des resistiven Films gemäß einigen Ausführungsformen zu erhalten.
5B zeigt, dass der vom Kontaktwiderstand unabhängige Widerstand für Gebiet B durch R_B = (R2+R4-R1-R5)/2 erhalten werden kann, der vom Kontaktwiderstand unabhängige Widerstand für Gebiet C durch R_C = (R6+R8-R5-R9)/2 erhalten werden kann und der vom Kontaktwiderstand unabhängige Widerstand für Gebiet D durch R_D = (R4+R6-R3-R7)/2 erhalten werden kann.
In dem in 5A gezeigten besonderen Beispiel ist Gebiet C des PNC-Erfassungselements 400 dem Hostmaterial oder der Hoststruktur ausgesetzt. Deshalb ist der vom Kontaktwiderstand unabhängige Widerstand Rc der Prüfwiderstand R des Ziels, das den Wert auf Basis der erfassten Bedingung ändern wird. Jedoch ändert sich auch R_C aufgrund der dem PNC-Film im Erfassungselement 400 intrinsischen Hintergrundverschiebung. Um Rc zu kalibrieren, um den Hintergrundverschiebungseffekt zu beseitigen, können R_B und R_D, die von den Gebieten B und D sind, die nicht gemäß der erfassten Bedingung variieren, als Referenzwiderstandswerte zum Kompensieren von R_C verwendet werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung kann ein Basislinienwiderstand Ro angelegt werden durch Mitteln und Normalisieren von R_B und R_D unter Verwendung von Ro = (R_B+R_D)×AF/2, wobei AF ein Flächenfaktor oder geometrischer Faktor ist, der das geometrische Verhältnis zwischen Gebiet C und Gebiet B oder D darstellt. Falls beispielsweise B die doppelte Länge von C in der x-Richtung aufweist, wird erwartet, dass der Basislinienwiderstand für C das Doppelte dessen von B betragen wird, und der Flächenfaktor wird 2,0 betragen, um R_B in R_C umzuwandeln. Falls Faktoren wie etwa Breite, Dicke und/oder spezifischer Widerstand für die Gebiete B und C nicht identisch sind, aber vor der Messung festgestellt werden können, können solche Faktoren während der Herstellung des Erfassungselements bestimmt und als ein Skalierfaktor in AF integriert werden. Die Mittelung von zwei Referenzwiderständen R_B und R_D wird den Effekt der Herstellungsvariabilität des PNC-Films über die x-Richtung reduzieren, während keine Mittelung oder Mittelung von mehr als zwei Referenzwiderständen ebenfalls verwendet werden kann.
Es versteht sich, dass die Gebiete B und D nicht von identischer Größe sein müssen und eindeutige Flächenfaktoren AF_B und AF_D für jeden verwendet werden können, um die gemittelte und normalisierte Basislinie Ro = (R_B×AF_B+R_D×AF_D)/2 zu erhalten.
In einem nicht beschränkenden Beispiel kann, nachdem der Basislinienwiderstand Ro und der Prüfwiderstand R für Gebiet C erhalten worden ist, ein kalibrierter Widerstand als R/Ro = 2R_C/AF×(R_B+R_D) in einem Beispiel erhalten werden. In diesem Beispiel ist der kalibrierte oder kompensierte Widerstand ein skalierter Wert und wird 100% betragen, falls R identisch mit der Basislinie Ro ist. Eine etwaige Änderung bei R aufgrund einer erfassten Bedingung wird verursachen, dass R/Ro variiert, um die Änderung bei der erfassten Bedingung darzustellen. Andererseits wird eine beliebige Hintergrundverschiebung beim Widerstand in R und in Ro identisch aufgehoben und wird R/Ro nicht beeinflussen.
5B veranschaulicht auch eine beispielhafte Berechnung einer Anwendung des Verwendens des kalibrierten Widerstands zum Überwachen von Rissbildung, wenn eine strukturelle Änderung in Gebiet C des PNC-Films Risse in einem Hostmaterial, an dem der Sensor angebracht ist, wiedergibt. In diesem Beispiel kann ein Risslängenparameter a berechnet werden als a = sqrt(2R_c/AF×(R_B+R_D) -1)=sqrt(R/Ro-1).
6A zeigt, dass für eine gegebene tatsächliche Rissgröße es umso mehr Abweichungen gibt zwischen der realen Rissgröße und der vorhergesagten Rissgröße, je höher der prozentuale Fehler in R ist. Wie ersichtlich ist, gibt es für einen 1% Rs fast keine Abweichung, aber bei 10% beginnt die Abweichung groß zu werden und die vorhergesagte Risslänge gibt nicht länger die tatsächliche Risslänge präzise wieder. Bis auf eine erste Ordnung ist der relative Fehler zwischen der vorhergesagten Risslänge und der tatsächlichen Risslänge proportional zur Hälfte von Rs/Ro, weshalb es einen 5%igen Fehler bei der vorhergesagten Risslänge geben würde, falls ein parasitärer Widerstand 10% des Gesamtwiderstands beträgt.
Die vorhergesagten Risslängenwerte in 6A werden unter Annahme einer Lehre von 1 kOhm und eines Vergrößerungsfaktors (GF) von 20 mm berechnet, obwohl eine derartige Sensorkonfiguration lediglich ein Beispiel nur zur Darstellung ist und Aspekte der vorliegenden Anmeldung nicht derart beschränkt sind. GF kann definiert werden durch $a = \sqrt{(\frac{R}{R_{o}} - 1) (\frac{2 w L}{π}) = 16 \sqrt{\bar{R}}} = G F \sqrt{\frac{Δ R}{R}},$
wobei GF der Sensorgeometriefaktor ist und ΔR die Differenz beim gemessenen Widerstand im Vergleich zum Basislinienwiderstand oder eine Änderung beim Widerstand ist. Diese Gleichung kann zum Abbilden von ΔR/R von Widerstand auf Risslänge verwendet werden. Beispielsweise beträgt die Risslänge $a = 16 \sqrt{\frac{Δ R}{R}},$
6B ist ein Kurvendiagramm von vorhergesagtem Risslängenrauschboden in einer Sensormessung gegenüber Messrauschen in Prozentsatz für die in der Tabelle in 6A zusammengefassten vier tatsächlichen Rissgrößen. Messrauschen oder ΔR/R kann eine relative Ungewissheit bei dem gemessenen Widerstand darstellen, der ein systematisches Rauschen oder eine systematische Ungewissheit in die vorhergesagte Risslänge einführt. 6B veranschaulicht eine derartige Übereinstimmung und zeigt, dass für eine gegebene tatsächliche Rissgröße wie etwa 1 mm das Rauschen oder die Ungewissheit bei der vorhergesagten Rissgröße umso höher ist, je höher das Messrauschen liegt. Das Risslängenrauschen kann als ein Rauschboden bezeichnet werden, weil die vorhergesagte Risslänge nur innerhalb eines Bereichs des Rauschbodens um eine Basislinie herum präzise sein wird.
Es versteht sich, dass andere Formen des Bestimmens von a und R ebenfalls verwendet werden können. In einigen Ausführungsformen, in denen Gebiet C in 4A als der Erfassungsabschnitt verwendet wird, Gebiet D als der Referenzabschnitt verwendet wird, kann auch ein normalisierter Prüfwiderstand R berechnet werden als R = $\frac{R_{C}}{R_{D}} \cdot \frac{R_{D 0}}{R_{C 0}} - 1,$
wobei R_C und R_D der vom Kontaktwiderstand unabhängige Widerstand der Gebiete C beziehungsweise D sind und R_C0 und R_D0 der Basislinienwiderstand für die jeweiligen Gebiete sind. Aspekte der vorliegenden Anmeldung können ebenfalls auf andere geeignete Formen angewendet werden, um den Risslängenparameter a auf Basis von R zu berechnen. Beispielsweise wird in einigen Ausführungsformen eine Gleichung für a empirisch bestimmt. In einigen Ausführungsformen weist eine Gleichung für a eine oder mehrere Polynome des normalisierten Prüfwiderstands R auf. Beispielsweise kann eine empirische Analyse der Risslänge als Funktion von R zur Identifikation einer polynomen Beziehung zwischen den beiden führen. Die identifizierte Beziehung kann in nachfolgenden Berechnungen der Risslänge als Funktion von R verwendet werden.
8 ist ein schematisches Draufsichtsdiagramm eines beispielhaften PNC-Erfassungselements 800 gemäß einem nicht beschränkenden Beispiel. Das Erfassungselement 800 enthält fünf Elektroden m, n, x, y, z, die auf einem resistiven Film 810 mit Gebieten A, C, D und E angeordnet sind, sowie Pins P1, P2, ... P7. Die Pins P1-P5 sind elektrisch mit jeweiligen Elektroden m, n, x, y, z zum Koppeln mit einem Messmodul zum Messen von Widerständen zwischen den Elektrodenpaaren, wie etwa das Messmodul 16 wie in 1 gezeigt, verbunden. Zusätzliche Pins, wie etwa unter anderem P6 und P7, können beispielsweise zum Zusammenschalten von Leistung, Masse und/oder I/O-Daten zwischen dem Erfassungselement 800 und dem Messmodul 16 verwendet werden. In dem Beispiel in 8 wird Gebiet C des resistiven Films 810 als ein Erfassungsabschnitt verwendet, während Gebiet D als ein Referenzabschnitt verwendet wird. Die Verfahren, wie in der vorliegenden Anmeldung erörtert, können zum Messen eines kalibrierten Widerstands des Erfassungsabschnitts verwendet werden.
Die 7A und 7B veranschaulichen eine beispielhafte Anwendung der Sensoren, wie hierin zur Flugzeugerfassung beschrieben. 7A veranschaulicht ein Flugzeug 700 und mehrere Sensoren 702. 7A ist eine Perspektivansicht. 7B ist eine Bodenansicht des Flugzeugs.
Das dargestellte Flugzeug 700 ist in dieser nicht beschränkenden Ausführungsform ein Fluggerät. Jedoch können andere Flugzeuge Sensoren der hierin beschriebenen Typen zur Überwachung der strukturellen Gesundheit des Flugzeugs verwenden. Beispielsweise können Raketen, Space-Shuttles, Drohnen, Gleiter, Satelliten oder andere Flugzeuge die Sensoren und Erfassungstechniken, hierin beschrieben, verwenden. Somit ist die Natur des Flugzeugs nicht beschränkend.
Die Sensoren 702 können Nanostruktursensoren sein. Sie können intelligente Erfassungsmaterialien wie etwa eine Nanostrukturerfassungsschicht aufweisen. Die Nanostrukturerfassungsschicht kann ein Nanostrukturmaterial wie etwa Kohlenstoffnanoröhren (CNT) aufweisen. In einigen Ausführungsformen kann das Nanostrukturerfassungselement in eine Polymermatrix eingebettete CNTs aufweisen. Das intelligente Erfassungsmaterial kann sich als Reaktion auf eine Änderung bei einer Bedingung der erfassten Struktur wie etwa des Flugzeugs ändern.
Die Sensoren 702 können Bedingungen erfassen, die eine permanente Änderung beim Zustand des Flugzeugs darstellen. Beispielsweise können die Sensoren 702 Korrosionssensoren sein, die konfiguriert sind zum Erfassen eines Korrosionszustands des Flugzeugs. Die Sensoren 702 können Ermüdungsrisssensoren sein, konfiguriert zum Erfassen einer Rissbildung des Flugzeugs. Das Flugzeug 700 kann mehrere Typen von Sensoren aufweisen, wie etwa Korrosionssensoren und Ermüdungsrisssensoren, oder andere Sensoren, die arbeiten können durch Erfahren einer permanenten Zustandsänderung, um eine Zustandsänderung des überwachten Flugzeugs nachzubilden.
Das Flugzeug 700 kann eine beliebige geeignete Anzahl von Sensoren 702 aufweisen. In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Sensoren 702 enthalten sein.
Zusätzlich zu dem oben gesagten werden einige neuartige Aspekte der vorliegenden Anmeldung unten zusammengefasst.
In einigen Ausführungsformen wird ein Sensor bereitgestellt, der ein Polymer-Nanokomposit(PNC)-Erfassungselement und mehr als zwei elektrische Abzweigpunkte aufweist. Die Sensormessungen stehen zu Widerstandsänderungen des PNC-Erfassungselements in Beziehung, und eine Selbstkompensation wird durch Durchführen von mehreren Messungen durch verschiedene Kombinationen von elektrischen Abzweigpunktepaaren erzielt, um Material- und/oder Herstellungsvariabilität und Änderungen aufgrund von mechanischen und/oder Umweltfaktoren wie etwa Beanspruchung oder Temperaturänderungen oder Alterung zu berücksichtigen.
In einigen Ausführungsformen ist eine nichtleitende Schicht auf der unteren Oberfläche des Sensors angeordnet, um eine verbesserte elektrische Trennung von und verbesserte Haftung an einem Hostmaterial oder einer Hoststruktur bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen ist eine nichtleitende Schicht auf der oberen Oberfläche des Sensors angeordnet, um eine verbesserte elektrische und Kontaminationstrennung von der umgebenden Umwelt bereitzustellen.
In einigen Ausführungsformen steht die Widerstandsmessung zu einer physikalischen Eigenschaft des Hostmaterials oder der Hoststruktur in Korrelation. In einigen Ausführungsformen steht die Widerstandsmessung in Korrelation zu der Umgebung des Hostmaterials oder der Hoststruktur. In einigen Ausführungsformen steht die Widerstandsmessung in Korrelation zu dem Beschädigungsgrad, der Erstreckung eines Fehlers oder der verbleibenden Nutzdauer (RUL) des Hostmaterials oder der Hoststruktur. In einigen Ausführungsformen steht die Widerstandsmessung in Korrelation zu dem Expositionsgrad gegenüber einer korrosiven Umgebung. In einigen Ausführungsformen steht die Widerstandsmessung in Korrelation zu der Länge eines Risses, der in einem Material gewachsen ist.
In einigen Ausführungsformen wird ein selbstkompensierendes Polymer-Nanokomposit(PNC)-Erfassungselement bereitgestellt, das mehrere Kontakte und mehrere PNC-Gebiete aufweist. Die mehreren Kontakte und PNC-Gebiete werden verwendet, um verschiedene Kombinationen von Widerstandsmessungen zum Zweck einer Selbstkompensation zu sammeln.
In einigen Ausführungsformen wird die Selbstkompensation durchgeführt, um Herstellungsvariabilität und Änderungen aufgrund von mechanischen und/oder Umweltfaktoren zu berücksichtigen. Solche Änderungen können auf mechanische und/oder Umweltfaktoren zurückzuführen sein. Solche Änderungen können auf mechanische und/oder Umweltfaktoren wie etwa eine beliebige von Temperatur, Beanspruchung und/oder Alterung zurückzuführen sein.
In einigen Ausführungsformen werden einige der PNC-Gebiete zum Schätzen des Kontakts zu dem PNC-Widerstand und andere zur Erfassung verwendet. In einigen Ausführungsformen können die Polymer-Nanokomposit-Gebiete für verschiedene Erfassungsaufgaben für die Strukturgesundheitsüberwachung (SHM) funktionalisiert werden. In einigen Ausführungsformen kann das Erfassungsgebiet Cu-elektroplatiert sein, um ein Zeugenkorrosionserfassungselement anzulegen. In einigen Ausführungsformen kann das Erfassungsgebiet roh gelassen werden oder als ein exponiertes PNC-Material, um ein Risserfassungselement herzustellen.
In einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren für einen selbstkompensierenden Sensor bereitgestellt. Der Sensor umfasst ein Polymer-Nanokomposit(PNC)-Erfassungselement und mehr als 2 elektrische Abzweigpunkte. Die Sensormessungen stehen zu Widerstandsänderungen des PNC-Erfassungselements in Beziehung, und durch Durchführen von mehreren Messungen durch verschiedene Kombinationen von elektrischen Abzweigpunktpaaren kann eine Selbstkompensation erzielt werden, um Material und/oder Herstellungsvariabilität und Änderungen aufgrund von mechanischen und/oder Umweltfaktoren wie etwa Beanspruchung oder Temperaturänderungen oder Alterung zu berücksichtigen.
In einigen Ausführungsformen steht die Widerstandsmessung in Korrelation zu einer physikalischen Eigenschaft des Hostmaterials oder der Hoststruktur. Die Widerstandsmessung kann in Korrelation zu dem Beschädigungsgrad, der Erstreckung eines Fehlers oder einer verbleibenden Nutzlebensdauer (RUL) des Hostmaterials oder der Hoststruktur oder zu dem Expositionsgrad gegenüber einer korrosiven Umgebung stehen.
Die Ausdrücke „ungefähr“ und „etwa“ können verwendet werden, um innerhalb von ±20% eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen zu bedeuten, innerhalb von ±10% eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen, innerhalb von ±5% eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen und noch innerhalb von ±2% eines Zielwerts in einigen Ausführungsformen. Die Ausdrücke „ungefähr“ und „etwa“ können den Zielwert aufweisen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 10502676 [0016]
US 16/268437 [0024]
US 2020/0247562 A1 [0024]

Claims

Selbstkompensierender Sensor, aufweisend: ein Erfassungselement, das einen Polymer-Nanokomposit(PNC)-Film aufweist; mehrere elektrische Abzweigpunkte, die auf dem Erfassungselement angeordnet sind; eine Messschaltung, die an die mehreren elektrischen Abzweigpunkte gekoppelt ist und ausgebildet ist zum: Messen von mehreren Widerstandswerten zwischen mehreren Paaren von elektrischen Abzweigpunkten, die ausgewählt sind unter den mehreren elektrischen Abzweigpunkten; auf Basis der mehreren Widerstandswerte, Berechnen eines ersten Widerstands eines Erfassungsabschnitts des PNC-Films, der einer Umgebung ausgesetzt ist; auf Basis der mehreren Widerstandswerte, Berechnen eines zweiten Widerstands eines Referenzabschnitts des PNC-Films bei dem Erfassungsabschnitt; und Bestimmen eines kompensierten Widerstands durch Vergleichen des ersten Widerstands des Erfassungsabschnitts und des zweiten Widerstands des Erfassungsabschnitts, wobei der kompensierte Widerstand eine erfasste Bedingung der Umgebung anzeigt.
Selbstkompensierender Sensor nach Anspruch 1, wobei jeder des ersten Widerstands und des zweiten Widerstands ein vom Kontaktwiderstand unabhängiger Widerstand ist.
Selbstkompensierender Sensor nach Anspruch 2, wobei eine Variation bei dem vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstand des Referenzabschnitts in dem kompensierten Widerstand kompensiert ist.
Selbstkompensierender Sensor nach Anspruch 2, wobei die Messschaltung weiter ausgebildet ist zum Berechnen des kompensierten Widerstandswerts auf Basis eines Verhältnisses zwischen dem vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstand des Erfassungsabschnitts und dem vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstand des Referenzabschnitts.
Selbstkompensierender Sensor nach Anspruch 2, wobei das PNC Kohlenstoffnanoröhren aufweist.
Selbstkompensierender Sensor nach Anspruch 2, wobei das Erfassungselement an einer strukturellen Komponente angebracht ist und die erfasste Bedingung ein Ausmaß eines Risses, eines Korrosionszustands oder eines Erosionszustands der strukturellen Komponente ist.
Selbstkompensierender Sensor nach Anspruch 2, wobei die mehreren elektrischen Abzweigpunkte mehrere linear angeordnete Elektroden aufweisen.
Selbstkompensierender Sensor nach Anspruch 7, wobei die mehreren linear angeordneten Elektroden mindestens fünf aufeinanderfolgende Elektroden aufweisen.
Selbstkompensierender Sensor nach Anspruch 8, wobei der Erfassungsabschnitt zwischen einem ersten Paar von aufeinanderfolgenden Elektroden der mehreren Elektroden angeordnet ist, der Referenzabschnitt zwischen einem zweiten Paar von aufeinanderfolgenden Elektroden der mehreren Elektroden angeordnet ist, wobei das erste Paar von aufeinanderfolgenden Elektroden ein Paar von inneren Elektroden unter vier aufeinanderfolgenden Elektroden der mindestens fünf aufeinanderfolgenden Elektroden ist und der vom Kontaktwiderstand unabhängige Widerstand des Erfassungsabschnitts auf Basis von mindestens vier Widerstandswerten berechnet wird, die zwischen mindestens vier Paaren von Elektroden ausgewählt unter den vier aufeinanderfolgenden Elektroden gemessen werden.
Verfahren zum Erfassen einer strukturellen Gesundheitsbedingung einer Struktur unter Verwendung eines Erfassungselements, das einen resistiven Film und mehrere linear angeordnete Elektroden in elektrischem Kontakt mit dem resistiven Film aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Messen von mehreren Widerstandswerten zwischen mehreren Paaren von Elektroden, ausgewählt unter den mehreren linear angeordneten Elektroden; auf Basis der mehreren Widerstandswerte, Berechnen eines vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstandswerts eines Erfassungsabschnitts des resistiven Films; auf Basis der mehreren gemessenen Widerstandswerte, Berechnen eines vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstandswerts eines Referenzabschnitts des resistiven Films; und Bestimmen eines kompensierten Widerstandswerts durch Kombinieren des Widerstandswerts des Erfassungsabschnitts und des Widerstandswerts des Referenzabschnitts, so dass der kompensierte Widerstand die strukturelle Gesundheitsbedingung anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die strukturelle Gesundheitsbedingung ein Schadensgrad an der Struktur ist.
Verfahren nach Anspruch 10, weiter aufweisend das Bestimmen einer verbleibenden Nutzungsdauer der Struktur auf Basis des kompensierten Widerstandswerts.
Verfahren zum Messen einer erfassten Bedingung einer Umgebung unter Verwendung eines Erfassungselements, das einen resistiven Film und mehrere linear angeordnete Elektroden in elektrischem Kontakt mit dem resistiven Film aufweist, wobei das Verfahren aufweist: Messen von mehreren Widerstandswerten zwischen mehreren Paaren von Elektroden, ausgewählt unter den mehreren linear angeordneten Elektroden; auf Basis der mehreren Widerstandswerte, Berechnen eines vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstandswerts eines Erfassungsabschnitts des resistiven Films; auf Basis der mehreren gemessenen Widerstandswerte, Berechnen eines vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstandswerts eines Referenzabschnitts des resistiven Films; und Bestimmen eines kompensierten Widerstandswerts durch Kombinieren des Widerstandswerts des Erfassungsabschnitts und des Widerstandswerts des Referenzabschnitts.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Messen der mehreren Widerstandswerte das Messen von Widerstandswerten zwischen mehreren Paaren von Elektroden, ausgewählt unter mindestens fünf aufeinanderfolgenden Elektroden der mehreren linear angeordneten Elektroden, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Erfassungsabschnitt des resistiven Films zwischen einem ersten Paar von inneren Elektroden unter vier aufeinanderfolgenden Elektroden der mindestens fünf aufeinanderfolgenden Elektroden angeordnet ist und das Berechnen des Widerstandswerts des Erfassungsabschnitts das Berechnen auf Basis von mindestens vier Widerstandswerten, gemessen zwischen mindestens vier Paaren von Elektroden, ausgewählt unter den vier aufeinanderfolgenden Elektroden, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Bestimmen des kompensierten Widerstandswerts das Berechnen eines Verhältnisses zwischen dem erfassten Widerstand und dem Widerstandswert des Referenzabschnitts aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der kompensierte Widerstandswert von einer Dimension des Erfassungsabschnitts unabhängig ist und das Bestimmen des kompensierten Widerstandswerts das Normalisieren des Widerstandswerts des Verfassungsabschnitts über die Dimension des Referenzabschnitts aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der resistive Film einen Polymer-Nanokomposit (PNC) aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, weiter aufweisend das Exponieren des Erfassungsabschnitts des resistiven Films einer Umgebung, wobei der kompensierte Widerstandswert eine erfasste Bedingung der Umgebung anzeigt.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Umgebung eine korrosive Umgebung ist.
Sensor, aufweisend: einen resistiven Film mit einem Erfassungsabschnitt und einem Referenzabschnitt bei dem Erfassungsabschnitt; mehrere linear angeordnete Elektroden einschließlich einem ersten Paar von Elektroden, das den Erfassungsabschnitt kontaktiert, und einem zweiten Paar von Elektroden, das den Referenzabschnitt kontaktiert; eine Messschaltung, die an die mehreren linear angeordneten Elektroden gekoppelt ist, und ausgebildet zum: Messen von mehreren Widerstandswerten zwischen mehreren Paaren von Elektroden, ausgewählt unter den mehreren Elektroden; auf Basis der mehreren Widerstandswerte, Berechnen eines vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstandswerts des Erfassungsabschnitts; auf Basis der mehreren gemessenen Widerstandswerte, Berechnen eines vom Kontaktwiderstand unabhängigen Widerstandswerts des Referenzabschnitts; und Bestimmen eines kompensierten Widerstandswerts durch Kombinieren des Widerstandswerts des Erfassungsabschnitts und des Widerstandswerts des Referenzabschnitts.
Sensor nach Anspruch 21, wobei die mehreren linear angeordneten Elektroden mindestens fünf aufeinanderfolgende Elektroden aufweisen.
Sensor nach Anspruch 22, wobei das erste Paar von Elektroden ein Paar von inneren Elektroden unter vier aufeinanderfolgenden Elektroden der mindestes fünf aufeinanderfolgenden Elektroden ist und der Widerstandswert des Erfassungsabschnitts auf Basis von mindestens vier Widerstandswerten, gemessen zwischen mindestens vier Paaren von Elektroden, ausgewählt unter den vier aufeinanderfolgenden Elektroden, berechnet wird.
Sensor nach Anspruch 21, wobei die Messschaltung weiter ausgebildet ist zum Berechnen des kompensierten Widerstandswerts auf Basis eines Verhältnisses zwischen dem zweiten erfassten Widerstand und dem Widerstandswert des Referenzabschnitts.
Sensor nach Anspruch 21, wobei der kompensierte Widerstandswert von einer Dimension des Erfassungsabschnitts unabhängig ist und die Messschaltung weiter ausgebildet ist zum Berechnen des kompensierten Widerstandswerts durch Normalisieren des Widerstandswerts des Erfassungsabschnitts über die Dimension des Erfassungsabschnitts.
Sensor nach Anspruch 21, wobei der resistive Film ein Polymer-Nanokomposit (PNC) aufweist.
Sensor nach Anspruch 26, wobei das PNC Kohlenstoffnanoröhren aufweist.
Sensor nach Anspruch 21, wobei der Erfassungsabschnitt des resistiven Films einer Umgebung ausgesetzt ist und der kompensierte Widerstandswert eine erfasste Bedingung der Umgebung anzeigt.
Sensor nach Anspruch 28, wobei der resistive Film an einer strukturellen Komponente angebracht ist und die erfasste Bedingung ein Ausmaß eines Risses, eines Korrosionszustands oder eines Erosionszustands der strukturellen Komponente ist.