[发明专利]混合型弹性和易碎分层结构状况传感器

说明书

技术领域

本公开涉及结构测试。特别地，本公开涉及监视使用中结构元件随时间的完整性的技术。

背景技术

监视结构元件完整性的需要在许多不同应用中出现。例如，有必要监视飞行器结构。飞行器可保持使用多年并可能经历超过设计极限的环境，导致不同的故障模式，例如疲劳、断裂和腐蚀。因此，有必要定期检查交通工具的结构完整性，作为任何小心维护计划的一部分。相似地，其它类型的结构也可需要定期监视。高速公路结构例如天桥和桥梁必须定期检查。一些建筑结构也可能需要定期测试。测试结构元件的传统测试技术例如视觉检验、x-射线、染料渗透剂和电场技术(例如涡电流测试等)具有许多缺点。

结构元件的视觉检验经常需要对结构进行一些程度的拆卸。这使全部测试成本大大增加。例如，飞行器结构的视觉检验需要充分拆卸结构，并移除安装的装备，以便提供以适合视觉检测腐蚀的距离观察感兴趣区域所需的通道。

在放射线照相测试大类之下的X-射线测试需要特殊设备和政府许可。该技术利用短波长电磁辐射穿透各种材料的能力。X-射线机器或放射源可用作光子源。因为从被检测材料相反侧出现的辐射量可被检测和测量，因此辐射强度的变化用来确定材料的厚度或成分并揭示任何缺陷。由于安全问题，因此X-射线测试在执行测试时也通常需要完全停止关于全部其它任务的工作。

染料渗透剂测试也是耗时和棘手的。染料渗透剂检查用来通过从裂纹渗出有色染料或荧光染料揭示表面破损裂纹。该技术基于液体通过毛细作用吸入表面破损裂纹的能力。在一段时间后，过多表面渗透剂被移除，并且施加显影剂。这充当吸收剂。它将渗透剂从裂纹吸出，从而显示它的存在。构成的渗透剂和显影剂以及它们的副产物可被确定为危险的(HAZMAT)，需要昂贵的处理手段。

最后，利用施加电场的检验方法(例如，涡电流测试等)在该类应用中特别耗时并且难以可靠读取，并可需要改变结构。例如在通常的涡电流测试中，将承载AC电流的环形线圈接近测试的导电样本放置。线圈中的交流电产生变化磁场，该变化磁场与测试物体相互作用并在其中感应涡电流。这些涡电流的相位和量级的变化可使用第二线圈监视，或通过测量在主线圈中流动的电流的改变来监视。测试物体存在的任何裂纹或导电率或导磁率的任何变化将导致涡电流的改变和所测量电流的相位和幅度的相应改变。该技术通常限于检测表面破损或近表面破裂以及材料组成的变化。

考虑到上述，本领域需要有效监视结构元件完整性的设备和方法。特别地，需要这样的设备和方法来监视结构元件而不需要耗时的拆卸。也需要重量轻且使用廉价的此类设备和方法。在飞行器应用中特别需要这样的设备和方法。进一步，需要这样的设备和方法监视结构的断裂和可能的腐蚀以及二者。这些和其它需要通过如下面详述的本公开满足。

发明内容

公开了监视和测试结构元件中可能的断裂和腐蚀的混合型传感设备。包括薄易裂导体感测环的易碎材料层和包括联结在易碎层上的导电腐蚀感测环的弹性材料层形成联结到待测试结构元件的组件。导电腐蚀感测环的部分通过在弹性材料层中的漏孔暴露。在联结的结构元件中的断裂在易碎膜和薄易裂导体感测环中引起破坏，并且导电腐蚀感测环的腐蚀改变它的电性质。破坏的导体感测环和/或导电腐蚀感测环的所测量的电性质变化揭示可能的损坏。两个传感器层可利用单一、共享的无线通信标签(tag)，以耦合到电测量仪器。

本发明的典型传感器实施方式包含感测结构完整性的设备，其包括易碎非导电材料层、布置在易碎非导电材料层上的弹性非导电材料层、在易碎非导电材料层内的易裂导体感测环和在弹性非导电材料层内的导电腐蚀感测环，并且导电腐蚀感测环具有通过在弹性非导电材料层中的至少一个漏孔暴露的部分。易碎非导电材料邻近结构表面布置，以使易裂导体感测环可通过结构表面中的断裂分裂，并且导电腐蚀感测环的暴露部分可腐蚀从而引起导电腐蚀感测环的电性质改变。在一些实施方式中，易裂导体感测环和结构表面可包含共同的材料。通常，易碎非导电材料层被联结到结构表面。

通常，源自结构表面中断裂的易裂导体感测环的分裂和导电腐蚀感测环的电性质改变可通过耦合到易裂导体感测环和导电腐蚀感测环的电测量器件感测。在进一步的实施方式中，传感器进一步包含无线通信标签，以便将电测量器件耦合到易裂导体感测环和导电腐蚀感测环。可选地，有线连接器件可用于将电测量器件联接到易裂导体感测环和导电腐蚀感测环。

在进一步的实施方式中，第二结构表面可布置在弹性非导电材料层上面，例如如同在密封垫片结构中使用的。在此情况下，弹性非导电材料层可包含与第二结构表面紧靠的一个或多个密封肋。