RU2488088C2 - Измерительная система и способ измерения изменений свойств материала - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к сенсорной системе и к способу распознавания. Техническим результатом является возможность непрерывного контроля свойств материала, имеющего матричную структуру, а также возможность использования физических эффектов для контроля. Технический результат достигается благодаря тому, что сенсорная система содержит материал, имеющий матричную структуру, в которую внедрено множество сенсорных элементов, электронное распределение в которых и/или свойства, определяющие подвижность носителей заряда, изменяются в зависимости от изменения физических или химических свойств материала. Система по изобретению содержит также приемник, снабженный антенной и выполненный с возможностью приема исходного радиочастотного (РЧ) сигнала и возвращенного РЧ сигнала, поступающего от указанного материала. Изменения электронного распределения и/или свойств, определяющих мобильность носителей заряда в сенсорных элементах, приводят к изменению исходного РЧ сигнала, так что по возвращенному РЧ сигналу можно определить изменение свойств материала. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 13 ил.

Description

Область техники

Изобретение относится к сенсорной (измерительной) системе и к способу распознавания (измерения).

Уровень техники

Мониторинг состояния конструкции (SHM, structural health monitoring) представляет собой область технологии, привлекающую все больший интерес в таких отраслях, как гражданское и промышленное строительство, а также авиакосмическая промышленность. Задачей SHM является сбор, с помощью датчиков, данных по критическим конструктивным элементам, чтобы получать индикаторы обнаруживаемых в конструкции аномалий и тем самым осуществлять слежение за надежностью и безопасностью конструкции. Известные SHM-системы требуют установки одного или более датчиков в ключевых точках любой интересующей конструкции, причем тип датчика зависит от конкретных интересующих параметров, подлежащих мониторингу. Это может сделать подобные системы дорогостоящими и требующими значительного времени для развертывания, а мониторинг сигналов датчиков в реальном времени практически неосуществимым.

Один из недостатков известных систем состоит в том, что применение в современных летательных аппаратах композитных материалов делает существующую SHM-технологию устаревшей и создает в этой отрасли потребность, которую данная технология не может удовлетворить.

К другим отраслям, в которых все шире применяются композитные материалы, относятся добыча нефти и газа (в этих отраслях критичным является мониторинг усталости таких компонентов, как уплотнения и прокладки), подземное строительство (в том числе туннелей и трубопроводных сетей), а также технологии производства военных самолетов и подводных лодок, для которых важнейшими факторами являются надежность и безопасность.

Эти факторы важны и для медицинского сектора, в котором для обеспечения надежности и безопасности требуется мониторинг имплантированных компонентов, таких как сердечные клапаны и тазобедренные суставы; для слежения за окружающей средой, где загрязнения воды или воздуха можно обнаруживать с применением прочных материалов при низкой стоимости; для перспективных производственных технологий, в которых можно отслеживать различные материалы, например композитные, в процессе производства; для повышения качества деталей из пластмассы; для применений во враждебных или недоступных зонах, например в космосе, или с использованием вращающихся компонентов, например турбин.

Области технологии, описанные выше, требуют надежного и точного беспроводного отслеживания, чтобы проводить, селективно или непрерывно, мониторинг конструкций, недоступных в текущий момент для прямого контроля.

Раскрытие изобретения

Изобретение направлено на решение перечисленных проблем.

Изобретение обеспечивает создание сенсорной системы, содержащей материал, имеющий матричную структуру, в которую внедрено множество сенсорных элементов, электронное распределение в которых и/или свойства, определяющие подвижность носителей заряда, изменяются в зависимости от изменения физических или химических свойств материала. Система по изобретению содержит также приемник, снабженный антенной и выполненный с возможностью приема исходного радиочастотного (РЧ) сигнала и возвращенного РЧ сигнала, поступающего от указанного материала. Изменения в сенсорных элементах электронного распределения и/или свойств, определяющих мобильность носителей заряда, приводят к изменению исходного РЧ сигнала, так что по возвращенному РЧ сигналу можно определить изменение свойств материала.

Изобретение обеспечивает также создание способа распознавания изменения свойств материала, имеющего матричную структуру, в которую внедрено множество сенсорных элементов, электронное распределение в которых и/или свойства, определяющие подвижность носителей заряда, изменяются в зависимости от изменения физических или химических свойств материала. Способ включает следующие операции: опрашивание материала посредством исходного РЧ сигнала; прием от материала возвращенного РЧ сигнала и определение изменения свойства материала по изменению возвращенного РЧ сигнала, обусловленному изменением электронного распределения и/или свойств, определяющих мобильность носителей заряда в сенсорных элементах.

Краткое описание чертежей

Далее изобретение будет подробно описано со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг.1 схематично представлен пример системы согласно изобретению.

На фиг.2 схематично представлен другой пример системы согласно изобретению.

На фиг.3a-3c приведены примеры выходных сигналов, полученных с использованием системы согласно изобретению.

На фиг.4a-4c приведены другие примеры выходных сигналов, полученных с использованием системы согласно изобретению.

На фиг.5 представлен график резонансов кварцевого кристалла, находящегося в контакте с воздухом и с вязким раствором.

На фиг.6 представлен график СВЧ резонансов полимерного композита, содержащего углеродные нанотрубки (УНТ).

На фиг.7 представлен график СВЧ резонанса у 9 ГГц для композита с многостенными нанотрубками и для образца, не содержащего нанотрубок.

На фиг.8 представлен график, иллюстрирующий смещение резонанса при повышении давления (справа налево).

На фиг.9 показана геометрия датчика, встроенного в уплотнительное кольцо и реагирующего на контактное давление и на давление газа/гидростатическое давление.

На фиг.10 показана геометрия датчика, встроенного в композитную трубу. Акустически резонирующие частицы внедрены по всей толщине трубы, но в благоприятных условиях для осциллирования, ослабляемого в зависимости от вязкости раствора, находятся только частицы, расположенные на внутренней поверхности.

На фиг.11 показано композитное самолетное крыло, содержащее на своих поверхностях, контактирующих с несущей рамой, сенсорный адгезив, который обеспечивает обратную связь в отношении отрывов и деформаций в точках соединений, в которых структурные нагрузки часто максимальны.

Фиг.12 иллюстрирует использование изобретения для мониторинга целостности теплозащитных плиток.

На фиг.13 схематично показана встроенная сенсорная система, основанная на измерениях окружающей среды.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематично представлен беспроводной приемопередатчик 1 с антенной 2. Часть материала 3 (например, полимерного) имеет матричную структуру, в которую внедрено множество сенсорных элементов 4, распределенных по данному материалу 3 и окруженных им. Электронное распределение в сенсорных элементах 4 или их свойства, определяющие подвижность носителей заряда, изменяются в зависимости от изменения физических или химических свойств материала. В результате имеет место изменение радиочастотного (РЧ), например микроволнового (СВЧ), сигнала, который передается приемопередатчиком 1 через антенну 2 для слежения за материалом 3, так что по принимаемому сигналу можно обнаруживать изменения в материале. Таким образом, сенсорные элементы 4 позволяют создать неинвазивную встроенную систему отслеживания (распознавания) изменений свойств материала.

Приемопередатчик 1 выполнен с возможностью генерировать РЧ сигнал, который подвергается импульсной, частотной, фазовой или цифровой модуляции, чтобы ослабить фоновый шум. Приемопередатчик обеспечивает также детектирование в реальном времени сигнала, возвращенного конструкцией, выполненной из матричного материала 3. Возвращенный радиосигнал в типичном случае принимается как сигнал рассеяния, отражения или пропускания. Приемопередатчик 1 сконструирован с возможностью отслеживать ключевые спектральные свойства в гигагерцовом диапазоне электромагнитного спектра, связанные с окружением сенсорных элементов. Обнаружение изменений гигагерцовых спектров обеспечивает дистанционный сбор информации 6 физических и химических свойствах в объеме материала 3.

Антенна 2 выполнена с возможностью излучать РЧ сигнал и принимать отраженный сигнал в реальном времени с высоким отношением сигнал/шум. При своем функционировании антенна 2 подает РЧ сигнал в целевую зону, которая может охватывать широкую или узкую область материала 3. Это особенно полезно применительно к конструктивным компонентам, например, самолетов, позволяя сфокусировать слежение на конкретной, небольшой области, такой как уплотнение или стык, или, альтернативно, на крупной конструкции, такой как целое крыло. Антенна может быть построена с возможностью работать подобно радарным системам, формируя узкий пучок излучения с длиной волны, соответствующей гигагерцовому диапазону. Такой режим предпочтительно реализуется с параболической антенной или с антенной в виде фазированной решетки. На фиг.2 приведен еще один пример измерительной системы, в котором используется направленная антенна 5.

Другой подход к измерению свойств объемных материалов основан на применении дифференциальных радиоизмерений. Этот вариант изобретения требует, чтобы общее количество источников и приемников сигнала было больше двух. Достоинство такого варианта состоит в том, что он обеспечивает пространственное разрешение конкретных участков в пределах относительно крупных объектов, таких как лист или панель. Получаемая информация позволяет формировать графические отображения свойств объемных материалов, так что, комбинируя принятые сигналы, можно получить важную физическую/химическую информацию с привязкой к конкретному месту.

В предпочтительном варианте материал, в котором находятся сенсорные элементы 4, является полимерной матрицей, например эластомерной или эпоксидной, так что добавление сенсорных элементов 4 приводит к образованию композитного полимерного матричного материала 3. Этот материал 3 должен быть идеальным изолятором, чтобы поддерживать эффективную передачу электромагнитных сигналов в гигагерцовом диапазоне. Внедренные в материал сенсорные элементы 4 используются для целей отслеживания, причем в случае необходимости могут быть введены дополнительные элементы для осуществления дополнительных функций слежения. При использовании известных систем и способов радиосигналы, посылаемые на материал, не в состоянии извлечь информацию о его механическом, электрическом и химическом состояниях. Однако введение сенсорных элементов, у которых свойства, связанные с электронным распределением и/или с подвижностью носителей заряда, изменяются под влиянием локального окружения, могут сделать функцию мониторинга реальной. Сенсорные элементы 4 изменяют такие характеристики, как диэлектрические или магнитные свойства материала 3.

Сенсорные элементы 4 содержат любые частицы, которые обладают либо высококачественными резонансными свойствами, либо каким-либо нелинейным свойством, приводящим к генерированию гармоник и к удвоению частоты. Частицы, которые могут быть использованы для этой цели, включают одностенные углеродные нанотрубки, многостенные углеродные нанотрубки, нанокольца из золота, магнитные и многие другие частицы. Базовый механизм, приводящий к необычным радиосвойствам, может быть акустическим, диэлектрическим, пьезоэлектрическим, электрострикционным, магнитострикционным, механизмом электропроводности или полупроводимости. Как следствие, происходит изменение свойств материалов, таких как диэлектрические или магнитные свойства. Это, в свою очередь, специфическим образом изменяет возвращенную радиоволну. Тип частицы выбирают таким, чтобы она реагировала на конкретные изменения окружающей среды, такие как напряжение, температура, гидратация или pH. Чтобы повысить уровень сигналов при сложной окружающей обстановке, воспринимающие частицы могут быть адсорбированы на других частицах из материала с малыми диэлектрическими потерями, что усиливает электромагнитный резонанс.

Сенсорные элементы 4 могут содержать частицы, у которых коэффициент Q добротности резонанса изменяется при изменении электрического и/или механического свойства материала 3. Например, какое-либо механическое изменение в материале 3 может привести к возрастанию электрического сопротивления, в результате чего увеличатся диэлектрические потери и коэффициент Q добротности материала 3.

Чтобы обеспечить наличие таких свойств и эффективно использовать их, требуется механизм, обеспечивающий взаимодействие радиоволн с частицами. С этой целью можно, в частности, использовать один из двух или оба механизма, ведущие к обмену РЧ энергией между композитным матричным материалом 3 и приемопередатчиком 1 и антенной 2.

Первый из этих механизмов использует присутствие магнитных или электрических диполей в пределах когерентных размеров, определяемых размерами частиц, а также однородностью распределения частиц по полимеру. Частицы матрицы связаны с воспринимающими (сенсорными) частицами, например посредством магнитострикции, обратного пьезоэлектрического эффекта, прямого генерирования магнитного поля или традиционной электронной связи, которая может иметь место между двумя проводами. Только наличия связи недостаточно, чтобы получить рабочий материал для датчика; однако одно отличие в поведении сенсорного (чувствительного) композитного материала от других диэлектрических композитных материалов состоит в появлении высокодобротного резонанса в радиосигнале, отраженном от этого материала. Поэтому при использовании в качестве датчика матричного материала его свойства, например электрические и/или механические, однородным образом изменяют резонансную частоту частиц в целевых зонах. Поскольку внедренные частицы изменяют частоту сходным образом, суммарный сигнал является когерентным.

Одним из вариантов отслеживания (распознавания) этого первого механизма является способ пассивного распознавания резонанса, проиллюстрированный на фиг.3a и 3b. Резонансная частота матричного материала 3, например полимера, отслеживается как функция времени. На фиг.3a показан типичный результат, который позволяет системе отслеживать частоты возвращенного РЧ сигнала. Согласно данному способу изменения в частотном спектре возвращенного сигнала указывают на изменение резонансной частоты материала.

Сенсорная система предпочтительно содержит контур, способный определять, по меньшей мере, одно из механического, электрического и химического состояний материала. Для этого требуется точный и надежный способ определения локализации и протяженности любой аномалии или дефекта в конструкции, образованной из композитного материала.

В случае использования первого механизма обычно применяется способ пассивного восприятия резонанса согласно фиг.3a-3c. Как показано на фиг.3b, выходной сигнал 6 системы, например, на частоте 27,3 ГГц соответствует РЧ сигналу, отраженному от конструктивных компонентов 7 в виде полимерных панелей из материала с внедренными в него сенсорными элементами, например наночастицами, электронное распределение и/или подвижность носителей заряда в которых изменяются как отклик на изменение физического или химического свойства материала. В данном примере от каждой части каждой панели опрашиваемых компонентов 7 отражается характеризующий композитный материал сигнал на заданной частоте 27,3 ГГц, у которого имеется ожидаемый провал в частотном спектре. Это указывает на отсутствие каких-либо дефектов.

Выходной сигнал 6 системы, представленный на фиг.3c, указывает на наличие в системе аномалии или дефекта 8 в определенной зоне компонентов 7, на что указывает выходной сигнал 6 на частоте 34 ГГц. При этом степень изменения частоты характеризует уровень воспринимаемого параметра. Точная локализация этого дефекта 8 может быть определена путем уменьшения ширины радиопучка (чтобы уменьшить размер контролируемой зоны) либо настройкой антенны для получения более коллимированного пучка, либо позиционированием антенны ближе к исследуемой конструкции. Если компонент, подлежащий замене или ремонту, является небольшим, следует применять радиосигналы с более высокой частотой, чтобы повысить пространственное разрешение применительно к дефектной зоне. В результате выявляются изменения в окружающей среде, представленной полимером, окружающим каждую наночастицу.

Второй механизм использует внедренные частицы, которые не реагируют резонансным образом на движение частиц, но, вместо этого, обеспечивают генерирование частот, соответствующих гармоникам исходного облучающего радиосигнала. При этом осуществляют мониторинг уровня генерации гармоник, который зависит от изменения связанности частиц в матрице.

При использовании второго механизма обычно используют способ активного восприятия гармоник, проиллюстрированный на фиг.4a-4c. Этот активный способ предпочтительно использует мониторинг отношения амплитуд опрашивающего сигнала, входящего в нанокомпозит, и сигнала, возвращенного нанокомпозитным материалом на удвоенной частоте исходного (опрашивающего) сигнала.

На фиг.4a приведены примеры опрашивающего РЧ сигнала (IN), имеющего частоту F основной гармоники, и возвращенного РЧ сигнала (OUT), имеющего удвоенную частоту (частоту второй гармоники) 2F. Амплитуды этих сигналов обозначены, как A1 и A2 соответственно. При этом измеряют и отслеживают отношение амплитуд A1/A2. Это отношение представляется важным, поскольку является итогом локальных взаимодействий между частицами и, следовательно, точно отражает состояние полимерного материала.

На фиг.4b выходной (возвращенный) сигнал 6 не содержит отклика на выбранную опрашивающую частоту 27,3 ГГц, тогда как на фиг.4c показан принятый сигнал на 54,6 ГГц. Он соответствует второй, т.е. высшей гармонике опрашивающего сигнала и превышает уровень шумов, указывая на присутствие дефекта 8 в одной из полимерных панелей компонентов 7.

При изготовлении композитного матричного материала 3 желательно распределить сенсорные элементы 4 в материале, по существу, равномерно, чтобы обеспечить эффективное и воспроизводимое отслеживание. Однако, в случае необходимости, представляется возможным увеличить плотность сенсорных элементов 4 в потенциально ослабленных точках материала 3, таких как стыки или изгибы.

В одном примере определенная доля частиц полимерной матрицы заменяется порами или "дырками", размеры которых в типичном случае лежат в диапазоне микрометров или нанометров и которые действуют в качестве сенсорных элементов. "Дырки" содержат газ или жидкость, в типичном случае воздух или воду. Каждая пора действует как поляризуемая частица. Количество пор предпочтительно является относительно небольшим, чтобы избежать связи между порами. Такое выполнение является полезным, поскольку позволяет избежать затрат на приобретение специфических частиц, таких как наночастицы, и на распределение этих частиц по матричному материалу. Создание пор расширяет выбор материалов, которые могут быть использованы в системе согласно изобретению.

Должно быть также понятно, что в некоторых случаях использование сенсорных элементов 4 различных типов зависит от того, какой конкретный параметр отслеживается. Возможно одновременное использование различных элементов, позволяющее измерять различные параметры в одном и том же материале 3.

Еще одно преимущество описанных системы и способа состоит в том, что радиосигнал может способствовать исправлению любого обнаруженного в конструкции дефекта. Например, СВЧ сигнал может также производить нагрев места повреждения, такого как трещина в конструкции, чтобы устранить эту трещину. Тепло будет концентрироваться в зоне повреждения, поскольку трещина обладает большим электрическим сопротивлением, т.е. токи, индуцированные СВЧ излучением, будут нагревать трещину в соответствии с законом Ома.

Встроенная сенсорная система и способ измерений, описанные выше, особенно эффективны в неблагоприятных окружающих средах, в которых дистанционное слежение является предпочтительным. Данные система и способ обеспечивают быстрый доступ к информации о конструкционных материалах как в процессе изготовления, так и при применении готовой продукции, причем удобным образом и при намного меньшей стоимости по сравнению с известными SHM-системами и способами.

Типичные применяемые материалы - это конструкционные материалы, по которым требуется информация по износу, повреждению или температуре. Внедряемые частицы подбираются так, чтобы обеспечить информацию по окружающему их материалу, такую, как изменение напряжения, деформации, температуры, pH, гидратации, объемных искажений, загрязнения, радиации, обледенения материала или флуктуации плотности. Изменения в окружении частиц могут вызываться также ползучестью или иной нестабильностью материала во времени, ухудшающей эксплуатационные показатели материала.

Поэтому изобретение обеспечивает непрерывный или селективный сбор данных, относящихся к критичным конструктивным компонентам, включая конструктивные компоненты для аэрокосмической промышленности (такие как крылья самолетов, панели, болты, емкости и уплотнения), а также "умные" уплотнения для нефтегазовой промышленности, не требуя установки дополнительных датчиков на конструкцию или внутри нее. Соответствующие конструкции просто изготавливаются из описанного выше материала. Такое выполнение обеспечивает создание существенно более экономичной SHM-системы, уменьшая затраты на обслуживание самолетов и ремонт в отраслях, которые все шире применяют композитные материалы при создании указанных конструктивных компонентов. Состояние компонента в отношении износа или усталости может определяться в реальном времени, так что момент замены компонентов становится известным, тогда как длительность простоя, управленческие и эксплуатационные затраты в процессе изготовления и использования компонента сокращаются. Обеспечиваются также детальный мониторинг и оптимизация процесса изготовления за счет использования обратной связи из глубины материала.

В области контроля трубопроводов система и способ по изобретению обеспечивают непрерывный мониторинг деформаций, давая операторам возможность справляться с возникающими проблемами, например с утечками. В противоположность этому, известные оптоволоконные технологии обнаруживают "горячую точку " или "холодную точку", указывающую на наличие утечки жидкости или газа соответственно, только после возникновения такой утечки.

Изобретение улучшает также надежность систем мониторинга, например, при внутрискважинном мониторинге, устраняя необходимость в соединителях и проводах. Устраняется также необходимость обеспечения датчиков индивидуальными источниками питания, поскольку энергия подводится к сенсорным элементам посредством беспроводных взаимодействий. Другие области применений охватывают контроль качества композита, летательных аппаратов и систем скоростного торможения, мониторинг здоровья человека, мониторинг давления на ядерных и химических заводах, измерение температуры в теплозащитных экранах и головных обтекателях, а также обнаружение трещин на космических станциях, в железнодорожных путях и танкерах.

Возможность осуществления изобретения обеспечивается наличием резонанса в нескольких материалах. Изобретение использует СВЧ резонансы, которые имеют место во многих материалах. Существуют механизмы, связанные с электронными и ядерными свойствами, которые могут детектироваться с помощью оборудования, чувствительного к радиосигналам. Такое оборудование включает системы диэлектрических измерений, использования отраженной энергии, построения инфракрасных (ИК) изображений, спектрального анализа, поверхностного импеданса и др. Приводимые далее примеры внутреннего детектирования используют диэлектрические измерения. Первым примером является кварцевый кристалл, реагирующий на вязкость, а вторым - нанокомпозит с многостенными нанотрубками, который реагирует на температуру и давление.

Кварцевые кристаллы - это широко известные акустические резонаторы. Фононы легко перемещаются внутри резонатора между его стенками, создавая стоячие акустические волны. Подобные резонансы имеют место на многих частотах и могут детектироваться, как напряжение на кристаллах. Для целей настоящего изобретения важно, что радиосвойства кристаллов также изменяются, причем эти изменения могут детектироваться измерением их диэлектрических свойств. Диэлектрические свойства кварцевого кристалла иллюстрируются кривой A на фиг.5. Пички обусловлены акустическими резонансами, которые наложены на диэлектрическую кривую, типичную для большинства изоляторов. Возможность измерений демонстрируется добавлением водного раствора сахара, который подавляет резонансы, как это видно из кривой B на фиг.5. Можно видеть, что пички становятся шире и короче и почти исчезают в результате вязкостного демпфирования.

Настоящее изобретение предпочтительно использует многостенные углеродные нанотрубки (УНТ), распределенные по полимеру. УНТ обладают различимыми резонансами в радиоспектре, слежение за которыми позволяет обнаружить изменение в полимере, например обусловленное температурой.

Как показано в примере по фиг.6, резонансы обнаружены у 400 МГц. Они соответствуют энергетическим интервалам (вызванным различными уровнями энергии между стенками) или резонансам, обусловленным фононами (зависящим от длины), и имеют одинаковую частоту для получения наилучших сигналов. Чтобы измерить изменение температуры, отслеживается пик с большей частотой, поскольку для него легче разрешить изменение резонансной частоты. Для частиц типа УНТ резонанс полимера является широким и коротким, что позволяет провести нормальную подгонку кривой Лоренца, чтобы определить центральную частоту, изменяющуюся в зависимости от температуры с коэффициентом 10³-10⁴ м.д./°C.

На более высоких частотах имеют место более крупные радиорезонансы, основанные на перколяционном механизме, которые позволяют получить сигналы о температуре или деформации от небольших компонентов, таких как заклепки, винты или провода, или, альтернативно, посредством электромагнитных сигналов далекого поля, получать сигналы, отраженные от панелей и других компонентов, на расстояниях нескольких метров. Величина подобного резонансного сигнала может быть продемонстрирована применительно к "кнопкам" (buttons) на основе многостенных нанотрубок различных размеров, которые резонируют у 9-10 ГГц при больших значениях тангенса 6 угла потерь или, при увеличении весовой доли, на меньших частотах. Это иллюстрируется фиг.7, где кривая С соответствует СВЧ резонансам композита на основе многостенных нанотрубок у 9 ГГц, а кривая D - образцу без нанотрубок.

Давление понижает резонансную частоту, поскольку УНТ приближаются одна к другой, повышая проводимость в определенном частотном интервале. Потеря проводимости доминирует в области низких частот, в результате увеличивается пик в левой части графика, который поэтому кажется смещенным влево. Кроме того, снижение уровня справа от пика также создает впечатление его сдвига влево.

В итоге, как это показано на фиг.8, при приложении давления пик представляется смещенным влево. Данное явление далее будет именоваться перколяцией пороговой частоты (ППЧ).

ППЧ соответствует поворотной точке, возникающей в результате двух отдельных процессов: потери проводимости и затухающего проникновения, которые характеризуются кривыми, развивающимися в противоположных направлениях. В общем случае коэффициент диэлектрических потерь увеличивается с частотой, тогда как глубина проникновения и, следовательно, объем, в котором происходят потери, уменьшается с частотой в соответствии с уменьшением толщины скин-слоя для электромагнитного излучения. Поворотная точка соответствует сбалансированности обоих эффектов. Она удобным образом связывает изменения деформации, температуры или других параметров.

Данный тип резонанса не соответствует релаксационному процессу. Вместо этого, имеет место изменение состояния, так что радиоволна воспринимает либо диэлектрик на низкой частоте, либо отражающий проводник на высокой частоте. В результате создается встроенный сенсорный материал, имеющий "радиоокраску", делающую его пригодным для отслеживания.

Чтобы сформировать встроенные датчики, резонансные частицы вводят в материал, используемый в соответствующем приложении. Им может быть, например, полимер, гель, золь-гель, краска, адгезив или даже керамический материал. Такие материалы используются в различных объектах, например в кольцах, трубах, пластинах, винтах, листах, кольцевых уплотнениях, изоляционных втулках, шайбах и клапанах, внутри зданий, судов, автомобилей, летательных аппаратов и др.

В качестве примера будут рассмотрены внутренние датчики, изготовленные из кольцевых уплотнений, труб и втулок для слежения за их окружением. Эти датчики могут быть композитными, причем их композитный материал соответствует материалу другой металлической/керамической детали.

Альтернативно, датчики могут быть изготовлены из нового материала, который улучшает свойства электрических контуров или антенн, например, чтобы улучшить или заменить антенные компоненты радиочастотных идентификационных меток (RFID-tags) или чтобы использоваться совместно с антенной таких меток с целью улучшить качество приема.

Форма/размер компонента также могут влиять на резонанс частиц, повышая уровень сигналов. Такое повышение имеет место, когда компонент имеет естественный СВЧ резонанс, согласующийся с резонансом частицы. Одним из предпочтительных объектов, в котором данный эффект проявляется наиболее сильно, является конструкция типа кольцевого уплотнения. При правильном подборе проводимости нанокомпозитное кольцевое уплотнение может резонировать на резонансной частоте частицы или на частоте ППЧ, когда его длина окружности является кратной длинам электрических волн.

На фиг.9 показана конфигурация типичного кольцевого уплотнения, мониторинг радиорезонанса которого осуществляется в процессе его работы посредством линии передачи и антенны, чтобы выявить истирание, химическую/термическую деградацию, экструзию, избыточное сжатие или повреждение при сборке.

Для обеспечения надежности в неблагоприятном окружении изобретение позволяет использовать в качестве датчика саму конструкцию. Хорошим примером является измерение вязкости воды внутри трубы, как это показано на фиг.10. При измерении вязкости в неблагоприятных условиях традиционные датчики подвержены повреждениям, поскольку они находятся в быстром и турбулентном потоке жидкости. В отличие от них, внутренние (встроенные) измерительные системы являются более устойчивыми, поскольку в них используется комбинация из внутренней стенки трубы для сбора информации и антенны, расположенной за пределами неблагоприятной среды. Антенна испускает в частицы акустические волны, которые гасятся раствором. Если частицы являются пьезоэлектрическими, ключевой аспект конструкции состоит в том, что активируемые частицы обладают более острыми резонансами, когда они контактируют с раствором. Это обусловлено поляризующим эффектом воды -диэлектрика, повышающего потенциал, приложенный к кристаллу, и слабым акустическим демпфированием частиц на внутренней поверхности трубы по сравнению с частицами, встроенными во внутренний объем полимера.

На фиг.11 представлено композитное самолетное крыло, содержащее на своих поверхностях, контактирующих с несущей рамой, сенсорный адгезив. Такие поверхности часто являются зонами напряжений в панелях или других конструкциях, работающих под нагрузкой, причем они могут выдавать информацию о своем состоянии. Так, от зон контакта может быть получена информация механического характера о композитной конструкции.

Другой областью, в которой изобретение может найти применение, является мониторинг изменений целостности теплозащитных плиток, подвергающихся интенсивному тепловому воздействию в наземных применениях или при использовании в качестве теплового щита при входе космического аппарата в земную атмосферу (см. фиг.12). Ключевой аспект в этом случае состоит в том, чтобы ввести частицы, имеющие радиорезонанс, только в те области, в которых теплопроводность ограничивает температуру значениями ниже точки плавления частиц. Из такого слоя и внутренних по отношению к нему слоев аппарата внутренняя система слежения выдает данные о целостности плитки, а также о том, находится ли она на своем месте.

В своем другом аспекте изобретение обеспечивает создание способа, основанного на использовании окружающей среды. Данный способ направлен на упрощение внутренних (встроенных) сенсорных систем путем отказа от передатчика, устраняя необходимость получения лицензии на работу в радиодиапазоне. Способ использует радиосигналы, распространяющиеся в окружающей среде, чтобы найти резонансную частоту внутреннего чувствительного (сенсорного) материала. Для этого необходимо использовать две антенны, одна из которых расположена вблизи указанного материала, а другая - на удалении от него, как это показано на фиг.13. При сравнении сигналов от двух антенн только в сигнале от внутреннего сенсорного материала (но не от опорной антенны) будет отсутствовать фоновая радиоэнергия на резонансной частоте материала.

Соответственно, разность между сигналами от антенн, определенная с использованием смесительного (или аналогичного) контура, укажет резонансную частоту материала.

Claims (20)

1. Сенсорная система распознавания изменения свойств материала, содержащая:
материал, имеющий матричную структуру, в которую внедрено множество сенсорных элементов, электронное распределение в которых и/или свойства, определяющие подвижность носителей заряда, изменяются в зависимости от изменения физических или химических свойств материала, и
приемник, снабженный антенной и выполненный с возможностью приема исходного радиочастотного (РЧ) сигнала, генерируемого источником РЧ сигнала, и возвращенного РЧ сигнала, поступающего от указанного материала;
при этом изменения в сенсорных элементах электронного распределения и/или свойств, определяющих подвижность носителей заряда, приводят к изменению исходного РЧ сигнала, так что по возвращенному РЧ сигналу можно определить изменение свойств материала.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что сенсорные элементы способны изменять диэлектрические свойства материала.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что сенсорные элементы способны изменять магнитные свойства материала.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что сенсорные элементы содержат наночастицы, по меньшей мере, одного из следующих типов: одностенные углеродные нанотрубки, многостенные углеродные нанотрубки, золотые нанокольца, магнитные наночастицы, нанопроволоки и сферические наночастицы.

5. Система по п.1, отличающаяся тем, что сенсорные элементы содержат поры.

6. Система по п.1, отличающаяся тем, что сенсорные элементы содержат частицы, резонансная частота которых изменяется при изменении электрического и/или механического свойства материала.

7. Система по п.6, отличающаяся тем, что сенсорные элементы содержат частицы, вызывающие, посредством магнитострикции, обратного пьезоэлектрического эффекта, прямого генерирования магнитного поля или электронной связи изменение исходного РЧ сигнала, индуцирующее резонанс в возвращенном РЧ сигнале.

8. Система по п.1, отличающаяся тем, что сенсорные элементы содержат частицы, коэффициент Q добротности которых изменяется при изменении электрического и/или механического свойства материала.

9. Система по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что сенсорные элементы выполнены с возможностью генерировать, в результате взаимодействия с исходным РЧ сигналом, гармоники частоты исходного РЧ сигнала в возвращенном РЧ сигнале.

10. Система по п.1, отличающаяся тем, что материал содержит полимер.

11. Система по п.1, отличающаяся тем, что сенсорные элементы распределены внутри материала, по существу, равномерно.

12. Система по п.1, отличающаяся тем, что свойство материала изменяется при изменении его окружения, представляющем изменение напряжения, деформации, температуры, рН, гидратации, объемных искажений, загрязнения, радиации, обледенения материала или флуктуации плотности.

13. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит, по меньшей мере, один передатчик, выполненный с возможностью передачи исходного РЧ сигнала.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что приемник и передатчик объединены в приемопередатчик, при этом радиосигнал, генерируемый приемопередатчиком, промодулирован посредством импульсной, частотной, фазовой или цифровой модуляции.

15. Система по п.13, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью определять отношение амплитуд возвращенного РЧ сигнала на удвоенной частоте исходного РЧ сигнала, генерируемого передатчиком, с целью осуществления мониторинга локальных взаимодействий между сенсорными элементами.

16. Система по п.13, отличающаяся тем, что исходный РЧ сигнал способен нагреть зону материала, в которой требуется определять изменение свойства материала.

17. Система по п.1, отличающаяся тем, что антенна содержит направленную антенну.

18. Система по п.1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью определять зависимость резонансной частоты материала от времени.

19. Система по любому из пп.14-17, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью комбинировать возвращенные РЧ сигналы, соответствующие исходным РЧ сигналам, по меньшей мере, от одного источника, для получения пространственной информации о материале.

20. Способ распознавания изменения свойства материала, имеющего матричную структуру, в которую внедрено множество сенсорных элементов, электронное распределение в которых и/или свойства, определяющие подвижность носителей заряда, изменяются в зависимости от изменения физических или химических свойств материала, при этом способ включает следующие операции:
опрашивание материала посредством исходного РЧ сигнала;
прием от материала возвращенного РЧ сигнала и
определение изменения свойства материала по изменению возвращенного РЧ сигнала, обусловленному изменением электронного распределения и/или свойств, определяющих подвижность носителей заряда в сенсорных элементах.

Images