具有基于阵列的应变传感器的构件及用于监测其的方法与流程

本文中公开的主题涉及应变传感器，并且更具体地，涉及具有基于阵列的应变传感器的构件和用于监测该构件的方法。

背景技术：

一些构件可需要在包括升高温度和/或腐蚀条件的环境中操作。例如，涡轮机广泛用于如发电和飞行器发动机的领域中。此类燃气涡轮系统包括压缩机区段、燃烧器区段，以及至少一个涡轮区段。压缩机区段构造成在空气流动穿过压缩机区段时压缩空气。空气接着从压缩机区段流动至燃烧器区段，其中其与燃料混合并且燃烧，生成热气流。热气流提供至涡轮区段，其通过从热气流抽取能量以向压缩机、发电机和其它多种负载供能来利用热气流。

在燃气涡轮发动机的操作期间，燃烧气体的温度可超过3000°F，比与这些气体接触的发动机的金属部分的熔化温度高相当多。在高于金属部分熔化温度的气体温度下的这些发动机的操作可部分取决于一个或更多个保护涂层和/或通过多种方法将冷却空气供应至金属部分的外表面。特别地经受高温并且因此需要关于冷却的特别关注的这些发动机的金属部分是形成燃烧器的金属部分和位于燃烧器后方的部分。

此外，这些和其它的构件可在其操作生命周期内经历来自多种力的应力和/或应变。虽然多种工具可用于在相对标准的环境中测量给予的应力和应变，但是涡轮和其它构件可与在单个点处或沿着线性路径相反横跨多种位置经历多种力。

因此，具有基于阵列的应变传感器的备选构件和用于监测该构件的方法将是现有技术中受欢迎的。

技术实现要素：

在一个实施例中，公开了一种构件。构件可包括基底和设置在基底上的基于阵列的应变传感器，其中基于阵列的应变传感器包括多个参考特征，其沿着第一轴线和第二轴线两者分布以形成至少一个二维阵列。

在另一个实施例中，公开了一种用于监测构件的方法。该方法可包括测量构件上的基于阵列的应变传感器的多个参考特征之间的多个第二距离，其中多个参考特征沿着第一轴线和第二轴线两者分布以形成至少一个二维阵列，以及将多个第二距离与来自第一时间间隔的应变传感器的多个参考特征之间的多个第一距离比较。

技术方案1.一种构件，包括：

基底；以及

设置在所述基底上的基于阵列的应变传感器，其中所述基于阵列的应变传感器包括多个参考特征，其沿着第一轴线和第二轴线两者分布以形成至少一个二维阵列。

技术方案2.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述多个参考特征包括多个点。

技术方案3.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述多个参考特征在所述至少二维阵列内大致均匀地分布。

技术方案4.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述多个参考特征的第一部分包括大致实心形状，并且其中所述多个参考特征的第二部分包括形状的外形。

技术方案5.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述多个参考特征包括氧化钇稳定的氧化锆。

技术方案6.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述多个参考特征包括所述至少二维阵列内的一个或更多个串行区域。

技术方案7.如技术方案6所述的构件，其特征在于，所述一个或更多个串行区域中的至少一个包括用于识别所述构件的信息。

技术方案8.如技术方案6所述的构件，其特征在于，所述一个或更多个串行区域中的至少一个包括用于识别所述基于阵列的应变传感器或使所述基于阵列的应变传感器定向的信息。

技术方案9.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述第一轴线和所述第二轴线以大致90度角相交。

技术方案10.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述基于阵列的应变传感器的所述多个参考特征分布在百分之50或更多的所述基底之上。

技术方案11.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述基于阵列的应变传感器的多个参考特征分布在整个基底之上。

技术方案12.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述构件进一步包括设置在所述基底与所述多个参考特征中的至少一个之间的涂层。

技术方案13.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述构件进一步包括设置成邻近所述多个参考特征中的至少一个的涂层。

技术方案14.如技术方案13所述的构件，其特征在于，所述涂层包绕所述多个参考特征的边缘。

技术方案15.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述基底包括涡轮构件。

技术方案16.如技术方案1所述的构件，其特征在于，所述涡轮构件包括翼型件部分，并且其中所述基于阵列的应变传感器的所述多个参考特征分布在百分之50或更多的所述翼型件部分之上。

技术方案17.一种用于监测构件的方法，所述方法包括：

测量所述构件上的基于阵列的应变传感器的多个参考特征之间的多个第二距离，其中所述多个参考特征沿着第一轴线和第二轴线两者分布以形成至少一个二维阵列；以及

将所述多个第二距离与来自第一时间间隔的所述应变传感器的所述多个参考特征之间的多个第一距离比较。

技术方案18.如技术方案17所述的方法，其特征在于，所述基于阵列的应变传感器的所述多个参考特征分布在百分之50或更多的所述构件之上。

技术方案19.如技术方案17所述的方法，其特征在于，将所述多个第二距离与所述多个第一距离比较包括产生示出距离变化的应变图。

技术方案20.如技术方案17所述的方法，其特征在于，所述构件包括涡轮构件。

由本文中论述的实施例提供的这些和附加的特征将鉴于连同附图的如下详细描述来更充分理解。

附图说明

附图中阐明的实施例在本质上是说明性和示例性的，并且不旨在限制由权利要求限定的本发明。说明性实施例的以下详细描述可在连同以下附图阅读时理解，其中相似的结构以相似的附图标记指示，并且其中：

图1为根据本文中示出或描述的一个或更多个实施例的、包括基于阵列的应变传感器的示例性构件；

图2为根据本文中示出或描述的一个或更多个实施例的、在三个不同时间间隔处的示例性基于阵列的应变传感器；

图3为根据本文中示出或描述的一个或更多个实施例的、置于导出的应变图上的示例性基于阵列的应变传感器；

图4为根据本文中示出或描述的一个或更多个实施例的、包括多个串行区域的示例性基于阵列的应变传感器；

图5为根据本文中示出或描述的一个或更多个实施例的、用于监测具有基于阵列的应变传感器的构件的示例性方法。

具体实施方式

将在下面描述本发明的一个或更多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可不在说明书中描述实际实施的所有特征。应当认识到，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须作出许多特定实施决定以实现开发者的特定目的，诸如符合系统相关且商业相关的约束，这可从一个实施变化到另一个实施。此外，应当认识到，这种开发努力可为复杂且耗时的，但是对于受益于本公开的技术人员而言，仍将是设计、制作和制造的日常工作。

当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在元件中的一个或更多个。用语“包括”、“包含”和“具有”意图是包含的，并且表示可存在除了列出的元件之外的附加元件。

现在参照图1和2，构件10大体上包括基底11和设置在基底11上的基于阵列的应变传感器40。基于阵列的应变传感器40可包括多个参考特征50，其沿着第一轴线61和第二轴线62两者分布以形成至少一个二维阵列。基于阵列的应变传感器40可有助于便于确定横跨构件的该区域的应变、应变率、蠕变、疲劳、应力等，然而两点式应变传感器(或沿着单个线性向量延伸的应变传感器)可更加受限。

构件10(和更具体而言整个构件10的基底11)可包括在多种不同应用中使用的多种类型的构件，如例如在高温应用中使用的构件(例如，包括镍基或钴基超级合金的构件)。在一些实施例中，构件10可包括工业燃气涡轮或蒸汽涡轮构件，如燃烧构件或热气体路径构件。在一些实施例中，构件10可包括涡轮叶片、压缩机叶片、导叶、喷嘴、护罩、转子、过渡件或外壳。在其它实施例中，构件10包括涡轮的任何其它构件，如用于燃气涡轮，蒸汽涡轮或类似物的任何其它构件。在一些实施例中，构件可包括非涡轮构件，其包括但不限于汽车构件(例如，小汽车、卡车等)、航空航天构件(例如，飞机、直升机、航天飞机、铝部件等)、机车或铁道构件(例如，火车、火车轨道等)、建筑、基础设施或土木工程构件(例如，桥梁、建筑物、建筑设备等)，和/或发电设备或化学处理构件(例如，用于高温应用中的管道)。

现在参照图1-4，基于阵列的应变传感器40安置在基底11的外表面的一部分上。基于阵列的应变传感器40大体上包括多个参考特征50，其沿着第一轴线61和第二轴线62两者分布以形成至少一个二维阵列。部分地基于各种力和构件的操作状态，参考特征50中的各个可关于彼此在位置上独立地转移，以使横跨整个至少二维阵列的应变(和/或应变率、蠕变、疲劳、应力等)可绘成图。

多个参考特征50以及第一轴线61和第二轴线62可包括多种不同构造。例如，第一轴线61和第二轴线62可以以任何非零度角与彼此分叉，使得多个参考特征50的至少二维阵列不只是线性向量(例如，以直线设置的两个参考特征或多个参考特征)。在一些实施例中，第一轴线61和第二轴线62可以以大致90度角相交。此类实施例可导致至少一个二维正方形基于阵列的应变传感器40。在其它实施例中，第一轴线61和第二轴线62可沿任何非相似方向限定使得至少二维阵列包括任何非一维形状。例如，至少二维阵列可包括正方形、矩形、圆形或任何其它几何或非几何二维形状。

应当认识到的是，在一些实施例中，构件10可包括平基底11或带轮廓基底11。在包括平基底11的实施例中，多个参考特征50可以以大致2维阵列设置，而在第三维度(例如，高度)上具有较小变化至没有变化。在其中基底11包括一个或更多个轮廓的实施例中，多个参考特征50的另外2维阵列可呈现三维阵列，其包括第三维度(例如，高度)中的一些变化。如本文中使用的，“至少二维阵列”包括以二维或三维设置的多个参考特征50，如由基底11的轮廓指示的。

此外，多个参考特征50可包括至少二维阵列内的任何分布图案和距离D。例如，在一些实施例，如在图2中在时间T₁时的第一点示出的实施例中，多个参考特征50可大致均匀地分布在至少二维阵列内。多个参考特征50可仅沿着一条轴线大致均匀地分布(其中沿着另一条轴线的分布是非均匀的)，或者多个参考特征50可沿着第一轴线61和第二轴线62两者大致均匀地分布以形成如所示的网格状图案。在一些实施例中，多个参考特征可遍及整个至少二维阵列非均匀地分布，只要多个参考特征50的初始位置关于彼此是已知的，使得至少二维阵列内的任何相对运动可被识别和测量。

基于阵列的应变传感器40中的多个参考特征50中的各个可包括适合于跟踪至少二维阵列内的它们的相对位置的任何适合形状或多个形状。形状可因此有助于实现经由一个或更多个边缘、转角、质心分析或任何其它适合机构的位置跟踪。例如，在一些实施例中，多个参考特征可包括点、线、圆、框或任何其它几何或非几何形状，只要它们是一贯地可识别的，并且可用于测量其间的距离D。此外，多个参考特征中的各个可包括相同的形状，或者多个参考特征可包括多个形状。例如，在一些实施例中，参考特征50中的一些可包括大致实心的形状(例如，填满的圆形、正方形或其它形状)，而其它参考特征50可包括形状的外形(例如，圆形、正方形或其它形状的外形)。此类实施例可有助于对多个参考特征50内的附加信息编码，如通过使用实心的和带外形的/中空的参考特征50之间的二进制语言。

如图4中最佳地示出的，在一些实施例中，基于阵列的应变传感器40包括至少二维阵列内的一个或更多个串行区域80，如如所示的第一串行区域81、第二串行区域82和第三串行区域83。一个或更多个串行区域80中的各个可包括嵌入有附加信息的多个参考特征的任何部分。嵌入的信息可包括任何信息，其包括用于识别独立基于阵列的应变传感器40和/或整个构件10，和/或使基于阵列的应变传感器40定向的信息。例如，在一些实施例中，串行区域80可包括用以形成独特标识符(在下文中“UID”)的信息。UID可包括任何类型的条形码、商标、标签、序列号、图案，或便于该特别基于阵列的应变传感器40和/或整个构件10的识别的其它识别系统。总的说来，嵌入在一个或更多个串行区域80中的信息可由此协助特别基于阵列的应变传感器40、构件10或甚至整个系统或机器的识别和跟踪，以有助于使用于过去、现在和将来的操作跟踪的测量相互关联。

基于阵列的应变传感器40的多个参考特征50可包括适合于使构件的操作存活(survive)用于在多个时间间隔处的位置测量的任何材料或多种材料。例如，在一些实施例中，基于阵列的应变传感器40的多个参考特征50可包括陶瓷材料，如任何陶瓷材料或适合于沉积(如通过自动添加制造过程利用陶瓷粉末)的材料。陶瓷材料可提供在相对热或严酷的环境中增加的温度生存性。例如，在一些实施例中，多个参考特征50可包括热障涂层材料，如氧化钇稳定的氧化锆(也称为YSZ)。在此类实施例中，YSZ可包括例如YSZ-D111。甚至在一些实施例中，多个参考特征50可包括金属粘结涂层和/或热生长氧化物以协助陶瓷顶部涂层(例如，YSZ)的沉积。在一些实施例中，多个参考特征50可由一个或更多个金属添加过程(例如，电镀、焊接，或沉积)、制造过程(例如，铸造、机加工、蚀刻或雕刻)，或固有的构件特征(例如，冷却孔)形成。虽然一些特别构件10(或其上的至少特别位置)可不经历升高温度以要求热障涂层，但用于基于阵列的应变传感器40的此类使用可确保其寿命，其中其它的应变传感器材料(例如，聚合材料、化学染料等)可潜在地由于相对严酷的环境而分解和消失。

在一些实施例中，构件10可进一步包括一个或更多个涂层以有助于保护基底11免受构件10的操作环境(例如，工业燃气涡轮中的升高温度)，有助于确保多个参考特征50的粘附和/或有助于维持多个参考特征50的边缘免受侵蚀或腐蚀。

例如，在一些实施例中，构件10可包括设置在基底11与多个参考特征50中的至少一个之间的涂层。此类实施例可有助于保护基底11和/或确保多个参考特征50的粘附。在一些实施例中，构件10可包括设置成邻近多个参考特征50中的至少一个，如包绕多个参考特征的边缘的涂层。此类实施例可有助于防止多个参考特征50的边缘退化。

适合的涂层可包括部分地基于例如构件10的环境的多种材料。在一些实施例中，涂层可包括可提供增大温度生存性的陶瓷材料。例如，在一些实施例中，陶瓷材料可包括热障涂层，如氧化钇稳定的氧化锆。甚至在一些实施例中，涂层可包括金属粘结涂层和/或热生长氧化物以协助随后陶瓷顶部涂层(例如，YSZ)的沉积。在一些实施例中，涂层可包括凝胶涂层，如凝胶铝化物。

基于阵列的应变传感器40的尺寸(例如，总大小和独立参考特征50的大小)可取决于例如构件10、基于阵列的应变传感器40的位置、测量的目标精度、沉积技术，和/或测量技术。例如，在一些实施例中，基于阵列的应变传感器40可包括范围从小于1毫米到大于300毫米的长度和宽度。此外，基于阵列的应变传感器40可包括适合于沉积和随后识别而不显著地影响下置构件10的性能的任何厚度。例如，在一些实施例中，基于阵列的应变传感器40可包括小于从大约0.1毫米到大于1毫米的厚度。在一些实施例中，基于阵列的应变传感器40可具有大致一致的厚度。

基于阵列的应变传感器40可安置在整个构件10的基底11上的多种位置中的一个或更多个中。例如，如果基底包括涡轮构件，则基于阵列的应变传感器40可安置在涡轮叶片、压缩机叶片、导叶、喷嘴、护罩、转子、过渡件或外壳上。在此类实施例中，基于阵列的应变传感器40可安置在已知在单元操作期间经历多种力的一个或更多个位置中，如在翼型件、平台、末端或任何其它适合位置上或附近。此外，因为基于阵列的应变传感器40可至少部分地由涂层保护或者包括高阻材料，所以基于阵列的应变传感器40可安置在已知经历升高温度的一个或更多个位置中(其中包括其它材料的应变传感器可腐蚀和/或侵蚀)。例如，基于阵列的应变传感器40可安置在热气体路径或燃烧涡轮构件上。

甚至在一些实施例中，多个基于阵列的应变传感器40可安置在单一涡轮构件或多个涡轮构件上。例如，多个基于阵列的应变传感器40可在多种位置处安置在单一涡轮构件(例如，涡轮叶片)上，使得可在关于独立涡轮构件的更多数量的位置处确定应变。作为备选或附加地，多个相似的涡轮构件(例如，多个涡轮叶片)可均具有安置在标准位置中的基于阵列的应变传感器40，以使由各个特定涡轮构件经历的应变的量可与其它相似涡轮构件比较。甚至在一些实施例中，相同涡轮单元的多个不同涡轮构件(例如，用于相同涡轮的涡轮叶片和导叶)可均具有安置在其上的基于阵列的应变传感器40，以使可确定和潜在地比较在整个涡轮内的不同位置处经历的应变的量。

此外，基于阵列的应变传感器40的多个参考特征50可分布在整个基底11的任何大小的区域之上。例如，在一些实施例中，多个参考特征50可分布在基底11的相对孤立的区域，如包括整个基底的百分之1或更少的区域之上。然而，在一些实施例中，多个参考特征50可分布在大得多的区域之上，以便于监测横跨大得多的百分比的基底11的应变、应变率、蠕变、疲劳、应力等。例如，在一些实施例中，基于阵列的应变传感器40的多个参考特征50可分布在百分之50或更多的基底11之上。在一些实施例中，基于阵列的应变传感器40的多个参考特征50可分布在构件的某个感兴趣区域之上。例如，如果基底11包括包含翼型件部分的涡轮构件，则基于阵列的应变传感器40的多个参考特征50可分布在百分之50或更多的翼型件部分之上。甚至在一些实施例中，基于阵列的应变传感器40的多个参考特征50可分布在整个基底11之上。虽然特定实施例在本文中提出，但应当认识到的是，基于阵列的应变传感器40的多个参考特征50的大小、形状、位置和分布范围可包括如取决于构件10的特定基底11的多种变体。

如图2和3中最佳示出的，在操作中，基于阵列的应变传感器40可用于监测横跨基底11的比如果使用两点式应变传感器将可能的更大的区域的应变、应变率、蠕变、疲劳、应力等。例如，图2示出包括在时间T₁时的第一点、时间T₂时的第二点和时间T₃时的第三个点处的多个参考特征50的基于阵列的应变传感器40。时间T₁时的第一点可包括在首先施加基于阵列的应变传感器40时的初始状态。在此类状态下，所有的多个参考特征50可例如沿着第一轴线61和第二轴线62两者均匀地分布以形成至少二维阵列。接着，在构件10用于操作达第一间隔之后，多个参考特征50可开始分叉和/或朝向彼此会聚，如在时间T₂时的第二点处示出的。随后，在构件10用于操作达第二间隔之后，多个参考特征50可进一步分叉和/或朝向彼此会聚，如在时间T₃时的第三点处示出的。如图3中所示，多个参考特征50关于彼此的这些移动可用于产生示出距离变化以突显经历应变集中的潜在区域的应变图70。操作者可使用该信息以有助于确定例如构件10的未来适合性和/或可为有益的任何修改(例如，修正)操作。

附加地参照图5，示出了用于监测构件10的方法100。方法100包括在步骤110中测量在第二时间间隔处的构件10上的基于阵列的应变传感器40的多个参考特征50之间的多个第二距离。方法100可进一步包括在步骤120中将应变传感器40的多个参考特征50之间的多个第二距离(在步骤110中测得)与来自第一时间间隔的应变传感器40的多个参考特征50之间的多个第一距离比较，以确定第一时间间隔和第二时间间隔之间的应变。第一时间间隔可包括在时间上更早的点，如在构件用于操作中之前(例如，安装在涡轮上)。此外，多个第一距离可基于例如制造参数来测量或另外知道。

现在应当认识到的是，基于阵列的应变传感器可设置在基底上以形成整个构件，其可监测用于构件的更大区域之上的应变、蠕变或类似物。多个参考特征的至少二维阵列可实现更好理解横跨更大覆盖区域的潜在应变的量、严重性和位置。该信息可接着用于确定对构件的任何必要修改或验证用于未来使用的其适合性。

虽然已经结合仅有限数量的实施例来详细描述本发明，但应当容易理解，本发明不限于此类公开的实施例。相反，可修改本发明，以并入迄今未描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、更改、替换或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的多种实施例，但将理解，本发明的方面可包括所描述的实施例中的仅一些。因此，本发明不视为由前述描述限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。