[发明专利]基于结构纤维的集成式超冗余触觉传感器网络

说明书

公开了用于测量包括一体式传感器网络的复合结构中的应力的系统和方法。所述复合结构以层的方式形成，其中所述层中的每一层由平行纤维形成。所述层中的至少一个层包括被分布在平行纤维之间的多个纤维传感器单元。每个所述纤维传感器单元具有内纤维芯和形成在内纤维芯上面的非传导层。控制器被电耦接到每个纤维传感器单元并且被配置为基于每个纤维传感器单元的所述内纤维芯中的电阻水平的改变来确定复合结构中的应力水平。所述纤维传感器单元可以处于单个方向中或者可以处于第一组相对于第二组成非零角度布置的编织图案中。

技术领域

本公开涉及超冗余触觉传感器网络，并且涉及形成这种传感器网络的方法，并且更具体涉及基于可以被并入到基础交通工具(诸如飞行器)的结构内的结构纤维的超冗余触觉传感器网络。

背景技术

许多结构包含传感器的分布式网络以便成功地履行其功能。例如，结构健康监测(SHM)系统可以使用被分布在结构周围的传感器。SHM系统能够提供检测并解读可以与其使用中的应力和/或永久损坏有关的结构的任何改变的能力。SHM系统可以使用被集成到结构内以针对这样的改变连续地监测部件的无创检测传感器。

复合结构是由在各种各样的应用中使用的通常具有一些给定顺序的两个或更多个部件组成的结构。例如，诸如飞行器、航天器等的空间交通工具可以使用复合结构以便利用可归因于由复合材料提供的增加的强度重量比的益处。可以包括复合结构的其他应用包括其他类型的交通工具(诸如汽车、船舶、自行车等)以及其他各种各样的结构(诸如建筑物、桥梁等)。通过适当地修改所使用的材料、结构本身、或被用来产生该结构的过程，也可以产生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，所述各种方式被设计为将预定的顺序给予被分散在树脂或其他通常连续的介质(例如聚合物、玻璃或胶合剂)中的多个元件。通常，复合结构包括被嵌入在树脂基体中的多种结构纤维，诸如玻璃纤维或其他元件，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、预浸渍复合片材、纤维编织布、随机或有序的纤维席纹布、金属或聚合物网。树脂基体可以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中的任何一个。一旦复合结构已经被铺设，诸如以以便具有期望的形状或编织为预定的二维或三维结构的方式一个在另一个上地放置多个复合层或将多个复合纤维束一个挨着另一个地铺设，该复合结构在一个或多个处理步骤中可被固化、融化或粘接。

将SHM系统实施到复合结构内能够提供关于其使用中的应力和/或永久损坏的立即反馈。然而，这样的系统会增添重量并且减弱复合结构的结构完整性。例如，SHM系统可以使用被永久地安装在感兴趣区域中的各种传感器(诸如应变计、热电偶和光纤)。这些传感器的数量和位置会由于所需的基础结构而受到限制。当SHM系统在苛刻环境(诸如飞行器所经历的极端温度、冲击、振动和g-负荷)中被操作时，这些影响会进一步加剧。

因此，存在对克服上面列举的问题的结构健康监测系统和形成这种系统的方法的需要。

发明内容

在第一方面中，一种复合结构包括一体式传感器网络。所述复合结构以层的方式形成，其中所述层中的每一个由平行纤维形成。所述层中的至少一个包括被分布在所述平行纤维之间的多个纤维传感器单元。所述纤维传感器单元中的每一个具有内纤维芯和被形成在所述内纤维芯上面的非传导层。

在一个进一步的示例中，所述多个纤维传感器单元中的每一个沿平行于所述多个纤维传感器单元中的每个其他纤维传感器单元的单个方向被取向。进一步地，所述多个纤维传感器单元中的每一个可以具有在其第一端处的第一连接端子和在其第二端处的第二连接端子，所述第一端被连接到对应内纤维芯的第一端，并且所述第二端被连接到对应内纤维芯的第二端。通过将所述第一连接端子中的每一个电连接到所述第一连接端子中的每个其他第一连接端子并将所述第二连接端子中的每一个电连接到所述第二连接端子中的每个其他第二连接端子，所有所述多个纤维传感器单元都可以被并联地电耦接。