[发明专利]光学传感器问询系统

说明书

技术领域

本发明通常涉及光纤结构完好性监视器的领域，特别是涉及到光学传感器问询系统，其包含探测被监视的材料或系统的性能改变的一个或更多个基于光子晶体的传感器，光纤问询模块将光学信号转换成电信号用于分析传感器的状态，以及涉及使用问询系统的方法，甚至更特别的是涉及构造上质轻且简易的微型化光学传感器问询系统。

背景技术

宇航飞行器和系统通常装备有通过获取、交换和分析数据来监视各种系统的完好性的仪器，并且在传输和处理收集到的数据时这种配置的通讯网络必需足够稳健以便抵抗反复性的和潜在的破坏性力量和情况。

近年来，为了监视这种系统的完好性，已倾向于使用光学装置代替电子的或机械的设备。光学问询系统是在化学、生物、温度和压力感测环境中使用的完好性监视系统中的一体/整体元件。由于较轻质量和EMI连续性的原因，光学感测技术是航空宇宙应用中非常理想的，但是至今已证实这种传感器系统太昂贵或使用复杂。

已经提出和尝试了各种解决方案，包括光纤布拉格光栅(FBG)类型的传感器系统、光纤光学路径感测(fiber optic path sensing)、压电换能器、比较真空监视器、基于应变仪的系统、超声波系统和视觉指示器，但是其中的每一个都存在挑战。

目前，在结构完好性监视的许多领域中优选光纤布拉格光栅设备时，这种设备要求对光纤光缆进行细致的改良以便正常运行，同时也需要用于确定波长迁移和其他现象的复杂方法。这种系统也似乎受到温度变化的影响，从而需要额外的器材来补偿。

光纤光学路径感测由于其简单性(例如，光纤环)而非常具有吸引力，但是最终的系统会变得相当复杂，因此监视将破损或变化同场需要附加的器材，如时域反射器材。

压电设备由于其构造中所用材料的属性而倾向于非常昂贵。这种设备也通常具有其他电基系统的特征(易受EMI/闪电影响)，同时每个单个传感器也需要双线接头。进一步地，这种设备对某些频率灵敏，并且会要求大量基线数据测量以便适当地操作。

比较真空监视(CVM)利用非常精密的压力盒，并且观察意味着裂纹的压力变化；这可以用于产生简单的且负担得起的传感器设计。然而，CVM可能需要装管和压力系统以便于操作，并且已知CVM器材可能需要使用手持式系统以便于应用。

应变仪是观察阻抗变化的较早技术。传感器相当简单，在大多数情况下仅是在柔性衬底上的铜痕迹。然而，正确地安装和读取这种传感器可能是困难的，并且也存在类似于上述提及的压电设计的问题。

超声波检查是当前正在使用的技术，并且要求现场设备的安装穿过(run across)结构和器材以便适当地操作。将这种系统缩小成嵌入型设计的常识将非常可能导致极类似于压电型系统的系统。

视觉检查是当时使用的标准感测方法，并且涉及高度针对性的个体检查和尝试以便判断材料的失效性，以及估计结构可持续使用多长时间。

Haugse等人在2004年2月10日提出并归属于本发明的受让人的美国专利No.6,691,007描述了监视交通工具的情况并根据监视的情况产生维护计划的系统和方法。本专利公开了传统的光学传感器的使用，如法布里--珀罗干涉仪、长周期光栅和光纤布拉格光栅传感器，其中没有一个足够小到允许最小化或减少问询系统的成本。

因此需要轻质、小型化且高效的光学问询装置，以便调查来自一个或更多个光学传感器的数据，以便为了监视和报告交通工具结构和系统的完好性。

发明内容

在本发明的一种实施例中，光学传感器包括具有自由端的有限长度的光纤，以及安装在光纤的自由端的光子晶体。光纤自由端包括被抛光的表面，并且晶体被固定到被抛光的表面。光子晶体被涂覆有保护晶体免受破坏性环境影响的材料。通过将一定范围的电压施加到晶体能够改变光学传感器的反射特性。