具有嵌入式传感系统的复合结构技术方案

本发明专利技术提供了一种具有嵌入式传感系统的复合结构，以及监控复合结构健康度的相应系统和方法。复合结构包括复合材料和设置在复合材料内的光纤。光纤包括用于增强其非线性光学特性的多个量子点。量子点可设置在纤芯，包层中和/或光纤的表面。光纤被配置为支持信号传播且对复合材料内的缺陷是敏感的。响应于复合材料中的缺陷，量子点产生非线性效应，如二阶效应。根据对包括量子点产生的非线性效应的信号的检测和分析，复合材料内的缺陷可被检测。

【技术实现步骤摘要】
具有嵌入式传感系统的复合结构相关申请的交叉参考本申请是2011年8月23日提交的编号为13/215，969的共同在审美国专利申请的部分继续申请,其全部内容并入本文作为参考。
本专利技术的实施例一般涉及复合结构，更具体地涉及具有用于监控复合材料健康度的嵌入式传感系统的复合结构。
技术介绍
复合结构是包括通常具有给定顺序的两个或更多组件的结构，其被用于各种各样的应用。例如，如航空器，航天器等的飞行器可使用复合结构以利用其益处，即由复合材料提供的增加的强度重量比。其他可能包括复合结构的应用包括其他类型的车辆，如汽车，船舶，自行车等，以及其他各种结构，如建筑物，桥梁等。通过适当修改所用材料，结构本身，或制造该结构的过程，同样可以生产和使用具有包括改变的热、电、声或机械特性的额外功能的的复合结构。复合结构可以以各种方式被制造，这些方式被设计成将预定的顺序给予分散在树脂或其他近似连续介质中的多种元素，其他近似连续介质例如，聚合物，玻璃，或胶合剂。通常，复合结构包括嵌入在树脂基体的多种结构纤维，如玻璃纤维或其他元素，包括碳纤维、金属化碳纤维、金属或聚合物薄片、碳或聚合物层，预浸溃复合片材，纤维编织布、随机或有序的纤维席纹布、金属或聚合物网。树脂基体可是许多热塑性或热固性聚合物的组合、粘合剂或其他粘结材料或胶合剂之中的任何一个。一旦复合结构被贮存，比如以能够产生所需的形状或编织为预先确定的二维(2d)或三维(3d)结构的方式，将多个复合层一个放在另一个上或将多个复合丝束一个挨着另一个放置，该复合结构在一个或多于一个处理步骤中可被固化，融化或粘接。虽然复合结构拥有许多优势，但复合结构可能偶尔有很多异常，如复合层之间分层，复合层之间的波浪状起伏或卷曲，其中复合丝束的顶端至少一部分卷起，从而在复合结构内产生内漩涡。虽然其中一些异常可由复合结构的目视检查发现，大量的异常仍可留在复合结构的内部以致使其在复合结构的目视检查中不能被发现。因此，多种利用诸如X射线，超声波信号或类似信号的检验技术已被开发，以探寻复合结构的内部。虽然这些检测技术可以检测一些如层的分层的异常，其他可由复合结构的树脂内的结构纤维的取向差或错位而产生的异常，从检测的角度来看可存在更大的挑战。就这方面而言，在复合结构内的多数结构纤维或其他元素一般在预定义的方向延伸，而复合结构的物理特性取决于或至少部分取决于结构纤维或其他元素的方向性。然而，在某些情况下，复合结构内的结构纤维或其他元素可呈现不同的和意外的方向或位置，这可导致复合结构的物理性质也不同。例如，向近似树脂富集区扩展的结构纤维或其他元素可迁移或移向或进入树脂富集区，从而偏离其预定的方向。所述结构纤维的非预期的方向或位置可以是重力、静水压力、化学或沸腾作用或机械作用的结果。由于这种在结构纤维或其他元素的方向和位置偏差可能会影响复合结构的物理性质，所以需要以可靠的方式检测在结构纤维或其他元素的方向或位置偏差，以及在复合结构内的其他缺陷，并且如果需要的话，做适当的修复。
技术实现思路
根据本专利技术的一个实施例，提供具有嵌入式传感系统的复合结构。在这方面，嵌入式传感系统可包括具有多个量子点的光纤，多个量子点可增强光纤的非线性光学性质。因此，复合结构内的缺陷或其他现有的或过去的变化或状态(以下统称“缺陷”)可导致量子点产生可容易辨别的非线性效应，从而提供了复合结构内缺陷的可靠指示。根据本专利技术实施例，一种监控复合结构健康度的系统和方法也被提出。在这样的背景下，复合结构的健康度包括其化学状态，例如，固化程度，其力学状态，例如应力场，其环境，例如，温度或湿度含量，存在的缺陷或孔隙度，如脱胶或层位错，其热或电特性，或其离子密度，这其中任何一个都可能和所述结构实现其功能有关系。在一个实施例中，提供了监视复合结构健康度的系统，该复合结构包括复合材料，其具有树脂和嵌入在树脂内的多种结构元素和设置在复合材料内的光纤，所述光纤包括增强其非线性光学特性的多个量子点。对于一个实施例，该光纤包括纤芯和围绕该纤芯的包层，纤芯可包括多个量子点，以放大通过纤芯传播的信号和/或提高光纤的灵敏度。另外地或替代地，所述光纤的包层可包括多个量子点，以通过光纤消失波增强与周围的树脂的相互作用。另外，所述多个量子点可被布置在光纤的表面，以便提供与局部应变场，材料和消失波的较强的相互作用。本实施例中的系统，还包括配置为提供信号给光纤以使其沿光纤传播的信号源。所述多个量子点响应复合材料中的缺陷产生非线性效应，如二阶效应，例如，二次谐波的产生。本实施例中的系统还包括检测器，其配置为检测包括通过光纤传播后的非线性效应在内的信号。由于非线性效应可以很容易地被确定，因此本实施例的系统可以可靠地检测出在复合材料中的缺陷，以便进行进一步的检查或修复。例如，诸如纤维束路径或复合层的偏差之类的缺陷，可在某些实施例中与这种缺陷出现的位置一起被检测出来。一个实施例中的检测器被配置为在信号反射后检测该信号。例如，光纤可包括布拉格光栅或一个或更多部分反射镜，其用于反射至少一部分所述信号。对于另一个实施例，其中，光纤在第一端和第二端之间延伸，且信号源定位于靠近所述光纤的第一端，系统还可包括定位在所述光纤的第二端的反射器，以便从第二端向第一端将信号反射通过光纤。对于另一个实施例，一种具有嵌入式传感系统的复合结构被提供。在这方面，该复合结构包括具有树脂和嵌入树脂中的多个结构元素的复合材料。该复合结构还包括放置于复合材料内的光纤。该光纤包括多个量子点，以增强光纤的非线性光学特性。对于一个实施例，其中光纤包括芯和围绕该纤芯的包层，纤芯可包括多个量子点，以放大通过纤芯传播的信号和/或提高光纤的灵敏度。另外地或替代地，光纤的包层包括多个量子点，以通过光纤消失波增强与周围的树脂的相互作用。进一步地，多个量子点可被置于所述光纤的表面，以提供与局部应变场，所述材料和所述消失波更强的相互作用。本实施例中的光纤被配置为支持信号沿其传播并对复合材料内的缺陷是敏感的。在这方面，所述多个量子点响应复合材料内的缺陷产生非线性效应，如二阶效应，例如，二次谐波的产生。对于一个实施例，光纤可包括布拉格光栅或部分反射镜，其用于反射至少部分光信号。对于更进一步的实施例，提供了一种用于监控复合结构健康度的方法。该方法包括提供复合结构和光纤，所述复合结构包括含有树脂和嵌入在树脂内的多个结构元素的复合材料，所述光纤被设置在复合材料内，且具有用以增强所述光纤的非线性光学特性的多个量子点。对于一个实施例，其中光纤包括纤芯和围绕该纤芯的包层，纤芯可包括多个量子点，以放大通过纤芯传播的信号和/或增强所述光纤的灵敏度。另外地或替代地，所述光纤的包层可包括多个量子点，以通过光纤消失波增强与周围的树脂的相互作用。另外，所述多个量子点可被布置在光纤的表面，以便提供与局部应变场、所述材料和所述消失波的更强的相互作用。该方法还包括给光纤提供信号以使其沿光纤传播，如从光纤的第一端传播到与其相对的第二端。一个实施例的方法还包括产生非线性效应，如二阶效应，例如，多个量子点响应复合材料中的缺陷而造成的二次谐波的产生。本实施例的方法还在通过光纤传播信号后检测信号，其包括非线性效应。由于非线性效应可被很容易地确定，因此在此实施例中的方法可以可靠本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种监控复合结构的系统，所述系统包括：所述复合结构内的光纤，所述光纤包括多个量子点；与所述光纤耦合的信号源，其为所述光纤提供信号以使所述信号沿所述光纤传播；以及与所述光纤耦合的检测器，其检测离开所述光纤的信号。

【技术特征摘要】
2012.07.31 US 13/562,8321.一种监控复合结构的系统，所述系统包括: 所述复合结构内的光纤，所述光纤包括多个量子点； 与所述光纤耦合的信号源，其为所述光纤提供信号以使所述信号沿所述光纤传播；以及 与所述光纤耦合的检测器，其检测离开所述光纤的信号。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述光纤包括纤芯和围绕所述纤芯的包层，并且其中所述纤芯包括所述多个量子点。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述光纤包括纤芯和围绕所述纤芯的包层，并且其中所述包层包括所述多个量子点。4.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个量子点被设置在所述光纤的表面上。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个量子点响应所述复合材料中的异常而产生二阶效应。6.根据权利要求1所述的系统，其中所述光纤进一步包括布拉格光栅或法布里-珀罗标准具中的至少一个，该法布里-珀罗标准具包括一个或更多部分反射镜。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述光纤在相对的第一端和第二端之间延伸，其中所述信号源接近所述光纤的第一端设置，其中所述系统进一步包括设置在所述光纤的第二端的反射器，以从所述第二端向所述第一端反射所...

【专利技术属性】
技术研发人员：J·H·汉特，J·H·贝尔克，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：