[发明专利]用于结构健康监测的纳米粒子墨水基压电传感器分布式网络的方法和系统

说明书

技术领域

本公开大体涉及结构健康监测方法和系统，并且更具体地涉及使用被沉积在结构的表面上的纳米粒子传感器的结构健康监测方法和系统。

背景技术

例如微型传感器的小传感器可以被用于包括结构健康监测（SHM）系统和方法的各种应用来连续地监测例如复合材料或金属结构的结构，并且测量结构特征以及应力和应变水平，以便评估结构的性能、可能损坏和当前状态。公知的SHM系统和方法可以包括使用被集成到聚酰亚胺基体或其他适当基体上的小的刚性的陶瓷圆盘传感器。这些公知的传感器通常使用粘结剂被手动粘结到结构。这种手动安装会增加劳动力和安装成本，并且这种粘结剂会随时间老化并且会导致传感器脱离结构。此外，这些公知传感器可以由坚硬的平面和/或脆性材料制成，而这会限制其使用，例如难以用在弯曲或非平面基体表面上。此外，这些陶瓷圆盘传感器需要动力和通信配线且最少两根电线连接到每个传感器。这种配线会需要使用电线系绳、吊架、托架或其他硬件来连接和管理以便维持对配线的组织。这种配线和管理和组织配线的硬件会增加结构的复杂性和重量。

此外，公知传感器系统和方法，例如微机电系统（MEMS）和方法，会包括使用纳米粒子沉积在基体压电传感器，例如锆钛酸铅（PZT）传感器的用法。用于制造这种MEMS的公知方法可以包括用于直写墨水的PZT粉末的熔融盐合成。不过，应用由这样的公知方法制造的PZT传感器会受限于PZT传感器的物理几何形状。这种物理几何限制会导致不足的感测能力或者不足的致动响应。此外，由这样的公知方法制造的PZT传感器由于PZT传感器制造方法的原因而不能够应用于或被置于其功能非常重要的区域。例如，公知的熔融盐合成方法会需要在比某些应用基体能够容忍的温度更高的温度下进行。

此外，这样的公知MEMS系统和方法还会包括使用具有纳米粒子的传感器，且所述纳米粒子还没有晶体化并且其比已经晶体化的纳米粒子效率更低。非晶结构通常具有更大的无序性，从而导致对应变和电压的响应敏感性减小，而晶体结构通常具有更大的内部有序性，从而导致对应变的响应敏感性增加并且操作能量的必要性减小。此外，传感器的纳米粒子对于某些公知的沉积过程和系统而言是过大的，例如喷射原子化沉积（JAD）过程，并且这种纳米粒子会需要高温烧结/结晶过程，而这会导致损坏对温度敏感的基体或结构。

因此，本领域需要一种改进的方法和系统，其用于可以被用在结构的结构健康监测系统和方法中的纳米粒子压电传感器分布式网络，而这种改进的方法和系统提供了优于公知方法和系统的优点。

发明内容

满足了对于一种改进的方法和系统的这种需要，且其中该方法和系统用于可以被用在结构的结构健康监测系统和方法中的纳米粒子压电传感器分布式网络。如下述具体描述中所讨论的，系统和方法的实施例可以提供优于已有系统和方法的显著优点。

在所公开的实施例中，提供一种用于监测结构的结构健康的系统。该系统包括针对结构健康待监测的结构。该系统还包括被沉积在结构上的纳米粒子墨水基的压电传感器组件的分布式网络。每个组件均包括多个纳米粒子墨水基的压电传感器。每个组件还包括多个导电墨水动力和通信电线组件以用于互连多个传感器。系统还包括墨水沉积设备以用于将纳米粒子墨水基的压电传感器组件分布式网络沉积在结构上。系统还包括向分布式网络提供电动力的电源。系统还包括数据通信网络，其用于经由来自传感器的一个或更多个信号检索和处理结构的结构健康数据。结构可以具有非弯曲或平面表面、弯曲或非平面表面或者非弯曲或平面表面和弯曲或非平面表面的组合。纳米粒子墨水基的压电传感器组件可以被沉积在结构的表面上且一层或更多层的绝缘物、涂层或漆处于结构主体和传感器组件之间。

在本公开的另一实施例中，提供一种监测结构的结构健康的方法。方法包括提供针对结构健康待监测的结构。方法还包括经由墨水沉积过程将多个纳米粒子墨水基压电传感器以及用于互连多个传感器的多个导电墨水动力和通信电线组件沉积在结构上以形成纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式网络。方法还包括经由电源向分布式网络提供电动力。方法还包括使用数据通信网络经由来自传感器的一个或更多个信号检索和处理结构的结构健康数据。