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構造モニタリング用のセンサおよびセンサアレイ
説明

構造モニタリング用のセンサおよびセンサアレイ

構造モニタリングセンサ(1)は、相互接続された電気経路ネットワークを含み、経路の電気特性(好ましくは、インピーダンス、容量、インダクタンスおよび抵抗のうちの少なくとも一つ)は、使用時にその構造の所定の物理特性の変化に応答するようにされている。センサネットワークは、経路の第1のサブネットワーク(3)および経路の第2のサブネットワーク(5)を含んでよく、第1および第2のサブネットワークは重ね合わされる。上記のセンサを有する構造の構造ヘルスをモニタリングする方法は、センサ(1)の電気特性をモニタリングするステップと、センサ(1)の中の構造的事象を特定し位置特定するためにモニタリングされる電気特性の変化を測定するステップと、測定された電気特性の変化を既知の変形事象に対する電気特性の変化と比較することにより、損傷のレベルを評価するステップと、損傷が重大であると評価された場合に警報を送信するステップと、を含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、構造ヘルスモニタリングの分野、特に、複合構造の構造モニタリングの分野に関するが、それに限定されるものではない。
【背景技術】
【0002】
サービス構造の多くは、その寿命を延ばすために、または、破局的な故障を回避するためにある形式のモニタリングを必要とする。視覚検査技術は、肉眼には見えない損傷を特定するために適切でないことが多く(例えば、物の表面上の事象から生じた損傷は、物の背面まで現れることがしばしばあり)、さらに時間がかかり、費用がかかる。
【0003】
構造のための様々な自動ヘルスモニタリングシステムが存在し、それらの多くは歪みゲージの大型アレイの使用に基づいている。米国特許第6370964号は、積層複合構造内に埋め込まれた圧電アクチュエータおよび光ファイバセンサのアレイを使用する。米国特許第6399939号は、センサアレイを形成するため接続された多数の圧電セラミックファイバセンサを使用する。
【0004】
しかし、歪みゲージタイプのセンサアレイの使用には多数の欠点が伴う。このようなシステムは、有用な分解能で構造変化を検出するために、非常に多数の歪みゲージが構造に搭載されることを必要とし、時間がかかり、費用がかかる。さらに、この非常に多数のセンサ装置は構造全体の重量の増加に関連する。歪みゲージはさらに、構造のある区域がモニタリングされなくなるという局部的なモニタリング装置である。このような局部的な装置は、例えば、英国特許出願公開第2360361号明細書、米国特許第5375474号明細書、欧州特許出願公開第0899551号明細書、米国特許第5404124号明細書、独国特許出願公開第19826411号明細書および欧州特許出願公開第0469323号明細書に開示されている。
【0005】
構造をモニタリングするために光ファイバを使用する、その他のヘルスモニタリングシステムが存在する。このようなシステムは米国特許第4836030号明細書に開示されている。光ファイバに基づくシステムに関連した欠点には、光ファイバの脆弱性と、ファイバを構造内に埋め込むべきであるという一般的な要件とが含まれ、これは構造強度を低減させる可能性があり、さらにこのような装置のレトロフィッティングを費用のかかるものにする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
したがって、本発明の目的は、従来技術の構造ヘルスモニタリングシステムに関連した問題点を解決するか、または実質的に緩和する、構造モニタリングセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の第1の態様によれば、相互接続された電気経路のネットワークを含み、経路の電気特性が、使用時に構造の所定の物理特性の変化に応答するようにされた、構造モニタリングセンサが提供される。
【0008】
本発明は、構造の表面に接合されるか、あるいは、構造内に埋め込まれた、電気的モニタリングネットワークを提供する。センサは、そのセンサが関連付けられた構造の性能を、ネットワークの電気特性の変化によってモニタリングできるようにする。いくつかの異なる物理特性がセンサによってモニタリングされ、例えば、電気特性の変化は対応する歪み、もしくは負荷、または含水率の変化に関係する。
【0009】
好ましくは、電気特性は、経路のインピーダンス、容量、インダクタンスおよび抵抗のうちの少なくとも一つを含む。
【0010】
従来の湿度センサ(例えば、英国特許第2034896号明細書を参照されたい)は、典型的に、材料に吸収される水分の量に応じて抵抗が変化する材料によって分離された、少なくとも2個の別個の導電性トラックを有する、点位置特定装置を含む。これに対して、本発明のセンサは、広い区域に亘ってセンシングする能力があり、複数の相互接続によってネットワーク内で一つに接続された電気経路を有するネットワークを含む。
【0011】
しかし、好ましくは、このセンサは構造の歪みの変化に応答する。
【0012】
ネットワークは、任意の適当な幾何形状に並べることができる、相互接続された電気経路の配置を含む。ネットワークはグリッド配置の形をとるのが好都合である。近傍経路の近接性はシステムの所要分解能に応じて変化する。グリッドは共通接続を含む単層配置でも多層配置でもよく、設計内に温度補償を組み込むことが可能である。このことは、本発明が、例えば、米国特許第537944号で強調されているようにある方向を別の方向から電気的に絶縁するというより、むしろグリッド設計全体の電気的相互接続に依存するという点で、本発明を英国特許出願公開第2198237号または米国特許第537944号と、明確に区別する。
【0013】
本発明によるセンサは、モニタリングされる構造全体を対象とすることが可能であり、構造全体または重要な区域だけをモニタリングするため使用できるという利点がある。センサは既存の表面に取り付けることができ、レトロフィッティングに適している。さらに、従来技術のセンサに対して、本発明によるセンサは個別の歪みゲージの使用に依存しないので、容易に設置できる。
【0014】
都合の良いことには、電気経路のネットワークは、重ね合わされた、経路の第1のサブネットワークと経路の第2のサブネットワークとを含むことができる。経路サブネットワークが共に周期的であり、2個のサブネットワークの周期が異なるならば、構造は(大きい方の周期的な経路サブネットワークのみをモニタリングすることにより)構造的事象が発生するまで低分解能でモニタリングされてよく、センサは構造的事象をより高い分解能で位置特定するために(小さい方の周期的な経路サブネットワークを使用して)問い合わせされてよい。この特徴はセンサに関連付けられた任意のモニタリングソフトウェアにかかる処理負荷を軽減する点で好都合である。第1および第2のサブネットワークは、互いに電気的に絶縁されるように配置されてもよい。あるいは、第1および第2のサブネットワークは、例えば、第1のサブネットワークの経路と第2のサブネットワークの経路が交差する点で、または、単にこれらのサブネットワークへの外部接続で一つに接続されてもよい。
【0015】
好ましくは、センサ内の経路は、複数の交差する行および列として配置される。都合の良いことには、行は列と実質的に直交して配置される。有利には、各行内の経路は各列内の経路にそれらの交点で電気的に接続される。
【0016】
都合の良いことには、センサは、既存の構造への取り付けを容易にするため基板に搭載される。センサは第1および第2のサブネットワークを含み、第1のサブネットワークは基板の第1の表面に配置され、第2のサブネットワークは基板の第2の表面に配置される。代案として、センサは新しい構造の本体に組み込まれてもよい。
【0017】
本発明のさらなる態様によれば、本発明の第1の態様によるセンサと、使用時に経路の電気特性をモニタリングするように構成された信号処理手段とを含み、処理手段が各電気経路のそれぞれの端に電気的に接続された、構造モニタリングセンサアレイが設けられる。
【0018】
この本発明のさらなる態様では、本発明の第1の態様によるセンサは、ネットワークの経路の電気特性を測定する信号処理手段に電気的に接続される。構造的事象(例えば、衝突または撓み)の後に続く電気特性の変化は、構造上の歪みまたは負荷に関係する。ネットワークの経路のため適当な幾何形状を利用することにより、信号処理手段は構造的事象が起こったセンサの領域を位置特定する。例えば、都合の良いネットワーク幾何形状はグリッドネットワークである。信号処理手段は、この場合、構造的事象の原点を位置特定するために、ネットワーク内の異なる経路に問い合わせる。
【0019】
都合の良いことには、信号処理手段への処理負荷を軽減するため、利用可能な電気経路の部分集合だけが連続的にモニタリングされる。経路の部分集合の電気特性の変化が検出されると、構造的事象の場所の初期的な低分解能評価が行われる。残りの経路は、その後にその場所をより正確に突き止めるために問い合わせされる。
【0020】
都合の良いことには、信号処理手段は、構造に損傷が発生したかどうかを判定するために、センサの電気特性の変化を評価する。構造の完全性の結果に対するこの損傷の意味の評価が、構造の重要区域の特定によって決定された重み関数についての情報を含む、電気特性−変形事象のルックアップテーブルを参照して行われる。
【0021】
本発明のさらなる態様のセンサアレイは、複合材料の構造ヘルスモニタリングのため特に適当であり、好ましくは、このセンサまたはセンサアレイが製造中にこのような材料に埋め込まれる。
【0022】
複合材料は航空機産業においてますます使用され、本発明はこのような材料を組み込む任意の航空機コンポーネントの構造完全性をモニタリングするために使用される。
【0023】
都合の良いことには、航空機構造内で使用されるとき、電気経路はさらに避雷導線として機能するように設計される。
【0024】
一つの代案として、本発明のさらなる態様のセンサアレイは、携帯電話機、ヘルメット、非常設備、ガスボンベ、加圧容器のような製品のための使用に適するかどうかのインジケータとして使用され、それらの物を安全に使用できないようにする損傷事象がその物に発生したかどうかを示す。
【0025】
本発明のさらなる態様では、本発明の第1の態様によるセンサを有する構造の、構造ヘルスをモニタリングする方法であって、
(i)センサの電気特性をモニタリングするステップと、
(ii)センサにおける構造的事象を特定するように、モニタリングされた電気特性の変化を測定するステップと、
(iii)測定された電気特性の変化を、好ましくはその構造の重要な区域に関係した、既知の変形事象の電気特性の変化と比較することにより、損傷のレベルを評価するステップと、
(iv)損傷が重大であると評価された場合に警報を送信するステップと、
を含む方法が、提供される。
【0026】
センサにおける構造的事象の後に続く抵抗の変化の検出後、この方法は、構造的事象を位置特定するように、特定の電気経路における電気特性を測定する付加的なステップをさらに含む。
【0027】
好ましい一実施形態では、この方法は、構造的事象を位置特定するように、センサ内で互いに徐々に近くに配置された特定の電気経路を反復的に選択するステップを含む。
【0028】
有利には、モニタリングされた電気特性はセンサの抵抗を含む。
【0029】
本発明の実施形態は、単に一例として、添付図面を参照して、以下で説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0030】
図1を参照すると、本発明によるセンサ(1)が示されている。このセンサは、ピッチAの粗い電気グリッド(3)と、ピッチBの細かい電気グリッド(5)の組み合わせを含む(ピッチA>ピッチB)。センサは本実施例ではグリッドであるとして示されているが、当業者は、その他のセンサ幾何形状が、数ある要因の中で、モニタリングされるべき構造に依存して考えられることを認めるであろう。様々なグリッドラインはすべてが、問い合わせシステム(図示せず)に電気的に取り付けられたモニタノード(7)を組み込む。
【0031】
グリッドピッチおよびグリッドラインのライン厚は、要求されたアプリケーションと、さらに当該構造についての要求されたモニタリング分解能とに応じて、変化し得る。しかし、典型的な構成では、粗いグリッドは0.2mmのライン厚とピッチA=20mmを有する。細かいグリッドは0.2mmのライン厚とピッチB=2mmを有する。
【0032】
典型的に、粗いグリッドの単位長さ当たりの抵抗は、細かいグリッドに対する単位長さ当たりの抵抗より著しく大きい。例えば、200mm×200mmの粗いグリッドは、粗いグリッド長さに対し典型的に2kΩの抵抗を生じ、細かいグリッド長さに対して20Ωの抵抗を生じる。よって、粗いグリッドの単位長さ当たりの抵抗の、細かいグリッドの単位長さ当たりの抵抗に対する比は、100:1である。
【0033】
センサは製造中に、モニタリングされるべき構造に一体化させてもよく、例えば、構築中に複合材料内に埋め込まれてもよく、または、パッチもしくはアップリケの形式で既存の構造にレトロフィットされてもよい。後者の場合、センサアレイは、フィルム基板(例えば、ポリイミドフィルム基板)に堆積されてもよく、フィルム基板がその後、モニタリングされるべき構造に取り付けられる。代替案はセンサアレイを布に直接的に印刷し、その布からセンサアレイを製造することである(適当な印刷技術について、同時係属中の国際公開第02/099162号パンフレットおよび国際公開第02/099163号パンフレットを参照されたい)。
【0034】
図2は、図1のセンサ、および関連付けられたセンサ問い合わせハードウェア、すなわち、集合的にセンサアレイを示す。センサ(1)は、エッジコネクタ(9)を介して複数のマルチプレックスユニット(11)に接続される。マルチプレックスユニット(11)は次に、損傷を特定し位置特定するためにセンサアレイに問い合わせをするソフトウェアを動かすPC(13)に入力する。随意的に、PC(13)の出力は遠隔モニタリングステーション(15)へ送信され、多重化演算を増やすかもしくは差し替えるためにマイクロコントローラが使用されてよく、システムを拡大縮小する(scale)より大きな範囲を可能にし、センサを他のシステムのアーキテクチャに組み込む。システムは、グリッドの幾何形状に応じて、または、互いに連動するいくつかのモジュラーグリッドセンサによって、拡大縮小される。後者の場合、マイクロプロセッサ技術を使用して、局所的に別個のグリッドの応答を評価し、中央制御ユニットを介して全体的な応答を調整することが可能である。
【0035】
上記のマルチプレックスユニット(11)の台数は、システムの速度応答要求、グリッド接続の個数、および、要求された分解能によって決められる。埋め込み型センサの場合、PCBコネクタは、構造を掘り下げ、アプリケーションによって要求される分解能に応じて導電性ボルトまたは導電性接着剤によって接続することによって、置き換えられる。
【0036】
図3は、センサ(1)が(衝撃のような)構造的事象をどのように位置特定するかを説明する。使用時に、問い合わせソフトウェアは、電気グリッド上の2個のマスターノード(17)とノード(19)との間の抵抗をモニタリングすることにより、センサ(1)を継続的にモニタリングする。処理負荷を軽減するため、これらのマスターノードは間隔が広く空けられる。変形事象(21)に続いて、ノード(17)とノード(19)との間の抵抗が変化する。
【0037】
問い合わせソフトウェアは次に粗いグリッドを検査する。図3bは、粗いグリッドノードC1、C2、C3、C4(同時にマスターノード(19)である)、C5、C6、C7、C8、C9(同時にマスターノード(17)である)、C10およびC11を示す。C9とC1、C2、C3、C5、C6、C7、C8、C10およびC11(すなわち、マスターノードを除くすべての粗いノード)との間、並びに、C4とC1、C2、C3、C5、C6、C7、C8、C10およびC11との間の抵抗変化を検査することにより、問い合わせソフトウェアは構造的事象(21)の場所を特別な粗いグリッド方形(本実施例では右上の方形)に分離することができる。
【0038】
問い合わせは、次に、類似したプロセスによって細かいグリッドを検査する。図3cは、当該区域の細かいグリッドノードC5_1、C5_2、C5_3、C5_4、C5_5、C5_6、C5_7およびC5_8と、同様にC7_1、C7_2、C7_3、C7_4、C7_5、C7_6、C7_7およびC7_8とを示す。基準点としてC5およびC8を使用することにより、C5とC7_2、C7_3、C7_4との間、並びに、C8とC5_4、C5_5、C5_6、C5_7との間の抵抗変化は、問い合わせソフトウェアが構造的事象(21)を位置特定することを可能にさせる。
【0039】
抵抗変化のサイズは構造に生じる歪みに関係していてもよく、損傷のサイズの判定が、例えば、ルックアップ参照テーブルを参照することにより、その損傷が構造の性能にどのような影響を与えるかの評価と共に行われてもよい。
【0040】
損傷の可能性の判定は、システムが注意連絡を遠隔モニタリングステーション(15)へ送信することを可能にさせる。この連絡に続いて、システムは、現在の構造状態を基準構造状態に書き換え、マスターノード(17)および(19)のモニタリングに戻る。
【0041】
図4は、問い合わせソフトウェアが構造的事象の後に行う論理ステップの概要を表す。初期状態(23)はセンサのマスターノード間の抵抗をモニタリングする。マスターノードが損傷の発生を示すならば、システムは粗いグリッドの間の抵抗のモニタリング(25)へ移る。粗いグリッドが損傷の区域を位置特定できないならば、システムは状態(23)へ戻る。粗いグリッドが損傷を示すならば、システムは細かいグリッドのモニタリング(27)へ移る。細かいグリッド解析が損傷の区域を位置特定できないならば、システムは粗いグリッド解析(25)へ戻る。しかし、細かいグリッド解析(27)が損傷場所を突き止めるならば、忠告メッセージが遠隔モニタリングステーションへ送信されるべきであるかどうかを判定するために、抵抗の変化が基準テーブルと対照して評価される。もしノーであるならば、システムは状態(23)へ戻るが、もしイエスであるならば、システムは遠隔モニタリングシステムに通知する(例えば、航空機構造モニタリングのアプリケーションでは、忠告メッセージは場合によってはコックピットに送信される)。最後に、システムは、新しい基準状態になるように現在の構造状態を更新し(33)、その後、システムはもう一度マスターノードのモニタリングへループバックする。
【0042】
上記の説明は、アクティブモードにおけるセンサの動作の概要を説明する。しかし、リアルタイムモニタリングとフィードバックが必要でないならば、センサの応答をメモリに蓄積し、ユーザの都合の良いときにダウンロードすることも可能である。航空機では、例えば、これは、上記の遠隔モニタリングシステムと類似した目的のために役立つ、地上ベースのデータ解釈システムの使用を必要としてもよい。
【0043】
上記の実施形態において説明されたセンサは、モニタリングされている構造上の歪みに応答して現れる、導電性メッシュの間の抵抗変化をモニタリングする。しかし、当業者は、異なる物理特性が同様にメッシュの間の抵抗に影響を与え、センサの動作がこれらの物理特性に基づくこともありうることを認めるであろう。
【0044】
例えば、多孔性構造の場合、含水率の変化は抵抗に影響を与えることがあり、センサは事実上、湿度センサとして使用できるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0045】
【図1】本発明によるセンサの略図である。
【図2】図1のセンサを組み込む本発明によるセンサアレイを示す図である。
【図3】構造的事象を特定する図1のセンサアレイを示す図である。
【図4】問い合わせソフトウェアの論理を説明するフローチャートである。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
相互接続された電気経路のネットワークを含む構造モニタリングセンサ(1)であって、経路の電気特性が、使用時に構造の所定の物理特性の変化に応答するようにされた、構造モニタリングセンサ。
【請求項2】
電気特性が、経路のインピーダンス、容量、インダクタンスおよび抵抗のうちの少なくとも一つを含む、請求項1に記載のセンサ(1)。
【請求項3】
センサが、構造上の歪みと構造の含水率のうち少なくとも一方に応答する、請求項1または2に記載のセンサ(1)。
【請求項4】
ネットワークが、経路の第1のサブネットワーク(3)と経路の第2のサブネットワーク(5)とを含み、第1のサブネットワークと第2のサブネットワークが重ね合わされる、請求項1から3のいずれか一項に記載のセンサ(1)。
【請求項5】
第1および第2のサブネットワーク(3、5)が周期的である、請求項4に記載のセンサ(1)。
【請求項6】
第1のサブネットワーク(3)と第2のサブネットワーク(5)の周期が異なる、請求項5に記載のセンサ(1)。
【請求項7】
経路が複数の交差する行および列として配置される、請求項1から6のいずれか一項に記載のセンサ(1)。
【請求項8】
行が列と直交して配置される、請求項7に記載のセンサ(1)。
【請求項9】
各行内の経路が各列内の経路にそれらの交点で電気的に接続される、請求項7または8に記載のセンサ(1)。
【請求項10】
サポート基板をさらに含む、請求項1から9のいずれか一項に記載のセンサ(1)。
【請求項11】
請求項1から10のいずれか一項に記載されたセンサ(1)と、使用時に経路の電気特性をモニタリングするように構成された信号処理手段(13)とを含み、信号処理手段(13)が各電気経路のそれぞれの端に電気的に接続された、構造モニタリングセンサアレイ。
【請求項12】
信号処理手段(13)が、利用可能な電気経路の所定の部分集合の電気特性を連続的にモニタリングする、請求項11に記載のセンサアレイ。
【請求項13】
信号処理手段(13)が、経路の所定の部分集合の電気特性の変化に続いて、さらなる電気経路の電気特性を徐々にモニタリングする、請求項12に記載のセンサアレイ。
【請求項14】
信号処理手段(13)が、構造に損傷が発生したときを判定するためにセンサ(1)経路の電気特性の変化を評価する、請求項11から13のいずれか一項に記載のセンサアレイ。
【請求項15】
請求項1から10のいずれか一項に記載のセンサ(1)を含む、複合材料。
【請求項16】
センサ(1)が内部に埋め込まれた、請求項15に記載の複合材料。
【請求項17】
請求項15または16に記載の複合材料を含む、航空機構造。
【請求項18】
センサ(1)に避雷導線としての二次用途がある、請求項17に記載の航空機構造。
【請求項19】
請求項1から10のいずれか一項に記載のセンサ(1)を有する構造の、構造ヘルスをモニタリングする方法であって、
(i)センサ(1)の電気特性をモニタリングするステップと、
(ii)センサ(1)における構造的事象を特定するように、モニタリングされた電気特性の変化を測定するステップと、
(iii)測定された電気特性の変化を、既知の変形事象の電気特性の変化と比較することにより、損傷のレベルを評価するステップと、
(iv)損傷が重大であると評価された場合に警報を送信するステップと
を含む、方法。
【請求項20】
センサ(1)における構造的事象の後に続く、モニタリングされた電気特性の変化の検出後に、構造的事象を位置特定するように、特定の電気経路における電気特性を測定する付加的なステップを含む、請求項19に記載の方法。
【請求項21】
構造的事象を位置特定するように、センサ(1)内で互いに徐々に近くに配置された特定の電気経路を反復的に選択するステップを含む、請求項20に記載の方法。
【請求項22】
モニタリングされた電気特性がセンサ(1)の抵抗を含む、請求項19から21のいずれか一項に記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公表番号】特表2007−505309(P2007−505309A)
【公表日】平成19年3月8日(2007.3.8)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−525879(P2006−525879)
【出願日】平成16年9月7日(2004.9.7)
【国際出願番号】PCT/GB2004/003808
【国際公開番号】WO2005/024371
【国際公開日】平成17年3月17日(2005.3.17)
【出願人】(501352882)キネテイツク・リミテツド (93)
【Fターム(参考)】