用于结构健康监测的传感器和系统的制作方法

专利名称:用于结构健康监测的传感器和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及结构诊断学，特别是涉及用于结构健康状况监测的诊断网络 补丁(面P)系统。
相关申请
本申请享有美国临时申请号60/505， 120的优先权，其名称为"用于结构 健康监测的传感器和系统"，申请日为2003年9月22日，其内容全部包括 在本发明中。
背景技术：
所有的正在使用的结构都需要进行适当地检查和维护，需要对其完整性 和健康状况进行检查，以延长它们的寿命，防止形成灾难性的故障。显然， 结构健康监测已经成为当今的一个重要课题。人们采用了大量的方法来鉴别
结构的缺陷或损坏，这些方法包括传统的目视检查和非破坏性技术，例如 超声波和涡流扫描、声发射以及X射线检查。这些传统的方法至少需要将正 在服务的结构临时移开以便进行检测。虽然这些方法仍用于单独位置的检测， 但是它们很费时而且费用很高。
随着传感器技术的发展，新的用于现场结构完整性监测的诊断技术有了 很大的发展。典型的是，这些新技术利用设置在主体结构内的、带有合适的 传感器和激励器的传感系统。但是，这些方法存在的缺点在于，在最小的人 为操作的干涉下，不能提供有效的执行可靠的传感器网络系统的在线方法以 及/或精确的能够进行诊断、分类和预测结构状况的监测方法。例如，在Wu
等人的美国专利5, 814， 729中揭示了一种通过检测叠层复合材料中振动波的 阻尼特性的变化来定位结构中的分层区的方法。压电装置作为激励器来产生 振动波，具有不同光栅位置的光缆作为传感器来捕捉波信号。这一系统的缺 点在于，不能提供大量的激励器阵列，因此，每个激励器和传感器都必须单 独设置。由于这种损坏检测是基于沿着视线路径在激励器和传感器之间传播 '的振动波的变化，所以，这种方法不能对位于路径之外的、或者结构边界周 围的损坏进行检测。
另一种用于损坏检测的方法见于Blazic等人的美国专利5， 184， 516，其. 中揭示了一种用于结构健康监测和评估的自含式保形电路。这种保形电路由 多个叠层和应变传感器追迹(trace)组成，通过每个传感器测量其相应位置 的应力的变化，从而确定保形结构的缺陷。保形电路是一个被动的系统，艮P， 它没有用来产生信号的激励器。类似的被动传感器网络系统见于Marmu:r， J. 等人的美国专利6，399，939。在Mannur的这一专利中，对于将planner纤维 植入复合结构中的压电陶瓷-纤维传感器系统进行了说明。这些被动方法的缺 点在于，它们不能监测传感器之间的内部分层和损坏。而且，这些方法只能 在设置有电路和压电陶瓷纤维的区域内检测主体结构的状况。
在Chang等人的美国专利6, 370， 964中揭示了一种用于对结构的损坏进 行检测的方法，其中揭示了一种被称作"斯坦福多激励器一接收器转换(SMART) 层，，(Stanford Multi- Actuator-Receiver Transduction (SMART) Layer) 的传感器网络层。这种SMART层包括等距设置的压电陶瓷传感器/激励器，并 与夹在压电陶瓷传感器/激励器(或者，简称为压电陶瓷)之间的挠性介质膜 固化在一起。激励器产生声波，传感器接收声波并将其转化为电信号。为了 将压电陶瓷连接到电子箱上，铠装的电线通过常规的挠性电路技术被腐蚀并 层压在底层之间。因此，需要大量的挠性底层区来覆盖铠装电线区。另外， 需要将SMART层和由复合结构层制成的主体结构进行处理。由于在处理过程
中高温循环所引起的内部应力，SMART层^内的压电陶瓷会产生微小的裂纹。 而且，SMART层的底层会很容易地与主体结构分离。另外，很难将SMART层 插入或贴附在具有弯曲部的主体结构上，因此，施加在弯曲部的压负荷会很 容易使铠装电线折叠。有裂痕的压电陶瓷和折叠的电线容易产生电磁干扰噪 音并产生令人误解的电信号。在恶劣的环境中，例如热应力、场冲击和振动 环境中，SMART层对于结构健康监测来说不是一种耐用和可靠的工具。
而且，对损坏和/或有缺陷的激励器/传感器进行更换会由于需要拆除主 体结构而需要很多费用。
另一种用于对结构的损坏进行监测的方法见于Light等人的美国专利 6, 396， 262。 Light等人揭示了一种用于对结构的损坏进行检查的磁致伸縮的 传感器，这种传感器包括铁磁条和一个与铁磁条近距离安装的线圈。这种系 '统的主要缺点在于不能形成传感器阵列，因此，不能对位于传感器之间的内 部的损坏进行检测。
因此，需要一种在最小的人为操作的干扰下，能够快速地安装到现有的 和/或新的结构中并能提供可以进行诊断、分类和结构状况预测的有效在线方 法的有效、精确和可靠的系统。

发明内容
本发明提供一种附着在主体结构和/或金属结构上的诊断网络补丁(DNP) 系统。这种DNP系统包括激励器/传感器，能够检测主体结构的缺陷/损坏。 象人体的神经系统一样，DNP系统通过在激励器/传感器之间传递声波脉冲， 在主体结构内提供一个内部的波一射线通讯网络。
本发明的一个目的在于提供一种用于监测结构健康状况的装置，包括 绝缘层，m绝缘层上的至少一个缓冲层，附在缓冲层上的压电装置，设置 在压电装置上的模塑层，设置在模塑层上的覆盖层，以及连接介电装置的两 根电线，其中，压电装置能够产生和/或接收信号。
本发明的另一个目的在于提供一种用于监测结构健康状况的光纤线圈传
感器，包括巻状的光纤电缆(光缆)和涂覆在巻状的光缆上的涂层，其中，
在所述的光缆的巻制过程中施加预设的张力，涂层保持巻制的光缆的这种张 力。
本发明的第三个目的在于提供一种用于监测结构健康状况的装置，包括 绝缘层、附在底层上的至少一个传感器、包围所述的至少一个传感器并附在 所述的底层上的环形层、设置在所述的至少一个传感器上的模塑层以及设置 在所述的模塑层上的覆盖层。
本发明的第四个目的在于提供一种用于监测结构健康状况的装置，包括: 底层、顶层、位于顶层和底层之间的至少一个传感器，以及包围至少一个传 感器并连接顶层和底层的环形层。
本发明的第五个目的在于提供一种诊断补丁垫圈，包括 一个环形的、 在圆周方向有一个凹槽、在径向有一个槽口的支撑元件； 一个连接支撑元件 并设置在槽内的压电装置；与压电装置连接的两根电线； 一个连接支撑元件 并设置在槽内的光纤线圈传感器。所述的光纤线圈传感器包括巻状的光缆 以及涂覆于巻状的光缆上的涂层，其中，在所述的光缆的巻制过程中施加预 '设的张力，涂层保持巻制的光缆的这种张力。诊断补丁垫圈还包括一个用于 盖住所述凹槽的环形的盖子，两根电线和所述的光缆的两端从槽口通过。
本发明的第六个目的在于提供一个用于监测主体结构健康状况的诊断网 络补丁系统，包括按预定的方式连接在主体结构上的多个补丁，其中所述 的多个补丁中的至少一个能够接收由所述的补丁中的至少另一个所产生的振 动波。这一系统还包括连接多个补丁的电桥箱，所述的电桥箱包括一个用于 将多个补丁所接收的信号通过无线装置发送至地面控制系统的射频遥感系 统。
本领域的技术人员通过阅读以下对本发明的详细说明可以对本发明的这 些优点和其它优点以及本发明的特征有清楚的了解。


图1A为本发明的一个实施例中的补丁传感器的顶部剖面示意图。 图1B为图1A中的补丁传感器的侧面剖视图。
图1C为可以用于图1A的补丁传感器中的一个典型的压电装置的顶部示 意图。
图1D为图1C中的典型的压电装置的侧面剖视图。 图1E为本发明的另一个实施例中的补丁传感器的顶部剖面示意图。 图IF为图1E中的补丁传感器的侧面剖视图。 图1G为安装有图IE中的补丁传感器的复合结构的剖面示意图。 图1H为图IE中的补丁传感器的另一个实施例的侧面剖视图。 图2A为本发明的一个实施例中的混合式补丁传感器的顶部剖视图。 图2B为图2A中所示的混合式补丁传感器的侧面剖视图。 图2C为本发明的另一个实施例中的混合式补丁传感器的顶部剖视图。 图2D为图2C中所示的混合式补丁传感器的侧面剖视图。 图3A为本发明的一个实施例中的光纤补丁传感器的顶部剖视图。 图3B为图3A中的光纤补丁传感器的侧面剖视图。 图3C为安装在图3A的光纤补丁传感器中的光纤线圈的顶部剖视图。 图3D为图3C中的光纤线圈的另一个实施例的顶部剖视图。 图3E、图3F为图3C中所示的光纤线圈的其它实施例的顶部剖视图。 图3G为图3E中的光纤线圈的侧面剖视图。 '
图4A为本发明的一个实施例中的诊断补丁垫圈的顶部剖视图。 图4B为图4A中所示的诊断补丁垫圈的侧面剖视图。
图4C为本发明的一个实施例中，使用如图4A所示的诊断补丁垫圈的 螺栓连接结构的示意图。
图4D为本发明的另一个实施例中，使用如图4A所示的诊断补丁垫圈的 螺栓连接结构的示意图。
图5A为本发明的一个实施例中，包含一个传感器/激励器装置的问询系 统的示意图。
图5B为本发明的一个实施例中，包含一个传感器的问询系统的示意图。 图6A为本发明的一个实施例中，应用到一个主体结构上的诊断网络补 丁系统的示意图。
图6B为本发明的一个实施例中，具有条状网络结构的诊断网络补丁系 统的示意图。
图6C为本发明的一个实施例中，具有五边形网络结构的诊断网络补丁 系统的示意图。
图6D为本发明的一个实施例中，安装到由铆钉/螺钉连接而成的复合结 构中的i会断网络补丁系统的透视图。
图6E为本发明的另一个实施例中，安装到通过捆绑补丁进行修理的复 合结构中的诊断网络补丁系统的透视图。
图6F为本发明的另一个实施例中，控制远程诊断网络补丁系统的无线 通讯系统的一个实施例的示意图。
图7A为根据本发明的一个实施例的诊断网络补丁系统的示意图，其中， 成串的传感器形成条形网络结构。
图7B为根据本发明的另一个实施例的诊断网络补丁系统的示意图，其 中，成串的传感器形成五边形网络结构。
图8A为本发明的一个实施例中，具有串联的光纤线圈的成串传感器的 示意图。
图8B为本发明的另一个实施例中，具有并联的光纤线圈的成串传感器 的示意图。
图9为根据本发明的一个实施例中，激励器和传感器信号的坐标图。 优选的实施方式
具体实施方式
虽然为了进行说明，在以下的详细描述中包括许多具体的实施例，但是 本领域的普通技术人员知道，在本发明的范围之内还可以进行很多改变和改 造。因此，本发明的以下实施例无损于本发明的权利要求
，而且对本发明的 权利要求
没有限制。
图1A是本发明的一个实施例中的补丁传感器100的顶部示意图。图1B 是图1A中的补丁传感器100沿A-A方向的剖面图。如图1A和图1B所示，补
丁传感器100包括能够附在主体结构上的底层102;环形层104;用于产生
和/或接收信号(更确切地说是拉姆(Lamb)波)的压电装置108;用于提供机 械阻抗匹配以及减小底层102和压电装置108之间热应力不匹配的缓冲层 110;连接压电装置108的两根电线118a和118b;以及用于对模塑层120进 行保护和密封的覆盖层106。压电装置108包括压电层116;与电线118b连 接的底部传导片112和与电线118a连接的顶部传导片114。当通过电线118a 和118b施加预设的电信号时，压电装置108可以作为激励器(或者相当于信 号发生器)来工作。在施加电信号后，压电层116会变形并产生拉姆(Lamb) 波。而且，压电装置108可以作为接收器，来感知振动信号、将施加到压电层 的振动信号转变为电信号并通过电线118a和118b来传递电信号。电线118a 和118b可以是薄带形的金属线。
底层102可以通过结构粘合剂特别是热固性环氧树脂，例如丁基苯酚、 丙烯酸聚酰亚胺，丁腈酚醛树脂或芳香族聚酰胺粘贴在主体结构上。底层102 可以是绝缘层，用于隔热和防止电磁干涉，以保护附在其上的压电装置108。 在某些应用中，绝缘层102需要耐250'C以上的高温。
而且，绝缘层102应该具有低的介电常数，以减小信号传播延迟以及压 电装置108与其主体结构之间的互联电容和串音，还应具有高的阻抗，以减 少在高频下的能量损失。
底层102可以由多种材料制成。优选将美国特拉华州威尔明顿市杜邦公 司的Kapton聚酰亚胺用于一般用途，而将其它三种材料特氟隆全氟烷氧 基聚合物(Teflon perfluoroalkoxy， PFA)、聚对二甲苯(poly p-xylylene， PPX)和聚苯并咪唑(poly benzimidazole， PBI)用于特殊用途。例如，PFA 膜具有良好的介电性能和较低的介电损耗，适用于低电压、高温的场合。PPX -和PBI在高温下具有稳定的介电强度。
压电层116可以由压电的陶瓷、晶体或聚合物制成。压电晶体，如宾西 法尼亚州州立大学TRS陶瓷有限公司(TRS Ceramics, Inc.)生产的PZN-PT 晶体，由于其高应变能密度和低应变滞后，所以可以优选作为设计压电装置 108的材料。对于小规格的补丁传感器，日本东京的富士陶瓷有限公司(Fuji Ceramic Corporation)或宾西法尼亚州Mackeyville的APC国际有限公司 (APC International, Ltd.)生产的PZT陶瓷可以用作压电层116。顶部和 底部传导片H2和114可以由金属材料如铬或金制成，可以通过传统的喷 镀方法镀在压电层116上。如图1B所示，压电装置108只有两个传导片。但 是，普通的技术人员清楚地知道，压电装置108可以有具有不同厚度的多个 传导片，以优化压电层116产生/检测信号波的性能。每一片的厚度可以通过 安装有补丁传感器100的特定主体结构的热负荷和机械负荷的约束条件来决 定。
为了维持温度循环，压电装置108的每一层都要具有与其它层相近的热 膨胀系数。但是，组成底层102的典型的聚酰亚胺的热膨胀系数约为(4 6) Xl(T5K.l，而组成压电层116的典型的压电陶瓷/晶体的热膨胀系数约为3X 10—fiK—'。这种热膨胀的不匹配可能是导致压电装置108发生故障的主要原因。 压电装置108出现故障时，需要将补丁传感器100从主体结构上取下来进行 更换。前面己经提到，缓冲层110可以用来减小压电层116和底层102的热 膨胀系数不匹配的负面作用。
缓冲层110可以由导电的聚合物或金属制成，优选的为热膨胀系数为2
xicnr的铝(Ai)。由铝、硅或石墨制成的一层或多层缓冲层可以用来代替
缓沖层110或加到缓冲层110上。
在本发明的一个实施例中，由铝制成的缓冲层110的厚度几乎等于压电 层116的厚度，约为0.25mm包括两个厚度各约为0.05mm的传导片。通常， 缓冲层110的厚度可以由材料的性质和相邻层的厚度来决定。
缓冲层110可以增强压电装置108的双重功能耐热负荷性和稳定性。 在另一个实施例中，压电装置108在顶部传导片114上还有一个缓冲层。
缓冲层110的另一个作用是对底层102所接收的信号进行放大。由于由 补丁传感器IOO所产生的Lamb波信号沿着主体结构传播，由附着在主体结构 '上的另一个补丁传感器100所接收的信号强度会随着两个补丁传感器之间距 离的增加而下降。当Lamb波到达补丁传感器100所在的位置时，底层102
会接收信号。然后，在特定的频率下，所接收的信号被放大，这取决于缓冲 层110的材料和厚度。之后，压电装置108会将放大的信号转化为电信号。
由于湿气、移动的离子和不利的环境条件会降低补丁传感器100的性能
并减少其寿命，所以可以使用两个保护性的涂层 一个模塑层120和一个覆
盖层106。模塑层120可以由环氧树脂、聚酰亚胺或硅-聚酰亚胺通过普通的 涂覆方法制成。而且，模塑层120可以由低热膨胀的聚酰亚胺制成，并设置 在压电装置108和底层102上。由于模塑层120的钝化不能形成保形密封 (conformal hermetic seal)，所以可以将覆盖层106设置在模塑层120 上作为密封。覆盖层106可以由金属例如镍(Ni)、铬(Cr)或银(Ag)通过传 统的方法，例如电解法或电子束蒸镀和溅镀方法制成。在本发明的一个实 施例中，可以在覆盖层106上再覆盖一层环氧树脂或聚酰亚胺树脂薄膜，形 成保护层，防止刮擦和裂纹。
环形层104可以由介电绝缘材料，例如氮化硅或玻璃制成，并环绕安装 在底层102上的压电装置108的周围，以防止压电装置108的导电元件短路。
图1C为压电装置130的顶部示意图，这是本领域中的一种常规装置，可 以用来代替压电装置108。
图1D是图1C中的压电装置130沿B-B方向的剖面图。如图1C和图1D 所示，压电装置130包括底部传导片134;压电层136;与电线138b连接 的顶部传导片132;与电线138a连接的连接片142，以及将连接片142连接 到底部传导片134上的传导部144。顶部传导片132可以通过槽140与连接 片142电隔离。
图1E为本发明的另一个实施例中的补丁传感器150的顶部剖视图。图 1F为图lE中的补丁传感器150的恻面剖视图。如图1E和图1F所示，补丁
传感器150可以包括底层151;顶层152;环形层154;压电装置156;顶
部和底部缓冲层160a和160b;两根与压电装置108连接的电线158a和158b。 压电装置156包括压电层164;与电线158b连接的底部传导片166;与电 线158a连接的顶部传导片162。补丁传感器150的元件的功能和材料可以与 补丁传感器100的功能和材料相同。每个缓冲层160a和160b可以包括多于 一个的子层，每个子层可以由聚合物或金属构成。顶层152可以由与底层102 -相同的材料制成。
补丁传感器150可以被贴附于主体结构上用来监测结构的健康状况。而
且，补丁传感器150可以被设置在层压结构中。图1G为内部设置有补丁传感 器150的复合结构170的剖面示意图。如图1G所示，主体结构包括多个板 层172;以及设置在多个板层172中的至少一个补丁传感器150。在一个实 施例中，在进行制备之前，可以在板层172中充满粘合材料，例如环氧树脂。 在制备过程中，板层172中的粘合材料会充满空穴174。为了避免粘合材料 聚集，环形层154的形状应该能够充满空穴174。
图1H为图IE中的补丁传感器150的另一个实施例180的侧面剖视图。
如图所示，补丁传感器180包括底层182;顶层184;环形层198;压电装
置190;顶部和底部缓冲层186和188;以及压电装置190。为了简化起见， 与压电装置190连接的两根电线在图中没有表示出。压电装置190可以包括 压电层196;底部传导片194和顶部传导片192。补丁传感器180的元件的功 能和所使用的材料可以与补丁传感器150的元件的功能和所使用的材料相同。
环形层198可以有一个或多个具有不同尺寸的子层197，使环形层198的 外轮廓可以与空穴174的形状相匹配。通过将子层197填入空穴174中，可 以使粘合材料在复合结构170的加工过程中不会聚积。
图2A为根据本发明的一个实施例的混合式(hybrid)补丁传感器200 的顶部剖面图。图2B为图2A中的沿C-C方向的剖面图。如图2A和图2B所 示，混合式补丁传感器200包括能够贴附在主体结构上的底层202;环形 层204;压电装置208;有两个末端214a和214b的光纤线圈210;缓冲层216; 两根与压电装置208连接的电线212a和212b;模塑层228;以及覆盖层206。 压电装S208包括压电层222;与电线212b连接的底部传导片220;与电 线212a连接的顶部传导片218。在本发明的另一个实施例中，压电装置208 与图1C中的压电装置130相同。光纤线圈210包括巻制的光纤电线224 和涂层226。混合式补丁传感器200的元件可以与补丁传感器100的元件相 同。
光纤线圈210可以是Sagnac干涉仪，用于接收Lamb波信号。由Lamb波 所引起的作用在主体结构表面的弹性应力会叠加到由弯曲和拉力所引起的光 -缆224内预先存在的应力上。因此，光通过光缆224传播时的频率/相的变化 量取决于光缆224的总长度。在本发明的一个实施例中，考虑到光纤线圈210
的良好的抗电磁干扰性和防振动噪音能力，可以将光纤线圈210作为主传感
器而将压电装置208作为辅助传感器。
光纤线圈210利用关于光通过巻制的光缆224传播的多普勒效应原理。 对于光纤线圈210的每个环来说，光纤环的内侧在压力作用之下而外侧在张 力作用之下，这些压力和张力会对光缆224产生应力。由Lamb波所引起的主 体结构的振动位移或应力会叠加到光纤224的张力应力上。根据双折射方程， 光缆224的涂层表面的反射角是压力和/或张力所导致的应力的函数。因而， 每个光纤环的内侧和外侧会形成不同于直光纤的反射角，因此，随着光在光 纤线圈210内的传播，光的频率会根据Umb波的相对弯曲位移从中心输入 频率处偏移。
在本发明的一个实施例中，光纤线圈210可以包括10 20圈光纤电缆 224，而且其环形直径236的最小值di为10mm。在光纤线圈210的最内环和 压电装置208的外围之间存在一个间隙234， dg。间隙234取决于最小环的 直径236和压电装置208的直径232， dp，优选的为比压电装置208的直径 232大出光缆224的直径230， df ，的二倍或三倍。
涂层226可以由金属材料或聚合物材料组成，优选的为环氧树脂，以增 加光纤线圈210对于由主体结构引导的Lamb波的弯曲变形或应力的灵敏度。 而且，在光缆224的巻制过程中，可以将预定的张力施加到光缆224上，提 供额外的张应力。涂层226可以保持巻制的光纤224的这种内部应力，而且 对于每个光纤环来说容许有一个相对于Lamb波弯曲位移的一致的面内位移。
涂层226还可以由其它材料组成，如聚酰亚胺、铝、铜、金或银。涂层 226的厚度可以从直径230的30% 直径230的2倍。由聚合材料组成的涂层 226可以用两种方式进行涂覆。在一个实施例中，可以将巻制的光缆224放 在底层202上，聚合物材料可以通过分散机，例如Biodot喷涂机喷在光缆 上。在另一个实施例中，可以将巻制的光缆224浸入涂覆材料的熔池中。
由金属组成的涂层可以通过传统的金属涂布技术，例如磁控反应溅镀或 离子束溅镀以及电解。特别是，氧化锌可以作为涂层226的涂布材料，以向 涂布层226提供压电特性。当氧化锌涂布在巻制的光缆224的上表面或下表 面时，光纤线圈210可以根据电信号在径向同心地收縮或膨胀。 而且，还可以使用氧化硅或氧化钽作为涂布材料来控制巻制的光缆224 的折射率。氧化硅或氧化钽可以通过间接/直接离子束助镀技术或电子束蒸镀
技术镀在光缆上。在不偏离本技术的情况下，可以使用其它的方法将涂层226
涂布在光缆224上。
压电装置208以及光纤线圈210可以通过物理固化的胶粘剂，而不是普 通的聚合物胶粘剂，粘贴到底层202上，这里，物理固化胶粘剂包括但不限 于丙烯酸丁酯-丙烯酸乙酯共聚物，苯乙烯-丁二烯-异戊二稀三聚物以及氨 基醇酸树脂。由于聚合物结构中很少交连，所以这些材料的粘性在涂布过程 中以及涂布之后可以保持稳定。此外，与传统的聚合物相比，在不降低胶粘 剂对于不同分析物的灵敏度的情况下，可以对这些胶粘剂进行优化，使其能 够润湿底层202的较宽范围。
图2C为本发明的另一个实施例中的混合式补丁传感器240的顶部剖视 图。图2D为图2C中的混合式补丁传感器240的侧面剖视图。如图2C和图 2D所示，混合式补丁传感器240包括底层254;顶层242;环形层244;压 电装置248;有两个末端250a和250b的光纤线圈246;顶部和底部缓冲层 260a和260b以及与压电装置248连接的两根电线252a和252b。压电装置 248包括压电层264;与电线252b连接的底部传导片262和与电线252a 连接的顶部传导片266。光纤线圈246包括巻制的光缆258和涂层256。混 合式补丁传感器240的元件与混合式补丁传感器200的元件相同。
象使用补丁传感器150时一样，混合式补丁传感器240可以贴附在主体 结构上以及/或放入复合层中。在本发明的一个实施例中，环形层244可以与 环形层198相同，充满由补丁传感器240和复合材料所形成的空穴。
图3A是根据本发明的一个实施例的光纤补丁传感器300的顶部剖视图。 图3B是图3A中的光纤补丁传感器300沿D-D方向的侧面剖视图。
如图3A和图3B所示，光纤补丁传感器300包括底层302;环形层304; 有两个末端310a和310b的光纤线圈308;模塑层316以及覆盖层306。光纤 线圈308包括巻制的光缆312以及涂层314。光纤补丁传感器300的每个 元件的材料和功能与图2A中的光纤补丁传感器300相同。最内环的光缆的直 径313由光缆312的材料性质来决定。
图3C为图3A中的光纤补丁传感器中光纤线圈308的顶部剖视图，显示 了一种巻制光缆312的方法。如图3C所示，光纤线圈308的最外面的环可以 '从一端310a开始，而最里面的环可以从另一端310b开始。图3D为图3C中 的光纤线圈308的另一个实施例318的顶部剖视图。如图3D所示，光缆322
可以这种方法折叠和巻制最外面的环从两个末端320a和320b开始。巻制 的光缆322被涂层319覆盖。
需要注意的是，图3C和图3D中的光纤维线圈308和318可以直接连接 到主体结构上作为光纤线圈传感器。基于这一原因，在以下的内容中，术语 "光纤线圈"和"光纤线圈传感器"可以互换使用。图3E和图3F是光纤线' 圈308的其它实施方式。如图3E所示，光纤线圈330包括有两个末端338a 和338b、并以与光缆312相同的方式巻制的光缆334;以及涂层332。线圈 330有一个孔336，用来安装紧固件，后面将对此进行说明。同样地，图3F 中的光纤线圈340包括有两个末端348a和348b并以与光缆322相同的方 式巻制的的光缆344;以及涂层342。光纤线圈340有一个孔346，用来安装 紧固件。图3G是图3E中的光纤线圈330沿DD-DD方向的侧面剖视图。应该 注意的是，图3A 图3G中的传感器可以通过与图1G中相同的方式装入复合 层中。
图4A为根据本发明的一个实施例的诊断补丁垫圈400的顶部剖视图。 图4B为图4A中的诊断补丁垫圈400沿E-E方向的侧面剖视图。
如图4A和图4B所示，诊断补丁垫圈400包括有两个末端410a和410b 的光纤线圈404;压电装置406;用来容纳光纤线圈404和压电装置406的支 撑元件402，光纤线圈404和压电装置406通过粘合材料粘在支撑元件402 上；与压电装置406连接的两根电线408a和408b;以及盖在光纤线圈404 和压电装置406上的遮盖板414。
光线线圈404和压电装置406的材料和作用可以分别与补丁式传感器 200的光纤线圈210和压电装置208的材料和作用相同。在本发明的一个实 施例中，压电装置406除了有一个孔403外，其它结构与装置130相同。光 纤线圈404和压电装置406可以通过常规的环氧树脂粘贴到支撑元件402上。 支撑元件402有一个槽口 412，光纤线圈404的末端410a和410b以及两根 电线408a和408b从槽口通过。
在图4A和图4B中，诊断补丁垫圈400可以作为激励器/传感器，并具 有光纤线圈404和压电装置406。在另一个实施例中，诊断补丁垫圈400可 以作为传感器，且只具有光纤线圈404。在第三个实施例中，诊断补丁垫圈 '400可以作为激励器/传感器，且只具有压电装置406。
如图4A和图4B所示，诊断补丁垫圈400可以有一个中空空间403，以 容纳其它紧固件，如螺栓或铆钉。图4C是本发明的一个实施例中，使用诊断 补丁垫圈400的螺栓连接结构的示意图。在螺栓连接结构420中，可以用常 规的螺栓424、螺母426和垫圈428将一对结构例如板状结构422a和422b 固定在一起。我们知道，结构的应力会集中在螺栓连接区429附近，并会使 结构损坏。诊断补丁垫圈400可以被安装到螺栓连接结构420中，用来对这 种损坏进行检测。
图4D是本发明的另一个实施例中使用诊断补丁垫圈400的螺栓连接结构 430的侧面剖视图。在螺栓连接结构430中，可以用常规的螺栓432和一对 垫圈436和438将蜂房状/多层的结构440固定住。蜂房状的多层结构440 包括复合结构层442和蜂房部448。为对螺栓连接区附近的结构是否损坏进 行检测，可以将一对诊断补丁垫圈400a和400b插入蜂房部448内，如图4D 所示。可以使用套管446来支撑顶部和底部补丁垫圈400a和400b，使其靠 在复合结构层442上。而且，可以将热保护圆盘444插入复合结构层422和 诊断补丁垫圈400b之间，防止垫圈400b因热传递而受到破坏。
如图4B所示，遮盖板414的外圆周415可以有一个倾角，形成一个锁紧 机构，这样可以防止光纤线圈404和压电装置406受到过大的、由施加到螺 栓424和螺母426上的力矩所引起的接触负荷。
图5A为本发明的一个实施例中安装有传感器/激励器装置的问询系统的 示意图。如图5A所示，系统500包括用于产生和/或接收接Lamb波信号的 传感器/激励器装置502; —根双芯的电线516;用于对装置502所接收的信 号进行处理的调节器508;用于将模拟信号转换为数字信号的模拟-数字 (A/D)转换器504;用于对系统500的所有元件进行管理的计算机514:放 大器506;用于将数字信号转换为模拟Lamb波信号的波形发生器510;以及 能够在装置502和计算机514之间进行转换连接的继电器开关阵列模块512。 通常，可以将多于一个的装置502连接到继电器开关512上。
装置502可以是如图1A 图2D和图4A 图4D中所示的传感器中的一种， 可以包括用于产生Lamb波517和接收由其它装置所产生的Lamb波的压电装 置。为了产生Lamb波517 ，波形发生器510可以通过继电器开关阵列模块512 接收由计算机514(更切地说，是包括在计算机514中的模拟输出卡)激发的 波形的数字信号。在一个实施例中，波形发生器510可以是一张模拟输出卡。
继电器开关阵列模块512可以是一个常规的插入式继电器盘。作为激励
器和传感器之间的"串音"(cross-talks)连接器，在继电器开关阵列模块 512中的继电器开关可以由计算机514中的微处理器进行调整，按照特定的 顺序选择每个继电器开关。在本发明的一个实施例中，由波形发生器510所 产生的模拟信号可以通过分支线515发送到其它激励器。
装置502可以作为传感器来接收Lamb波。所接收的信号可以被发送至调 节器508，调节器508对信号电压进行调节，对电噪声进行过滤，从而在适 当的频率带宽范围内选择有意义的信号。
然后，被过滤的信号被发送到模拟-数字转换器504，模拟-数字转换器 504可以是一个数字输入卡。来自模拟-数字转换器504的数字信号可以通过 继电器开关阵列模块512传送至计算机514进行进一步分析。
图5B所示为根据本发明的另一个实施例中，带有传感器的问询系统520 的示意图。系统520包括带有光纤线圈的传感器522;起连接作用的光缆 525;用来提供载波输入信号的激光源528; —对调制器526和534;声光调 制器(AOM) 530; —对联接器524和532;用于感知通过光缆525所传递的 光信号的光电检测器536; A/D转换器538;继电器开关540以及计算机542。 传感器522可以是如图2A 4D中所示的传感器中的一个，包括一个光纤线圈。 在一个实施例中，联接器524可以将光缆525连接到另一根光纤527，光纤 527可以与另一个传感器523相连。
传感器522，更确切地说，传感器522中的光纤线圈，可以作为激光多 普勒速度计(LDV)。激光源528，优选的为二极管激光器，可以向调制器526 发射输入载波光信号。调制器526可以是一个外差调制器，将载波输入信号 分成两个信号t —个信号发送给传感器522，另一个信号发送给A0M503。传 感器522可以通过与Lamb波信号相当的多普勒频率对输入载波信号进行转换 并将其传送到调制器534，调制器534可以是一个外差同步器。调制器534 对传送的光信号进行解调，除去光的载波频率。光电检测器536，优选的为 光电二极管，可以将解调的光信号转换成光信号。然后，A/D转换器538将 电信号数字化并通过继电器开关阵列模块540将其传输至计算机542。在一 个实施例中，联接器532可以将光缆546连接到另一个传感器544上。
图6A中本发明的一个实施例中的安装到主体结构上的诊断网络补丁系 统(DNP) 600的示意图。
如图6A所示，系统600包括补丁602;传输线612;与传输线612连 接的至少一个电桥箱604;数据采集系统606;以及用来管理DNP系统600 的计算机608。补丁 602可以是一个装置502或一个传感器522，其中，传输 线612的类型可以由补丁 602的类型决定，包括电线、光缆或者包括两者。 特别是，主体结构610可以由复合材料或金属材料制成。 传输线612的终点可以在电桥箱604内。电桥箱604可以与补丁 602连 接，以接收来自外部波形发生器510的信号并将所接收的信号发送至外部的 A/D转换器504。电桥箱604可以通过电缆/光缆连接，电桥箱604可以包括 用来调节激励信号、过滤所接收的信号以及将光纤信号转换成电信号的电子 调节器508。通过继电器开关阵列模块512，连接电桥箱604上的数据采集系 统606可以接替(relay)补丁 602并多元接收来自补丁 602的信号，按预 定顺序送入信道。
众所周知，Umb波的产生和检测受到安装在主体结构上的激励器和传感 器位置的影响。因此在网络结构中，应该将补丁 602正确地成对设置，以最 大化地利用Lamb波对结构的损坏进行识别。
图6B所示为本发明的一个实施例中的具有条形网络结构的诊断网络补 丁系统620的示意图。如图6B所示，安装到主体结构621上的系统620包括 补丁 622;连接到计算机626上的电桥箱624;以及传输线632。补丁 622可 以是装置502或者传感器522，其中，传输线632的类型可以由补丁622的 类型决定。传输线632可以是电线、光缆或者是它们二者。
计算机626可以对补丁 622的操作进行调整，使其作为激励器和/或传感 器。箭头630代表补丁 622所产生的Lamb波的传播方向。通常，主体结构上 存在的缺陷628会影响Lamb波的传输方式，如散射、衍射以及传输损失。缺 陷628包括损坏、裂纹和复合结构的分层等。这些缺陷628可以通过检测补 丁 622所捕获到Lamb波的传输方式的变化来进行监测。
DNP系统的网络结构对基于Lamb波的结构健康监测系统来说是非常重要 的。在DNP系统620的网络结构中，波-射线的通讯路径应该随机相同 (uniformly randomized)。补丁 622之间的路径一致、距离一致就可以确定 主体结构621内缺陷的最小可测尺寸。优化的网络结构以及适当的补丁排列 对以在不增加补丁 622数量的条件下提高对结构损坏识别的精度。
另一种用来在补丁之间建立波的"串音"路径的形状是如图6C所示的五 边形网络结构。图6C是本发明的另一个实施例中具有五边形网络结构的诊断
网络补丁系统640的示意图。系统640可以安装到主体结构652上，包括 补丁 642;连接到计算机646上的电桥箱644;以及传输线654。补丁 642可 以是装置502或传感器522。在系统630中，补丁 642可以通过发送或接收 箭头648所示的Umb波对结构上的缺陷进行检测。
图6D是本发明的另一个实施例中，安装在铆钉/螺栓连接的复合结构666 和668中的诊断网络补丁系统660的透视图。如图6D所示，系统660包括 补丁 662和诊断补丁垫圈664，每个垫圈都与一对螺栓和螺母连接。为简化 起见，电桥箱和传输线在图6D中没有显示出来。补丁 662可以是装置502 或传感器522。在系统660中，补丁662和诊断补丁垫圈664可以通过发送 或接收如箭头670所示的Lamb波对结构的缺陷进行检测。特别是，缺陷672 会在紧固件的孔附近进一步扩大。诊断补丁垫圈664可以与其它邻近的诊断 补丁 662进行通讯，诊断补丁 662可以设置成如图6D所示的条形网络结构。 在本发明的一个实施例中，可以用光纤线圈传感器330和340代替诊断补丁 垫圈664。
图6E所示为本发明的一个实施例中，安装在复合结构682上的诊断网络 补丁系统680的透视图，其中，复合结构682可以通过捆绑补丁 686进行修 理。如图6E所示，系统680包括补丁684，补丁 684可以是装置502或传感 器522。为了简化起见，电桥箱和传输线在图6E中没有表示出来。在系统680 中，补丁 684可以通过发送或接收如箭头687所示的Lamb波对位于修补补丁 686和复合结构682之间的缺陷688进行检测。
图6F是本发明的一个实施例中控制远程诊断网络补丁系统的无线数据 通讯系统690的一个实施例的示意图。如图6F所示，系统690包括电桥箱 698和地面通讯系统698，地面通讯系统694可以通过地面控制(系统)692 进行操作。电桥箱698可以连接到安装在主体结构上的诊断网络补丁系统上， 这种主体结构可以是象飞机696那样的需要进行广泛的结构健康监测的结 构。
电桥箱698可以按两种方法操作。在一个实施例中，电桥箱698可以作 -为信号发射器。在此实施例中，电桥箱698包括可以通过无线信号693将结 构健康监测信息发送给地面通讯系统694的射频遥感系统中的一个微传感器
和一个微处理器。在另一个实施例中，电桥箱698可以作为接收电磁波的接
收器。在此实施例中，电桥箱698包括一个通过无线信号693来接收来自地 面通讯系统694的能量的组件，其中所接收的能量可以用来操作安装到结构 696上的DNP系统。所述的组件包括微加工的硅底层，它具有刺激电极、 CMOS (complementary metal oxide semiconductor)、双极功率调节电路、 混合式贴片电容以及接收天线线圈。
电桥箱698的结构可以与主体结构696的外层相同。在一个实施例中， 电桥箱.698可以具有一个多层的蜂房夹层结构，其中多个微带天线插入多层 蜂房夹层结构的外面板内，作为保形承载天线。多层蜂房夹层结构可以包括 一个蜂房心和由有机和/或无机材料如E玻璃(无碱玻璃纤维)/环氧树脂，凯 夫拉尔(Kevlar) /环氧树脂，石墨/环氧树脂，铝或钢制成的多层绝缘层。 随着集成微处理技术的迅速发展，微带天线的尺寸和生产成本会进一步降低， 这样，在不降低电桥箱性能的条件下，可以节省电桥箱的运作/生产成本。 本发明的范围并不想限制无线结构健康监测系统对于无线应用协议
(WAP)和无线标示语言(WML)标准的应用。通过移动因特网工具包，应用 系统能够建立一个安全的站点，利用这一站点，通过WAP支持的手机、带有 HTML (超文本链接标示语言)浏览器的笔记本电脑或其它支持HTML的驱动程 序就可以正确地进行结构状况监测或基本设施管理。
就象麦克风阵列可以用来发现移动源的方向一样，成串的传感器阵列可 以通过测量信号到达的时间差来发现损坏所在的位置。图7A为本发明的一个 实施例中具有条形网络形状成串传感器的诊断网络补丁系统700的示意图。 如图7A所示，系统700可以应用到主体结构上，系统700包括成串的传感器 704和传输线706。
每串传感器704包括两接收器708和712和一个激励器/接收器装置710。 每个考收器708和712可以是图1A 4D中所示的传感器中的一种，而激励器 /接收器710可以是图1A 图2D和图4A 图4D中所示的传感器中的一种并 具有产生Lamb波的压电装置。当一串a clustered传感器704中的激励器/ 接收器710发送Lamb波时，邻近的成串的传感器704通过所有的三个元件，
即，激励器/接收器装置710和接收器708和712接收Lamb波。通过利用全 '部三个元件作为一个接收单元，每个成串的传感器704可以接收更精确的
La油波信号。而且，通过测定三个元件的信号到达的时间差可以更精确在定
位缺陷714的位置。
图7B为根据本发明的另一个实施例中的具有成串传感器的诊断网络补 丁系统720的示意图。如图7B所示，系统720可以安装到主体结构722上对 缺陷734进行检测，系统720包括成串的传感器724和传输线726。每一串 成串的传感器724与成串的传感器704相同。
图8A所示为根据本发明的一个实施例的带有串联的光纤线圈的成串的传 感器800的示意图。成串的传感器800可以与图7A中的成串的传感器704 相同，包括两个传感器804和808以及激励器/传感器806。在这一结构中， 输入信号可以通过一端'810a进入传感器，从另一端810b输出的信号是三个 传感器804、 806和808的输入信号和贡献的总和。在一个实施例中，来自每 个传感器的信号可以利用基于波长的解复用技术与其它信号分离开。
图8B是本发明的一个实施例中，具有并联光纤线圈的成串传感器820 的示意图。成串传感器820与图7A中的成串传感器704相同，包括两个传感 器824和828以及激励器/传感器826。在这一结构中，输入信号可以分别通 过三个末端830a、 832a和834a进入三个传感器，从另一端830b、 832b和 834b输出的输出信号分别是三个传感器824、 826和828的输入信号和贡献
的总合o
需要注意的是，在图8A、图8B中，传感器804、 808、 824和828均为 光纤线圈传感器308。但是，对于本领域的普通技术人员来说，很显然，每 个传感器804、 808、 824和828可以是图1A 图4D中的一个传感器，而每 一个中间的传感器806和826可以是图1A 图2D和图4A 图4D中的一个 传感器且具有一个用于产生Lamb波的压电装置。而且，成串的传感器800 和820可以按照与图1G所示相同的方式，设置在复合材料中。
图9所示为根据本发明的一个实施例的激励器和传感器信号的坐标图 900。为了产生Lamb波，可以将激励器信号904施加给一个激励器，例如补 丁传感器IOO。激励器信号904可以是带有几个波峰、在波形的中部有最高 振幅且有一个窄频带宽光谱能量的猝发音(tonebui"st)信号。激励器信号 904可以利用不同波形的汉宁函数来设计，其中心频率在0.01 1.0MHz。当 '激励器收到激励器信号904时，它会产生特定激发频率的Lamb波。
信号912a 912n代表传感器所接收到的传感器信号。从图中可以看出， 每个信号912具有分别由信号提取窗分开的波包926、 928和930。这些波包 926、928和930会由于在传感器位置上的传播方式的不同而具有不同的频率。 信号分隔窗916用来识别每个传感器信号的Lamb波信号。波包926、 928和 930分别相当于基本对称模态So、反射模态So ref和基本反对称模态Ao。 反射模态So ref代表从主体结构边界反射的Lamb波。还可以观察到基本剪 切模态So'和其它高模态，但是为了简化起见，未在图9中表示出来。
传感器信号912的914部分是由于猝发音激励器信号904而产生的电噪 声。为了将914部分与传感器信号912的其它部分分离，掩蔽窗918，是在 动作时间段内延迟的S形函数(sigmoid function)，可以将其应用到传感 器信号912作为阈值函数(threshold functions)。可以使用每个传感器信 号随着时间的移动波一包迹线窗920、 922和924从传感器信号912中提取波 包926、 928和930。包迹线窗920、 922和924可以通过利用梯度算法寻找 传感器信号的波峰和波谷并将找到的数据点内插在时间坐标轴中来确定。如 果最临近的数据点的振幅比当前的数据点小，就将这一数据点的振幅和位置 记录下来，直到将波信号的所有数据点的前后方向的波振幅比较完为止。得 到波信号的包迹线后，每个包迹线可以按照与Lamb波模式相当的时间跨度分 成子包迹线窗920、922和924。可以通过沿着所测定的每个传感器信号912的 整个时间关系曲线移动子包迹线窗920、 922和924来提取波包926、 928和 930。
以上根据具体的实施例对本发明进行了详细说明，可以理解，上述本发 明的优选的实施方式有关的说明以及在本发明的实质和范围内所做的改进都 包括在本发明的权利要求
书中。
权利要求
1.一种用于监测结构健康状况的装置，其特征在于包括绝缘层；连接在底层上的至少一个缓冲层；连接在至少一个缓冲层上的压电装置，所述的压电装置能够产生和接收信号；一个设置在所述的压电装置上的模塑层；一个设置在所述模塑层上的覆盖层；以及连接压电装置的两根电线。
2. 根据权利要求
1所述的装置，其特征在于，所述的至少一个缓冲层 由聚合物或金属组成。
3. 根据权利要求
1所述的装置，其特征在于，所述的模塑层由环氧树 脂、聚酰亚胺或硅-聚酰亚胺组成，所述的覆盖层由金属组成。
4. 根据权利要求
1所述的装置，其特征在于还包括涂覆在覆盖层上的 保护层，所述的保护层由环氧树脂或聚酰亚胺制成。
5. 根据权利要求
l所述的装置，其特征在于还包括与底层连接并由 绝缘材料组成的环形层，所述的环形层包围所述的至少一个缓冲层。
6. 根据权利要求
1所述的装置，其特征在于还包括连接在所述的底 层上的光纤线圈，所述的光纤线圈包括巻状的光缆以及涂覆于巻状的光缆 上的涂层，其中，在所述的光缆的巻制过程中施加预设的张力，涂层保持巻 制的光缆的这种张力。
7. 根据权利要求
6所述的装置，其特征在于，所述的涂层由金属或聚 合物制成。
8.根据权利要求
6所述的装置，其特征在于，所述的涂层由氧化锌、 氧化硅或氧化钽制成。
9. 根据权利要求
1所述的装置，其特征在于，所述的信号为拉姆(Lamb)波。
10. —种用于监测结构健康状况的光纤线圈传感器，包括巻状的光缆 和附着在巻状的光缆上的涂层，其中，在所述的光缆的巻制过程中施加预设 的张力，涂层保持巻制的光缆的这种张力。
11. 根据权利要求
10所述的传感器，其特征在于，所述的涂层由金属 或聚合物制成。
12. 根据权利要求
10所述的传感器，其特征在于，所述的涂层由氧化 锌、氧化硅或氧化钽制成。
13. 根据权利要求
10所述的传感器，其特征在于，还包括一个通向巻 制的光缆所形成的平面的通孔。
14. 一种用于监测结构健康状况的装置，其特征在于，包括绝缘层； 连接在所述的底层上的至少一个传感器；包围所述的至少一个传感器并与所 述的底层连接的环形层；设置在所述的至少一个传感器上的模塑层以及设置 在所述的模塑层上的覆盖层。
15. 根据权利要求
14所述的装置，其特征在于，所述的至少一个传感 器包括至少一个连接在底层上的缓冲层；连接在至少一个缓冲层上的压电 装置，所述的压电装置能够产生和接收信号；以及与所述的压电装置连接的 两根电线。
16. 根据权利要求
14所述的装置，其特征在于，所述的至少一个传感器包括 一个连接在底层上的光纤线圈传感器，所述的光纤线圈传感器包括: 巻状的光缆和附着在巻状的光缆上的涂层，其中，在所述的光缆的巻制过程 中施加预设的张力，涂层保持巻制的光缆的这种张力。
17. 根据权利要求
14所述的装置，其特征在于，所述的至少一个传感器包括至少一个连接在底层上的缓冲层；连接在至少一个缓冲层上的压电 装置，所述的压电装置能够产生和接收信号；与所述的压电装置连接的两根 电线； 一个连接在底层上的光纤线圈传感器，所述的光纤线圈传感器包括 巻状的光缆和附着在巻状的光缆上的涂层，其中，在所述的光缆的巻制过程 中施加预设的张力，涂层保持巻制的光缆的这种张力。
18. —种用于监测结构健康状况的装置，其特征在于，包括底层；顶 层；位于顶层和底层之间的至少一个传感器以及包围所述的至少一个传感器 且与所述的顶层和底层连接的环形层。
19. 根据权利要求
18所述的装置，其特征在于，所述的至少一个传感器包括连接在底层上的底部缓冲层，所述的底部缓冲层包括至少一个子层； 连接在底部缓冲层上的压电装置，所述的压电装置能够产生和接收信号；连 接在压电装置上的顶部缓冲层，所述的顶部缓冲层包括至少一个子层；以及 连接所述的压电装置的两根电线。
20. 根据权利要求
18所述的装置，其特征在于，所述的至少一个传感 器包括 一个连接底层和顶层的光纤线圈传感器，所述的光纤线圈传感器包 括巻状的光缆和附着在巻状的光缆上的涂层，其中，在所述的光缆的巻制 过程中施加预设的张力，涂层保持巻制的光缆的这种张力。
21. 根据权利要求
18所述的装置，其特征在于，所述的至少一个传感 器包括连接在底层上的底部缓冲层，所述的底部缓冲层包括至少一个子层； 连接在底部缓冲层上的压电装置，所述的压电装置能够产生和接收信号；连 接在压电装置上的顶部缓冲层，所述的顶部缓冲层包括至少一个子层；以及 连接所述的压电装置的两根电线/连接底层和顶层的光纤线圈传感器，所述 的光纤线圈传感器包括巻状的光缆和附着在巻状的光缆上的涂层，其中，在所述的光缆的巻制过程中施加预设的张力，涂层保持巻制的光缆的这种张 力。
22. —个诊断补丁垫圈，其特征在于，包括:一个环形的、在圆周方向 有一个槽在径向有一个槽口的支撑元件；设置在槽内的至少一个传感器；以 及一个环形的用于盖在槽上的盖子。
23. 根据权利要求
22所述的诊断补丁垫圈，其特征在于，所述的至少 一个传感器包括:连接支撑元件的压电装置和与所述的压电装置相连的两根 电线，所述的两根电线穿过槽口。
24. 根据权利要求
22所述的诊断补丁垫圈，其特征在于，所述的至少 一个传感器包括:连接在支撑元件上的光纤线圈传感器，所述的光纤线圈传 感器包括巻状的光缆和附着在巻状的光缆上的涂层，其中，在所述的光缆 的巻制过程中施加预设的张力，涂层保持巻制的光缆的这种张力，所述的光 缆的两端穿过槽口。
25. 根据权利要求
22所述的诊断补丁垫圈，其特征在于，所述的至少 一个传感器包括:连接在支撑元件上的压电装置；与所述的压电装置连接的 两根电线；连接在支撑元件上的光纤线圈传感器，所述的光纤线圈传感器包 括巻状的光缆和附着在巻状的光缆上的涂层，其中，在所述的光缆的巻制 过程中施加预设的张力，涂层保持巻制的光缆的这种张力，所述的两根电线 和光缆的两端穿过槽口。
26. —种监测主体结构健康状况的诊断网络补丁系统，其特征在于，包 括.-按预定方式连接到主体上的多个补丁，所述的多个补丁中的至少一个能 够接收由所述的多个补丁中的至少另一个所产生的振动波；以及一个与所述 的多个补丁连接的电桥箱，所述的电桥箱包括一个用于将所述的多个补丁所 接收的信号通过无线装置发送到地面控制系统的射频遥感系统。
27. 根据权利要求
26所述的系统，其特征在于，所述的预定方式有一 个五边形结构。
28. 根据权利要求
26所述的系统，其特征在于，所述的预定方式有多 个条形结构。
29. 根据权利要求
26所述的系统，其特征在于，还包括连接所述的电 桥箱并能够对多个补丁的运行进行调节的计算机。
30. 根据权利要求
26所述的系统，其特征在于，所述的电桥箱包括多 个用于通过无线装置接收来自地面控制系统能量的微带天线。
31. 根据权利要求
30所述的系统，其特征在于，所述的电桥箱有一个 蜂房结构，包括蜂房心；以及多层的绝缘层压板，所述的绝缘层压板有一 个外面板，外面板上设置有微带天线.
32. 根据权利要求
26所述的系统，其特征在于，所述的多个补丁中的 每一个包括两个用于接收振动波的传感器；以及一个设置在所述的两个传 感器之间的、能够产生和接收振动波的激励器/传感器。
33. 根据权利要求
32所述的系统，其特征在于，所述的两个传感器和 激励器/传感器具有权利要求
10中所定义的光纤线圈传感器，每个所述的 光纤线圈传感器与其它的光纤线圈传感器串连或并联。
专利摘要
本发明提供一种用于结构健康监测的传感器(200)，包括绝缘层(202)、用于执行和/或传感拉姆(Lamb)波的压电装置(208)、设置在介电装置(208)上的模塑层(228)、设置在模塑层(228)上的覆盖层(206)，以及包围压电装置(206)并连接绝缘层(202)的环形层(204)。传感器(200)还包括一个连接在绝缘层(202)上的光纤线圈传感器(210)，其中，光纤线圈传感器(210)有一个卷形的光缆(224)和涂覆在光缆(224)外面的涂层(220)。本发明还提供一个诊断补丁网络(600)，包括多个连接到主体结构(610)上的补丁传感器(602)和与补丁传感器(602)连接的电桥箱。
文档编号G21C17/00GKCN101365928SQ200480017280
公开日2009年2月11日 申请日期2004年9月16日
发明者金炯胤 申请人:金炯胤;Asm有限公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan