具有嵌入式傳感系統的復合結構的制作方法

具有嵌入式傳感系統的復合結構的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種具有嵌入式傳感系統的復合結構，以及監控復合結構健康度的相應系統和方法。復合結構包括復合材料和設置在復合材料內的光纖。光纖包括用于增強其非線性光學特性的多個量子點。量子點可設置在纖芯，包層中和/或光纖的表面。光纖被配置為支持信號傳播且對復合材料內的缺陷是敏感的。響應于復合材料中的缺陷，量子點產生非線性效應，如二階效應。根據對包括量子點產生的非線性效應的信號的檢測和分析，復合材料內的缺陷可被檢測。
【專利說明】具有嵌入式傳感系統的復合結構
[0001]相關申請的交叉參考
[0002]本申請是2011年8月23日提交的編號為13/215，969的共同在審美國專利申請的部分繼續申請,其全部內容并入本文作為參考。
【技術領域】
[0003]本發明的實施例一般涉及復合結構，更具體地涉及具有用于監控復合材料健康度的嵌入式傳感系統的復合結構。
【背景技術】
[0004]復合結構是包括通常具有給定順序的兩個或更多組件的結構，其被用于各種各樣的應用。例如，如航空器，航天器等的飛行器可使用復合結構以利用其益處，即由復合材料提供的增加的強度重量比。其他可能包括復合結構的應用包括其他類型的車輛，如汽車，船舶，自行車等，以及其他各種結構，如建筑物，橋梁等。通過適當修改所用材料，結構本身，或制造該結構的過程，同樣可以生產和使用具有包括改變的熱、電、聲或機械特性的額外功能的的復合結構。
[0005]復合結構可以以各種方式被制造，這些方式被設計成將預定的順序給予分散在樹脂或其他近似連續介質中的多種元素，其他近似連續介質例如，聚合物，玻璃，或膠合劑。通常，復合結構包括嵌入在樹脂基體的多種結構纖維，如玻璃纖維或其他元素，包括碳纖維、金屬化碳纖維、金屬或聚合物薄片、碳或聚合物層，預浸潰復合片材，纖維編織布、隨機或有序的纖維席紋布、金屬或聚合物網。樹脂基體可是許多熱塑性或熱固性聚合物的組合、粘合劑或其他粘結材料或膠合劑之中的任何一個。一旦復合結構被貯存，比如以能夠產生所需的形狀或編織為預先確定的二維(2d)或三維(3d)結構的方式，將多個復合層一個放在另一個上或將多個復合絲束一個挨著另一個放置，該復合結構在一個或多于一個處理步驟中可被固化，融化或粘接。
[0006]雖然復合結構擁有許多優勢，但復合結構可能偶爾有很多異常，如復合層之間分層，復合層之間的波浪狀起伏或卷曲，其中復合絲束的頂端至少一部分卷起，從而在復合結構內產生內漩渦。雖然其中一些異常可由復合結構的目視檢查發現，大量的異常仍可留在復合結構的內部以致使其在復合結構的目視檢查中不能被發現。因此，多種利用諸如X射線，超聲波信號或類似信號的檢驗技術已被開發，以探尋復合結構的內部。雖然這些檢測技術可以檢測一些如層的分層的異常，其他可由復合結構的樹脂內的結構纖維的取向差或錯位而產生的異常，從檢測的角度來看可存在更大的挑戰。
[0007]就這方面而言，在復合結構內的多數結構纖維或其他元素一般在預定義的方向延伸，而復合結構的物理特性取決于或至少部分取決于結構纖維或其他元素的方向性。然而，在某些情況下，復合結構內的結構纖維或其他元素可呈現不同的和意外的方向或位置，這可導致復合結構的物理性質也不同。例如，向近似樹脂富集區擴展的結構纖維或其他元素可遷移或移向或進入樹脂富集區，從而偏離其預定的方向。所述結構纖維的非預期的方向或位置可以是重力、靜水壓力、化學或沸騰作用或機械作用的結果。由于這種在結構纖維或其他元素的方向和位置偏差可能會影響復合結構的物理性質，所以需要以可靠的方式檢測在結構纖維或其他元素的方向或位置偏差，以及在復合結構內的其他缺陷，并且如果需要的話，做適當的修復。

【發明內容】

[0008]根據本發明的一個實施例，提供具有嵌入式傳感系統的復合結構。在這方面，嵌入式傳感系統可包括具有多個量子點的光纖，多個量子點可增強光纖的非線性光學性質。因此，復合結構內的缺陷或其他現有的或過去的變化或狀態(以下統稱“缺陷”)可導致量子點產生可容易辨別的非線性效應，從而提供了復合結構內缺陷的可靠指示。根據本發明實施例，一種監控復合結構健康度的系統和方法也被提出。在這樣的背景下，復合結構的健康度包括其化學狀態，例如，固化程度，其力學狀態，例如應力場，其環境，例如，溫度或濕度含量，存在的缺陷或孔隙度，如脫膠或層位錯，其熱或電特性，或其離子密度，這其中任何一個都可能和所述結構實現其功能有關系。
[0009]在一個實施例中，提供了監視復合結構健康度的系統，該復合結構包括復合材料，其具有樹脂和嵌入在樹脂內的多種結構元素和設置在復合材料內的光纖，所述光纖包括增強其非線性光學特性的多個量子點。對于一個實施例，該光纖包括纖芯和圍繞該纖芯的包層，纖芯可包括多個量子點，以放大通過纖芯傳播的信號和/或提高光纖的靈敏度。另外地或替代地，所述光纖的包層可包括多個量子點，以通過光纖消失波增強與周圍的樹脂的相互作用。另外，所述多個量子點可被布置在光纖的表面，以便提供與局部應變場，材料和消失波的較強的相互作用。本實施例中的系統，還包括配置為提供信號給光纖以使其沿光纖傳播的信號源。所述多個量子點響應復合材料中的缺陷產生非線性效應，如二階效應，例如，二次諧波的產生。本實施例中的系統還包括檢測器，其配置為檢測包括通過光纖傳播后的非線性效應在內的信號。由于非線性效應可以很容易地被確定，因此本實施例的系統可以可靠地檢測出在復合材料中的缺陷，以便進行進一步的檢查或修復。例如，諸如纖維束路徑或復合層的偏差之類的缺陷，可在某些實施例中與這種缺陷出現的位置一起被檢測出來。
[0010]一個實施例中的檢測器被配置為在信號反射后檢測該信號。例如，光纖可包括布拉格光柵或一個或更多部分反射鏡，其用于反射至少一部分所述信號。對于另一個實施例，其中，光纖在第一端和第二端之間延伸，且信號源定位于靠近所述光纖的第一端，系統還可包括定位在所述光纖的第二端的反射器，以便從第二端向第一端將信號反射通過光纖。
[0011]對于另一個實施例，一種具有嵌入式傳感系統的復合結構被提供。在這方面，該復合結構包括具有樹脂和嵌入樹脂中的多個結構元素的復合材料。該復合結構還包括放置于復合材料內的光纖。該光纖包括多個量子點，以增強光纖的非線性光學特性。對于一個實施例，其中光纖包括芯和圍繞該纖芯的包層，纖芯可包括多個量子點，以放大通過纖芯傳播的信號和/或提高光纖的靈敏度。另外地或替代地，光纖的包層包括多個量子點，以通過光纖消失波增強與周圍的樹脂的相互作用。進一步地，多個量子點可被置于所述光纖的表面，以提供與局部應變場，所述材料和所述消失波更強的相互作用。本實施例中的光纖被配置為支持信號沿其傳播并對復合材料內的缺陷是敏感的。在這方面，所述多個量子點響應復合材料內的缺陷產生非線性效應，如二階效應，例如，二次諧波的產生。對于一個實施例，光纖可包括布拉格光柵或部分反射鏡，其用于反射至少部分光信號。
[0012]對于更進一步的實施例，提供了一種用于監控復合結構健康度的方法。該方法包括提供復合結構和光纖，所述復合結構包括含有樹脂和嵌入在樹脂內的多個結構元素的復合材料，所述光纖被設置在復合材料內，且具有用以增強所述光纖的非線性光學特性的多個量子點。對于一個實施例，其中光纖包括纖芯和圍繞該纖芯的包層，纖芯可包括多個量子點，以放大通過纖芯傳播的信號和/或增強所述光纖的靈敏度。另外地或替代地，所述光纖的包層可包括多個量子點，以通過光纖消失波增強與周圍的樹脂的相互作用。另外，所述多個量子點可被布置在光纖的表面，以便提供與局部應變場、所述材料和所述消失波的更強的相互作用。該方法還包括給光纖提供信號以使其沿光纖傳播，如從光纖的第一端傳播到與其相對的第二端。一個實施例的方法還包括產生非線性效應，如二階效應，例如，多個量子點響應復合材料中的缺陷而造成的二次諧波的產生。本實施例的方法還在通過光纖傳播信號后檢測信號，其包括非線性效應。由于非線性效應可被很容易地確定，因此在此實施例中的方法可以可靠地檢測出復合材料中的缺陷，以便進行進一步的檢查或修復。
[0013]對于信號源被定位為接近光纖的第一端的實施例，該方法還可包括從第二端向第一端反射信號通過光纖，信號最初是從第一端發射的。在本實施例中，對信號的檢測可包括檢測由光纖的第一端發射后又經光纖反射的信號。
[0014]替代的實施例可按照如下聲明:
[0015]A.一種用于監控復合結構的方法，該復合結構具有嵌入在其中的光纖，所述光纖包括多個量子點，該方法包括:
[0016]給光纖提供沿其傳播的信號；并且
[0017]檢測離開所述光纖的信號。
[0018]B.根據權利要求A所述的方法，其包括纖芯和圍繞該纖芯的包層，并且所述纖芯包括多個量子點。
[0019]C.根據權利要求A所述的方法，其包括纖芯和圍繞該纖芯的包層，并且所述包層包括多個量子點。
[0020]D.根據權利要求A所述的方法，其中所述多個量子點置于所述光纖的表面。
[0021]E.根據權利要求A所述的方法，進一步包括響應在復合材料中的異常，通過多個量子點產生非線性效應。
[0022]F.根據權利要求E所述的方法，其中產生非線性效應包括響應在復合材料中的異常來產生二階效應。
[0023]AA.一種用于在復合結構制造過程中監控復合結構的方法，所述方法包括:
[0024]將光纖嵌入處于未固化狀態的復合結構中，所述光纖包括多個量子點；
[0025]給光纖提供沿其傳播的信號，直到復合結構達到固化狀態；并且
[0026]檢測離開光纖的信號，直至復合結構達到固化狀態。
[0027]BB.根據權利要求AA所述的方法，其中所述光纖包括纖芯和圍繞該纖芯的包層，其中所述纖芯包括多個量子點。
[0028]CC.根據權利要求AA所述的方法，其中所述光纖包括纖芯和圍繞該纖芯的包層，其中所述包層包括多個量子點。[0029]DD.根據權利要求AA所述的方法，其中所述多個量子點置于所述光纖的表面。
[0030]EE.根據權利要求AA所述的方法，進一步包括響應在復合材料中的異常，通過多個量子點產生非線性效應。
[0031]FF.根據權利要求EE所述的方法，其中產生非線性效應包括響應在復合材料中的異常來產生二階效應。
[0032]根據本公開的實施例，提供了系統，方法和復合結構，以可靠地識別復合材料內的缺陷，從而以知情和有效的方式進行進一步的檢查或修復。然而，已經討論的特征，功能和優點可被獨立地實現，并且本發明的多個實施例可被合并到其他實施例，其進一步詳情可參照詳細描述和附圖。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]已經概括的介紹了本發明的示例性實施例，現參照附圖，附圖不一定按比例繪制，且其中:
[0034]圖1是根據本發明實施例的復合結構的截面示圖，其圖示了復合材料和嵌入式傳感系統，包括具有多個量子點的光纖，該光纖放置于所述復合材料中；
[0035]圖2是根據本發明實施例的光纖的局部透視圖；
[0036]圖3是根據本發明實施例監控復合結構健康度的系統的示意性表示；
[0037]圖4-6是根據本發明實施例的方法的流程圖；并且
[0038]圖7是根據本發明實施例的用于監控復合結構健康度的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0039]本發明的實施例將在下文中通過附圖的參照更詳細的被描述，本發明示出了其中一些實施例，但并非全部實施例都被示出。事實上，這些實施例可以以許多不同的形式來實施，并且不應該被描述為限于本文所述的實施例；相反地，這些實施例被提供以使得本公開將滿足適用的法律要求。全文各處相同的數字指代相似的元件。
[0040]現在參看圖1，其圖示了根據本發明實施例的具有嵌入式傳感系統的復合結構
10。復合結構10可用于各種各樣的應用，其包括空中交通工具，如飛行器，航天器之類，地面交通工具，如汽車，卡車，拖車，自行車等，海上交通工具，建筑以及其它結構。如圖1所示，復合結構10包括復合材料，其中多個結構元素12嵌入到樹脂14的基體內。該復合材料可包括多個不同類型的結構元素12，其包括結構纖維，如玻璃纖維，碳纖維之類以及其他元素，如石墨板，碳面紗，織物預浸料，固體片和金屬或聚合物網。另外，復合材料可包括多個不同類型的樹脂14，其包括，例如環氧樹脂，聚酯樹脂等。
[0041]在圖示的實施例中，該復合材料包括多個復合層，每個層都具有嵌入在樹脂14基體中的多個結構元素12。復合層可以一個放置在另一個上，如圖1所示。然而，該復合材料可以以其他的方式來制造，例如，可一個挨一個地放置的多個復合絲束，或通過包括片，幕布，預浸潰的布，金屬或聚合物網等。在該復合材料的制造過程中，復合材料被鋪設或定形以形成所需的形狀，例如通過將復合層或復合絲束或其他元素鋪設在具有所需的形狀的芯模或工具上。在復合材料的形成過程中，如在鋪設或放置多個復合層、復合絲束或之類時，并且在固化復合材料之前，一個或更多包括多個量子點18的光纖被放置在復合材料中，例如被嵌入在復合材料中，如圖1所示。在這方面，光纖16以這樣的方式被放置在復合材料中，即光纖的至少一個端，更典型的是，光纖的兩個相對的端都可接入，例如通過將光纖延伸到復合材料的一個邊緣或相對的兩個邊緣。盡管單個光纖16在圖1中被示出，復合材料10可包括多個光纖，多個光纖在另一實施例中可彼此平行延伸穿過復合材料。光纖16可被放置在復合層、復合絲束之類之間。一旦光纖16被放置在復合材料中，復合材料可被固化或處理以固化樹脂14，以使復合材料保持形狀，其中復合層或復合絲束被層疊放置。這個固化或復合材料的其他固化也可將光纖16束縛在復合材料內，以使光纖16穿過該復合材料。
[0042]放置在復合材料中的光纖16包括多個量子點18。盡管多個量子點18在圖1的光纖16中被示出，量子點被圖示為比典型的大，是以圖示為目的，并不是以示例為目的。一個實施例中的光纖16被形成為包括量子點18，通過在光纖內植入光譜增強特性，或在光纖內誘導光纖結構變化以導致光纖超極化率的增強。如下所述，相對于不包括量子點的可比光纖，多個量子點18增強了光纖16的非線性特性。
[0043]關于植入光譜增強特性或誘導光纖內微觀結構改變，需要注意的是光譜增強在非線性光學的情況下與傳統的線性的情況有所偏差。在線性光譜學中，當光頻率與材料激勵相匹配時，光更容易被材料吸收。一旦光被吸收，其可被重新發射或在材料內被熱化，這取決于剩余的材料參數。
[0044]在非線性情況下，全部或任何光輸入頻率與材料激勵相匹配以產生所討論的效應的光譜增強是沒有必要的。在一種情況下，例如，可有兩個輸入，其中之一與材料參數諧振，另一個不與材料參數諧振。在兩個輸入的和頻，將提高和頻生產的效率，即使其本身在材料中不存在吸收。在另一種情況下，兩個輸入都可不與材料激勵相匹配，但如果兩輸入的頻率差與材料激勵相匹配，在差頻的光的生產效率會提高。另外，二次諧波的產生可能會有不諧振的輸入信號，但如果二次諧波的頻率正好與材料激勵匹配，二次諧波產生過程將被增強。
[0045]可能會有與任何光纖或量子點材料相關聯的天然產生的材料激勵。這樣的話，光纖的輸入頻率可被選為允許非線性過程與一個或更多材料激勵共振。例如，如果有兩個不同的輸入頻率V1和V2,這樣的話V1可與一個或更多材料參數共振，或V2可與一個或更多材料參數共振，或v1+v2可與一個或更多材料參數共振，或V1-V2可與一個或更多材料參數共振。另外，幾個組合可同時共振。對于二次諧波來說，有頻率為V1的單一頻率輸入與V1共振或與2V1(V1+V2)共振。另外，具有量子點的光纖可與提供材料諧振的材料摻雜。與光纖摻雜材料可為但不限于為已知光譜特性的原子或分子材料。
[0046]另外，微觀結構改變不包括能導致非線性信號增強的材料激勵。在這方面，在物理狀態上拉緊的光纖，其局部分子鍵會拉緊。在這方面，已經確定，拉緊的分子鍵會通過更大的超極化率增加光纖的非線性響應。還有，在物理狀態上拉緊的光纖將會具有凈取向，其在分子水平上被引入，也將增加超極化率的凈累積效應。即使純光譜增強不可用，這兩個效應的結合也會導致更大的非線性光學響應。
[0047]光纖16可在一個或更多區域內包括量子點18。如圖2所示，例如，一個實施例中的光纖16可包括纖芯16a,其被包層16b環繞,包層16b有與纖芯相比不同的折射率，以在很大程度上限制在纖芯內沿纖芯傳播的信號。在圖示的實施例中，量子點18被包含在光纖的纖芯16a中。在該實施例中，光纖內的量子點18可用來放大在光纖的纖芯中傳輸的信號，并且增強光纖對復合結構的缺陷的敏感性。在另一個實施例中，光纖16可包括在纖芯16a和包層16b接口處的量子點。在又一個實施例中，光纖16可包括在包層16b中的量子點，從而增強沿光纖傳輸的信號和通過周圍的復合材料光纖消失波的相互作用。在進一步的實施例中，光纖16可包括在光纖外表面16c上的量子點18,例如,在包層的外表面。在該實施例中，放置于光纖16外表面上的多個量子點18可在復合材料中通過消失波與局部應變場有更強的相互作用。光纖16可在以下區域中的一個區域包括多個量子點18，這些區域是，光纖的纖芯16a,包層16b或外表面16c。另外,光纖16可在以下區域中的任兩個區域包括多個量子點，如光纖的纖芯16a，包層16b，或外表面16c，在一些實施例中，可在全部三個區域中包括多個量子點，三個區域為，光纖的纖芯，包層，和外表面。
[0048]在另一個實施例中，光纖16可為包括多個量子點的梯度折射率光纖。因此，本文關于光纖的核心包括量子點的引用也意圖包含梯度折射率光纖包括量子點的實施例。在另一個實施例中，光纖16可為中空的光導管，其用于支持紅外線或其他信號沿其傳播。在該實施例中，光纖16可以也包括多個量子點18。例如，多個量子點18可被放置于光導管的內表面，面向并定界其中空核心。盡管上面介紹了幾種不同的光纖16，前面的例子并不意味著包括一切，其他類型的光纖也可被應用，其包括橢圓纖芯的光纖，多孔光纖，多核光纖，以及擁有大量內部或表面結構的光纖，其能影響放置于光纖之中或之上的任意的臨近量子點的環境。
[0049]不管光纖16的類型和/或其包括量子點18的區域，光纖可以以相對統一的方式，沿其長度包括量子點或可只在沿光纖長度的一個或多個分離的區域包括量子點。在這種情況下，光纖16接近包含量子點18的部分相對于不包含量子點的部分可對復合材料的缺陷更加敏感。
[0050]如上所述并在圖3中更詳細展示，光纖16的至少一個端，并且更典型的，例如通過延伸超過或達到復合材料的至少一個邊緣，光纖的相對的第一和第二端都可接入。如圖3所不，根據本發明一個實施例的系統不僅包括復合結構10,其包括復合材料和嵌入光纖16，該系統還包括信號源20，例如光源，用于給光纖提供沿其傳播的信號。在這方面，信號源20可被配置為引導信號通過光纖16的第一端以沿光纖的長度傳導向光纖的第二端。盡管系統可包括多種類型的信號源20，用以引導不同類型的信號沿光纖傳播，實施例的信號源是激光器，例如脈沖激光器，用以給光纖16產生沿其傳播的激光信號。在另一個實施例中，其中光纖16是光導管，信號源20可為紅外線信號源，用于給光纖的第一端提供紅外信號。
[0051]信號源20可直接給光纖16提供信號，例如給光纖的第一端提供信號。然而，如圖3所示，信號源所產生的信號可為按照條件優先被傳遞給光纖16。例如，系統可包括波長選擇設備22，例如波長濾波器，用于過濾信號源20產生的信號，以保證通過波長選擇器以傳遞給光纖16的信號只含有一個或更多預先確定的頻率或預先確定的一段頻率。系統也可包括極化設備24,例如格蘭-泰勒棱鏡，格蘭.湯普森棱鏡，渥拉斯頓棱鏡，薄膜偏振器，其與波板組合在一起，波板包括薄膜器件或光學活性材料，如石英，用于限制信號傳播超出那些具有一個或多個預定偏振方向的偏振裝置。更進一步的，系統可包括強度過濾器26，如中性密度過濾器，濾色器，可變衰減設備，例如楔形雙棱鏡或匹配棱鏡，或其他固定的或可變的光學衰減設備，以限制提供給光纖16的信號所攜帶的能量，來確保光纖16不被具有過高能量級的信號所損害。盡管圖示的實施例中的系統包括波長選擇設備22，極化敏感設備24和強度過濾器26中任何一個，在其他實施例中，系統可包括一個組件或這些組件的任意組合。如圖3所示，系統也可包括光學設備28，例如鏡頭，其用于將信號聚焦到光纖的第一端，例如通過將信號匹配到光纖的數值孔徑。
[0052]同樣如圖3所示，系統也包括檢測器30，其配置為接收信號，其包括信號通過光纖16傳輸后產生的任何非線性效應，例如通過復合結構10的制造之后的光纖，這樣復合結構是類固化的，或通過在復合結構的制造過程中的光纖，以提供過程監控。在一個實施例中，可放置檢測器30，以接收離開光纖16第二端的信號，光纖第二端與第一端相對，來自信號源20的信號從這里進入光纖。但是，在圖示的實施例中，系統被配置為信號被反射并重新回到光纖16的第一端。這樣的話，該實施例中的檢測器30可被放置，以接收信號和信號離開光纖16第一端所產生的非線性效應。通過構造系統使得檢測器30接收從光纖16第一端反射回來的信號，該系統的大多數組件可共同協作，從而可能簡化了組件的設計和實施。
[0053]如圖3所示，分束器34可被放置以接收反射信號并把離開光纖16第一端的反射信號重定向到檢測器30。通過包括分束器34，即使檢測器偏離或超出了光纖的線性排列，檢測器30可接收離開光纖16第一端的信號，從而便于信號從信號源20到光纖第一端的引入，而不被檢測器阻礙。系統可包括各種類型的檢測器，其包括固體檢測器，例如光電二極管。檢測器可由基于被檢測信號的波長來選擇的材料制成，這是因為，例如，半導體二極管一般檢測具有預定波長范圍的信號，該預定波長范圍的信號可被半導體材料吸收。在一個實施例中，硅光電二極管可被用于檢測返回的信號及其伴隨的非線性效應。為了增加靈敏度，例如方便檢測比反射信號小的非線性效應，檢測器可包括雪崩光電二極管。
[0054]沿光纖16傳播的信號可以各種方式被反射。例如,系統可包括反射器32,例如鏡子，以接收到達光纖16第二端的信號，并反射該信號，這樣該信號及其伴隨的非線性效應也回到了光纖中，從光纖的第二端向第一端傳播，以被檢測器30吸收和檢測。另外，光纖16可包括布拉格光柵36或如部分反射器之類的其他類型的反射器，例如有一個或更多部分反射鏡的法布里-珀羅標準具，其形成于光纖內部，如在美國專利第5，682，237號所描述的，用于反射沿光纖傳播的至少一部分的信號及其相關非線性效應。對于一個實施例，在光纖16具有部分反射鏡的示例中，量子點18可被放置于反射鏡之中或之上。
[0055]關于本發明的一個實施例，復合材料內的缺陷可影響信號沿光纖16的傳播，例如通過改變信號的幅度和/或相位。例如，復合材料內的缺陷導致光纖16彎曲或使光纖受到壓力或拉力，例如由于復合材料內的結構組件14的位移，層的波紋、起卷之類可導致沿光纖傳播的信號的改變。通過檢測沿光纖16傳播的信號并通過識別信號的任何改變，復合材料中缺陷可被識別。例如，根據本發明的實施例，包括纖維絲束路徑上的偏差或復合層位置的偏差在內的缺陷可根據從光纖16返回的信號被識別。
[0056]復合材料內的一些缺陷可不僅改變沿光纖16傳播的光信號的特性，還可導致信號，或至少一部分信號被反射。同樣的，本實施例的檢測器30不僅只是檢測返回到光纖16第一端的信號，還可確定信號返回光纖第一端的時間。通過確定信號射入光纖16第一端的時間和反射信號離開光纖第一端的時間之差，以及信號沿光纖傳播的速度，檢測器30和/或相關的時域反射儀可確定缺陷被定位的沿光纖長度的相關位置，從而指導對復合材料的進一步檢查和/或維修復合材料出問題的位置。
[0057]如上所述,光纖16包括多個量子點18。多個量子點18響應復合材料中的缺陷而產生非線性效應。例如，量子點可產生包括二階效應在內的多個非線性效應，例如二次諧波的產生。關于這點，二階效應，例如二次諧波的產生，是由一個實施例中的多個量子點產生的，該二階效應被復合材料內存在的缺陷引起的中心不對稱強烈影響，例如被結構組件14的布局和定位的改變引起的缺陷所影響。另外或可替代地，多個量子點可產生三階效應，例如三次諧波的產生。量子點具有本質上是非線性的非線性光學響應。由于他們小的物理尺寸，而且由于他們的光學折射率會根據周圍媒介而改變，所以任何光在其附近傳播是都會有局部場增強。因為非線性效應是基于光強的，所以由量子點產生的局部場增強將會增大任何非線性響應的大小。除了三次諧波的產生，其他增強的效應可包括參量放大、拉曼散射、四波混頻。總之，二階非線性效應在中心對稱的介質中是不允許的。但是復合結構的變形，加上量子點的存在，能打破材料對稱，允許二階響應，例如二次諧波產生，和頻以及差頻的產生。同樣的，通過在光纖16中包括多個量子點18，其響應復合材料中的缺陷而產生的非線性效應，例如導致光纖產生不可預料的彎曲的缺陷，可作為可靠的且可辨別的缺陷的指示。這些非線性響應可也沿光纖16傳輸并被檢測器30檢測。事實上，由多個量子點18產生的非線性響應可具有幅度，其足夠被檢測器30輕易識別，從而作為復合材料內缺陷的可靠的指示。更進一步的，檢測器30可輕易檢測非線性響應，因為非線性響應不太可能被噪聲產生不利影響，噪聲可危害主信號的檢測和評估，尤其是在具有相對低的信噪比(SNR)的示例中。
[0058]根據本發明的實施例，多種方法可被提供。在圖4的框圖40中所示，具有多個量子點18的光纖16可被嵌入到復合結構10中。一旦光纖16被嵌入到復合結構10中，信號可被提供給光纖以沿其傳播。見框圖42。離開光纖16的信號可隨后被檢測，見框圖44。類似的，圖5圖示了一種方法，其提供信號給嵌入到復合結構10中的光纖以使信號沿其傳播。見框圖50。光纖16包括多個量子點18。離開光纖16的信號可隨后被檢測。見框圖52。作為該方法的額外說明或代替與已固化的復合材料聯合使用的方法，該方法的實施例可與未固化的復合結構10聯合使用。如圖6的框圖60所示，例如，包括多個量子點18的光纖16可被嵌入處于未固化狀態的復合結構10中。一旦光纖16被嵌入復合結構10中，信號可被提供給光纖以使信號沿其傳播，直到復合結構達到固化狀態。見框圖62。離開光纖16的信號可隨后被檢測，直到復合結構10達到固化狀態。見框圖64。
[0059]通過進一步的解釋，一種方法可因此被提供，用以監控復合結構10的健康度，例如，如圖7的流程圖所示。盡管復合結構10的健康度可在其被制造后被監控，例如其處于類固化狀態時，本發明實施例的系統和方法可在其先于固化或其他樹脂固化的制造過程中監控復合結構的健康度，從而提供過程監控。事實上，實施例中的系統或方法可監控沒有固化的復合結構以監控層和復合絲束的方向。關于這點，復合結構10可被提供，其包括復合材料或一個或更多置于復合材料內的光纖16，如圖7的操作70所示。光纖16包括多個量子點，其用于增強光纖的非線性效應。如操作72所示，信號可隨后被提供給光纖16以使信號沿其傳播，例如從信號被引入的第一端到與其相對的第二端。為響應復合材料中的缺陷，例如可導致光纖以不可預計的方式彎曲的缺陷，或導致施加于光纖上的不可預計的數量的壓力或拉力，非線性效應可被多個量子點18產生，如操作74所示。許多非線性效應可被產生，其包括二階效應的產生，例如二次諧波的產生，三階效應的產生，例如三次諧波的產生，或之類的對材料內缺陷的響應。該方法也可檢測信號，包括通過光纖16傳播后的非線性效應，如操作76所示。通過分析包括非線性效應在內的信號，例如通過檢測器30或與檢測器相關聯并響應檢測器的計算機的方式，其中復合材料有缺陷，該缺陷改變了沿光纖16傳播的信號并產生了非線性效應的情況可被識別。見操作78。根據本發明實施例，關于能被檢測到的缺陷，纖維束路徑上的偏移以及復合層路徑和位置上的偏移可被檢測。另外，在一些實施例中，缺陷的位置也可被確定，例如根據時域反射計(TDR)。根據檢測到的復合材料內潛在的缺陷，實施例中的方法可提供對潛在缺陷的進一步的檢測和分析，和/或作出適當的維修以修復缺陷。
[0060]關于這點，檢測到的信號及其相關非線性效應可被比較，例如被檢測器30或相關計算機比較，與通過復合材料不包括任何缺陷的情況下的光纖16傳輸后預期被檢測到的信號及其相關非線性效應作比較。在信號和/或非線性效應相偏離的示例中，例如以至少一個預定的量或百分比偏離，該方法可以識別復合材料內潛在的缺陷，以允許對復合材料進行更詳細的分析和/或修復，或通知用戶改變任務的需要。
[0061]通過包括多個量子點18來增強光纖16的非線性特性，復合材料內的缺陷對通過光纖傳播的信號的影響相應增強。在這方面，多個量子點18響應復合材料內的缺陷而產生的非線性效應是充分可重復的，并且其幅度可被檢測器30輕易識別。因此，一個實施例的系統和方法有利于檢測復合結構內的缺陷，以便允許復合材料被進一步分析或檢查和/或以及時促進對復合材料更集中修復或響應新信息。事實上，對由多個量子點18響應復合材料內缺陷而產生的非線性效應的分析可允許缺陷以可靠的方式被識別，該方式不被相對低的信噪比所限制，相對低的信噪比可影響僅基于光纖16內的反射信號而不考慮其相關非線性效應的分析。
[0062]如上所述，復合材料的健康度可通過在復合材料內嵌入多個光纖16來監控，比如光纖陣列組，光纖包括量子點。由檢測器30檢測到的沿光纖陣列傳播后的信號及其相關非線性效應可提供多維數據，例如二維或三維數據來指示復合材料的健康度，通過提供，例如，纖維絲束或復合層偏差的位置的指示，并且，在一些實施例中，利用光纖時域反射計提供偏差的位置。對于一個實施例，檢測器30可被配置為顯示多維數據的可視化表示，比如通過給正在被制造的復合結構10的模型覆蓋多維數據的可視化表示，使得模型能為由本發明實施例的系統收集的多維數據提供參考。
[0063]實施例所屬的本領域技術人員能夠想到本發明的許多修改和其它實施例擁有前文描述及其附圖的限定的益處。因此，應當理解，這些實施例不局限于特定公開的實施例，并且對實施例的修改以及其他實施例被打算包括在所附的權利要求書的范圍之內。此外，盡管前文的描述及其相關附圖在某些元素和/或功能的示例性組合的上下文中描述了示例實施例，應理解，不同的組件和/或功能的組合在不脫離其所附的權利要求書的范圍的前提下可被不同的實施例提供。考慮到這一點，例如，前文所描述以外的元素和/或功能的不同組合也被認為可由所附權利要求中的一些說明。雖然本文采用了特定術語，但其只被用于一般的和描述性的意義，而不是為了限制的目的。
【權利要求】
1.一種監控復合結構的系統，所述系統包括: 所述復合結構內的光纖，所述光纖包括多個量子點； 與所述光纖耦合的信號源，其為所述光纖提供信號以使所述信號沿所述光纖傳播；以及 與所述光纖耦合的檢測器，其檢測離開所述光纖的信號。
2.根據權利要求1所述的系統，其中所述光纖包括纖芯和圍繞所述纖芯的包層，并且其中所述纖芯包括所述多個量子點。
3.根據權利要求1所述的系統，其中所述光纖包括纖芯和圍繞所述纖芯的包層，并且其中所述包層包括所述多個量子點。
4.根據權利要求1所述的系統，其中所述多個量子點被設置在所述光纖的表面上。
5.根據權利要求1所述的系統，其中所述多個量子點響應所述復合材料中的異常而產生二階效應。
6.根據權利要求1所述的系統，其中所述光纖進一步包括布拉格光柵或法布里-珀羅標準具中的至少一個，該法布里-珀羅標準具包括一個或更多部分反射鏡。
7.根據權利要求1所述的系統，其中所述光纖在相對的第一端和第二端之間延伸，其中所述信號源接近所述光纖的第一端設置，其中所述系統進一步包括設置在所述光纖的第二端的反射器，以從所述第二端向所述第一端反射所述信號通過所述光纖，并且其中所述檢測器響應從所述光纖的第一端發射并隨后通過所述光纖被反射的信號。
8.—種監控復合結構的方法，所述方法包括: 在所述復合結構內嵌入光纖，所述光纖包括多個量子點； 提供信號給所述光纖以使其沿所述光纖傳播；以及 檢測離開所述光纖的信號。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述光纖包括纖芯和圍繞所述纖芯的包層，并且其中所述纖芯包括所述多個量子點。
10.根據權利要求8所述的方法，其中所述光纖包括纖芯和圍繞所述纖芯的包層，并且其中所述包層包括所述多個量子點。
11.根據權利要求8所述的方法，其中所述多個量子點被設置在所述光纖的表面上。
12.根據權利要求8所述的方法，進一步包括響應于所述復合材料內的異常通過所述多個量子點產生非線性效應。
13.根據權利要求12所述的方法，其中產生非線性效應包括響應于所述復合材料內的所述異常而產生二階效應。
14.一種監控具有光纖嵌入其中的復合結構的方法，所述光纖包括多個量子點，所述方法包括: 提供信號給所述光纖以使所述信號沿所述光纖傳播； 檢測離開所述光纖的信號；
15.根據權利要求14所述的方法，其中所述光纖包括纖芯和圍繞所述纖芯的包層，并且其中所述纖芯包括所述多個量子點。
【文檔編號】G01N21/88GK103575740SQ201310328724
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年7月31日 優先權日:2012年7月31日
【發明者】J·H·漢特, J·H·貝爾克 申請人:波音公司