用于电化学阻抗谱的方法和系统的制作方法

专利名称：用于电化学阻抗谱的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测方法和系统。
背景技术：
已知能够进行腐蚀检测的传感器，如在美国专利No. 6，384，610、6，328，878、 6，316，646,5，859，537,6，054，038,6，144，026,4，380，763,4，780，664,4，962，360, 5，323，429,5, 367，583,6, 445，565和6，896，779中有所描述。例如，尽管这些传统方法中 的一些利用“嵌入式”腐蚀传感器，但是传统技术通常采用刚性印刷电路板以及刚性硅晶芯 片。这种技术的缺陷在于厚度和脆性，也就是说，将刚性电路板置于薄环氧树脂或油漆涂层 下面能够导致涂层受到破坏，并且基于硅晶片的传感器易于断裂，而且不能与不平表面贴
I=I ο美国专利公开号Nos. 2008-0150555-A1和2007-0144272-A1中还描述了其它腐蚀 检测系统。

发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种测量传感器及其紧挨围绕物的谱阻抗的方 法。传感器设置在工程结构上，并且涂覆有保护性涂层。该方法包括提供具有第一调制频 率和振幅的第一光信号。该方法还包括从第一位置到传感器位置传送第一光信号和第二光 信号。该方法还包括通过第二调制频率和振幅对第二光信号进行调制，该第二调制频率和 振幅从第一光信号转换而来。该方法还包括将第一调制频率与第二调制频率进行比较，以确定相差和时滞之 一，并且作为频率的函数来计算传感器及其紧挨围绕物的电化学阻抗谱。在一个方面，该传 送步骤包括将第一光信号和第二光信号复用成复合信号，将该第一光信号进行振幅调制， 该第一光信号具有第一波长，第二光信号具有连续的功率，并且具有与第一波长不同的第 二波长。在另一个方面，该方法包括在传感器位置处将复合光信号分解成至少第一和第二 光信号。在另一个方面，该调制步骤包括通过调制装置对第二光信号进行调制，所述调制 装置电连接到所述传感器并且由包含第一光信号电转换的信号供电。在另一个方面，该方法还包括将调制的第二光信号传送至第一位置，并且在第一 位置检测调制的第二光信号。在另一个方面，该计算步骤包括按照下面的公式计算传感器及其紧挨围绕物的电 化学阻抗谱Rc (^) =--其中，Rq(CO)是调制装置的初始阻抗，其中Ptl(CO)是调制装置在传感器位置处的 初始光响应，并且其中P1(O) =A e(i4>)，其中A是在第一位置检测到的调制的第二信号的振幅，并且其中Φ是相差和时滞之一。在另一个方面，在大约0. IHz到大约IMHz的频率范 围上计算电化学阻抗谱。根据本发明的另一个方面，用于监视工程结构的物理条件的检测系统包括第一传 感器，该第一传感器能够设置在工程结构上，并能够设置在工程结构的表面与基本上覆盖 该表面的保护性涂层之间，该第一传感器包括调制元件。设置控制器以用于从传感器取回 数据，该控制器包括比较电路和提供频率为ω的C信号的信号发生器。该检测系统还包括一个或多个光纤，其将由控制器产生的光信号耦合到第一传感 器，其中该第一传感器提供与工程结构和保护性涂层对应的电化学阻抗数据。在另一个方 面中，该系统包括光源，其用于产生光信号，其中该光信号包括第一波长的第一光信号，该 第一光信号具有第一调制频率和振幅，其中该第一调制频率和振幅对应于AC信号；和第二 波长的第二光信号，该第二光信号具有连续的功率。在另一个方面，该光源包括第一和第二 窄带光源，其中至少第一窄带光源连接到信号发生器。在另一个方面，该一个或多个光纤包括用于向第一传感器传送第一和第二光信号 的第一光纤。另外，该一个或多个光纤还可以包括从第一传感器向控制器传送返回光信号 的第二光纤，该返回光信号包含调制的第二光信号，该第二光信号具有第二调制频率和振 幅，该第二调制频率和振幅从第一光信号转换而来。在另一个方面，该控制器还包括光复用器，其用于将第一和第二光信号合并为复 合信号，该第一波长与第二波长不同。在另一个方面中，该控制器还包括用于从传感器接收和检测返回光信号的检测 器。在另一个方面，该传感器包括传感器头，其具有设置在安装于工程结构上的柔性基底上 并且由保护性涂层覆盖的图案化导电元件；以及调制装置，其电连接到该传感器头，以接收 第二光信号。在另一个方面，该传感器还包括光信号解复用器，其中，该解复用器沿第二光 路发送第一光信号，并且沿第一光路发送第二光信号。该传感器还可以包括光电二极管阵 列，其设置在第二光路上，用于将第一光信号转换成电信号，其中该调制装置沿第一光路进 行设置，并且其中该调制装置由来自所述光电二极管阵列的电信号供电。在一个方面，该调 制装置包括电致变色开关。在另一个方面，工程结构包括管道系统的管道和环焊缝部分之一。上述本发明的内容并非意图描述本发明的每一个图示实施例或每种实施方式。附 图及其后的具体实施方式
更具体地举例说明了这些实施例。


将参照附图进一步描述本发明，其中图IA是根据本发明的一个方面的示例性检测系统。图IB是根据本发明的另一个 方面的示例性检测系统。图2是根据本发明一个示例性方面的嵌入在涂层与工程结构之间的传感器的截 面图。图3Α是根据本发明的一个方面的示例性传感器。图3Β是根据本发明的另一个方面 的示例性传感器的一部分的局部示意图。图3C是图3Β的电致变色开关的示意图。图4Α和4Β示出了设置在非平坦表面上的示例性传感器的替代实施方式。图5示出了根据本发明的一个方面在管道上实施的示例性检测系统。
图6A到图6C示出了第一组实验的强度、相位和阻抗结果。图7A和7B示出了来自第二组实验的阻抗结果。虽然本发明可修改为各种修改形 式和替代形式，但其细节已通过举例的方式在附图中示出，并且将会作详细描述。但是应该 理解，本发明并不限于所叙述的具体实施例。相反，其目的在于涵盖落在由所附权利要求书 限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式和替代形式。
具体实施例方式本发明涉及一种检测方法和系统。具体地讲，示例性实施例的检测方法和系统能 够用于远程检测工程结构上涂层表面的健康状态。在一个示例性方面中，该检测系统利用 光纤干线或网络将一个或多个检测器的阵列与中央控制系统进行连接，以产生电化学阻抗 谱(EIS)测量，中央控制系统能够利用该电化学阻抗谱(EIS)测量提供在测特定工程结构 的实时涂层信息。EIS是一种测试方法，用于通过测量电压和电流的复频相关性描述材料和电属性 特性。在测试过程中，当在工程结构与测试设备之间使用电连接电缆时，能够用于测量EIS 响应的宽频范围，IMHz到0.001Hz，会受到电磁干扰(EMI)的挑战。诸如温度变动等其它因 素也能够影响由电缆传送的电信号。在一个优选方面中，该测试方法和系统通过利用光纤 网来测量并收集EIS数据。本文示例性方面中描述的光纤网络对EMI不敏感，并且光信号 能够传播长距离而且将EIS信息从工程结构返回发送至中央站而不会产生明显失真。在这些示例性实施方式中，检测方法和系统能够被构造为通过数据采集系统提供 关于工程结构的一个或多个物理条件的实时周期性(例如，每小时、每天、每周)数据。与 “预防性”维护不同，这种类型的数据采集系统能够提供针对工程结构的“条件性”维护的实 时数据，从而通过提供数据来更好地排程管理这些对象或结构的维修或替换，以帮助将工 程结构或对象的工作寿命最大化。此外，通过使用光纤干线，可以将控制器系统置于距离正 在监视的工程结构的远距离处(例如，1公里到10公里或更远，其根据光纤传输线的长度测 得)。根据本发明的一个示例性实施例，图IA示出了检测系统100的示意图。检测系统 100包括称为控制器150的中央控制系统，该控制器150经由传输光纤105a连接到传感器 阵列120a。在这个示例性实施例中，传感器阵列120a包括多个传感器(在这个例子中，为 了简明显示了一组6个传感器(130a-130f))，这些传感器连接到数据传输光纤105a/106a。 在示例性方面中还可以使用返回信号光纤107a。传感器阵列120a设置在工程结构110的 表面112上。具体地讲，如下文更加详细的描述，传感器阵列的传感器能够被构造为向中央 控制器提供EIS信息。如下文更加详细的描述，本发明的实施例还可以利用不同类型的传 感器。在示例性实施例中，涂层140涂敷到工程结构110的表面112上。传感器 130a-130f被构造为具有非常薄的设计(例如，感测部分厚度在大约13 μ m到大约75 μ m)， 从而使得这些传感器易于设置在表面112与涂层140之间。通过这种方式，这些传感器能 够同时提供关于涂层140和工程结构110的健康状态的数据。工程结构110可以是暴露于自然因素，例如，水、海水、雨、风等等的任何类型的结 构或对象。结构110的物理组成可以是例如钢等金属、碳纤维复合物、陶瓷或例如玻璃纤维层合物等基于玻璃纤维的材料。在示例性实施例中，检测系统100可应用于油/气/水管道平台(例如，见图5)。 例如，可以沿着由于物理界限而很难进行目视检查的地上或水下/地下油/气/水管道的 长度分布传感器。本发明实施例的远程感测属性能够向用户提供从几千公里以外查询传感 器的能力。因此，中央设置的控制器能够沿着管道远程检测各个远程位置处，尤其是许多管 道连接点处的涂层和/或结构的健康状态，管道连接点称为环焊缝。由于这些许多的环焊 缝均暴露于苛刻的环境条件，因此由示例性检测系统100检测的实时周期性涂层和/或结 构的健康状态评估能够提供关于维护计划的重要信息。例如，图5示出了示例性的管道段110'。该管道段通过光纤105a(和可任选的 独立的返回光纤107a)光耦合到中央控制器150，光纤105a(和可任选的独立的返回光纤 107a)将光信号传送到中央控制器并且从中央控制器传送光学信号。管道段110'包括多 个传感器单元，例如传感器130a和130b (为方便起见仅显示了两个传感器单元)。在一个优 选方面中，这些传感器设置在管道系统的不同位置处。在这个例子中，传感器130a和130b 分别设置在环焊缝112a和112b处。由于管道的环焊缝部分在管段焊接在一起以后进行涂 覆，所以这些位置更易受腐蚀作用的影响。在不同的方面，每个环焊缝可以包括一个或多个 传感器(例如，围绕环焊缝缠绕的一组传感器)。一系列插接装置161a-161b能够用于将产 生于中央控制器的光信号的一部分分出。在下文描述关于这些部件操作的进一步的细节。根据替代实施例，检测系统100能够与其它类型的工程结构一起使用，所述工程 结构例如为海洋平台(例如，船只或其它船舶)、隧道、桥梁和航空器，其也易受腐蚀或其它 形式的物理性劣化。为了保护结构110，涂层140可包括例如环氧基涂层或油漆等涂层。例如，这个 涂层可以是可得自3M Company, St. Paul, Minnesota的用于管道应用的常规熔结环氧树 脂O7BE)涂层。其它涂层可以包含聚酰胺环氧树脂和其它涂层环氧树脂(例如，可得自3M Company (St. Paul,Minnesota)的产品2216A/B)。如下文详细描述的，检测系统100能够用 于检测涂层140的健康状态特性。根据一个示例性实施例，中央控制器150能够远离正在监视的特定工程结构110 设置。在一个优选方面，控制器150包括数据采集系统151、光源152、调制器153、信号发生 器157(其可以独立于调制器153或是调制器153的一体部分)和比较电路155。其它部件 还可以包括复用器154、检测器159和光循环器156。在一些方面，控制器还可包括光谱分 析器165。在一个优选方面，控制器150能够确定工程结构110的EIS响应。在操作中，光源152能够产生一个或多个不同的光信号。由光源152产生的光信 号经由传输光纤105a传送至传感器阵列120a。在一个优选方面，控制器150发送和接收光 信号。返回光信号可通过单独的返回光纤107a或通过传输光纤105a导向到中央控制器。 在一些方面，返回信号可以直接馈送到检测器159。在其它方面，返回信号可以由光循环器 156导向到检测器159或者(可任选地)导向到光谱分析器165。可选择的是，由控制器150 控制的光开关158可用于向其它工程结构和/或其它传感器阵列，例如传感器阵列120c分 布光信号。通过使用一个或多个光信号与整体系统的一个或多个传感器阵列进行通信，可 提供长距离连接，并且基本上减少或消除存在于基于电线的网络中的电磁干扰(EMI)信号 劣化。
在一个方面中，数据采集系统151能够被构造成服务器或其它基于计算机的装 置，其与光源152、调制器153 (可任选的)、信号发生器157 (可任选的)、比较电路155和 光开关158(可任选的)进行通信。数据采集系统151可包括接口装置以及用于数据存储 和显示的计算机。例如，数据采集系统可包括具有接口卡(例如，GPIB卡)的计算机，用于 与信号发生器/调制器和比较电路进行通信。另外，数据采集系统能够连接到独立的显示 器，从而向用户提供例如实时涂层条件数据等图形数据。由于数据采集系统151可以是计 算机、服务器或基于计算机的装置，所以可通过装载其上的应用软件程序执行数据收集、操 纵、分析和传送。相似的数据取回、解码和存储过程可用于系统中使用的所有传感器或传感 器组能够利用。如果传感器指示发生涂层或结构劣化，则可向用户提供提示信息(例如，以 音频和/或视频格式)。或者，当用户请求时能够显示数据。能够采用自动化过程以实时、 周期性方式启动数据取回和分析。在一个方面，对于EIS测量，光源152包括一个或多个不同的(相对)窄带光源， 这些窄带光源的每一个具有不同波长的输出，产生具有多个单独的波长通道X1-XnW* 输出信号。例如，这组窄带光源可包括一组激光光源或一组二极管光源，例如激光二极管 或LED，每个具有不同的输出波长X1-Xntj例如，可独立使用具有λ^ληΗ^^ΠΙδδΟηπι、 1550. 5nm、1551nm…1570nm)的不同波长输出的二极管。如图IA所示，示例性光源152可包 括单独的光源152a和152b。由光源152a和152b产生的分开的波长信号可由复用器154进 行复用，并且沿光纤105a和106a进行传送。在这种类型的系统中，两个信号能够用于对系 统中的所有传感器进行查询。在另一种替代形式中，光源152可包括一个或多个可调激光 器，这些可调激光器产生更宽波长范围的激光输出(例如，激光输出跨越10-20 μ m范围)。 在另一种替代形式中，光源152可包括具有(相对)低谱功率密度的一个或多个连续的宽 带光源(例如灯)。例如，还可使用诸如放大自发辐射光源等光源。在一个优选方面，调制器153和/或信号发生器157可提供AC信号，以对由光源 152产生的一个或多个光信号进行调制。调制信号(AM)向外发送至远程传感器。在一个方 面，信号发生器157可以是AC信号发生器，其中，AC输出信号能够通过外部功率放大器进 行放大来加入DC偏压，所得的偏压AC信号被提供给施加到光调制器153，该光调制器153 以受控方式对光源的输出进行调制。在一个方面，激光源152a输出波长λ工的第一光信号， 而激光源152b输出波长λ 2的第二光信号。第一激光源可耦合到调制器153，以使光信号 λ工可在频率ω进行调制，而第二激光信号λ 2没有被调制(反之亦然)。在阻抗测量过程 中，频率ω可以改变(例如，从0. ΟΟΙΗζ-ΙΜΗζ，或者更加优选为从0. IHzto IMHz)，从而能 够进行完整的谱测量。还可使用其它频率扫描。复用的信号于是能够沿光纤105a进行传送。在一个方 面，光纤105a可运载传送的信号和返回信号。在另一个方面，返回信号能够在单独的光纤 干线，例如光纤107a上进行传送。本领域普通技术人员基于本发明应该明白，对于多波长 光源152，几个不同波长的光信号能够被调制，而几个其它光信号没有被调制。如下文详细 描述的，比较与发送和返回的信号关联的信息可提供进行EIS测量的基础。多波长光信号沿光纤105a发送至第一传感器阵列120a。光纤105a可以是常规的 通信光纤，例如，可得自Corning，Inc. (Corning, NY)的SMF28 光纤，或者是在通常的光通 信波长区域1300nm或1550nm之外的波长区域进行工作的不同的光纤。可任选的是，光信号还可以经由开关169分布到另外的传感器阵列120b。如果使用返回光纤，例如光纤107a， 则返回光纤的构造可以与发送光纤相同。如图IA的实施例所示，在传感器阵列120a处接收的光信号(具有波长A1-Xn) 可通过一系列插接装置161a-161f传播到各个传感器130a-130f。在一个优选方面，插接装 置161a可包括解复用器，其用于将输入信号的一部分(例如，第一和第二光信号λ” λ2) 传播至传感器130a，而将剩余信号λ 3-λ n传播至阵列的其它传感器(传感器130b-130f)。在另一个实施例中，如图IB所示，传感器阵列120d可包括多个单独的传感器(在 这个例子中为传感器130a-1301)。这里，每个单独的传感器直接连接到控制器150 (例如通 过光纤105a-1051和可任选的由返回光纤107a_1071)。这里，还可使用返回信号光纤(未 示出)。在这另一方面中，插接装置(例如，插接装置161a-161f)不是必需的。如图2的横截面图所示，传感器130a可设置在结构110的表面112上。传感器 130a可通过粘合剂，例如防潮双组分环氧树脂(例如，可得自Tra-Con Corp. (Bedford, MA) m Tra-Con 2151粘合剂))或者双面胶或转移胶，例如可得自3M Company, (St. Paul, Minnesota的3M VHB)固定到表面112。传感器130a可通过光纤105a/106a以及(可任 选的)返回光纤107a与中央控制器150进行通信。涂层140涂敷到表面112来防止结构 110受到外部物质或材料160的腐蚀影响。如下文更加详细地说明，传感器130a可检测涂 层140的健康状态(例如，监视阻抗)，从而在涂层140恶化时以及结构110开始受到腐蚀 时提示总体涂层健康状态。如图IA所示，传感器阵列120a可包括几个单独的传感器130a_130f。当然，在传 感器阵列120a中可采用更多数目的传感器或更少数目的传感器，这取决于工程结构的大 小或特定应用。在一个优选方面，每个单独的传感器可具有相同的基本结构。例如，如图3A 和3B所示，传感器130a可形成在柔性聚酰亚胺基底上(下文更详细描述)并且可包括布 置其上的光电接口 134。或者，各传感器可具有不同的结构。在一个方面，光电接口 134可设置在诸如基于聚合物的材料等基材上，例如聚酰 胺、聚酯、液晶聚合物或丙烯酸类树脂材料。该基材可对光电接口 134和/或具有盖部的密 封件(未示出)的一部分提供支承。该基材和/或传感器的其它部分可以通过诸如得自3M Company (St. Paul,MN)的VHB粘合剂等粘合剂粘附到工程结构110的表面。还可以提供保 护性涂层或密封剂133，以保护部件和相互连接避免露出。可任选的是，为了进一步保护，可 提供诸如硬塑料等封装盖材料的外部保护壳。整个包装厚度可保持为大约100 μ m到大约 1000 μ HIo光电接口 134可包括光信号解复用器137 (见图3Β)。在一个方面，解复用器137可 包括基于薄膜的通道选择器，其选择一个预定通道或多个通道(例如，入工和λ 2)。此外，每 个传感器的光信号解复用器可通过每个单独的传感器的波长λ η识别每个单独的传感器。 如图3Β所示，光信号解复用器137可用于将光信号分裂在两个通道中，例如，通道139a和 139b中。在一个方面，解复用器137选择信号λ 2，并且沿通道139a将其发送，而信号X1 沿通道139b发送。传感器130a可还包括PIN 二极管阵列135，优选包括PIN光生伏打二极管阵列， 用于接收一部分光信号，并将其转换成电能。如图3B示意性所示，信号X1沿通道13%发 送至PIN 二极管阵列135，该二极管阵列135接收光信号并且产生电能。在一个优选方面，当信号λ 1在中央控制器处在频率ω下进行调制时，由PIN 二极管阵列135产生的电信号 也在频率ω下进行调制。该电能能够用作用于调制装置的电源，在这个示例性方面，调制 装置为电致变色开关136。当信号X1进行调制时，来自二极管阵列的电信号还将为电致变 色开关136提供调制电源。在这个示例性方面，信号λ 2沿通道139a发送至电致变色开关 136。电致变色开关136接收第二光信号λ 2，并且对先前DC信号进行调制，以使得对在通 道139c上传送的λ 2的返回信号进行调制。如下文所述，由于感测部分132连接到电致变色开关136的电源，所以调制装置 (电致变色开关136)可用的电能量可能取决于保护性涂层140的状况。如图3C所示，示例性电致变色开关136可包含两种具有光传输性质的材料136c 和136d，电压敏感材料136a设置在这两种具有光传输性质的材料136c与136d之间。电压 敏感材料136a例如可包含三氧化钨。电解质136e设置在电压敏感材料与层136f之间，该 层136f优选为五氧化钒层。电解质层136e对施加的电压V提供电荷迁移机制，其中，五氧 化钒层136f可在电致变色开关调制过程中提高对比度。在一个方面，可以设置具有光传输 性质的基底136b，该具有光传输性质的基底136b连接到返回信号光纤139c (并且连接到返 回信号光纤107a)。在另一个方面，传输材料136d可涂覆高反射性涂层以替代基底136b， 从而提供通过调制器反射回的返回信号。在另一个方面，调制装置可以包括微电致变色开关。在待审的美国专利申请公开 号No. 2008-0150555-A1中描述了制造基于光纤的微电致变色开关及其部件的详细内容， 该美国专利公开号NO.2008-0150555-A1的全部内容以引用方式并入本文。在待审美国专 利申请公开号No. 2008-0150555-A1中特别描述的微开关最适于将返回信号反射回中央控 制器。在另一个方面，能够对这种微电致变色开关进行修改以用于包括返回光纤的光学系 统中(例如，通过去除后反射器和附接返回光纤)。这种系统可具有形成在光纤末端上形成 或者形成在传输光纤与返回光纤的末端之间的极其紧凑的结构。传感器130a还包括传感器部分132。在一个优选方面，阵列感侧部分132可包括 一种电极结构，这种电极结构具有交叉指型基于金属(例如，金、银、铜)的电路，这些交叉 指型基于金属的电路可用作电化学/腐蚀测量的阳极和阴极，并且可形成于柔性聚酰亚胺 基底上。此外，传感器130a的一部分可由它自身的保护性覆膜133进行涂覆(例如，覆盖传感器的电/光转换部分，但是保留感测部分132 暴露于结构110和涂层140)。在一个示例性实施例中，感测部分132形成于薄的柔性基底 材料上，例如，形成于可以商标名称为3M Flex得自3M公司(St.Paul，MN)的3M的柔性电 路材料上。在美国专利No. 6，320，137中描述了用于制造这种柔性电路的示例性制品和方 法，其中，该美国专利的全部内容以引用方式并入本文。“柔性”是指能够对传感器及其基 底(如果使用)可弯曲，而感测部分不会剥离(例如，感测部分能够经受在非常小的曲率半 径下的90度(或更大)弯曲，或者甚至可以弯曲尖锐直角或者进行折叠，而不会损失其传 导质量)。例如，感测部分132可包括例如聚酰亚胺材料等基底。传感器电极结构可以基底 上的图案化的多层材料形成，所述基底上具有例如铬粘结层、铬粘结层上的铜(或其它导 电)层以及铜层上的银(或者金或其它金属)层。基于本发明应该明白，还可以采用其它 多层结构。因此，具有示例性阴极-阳极结构的感测部分132能够提供测量以前难于进行
10监视的位置处的阴极与阳极之间的阻抗。在另一个实施例中，感测部分132可被构造为由对水敏感的化学物质，例如铝、铁 或锌形成的电极。当化学物质与水进行反应时，正在测量的阻抗或电阻中将会发生变化。基 于本发明，对本领域普通技术人员显而易见的是，还可以采用其它的腐蚀敏感物质。操作中，在一个方面，调制装置，即电致变色开关136，由PIN 二极管135的输出进 行供电。如图3B的示意图所示，感测部分132优选具有这样的电极结构的物理构造具有 形成在柔性聚酰亚胺基底上的交夹指形的基于金属的电路。在一个优选方面，电致变色开 关136与交叉指式的感测部分132并联设置。或者，电致变色开关136可与交叉指式的感 测部分132串联设置。例如，在初始阶段，涂层140的质量是好的。因此，由感测部分132导致的电阻/ 阻抗很高。结果，在这些初始条件下，在电致变色开关136上施加AC电压(V)产生具有大 振幅的AC电压信号。当电致变色开关136上的AC电压(V)具有大振幅时，电压敏感材料 136a通过(相对)大的振幅调制对输入信号(λ2)进行调制，从而使得返回到控制器150 的返回λ 2信号的振幅(A)很高。在以后阶段，在暴露于腐蚀性元素以后，涂层140的质量劣化。因此，由于感测部 分132导致电阻/阻抗下降。结果，电致变色开关136上的AC电压(V)具有较小振幅。当 电致变色开关136上的AC电压(V)具有较小振幅时，电压敏感材料136a通过较小振幅对 输入信号(λ2)进行调制，从而使得返回入2信号具有(相对)较小的振幅(A)。因此，操 作员能够确定远处的涂层140的相对健康状态。基于本发明，对本领域普通技术人员显而易见的是，还可以采用该操作的其它变 型。尽管以上描述限于入工和λ 2@，但是本发明的各方面不限于此，例如，入3和λ4信号 可发送至传感器130b，入5和λ 6信号可发送至传感器130c等等。因此，在一个优选方面， 在其它传感器位置(130b-130n)处产生对应于工程结构的其它位置处涂层健康状态的其 它信号(λ3-λη)。因此，例如光谱分析器165等光谱仪装置可用于控制器，以分析返回光 信号。或者，中央控制器能够使用一个或多个解复用器(未示出)来将随波长变化的返回 信号分离。在一个优选方面，当调制的λ 2信号经由返回光纤107a返回至中央控制器150时， 测量λ 2信号的振幅，并且可将这个返回信号的相位特性与用于调制X1信号的AC信号进 行比较，从而提供确定准确的EIS测量的所需数据。例如，调制的λ2信号返回至中央控制 器150。在一个方面，返回信号设置在返回光纤107a上，并且被引导至检测器159。在另一 个方面，返回信号可经由光纤105a到达中央控制器，并且可由光环形器156引导至检测器 159。调制的返回λ 2信号由检测器159转换成电信号，该检测器159优选包括一组或 多组PIN光电二极管，例如光生伏打二极管。这种调制的电信号馈送至比较电路(例如，包 括可商购的数字锁相放大器)。比较电路155包括一组输入，该组输入中的至少两个输入包 括用于来自检测器159的转换信号的输入以及来自信号发生器157和/或调制器153的输 入。可使用锁相放大器或类似装置对这些信号进行比较，以确定相差或时间延迟。然后测 量的信号可馈送至主控制电路151，以计算特定传感器或多个传感器的EIS测量。对于完整 的EIS测试，调制器/信号发生器的频率可改变(例如，扫描过频率ωι、ω2、ω3等等)，并且在不同频率进行测量。更具体地讲，在一个优选方面，可按照下述进行利用上述系统的工程结构EIS测 量。在中央控制器150处，可由信号发生器157/调制器153产生频率为ω的调制的AC信 号(tl)。这个调制的信号馈送至光源152，从而使得光源152的至少一个输出信号(例如 I1)是频率为ω的AM光信号。对于全谱覆盖，频率ω可在宽的频率范围(在一个方面，从 0. OOlHz到IMHz，或者，在另一个方面，从0. IHz到IMHz或者更小)上进行扫描。AMXjf 号通过复用器与至少一个非调制(优选DC)光信号(例如，λ2)混合，并且复合信号经由光 传输线，例如光纤105a发送至布置在工程结构上的至少一个远程设置的传感器或传感器 阵列(例如，传感器阵列120a)。传感器包括感测部分，例如图3A所示的设置在保护性涂层 与工程结构110的表面之间的感测部分132。传感器优选具有电极结构的物理构造，该电极 结构的物理构造具有形成在柔性聚酰亚胺基底上的交叉指式的基于金属的电路。在特定的传感器位置处，例如传感器130a处，复合信号由解复用器，例如解复用 器137解复用成至少第一和第二光信号分量。第一光信号分量，例如调制的X1信号，可由 光电二极管阵列135转换成电信号，从而所得的调制电信号可在所择的频率ω下对调制装 置，例如电致变色开关136供电。第二光信号分量，例如λ 2信号，通过电致变色开关136 (或 者可任选地由电致变色开关136反射)，所述电致变色开关136在频率ω下对λ 2信号进 行调制。由于调制装置电连接到传感器头的感测部分，所以涂层的状态可影响调制的返回 λ 2信号的相位(或者时间延迟)和振幅。当前调制的光信号λ 2经由单独的返回信号光 纤，例如光纤107a或者光传输线105a从远程传感器返回，并且由中央控制器接收。返回的 光信号λ 2由检测器，例如检测器159转换成电信号t2。然后转换的返回信号馈送至比较 器，例如比较电路155。由信号发生器157/调制器153产生的与振幅调制光信号λ :对应 的另一个电信号tl也馈送至比较器。比较器测量t2信号和tl信号之间的相对相差或时 间延迟，以及光信号λ2转换的电信号t2的振幅A。根据相差和振幅测量，由PIN 二极管进 行供电的同时进行测量的远处的调制装置的光响应可按照P1(Q) = Αβαφ)进行计算。Rc ( ω )因此，传感器头及其紧挨围绕物(包括该位置处的涂层140和工程结构110)的电 抗可按照下式确定^c (<y) =-----⑴
尸ι⑷其中，R0(Q)是远程调制装置的初始阻抗(可由制造商提供或者可在安装之前使 用标准EIS设备测得)，其中，Pci(Co)是由PIN 二极管进行供电时所测的远程调制装置的 初始光响应(在涂敷涂层并且将传感器头连接到工程结构的表面之前)，并且如上所述，其 中，P1(GJ) = Αθαφ)0为了提供全谱测量，则针对不同频率值(O1到(^重复上述过程，以根据变化的频 率重复收集振幅和相位信息。在实施过程中，从大约0. IHz到IMHz的频率范围可提供合适 的谱信息。使用以上设计，本文所述的检测系统的示例性实施例可提供非破坏性的底部涂层 传感器。此外，传感器可以构造在柔性可弯曲基底上，从而使用户可以将传感器安置在工程结构的诸如非平坦表面(例如，弯头和拐角以及其它锐角位置周围)的关键区域。由于保 护性涂层可能没有均勻地涂敷在拐角和其它锐角位置处，所以这些位置更易受到腐蚀或其 它类型的劣化事件。例如，如图4A和4B所示，示例性传感器130a可以设置在围绕I型梁 的边缘可能出现的单个拐角表面111 (图5A)或多个拐角表面113 (图5B)上。因此，根据以上的示例性实施例，可设置嵌入式腐蚀传感器以检测传感器头及其 紧挨围绕物的实时阻抗特性(包括涂层健康状态和结构健康状态)。由于这些传感器可以 形成在柔性基底上，所以能够向用户提供更多特定位置的实时测量。另外，这种薄电路(例 如，大约0.001英寸厚)可安置在保护性涂层与结构之间，而不会不利地影响涂层状况。另 外，数据采集系统可提供腐蚀相关事件的实时测量。这种腐蚀传感器可帮助降低腐蚀相关 损坏的直接和间接成本。鐘在第一实验中，测量传感器头(具有与上述的传感器132的构造相似的构造)的 阻抗。传感器头由环氧基涂层覆盖，并且浸入盐水浴中。具体地讲，传感器头浸涂有大约5 密耳的军用规格24441环氧树脂涂层，并且允许在浸入人工(ASTM)海水浴中之前固化24 小时。AC信号在频率ω下对传感器头进行供电。在这个实验中，使用常规的铌酸锂调制器 替代电致变色开关。1.5 μ m连续波(或DC)光信号沿着短长度(3m)光纤(得自Corning， Inc.的SMF-28光纤)传输通过与传感器头并联的调制器。光电二极管将调制的返回信号 转换成电信号。在图6A和6B中显示了所测的返回信号的相对强度(为频率ω的函数) 和关于AC功率信号相位的返回信号相对相位(频率的函数)。进行了若干次试验，并且图 说中进行了详细说明。针对传感器头计算阻抗(使用以上公SP1 (ω) =Aeii40,并且显示 在图6C中(以频率的函数)。这个实验的附图表明，随着涂层劣化，相位发生变化，并且信 号强度相对增大。在另一个实验中，进行对比EIS测试，其中，与以上详细描述的方法相似的基于光 的EIS测量方法与标准EIS测量进行比较。在这两种测试中，进行特定涂层的劣化，这里特 定涂层是环氧基军用规格24441涂层。传感器头(具有与上述传感器132相似的构造)由 24441涂层覆盖，并且浸入人工(ASTM)海水中。对于光EIS测试，1. 5 μ m连续波(DC)光信 号沿短长度(3m)光纤(得自Corning，Inc.的SMF-28光纤)传输通过与传感器头并联的 铌酸锂调制器。光电二极管将调制的返回信号转换成电信号。图7A和7B分别显示了基于光和基于电的EIS测量结果，其中，传感器的阻抗作为 频率的函数进行测量。进行了若干次试验，并且图说中进行了详细说明。值得注意的是，在 浸入两天以后升高水浴的温度，以加速涂层劣化。多个基于光的EIS阻抗测量(图7A)轨 迹与基于电的EIS测量(图7B)相似。大小的差别可能是由于用于调制器的估计的初始阻 抗值造成的。然而，光EIS和电EIS测量均显示出频率范围内阻抗下降大约5个数量级。各种修改、等效过程以及本发明可应用到其上的各种结构对于本发明所涉及的领 域的普通技术人员在阅览本发明的说明书之后都将是显而易见。
权利要求
一种测量传感器及其紧挨围绕物的阻抗谱的方法，其中所述传感器设置在工程结构上，并且涂覆有保护性涂层，所述方法包括提供具有第一调制频率和振幅的第一光信号；将第一光信号和第二光信号从第一位置传送至传感器位置；以第二调制频率和振幅对第二光信号进行调制，所述第二调制频率和振幅从所述第一光信号转换而来；以及将第一调制频率与第二调制频率进行比较，以确定相差和时滞之一，并且作为频率的函数来计算传感器及其紧挨围绕物的电化学阻抗谱。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述传送步骤包括将第一光信号和第二光信号复 用成复合信号，将所述第一光信号进行振幅调制，所述第一信号具有第一波长，所述第二光 信号具有连续功率，并且具有与第一波长不同的第二波长。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述调制步骤包括通过调制装置对第二光信号进 行调制，所述调制装置电连接到所述传感器并且由包含第一光信号电转换的信号供电。
4.根据权利要求2所述的方法，还包括在传感器位置处将复合光信号分解成至少第一 和第二光信号。
5.根据权利要求3所述的方法，还包括将调制的第二光信号传送至第一位置；以及在第一位置处检测调制的第二光信号。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述计算步骤包括基于下面的公式计算传感器 及其紧挨围绕物的电化学阻抗谱
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述计算步骤包括在从大约0.IHz到大约IMHz 的频率范围上计算电化学阻抗谱。
8.一种监视工程结构的物理条件的检测系统，包括第一传感器，能够设置在工程结构上，并能够设置在工程结构的表面与基本上覆盖所 述表面的保护性涂层之间，所述第一传感器包括调制元件；控制器，用于从传感器取回数据，所述控制器包括比较电路和用于提供频率为ω的C 信号的信号发生器；以及一个或多个光纤，将由所述控制器产生的光信号耦合到第一传感器，其中所述第一传 感器提供与所述工程结构和保护性涂层对应的电化学阻抗数据。
9.根据权利要求8所述的检测系统，其中所述控制器还包括光源，用于产生光信号，其中所述光信号包括第一波长的第一光信号，所述第一光信 号具有第一调制频率和振幅，其中所述第一调制频率和振幅对应于所述AC信号；和第二波 长的第二光信号，所述第二光信号具有连续的功率。
10.根据权利要求9所述的检测系统，其中所述一个或多个光纤包括向第一传感器传 送第一和第二光信号的第一光纤，其中所述一个或多个光纤还包括从第一传感器向控制器 传送返回光信号的第二光纤，所述返回光信号包含调制的第二光信号，所述第二光信号具 有第二调制频率和振幅，所述第二调制频率和振幅从第一光信号转换而来。
11.根据权利要求9所述的检测系统，其中所述控制器还包括光复用器，所述光复用器将第一和第二光信号合并为复合信号，所述第一波长与第二 波长不同。
12.根据权利要求9所述的检测系统，其中所述传感器包括传感器头，具有图案化的导电元件，所述图案化的导电元件设置在安装于所述工程结 构上的柔性基底上，并且由保护性涂层覆盖；调制装置，电连接到所述传感器头，以接收第二光信号；光信号解复用器，其中所述解复用器沿第二光路发送第一光信号，并且沿第一光路发 送第二光信号；以及光电二极管阵列，设置在第二光路上，用于将第一光信号转换成电信号，其中所述调制 装置沿第一光路布置，并且其中所述调制装置由来自所述光电二极管阵列的电信号供电。
13.根据权利要求12所述的检测系统，其中所述调制装置包括电致变色开关。
14.根据权利要求8所述的检测系统，其中所述控制器还包括用于接收和检测返回光 信号的检测器。
15.根据权利要求8所述的检测系统，其中所述工程结构包括管道系统的管道和环焊 缝部分之一。
全文摘要
本发明公开了一种测量传感器及其紧挨围绕物的阻抗谱的方法和系统。传感器设置在工程结构上，并且涂覆有保护性涂层。该方法包括提供具有第一调制频率和振幅的第一光信号。该方法还包括从第一位置到传感器位置传送第一光信号和第二光信号。该方法还包括通过第二调制频率和振幅对第二光信号进行调制，该第二调制频率和振幅从第一光信号转换而来。该方法还包括将第一调制频率与第二调制频率进行比较，以确定相差和时滞之一，并且作为频率的函数来计算传感器及其紧挨围绕物的电化学阻抗谱。
文档编号G01N27/26GK101952714SQ200880127291
公开日2011年1月19日 申请日期2008年11月20日 优先权日2007年12月20日
发明者加里·A·施里夫, 史蒂文·Y·余, 王丁 申请人:3M创新有限公司