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

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。

在本公开的另一实施例中，提供一种针对结构健康被监测的结构。 该结构包括主体。该结构还包括经由墨水沉积过程被沉积在结构的主体 上的纳米粒子墨水基的压电传感器组件的分布式网络。每个组件还包括 用于互连多个传感器的多个导电墨水致动器组件。分布式网络内的信号 路径包括多个纳米粒子，并且结构的结构健康数据经由来自于传感器且 通过信号路径流动到数据通信网络的一个或更多个信号而获得。

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。 该方法包括提供针对结构健康要被监测的结构。该方法还包括使用纳米 粒子墨水基的压电传感器组件的分布式网络来感测和监测结构的结构 健康。该方法还包括经由电源向分布式网络提供电力。该方法还包括使 用数据通信网络来经由来自于纳米粒子墨水基的压电传感器组件的一 个或更多个信号检索和处理结构的结构健康数据。

已经讨论的特征、功能和优点能够在本公开的各种实施例中单独地 实现或者在另一些实施例中组合，参考下述说明和附图能够看出其的进 一步细节。

附图说明

结合附图参考下述具体描述能够更好地理解本公开，附图示出了优 选且示例性实施例，不过其不必要成比例绘制，其中：

图1示出了可以使用本公开的系统和方法的一个实施例的示例性飞 行器的立体图；

图2示出了沉积的纳米粒子墨水基压电传感器组件的一个实施例的 横截面图；

图3示出了沉积的纳米粒子墨水基压电传感器组件的另一个实施例 的横截面图；

图4示出了纳米粒子墨水基压电传感器组件的沉积的分布式网络一 个实施例的俯视立体图；

图5示出了具有本公开的纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式 网络的结构的一个实施例的框图；

图6A示出了用于制造本公开的纳米粒子墨水基压电传感器的墨水 沉积过程和设备的示意图；

图6B示出了被沉积在结构的表面上的压电的纳米粒子墨水基传感 器的放大图；

图7示出了使用本公开的纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式 网络的结构健康监测系统的一个实施例的示意图；

图8示出了本公开的方法实施例的流程图；以及

图9示出了可以用于这里公开的系统和方法中的墨水沉积过程和墨 水沉积设备的实施例的框图。

具体实施方式

之后将参考附图更全面地描述所公开的实施例，附图中仅示出所公 开实施例的一些而不是全部。实际上，提供几个不同的实施例，并且它 们不应被看作是被限制为这里提出的实施例。而是，这些实施例被提供 以便对于本领域技术人员而言，本公开将全面且完整并且将完全涵盖本 公开的范围。下述具体描述是执行本公开的当前最佳的实施方式。描述 不应被看作是限制性的，而是仅为了说明本公开的大体原理的目的，本 公开的范围有所附权利要求最佳限定。

现在参考附图，图1示出了示例性现有技术飞行器10的立体图， 结构30的纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式网络120（见图5） 可以用于该飞行器10，并且使用纳米粒子墨水基压电传感器110（见图 2-4）的用于结构健康监测的系统170（见图7）和方法200（见图8）也 可以用于该飞行器10。飞行器10包括机身12、机头14、驾驶舱16、 操作地联接到机身12的机翼18、一个或更多个推进单元20、尾部竖直 稳定器22以及一个或更多个尾部水平稳定器24。虽然图1所示飞行器 10大体代表了商用客机，不过这里公开的系统170和方法200还可以用 于其他飞行器类型。更具体地，所公开的实施例的教导可以应用于其他 客机、货机、军用飞行器、旋翼机和其他类型的飞行器或空中交通工具 以及航天交通工具，例如卫星、太空发射器、火箭和其他类型航天交通 工具。还可以意识到根据所公开的系统、方法和设备的实施例可以用于 其他交通工具，例如船舶和其他水上飞机、火车、汽车、卡车、公交车 和其他类型交通工具。还可以意识到根据所公开的系统、方法和设备的 实施例可以用于建筑结构、涡轮叶片、医用装置、电子致动器械、消费 电子装置、震动器械、无源和有源阻尼器或者其他适当结构。

如图7所示，根据本公开，提供了用于监测结构30的结构健康172 的结构健康监测系统170。图7示出了使用本公开的纳米粒子墨水基压 电传感器110的结构健康监测系统170的一种实施例的框图。系统170 包括针对结构健康172要被监测的结构30。系统170还包括被沉积在结 构30的表面上的纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式网络120。纳 米粒子墨水基压电传感器组件120可以被沉积在结构30的表面上且具 有一层或更多层绝缘物、涂层或漆处于结构30的主体32（见图5）和 纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式网络120之间。

每个传感器组件120均包括多个纳米粒子墨水基压电传感器110。 每个传感器组件120还包括多个导电墨水动力和通信电线组件140，其 用作致动器组件141且互连多个纳米粒子墨水基压电传感器110。结构 健康监测系统170优选地包括沉积的纳米粒子墨水基压电传感器组件 115（也见图2和图3）。在一个实施例中，沉积的纳米粒子墨水基压电 传感器组件115如果与复合材料结构102一同使用的话则可以包括沉积 的纳米粒子墨水基压电传感器组件116（见图2），并且如果与金属结 构132一同使用的话则可以包括沉积的纳米粒子墨水基压电传感器组件 130（见图3）。如图7所示，结构健康监测系统170还包括用于将纳米 粒子墨水基压电传感器组件的分布式网络120沉积在结构30的表面上 的墨水沉积设备142。结构健康监测系统170还可以包括用于极化多个 传感器110的电压源176。电压源176可以用于在用于结构健康监测系 统170之前极化纳米粒子墨水基压电传感器110。如这里所用，术语“极 化（poling）”指通常在升高的温度下将强电场施加于材料两端以便定 向或对齐偶极子或磁畴的过程。电压源176还可以驱动一些压电传感器 110以便它们成为向其他压电传感器110发送质询信号的致动器141。

如图7所示，结构健康监测系统170还包括用于向传感器组件120 提供电力的电源178。电源178可以包括电池、电压、RFID（射频识别）、 电磁感应传播或其他适当电源。电源178可以是无线的。如图7所示， 结构健康监测系统170还包括数据通信网络179，其用于检索和处理经 由来自于传感器110的一个或更多个信号92的结构30的结构健康数据 174。数据通信网络179可以是无线的。数据通信网络179可以是数字 的或模拟的。数据通信网络179可以检索从纳米粒子墨水基压电传感器 110接收的数据，例如使用接收器175（见图7）接收，并且数据通信网 络179可以处理从纳米粒子墨水基压电传感器110接收的数据，例如使 用计算机处理器177（见图7）处理。数据通信网络179可以是无线的。

将纳米粒子墨水基压电传感器110沉积在基体101的表面上或结构 30（见图7）的表面上必然能够安置纳米粒子墨水基压电传感器110以 便应用，例如用于结构健康监测。纳米粒子墨水基压电传感器110可以 是高密度结构健康监测系统170的关键条件。两个或更多个纳米粒子墨 水基压电传感器110可以用于使能结构健康监测系统170来监测例如复 合材料结构102（见图1）或金属结构132（见图3）的结构30的结构 健康172，并且提供结构健康数据174。结构健康数据174可以包括分 离、薄弱粘结、应变水平、湿气侵蚀、材料改变、裂纹、孔隙、剥落、 多孔或其他适当的结构健康数据174或机电特性或会不良地影响结构30 的性能的其他不规则。

结构30优选地包括一种材料，该材料包括复合材料、金属材料或 复合材料和金属材料的组合。结构30优选地具有弯曲表面138，纳米粒 子墨水基压电传感器组件的分布式网络120被沉积在该弯曲表面138 上。纳米粒子墨水基压电传感器110可以以定制形状164（见图6B）被 沉积在结构30上。如图9所示，墨水沉积设备142可以包括直写印制 设备144，其包括喷射原子化沉积设备146、墨水喷射印制设备147、气 雾剂印制设备190、脉冲激光蒸发设备192、柔印设备/柔版印刷设备194、 微喷涂印制设备196、平网丝印设备197、旋转丝网印制设备198、凹版 印制设备199或其他适当的直写印制设备144。纳米粒子墨水基压电传 感器组件的分布式网络120还可以包括被沉积在结构30的表面上的绝 缘层134。如图2和图3所示，导电墨水动力和通信电线组件140优选 地包括第一导电电极114、第二导电电极118、第一导电示踪电线112a 和第二导电示踪电线112b。结构健康数据174可以包括分离、薄弱粘结、 应变水平、湿气侵蚀、材料改变、裂纹、孔隙、剥落、多孔和不良地影 响结构30的性能的其他不规则性。纳米粒子墨水基压电传感器110优 选地由具有从大约20纳米到大约1微米范围内的粒子尺寸的纳米粒子 构成。结构30优选地包括飞行器结构10（见图1）。

如图5所示，在本公开的另一实施例中，提供一种针对结构健康172 （见图7）被监测的结构30。图5示出了本公开的结构30的一个实施 例的框图。结构30包括主体32。结构30还包括经由墨水沉积过程122 被沉积在结构30的表面上的纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式 网络120。每个传感器组件120均包括多个纳米粒子墨水基压电传感器 110。每个传感器组件120还包括用于互连纳米粒子墨水基压电传感器 110的多个导电墨水致动器组件141。在传感器组件120内的信号路径 90包括多个纳米粒子。结构30的结构健康数据174（见图7）优选地经 由从纳米粒子墨水基压电传感器110流过信号路径90到数据通信网络 179（见图7）的一个或更多个信号92获得。

纳米粒子墨水基压电传感器110可以包括纳米粒子墨水，例如按配 方配制的锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO₃）或其他适当纳米粒子墨 水。墨水优选地包括纳米级墨水纳米粒子。优选地，纳米级墨水纳米粒 子是预晶体化的。纳米粒子墨水优选地具有从大约20纳米到大约1微 米范围内的纳米级粒子尺寸。纳米级墨水粒子尺寸允许纳米粒子墨水使 用广泛的墨水沉积过程设备和系统被沉积并且具体地允许使用喷射原 子化沉积过程126（见图6A和图9）以及喷射原子化沉积设备146（见 图6A和图9）沉积纳米粒子墨水。每个纳米粒子墨水基压电传感器110 均可以具有从大约1微米到大约500微米范围的厚度。纳米粒子墨水基 压电传感器110的厚度可以根据纳米粒子的纳米粒子尺寸和第一和第二 导电电极114、118（见图2）的厚度的因数被测量。纳米粒子墨水基压 电传感器110的厚度还可以取决于纳米粒子墨水基压电传感器110的尺 寸，因为适当的纵横比会增加纳米粒子墨水基压电传感器110的敏感度。

纳米粒子墨水104还可以包括粘结促进剂，例如溶胶-凝胶基粘结促 进剂、例如环氧树脂或者其他适当聚合物基粘结促进剂的聚合物基粘结 促进剂或者用于促进纳米粒子墨水与基体101（见图5）的粘结的其他 适当粘结促进剂。在一个实施例中，纳米级墨水纳米粒子可以悬浮在硅 土凝胶-溶胶中并且之后使用墨水沉积过程122（例如直写印制过程124 （见图9））被沉积。纳米粒子墨水方剂中的硅土凝胶-溶胶使得纳米粒 子墨水比某些已知粘结促进剂相比能够粘结到更多种基体。纳米粒子墨 水基压电传感器110优选地具有基于超声波传播和机电阻抗的模态。

锆钛酸铅（PZT）纳米粒子墨水可以通过如下方法配制，该方法公 开于2011年8月17日提交的名称为“METHODS FOR FORMING LEAD  ZIRCONATE TITANATE NANOPARTICLES”的美国非临时专利申请序 列号13/211,554（其代理序列号为UWOTL-1-37259），其全部内容通过 引用并入本文。

如图5所示，基体101可以具有非弯曲或平面表面136、弯曲或非 平面表面138、或者非弯曲或平面表面136和弯曲或非平面表面138的 组合。如图2所示，基体101可以具有第一表面103a和第二表面103b。 基体101优选地包括复合材料、金属材料、复合材料和金属材料的组合 或者其他适当材料。如图2所示，基体101可以包括复合结构102。复 合结构102可以包括复合材料，例如聚合复合物、纤维增强复合材料、 纤维增强聚合物、碳纤维增强塑料（CFRP）、玻璃纤维增强塑料（GRP）、 热塑性复合物、热固性复合物、环氧树脂复合物、形状记忆聚合复合物、 陶瓷基质复合物或其他适当复合材料。如图3所示，基体101可以包括 金属结构132。金属结构132可以包括金属材料，例如铝、不锈钢、钛、 其合金或适当金属或金属合金。基体101还可以包括其他适当材料。

图6A示出了用于制造公开的纳米粒子墨水基压电传感器110的墨 水沉积过程122和墨水沉积设备142的一个实施例的示意图。示例性直 写印制过程124和直写印制设备144被示于图6A，其示出了喷射原子 化沉积过程126和喷射原子化沉积设备146。如图6A所示，纳米级墨 水纳米粒子106可以经由入口148被传输到包含溶剂152的混合容器150 内。纳米级墨水纳米粒子106优选地在混合容器中与溶剂152混合从而 形成纳米粒子墨水悬浮液154。纳米粒子墨水悬浮液154可以通过超声 波机构158被原子化从而形成原子化墨水纳米粒子156。原子化墨水纳 米粒子156之后可以传输通过喷嘴主体160并直接通过喷嘴尖端162到 的基体101的表面以便将纳米粒子墨水基压电传感器110沉积并印制到 基体101上。

图6B示出了被沉积到基体101的表面上的压电纳米粒子墨水基传 感器110的放大图。图6B示出了原子化墨水纳米粒子156，其在喷嘴主 体160和喷嘴尖端162内正被沉积到基体101上以便形成压电纳米粒子 墨水基传感器110。如图6B所示，纳米粒子墨水基压电传感器110可以 以定制形状164被沉积到基体101上，该定制形状例如字母、图案、图 标或徽章或者例如圆、方形、矩形、三角形或其他几何形状的几何形状 或其他理想定制形状164。墨水沉积过程122和墨水沉积设备142不需 要晶体166在基体101上生长。此外，沉积的纳米级墨水纳米粒子106 包含不需要任何使得晶体生长的后处理步骤的晶状粒子结构。

图2和图3示出了沉积的纳米粒子墨水基压电传感器组件115的实 施例。图2示出了沉积的纳米粒子墨水基压电传感器组件116的一个实 施例的横截面图，该组件116被沉积在包括复合材料结构102的基体101 上。沉积的纳米粒子墨水基压电传感器组件116包括被联接到用作致动 器组件141（见图4）的动力和通信电线组件140的纳米粒子墨水基压 电传感器110。动力和通信电线组件140优选地由导电墨水168（见图4） 形成，该导电墨水168可以经由墨水沉积设备142并经由墨水沉积过程 122被沉积在基体101上。用作致动器组件141（见图4）的动力和通信 电线组件140可以包括第一导电电极114、第二导电电极118、第一导 电示踪电线112a和第二导电示踪电线112b。第一导电电极114、第二导 电电极118、第一导电示踪电线112a和第二导电示踪电线112b可以相 邻于纳米粒子墨水基压电传感器110。

图3示出了沉积的纳米粒子墨水基压电传感器组件130的另一实施 例的横截面图，该组件130被沉积在包括金属结构132的基体101上。 沉积的纳米粒子墨水基压电传感器组件130包括被联接到用作致动器组 件141（见图4）的动力和通信电线组件140的纳米粒子墨水基压电传 感器110。动力和通信电线组件140优选地由导电墨水168（见图4）形 成，该导电墨水168可以经由墨水沉积设备142并经由墨水沉积过程122 被沉积在基体101上。用作致动器组件141的动力和通信电线组件140 可以包括第一导电电极114、第二导电电极118、第一导电示踪电线112a 和第二导电示踪电线112b。第一导电电极114、第二导电电极118、第 一导电示踪电线112a和第二导电示踪电线112b可以相邻于纳米粒子墨 水基压电传感器110。如图3所示，沉积的纳米粒子墨水基压电传感器 组件130还包括被直接沉积在基体101的主体上的绝缘层134，基体101 包括金属结构132。纳米粒子墨水基压电传感器110可以被沉积在绝缘 层134之上。绝缘层134可以包括绝缘聚合物涂层、电介质材料、陶瓷 材料、聚合物材料或其他适当绝缘材料。纳米粒子墨水基压电传感器110 优选地联接到动力和通信电线组件140。

图4是纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式网络120的俯视立 体图。图4示出了被联接到用作致动器组件141的动力和通信电线组件 140的多个纳米粒子墨水基压电传感器110，且这些传感器110全部被 沉积在结构30上，例如复合材料结构102上。类似地，对于金属结构 132而言，多个纳米粒子墨水基压电传感器110可以被联接到多个动力 和通信电线组件140，且全部沉积在金属结构132上。

在本公开的另一实施例中，提供用于监测结构30的结构健康的方 法200。图8示出了本公开的方法200的一个实施例的流程图。方法200 包括提供针对结构健康172（见图7）待监测的结构30的步骤202。方 法200还包括经由墨水沉积过程122将多个纳米粒子墨水基压电传感器 110和互连所述多个传感器110沉积在结构30上以形成纳米粒子墨水基 压电传感器组件的分布式网络120的多个导电墨水动力和通信电线组件 140的步骤204。

如图8所示，方法200还包括使用电压源176（见图7）来极化纳 米粒子墨水基压电传感器110以便在纳米粒子墨水基压电传感器110上 产生电场的可选步骤206。方法200还包括经由电源178（见图7）向纳 米粒子墨水基压电传感器组件的分布式网络120提供电力的步骤208。 方法200还包括使用数据通信网络179（见图7）经由来自纳米粒子墨 水基压电传感器110的一个或更多个信号92（见图5）检索和处理结构 30的结构健康数据174（见图7）。

结构30优选地包括飞行器结构10（见图1）。如图9所示，墨水 沉积过程122可以包括直写印制过程124，其包括喷射原子化沉积过程 126、墨水喷射印制过程128、气雾剂印制过程180、脉冲激光蒸发过程 182、柔印过程/柔版印刷过程184、微喷涂印制过程186、平网丝印过程 187、旋转丝网印制过程188、凹版印制过程189或其他适当的直写印制 过程124。数据通信网络179可以使用接收器175（见图7）检索从纳米 粒子墨水基压电传感器110接收的结构健康数据174并且可以使用计算 机处理器177（见图7）处理从纳米粒子墨水基压电传感器110接收的 结构健康数据174。结构健康数据174可以包括分离、薄弱粘结、应变 水平、湿气侵蚀、材料改变、裂纹、孔隙、剥落、多孔和会不良地影响 结构性能的不规则或其他适当的结构健康数据174。

基体101优选地包括复合材料、金属材料、复合材料和金属材料的 组合或者其他适当材料。基体101优选地包括第一表面103a和第二表面 103b（见图2）。基体101可以具有非弯曲或平面表面136（见图5）、 弯曲或非平面表面138（见图5）或者非弯曲或平面表面136和弯曲或 非平面表面138的组合（见图5）。纳米粒子墨水基压电传感器110可 以以定制形状164（见图6B）被沉积在基体101上。

在被用于结构健康监测系统170来监测结构30的结构健康172之 前，纳米粒子墨水基压电传感器111可以通过电压源176（见图7）而 经历极化过程。被用于结构健康监测系统170之前，纳米粒子墨水基压 电传感器110可以被联接到动力和通信电线组件140，该组件140由经 由墨水沉积过程122被沉积在基体101上的导电墨水168形成。两个或 更多个纳米粒子墨水基压电传感器110可以被用于使能结构健康监测系 统170。

结构30可以包括飞行器10（见图1）、航天器、航天交通工具、 太空发射交通工具、火箭、卫星、旋翼机、水上飞机、船舶、火车、汽 车、卡车、公交车、建筑结构、涡轮叶片、医用装置、电子致动器械、 消费电子装置、震动器械、无源和有源阻尼器或者其他适当结构。系统 170和方法200可以用于许多工业，包括例如风能发电（对涡轮叶片的 健康监测）、航空应用、军事应用、医疗应用、电子致动器械、消费电 子产品或者结构或材料需要监测系统的任意应用。

在本公开的另一实施例中，提供监测结构30的结构健康172的方 法。该方法包括提供针对结构健康172要被监测的结构30。该方法还包 括使用纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式网络120来感测和监测 结构30的结构健康172。该方法还经由电源178向传感器组件的分布式 网络120提供电力。该方法还包括使用数据通信网络179从而经由来自 纳米粒子墨水基压电传感器组件120的一个或更多个信号检索并处理结 构30的结构健康数据174。

这里公开的系统170和方法200的实施例提供了用于结构健康监测 的纳米粒子墨水基压电传感器110，其可以用于各种应用，包括对于复 合材料和金属结构的超声探伤，裂纹传播探测传感器，压力传感器，或 者其他适当传感器。例如，系统170和方法200的纳米粒子墨水基压电 传感器110可以提供托架来辅助飞行器内各种部件的健康监测，例如对 于门边框的探伤，军事平台例如军用飞行器的裂纹生长探测，以及空间 系统例如低温箱（cryo-tank）的健康监测。纳米粒子墨水基压电传感器 110可以提供以前不可能获得的结构健康数据，而这会影响能够减小成 本的新颖且有效的设计。

使用直写印制过程124，并且例如使用喷射原子化沉积过程126， 以及按配方配制的纳米粒子墨水，允许将许多纳米粒子墨水基压电传感 器110被沉积在基体101的表面上或结构30的表面上并且与公知沉积 压电传感器的过程相比成本降低。这里公开的系统170和方法200的实 施例提供允许将纳米粒子墨水基压电传感器110放置在结构30的大量 区域内且大量放置的纳米粒子墨水基压电传感器100，而这些均是公知 压电传感器难以实现的。此外，这里公开的系统170和方法200的实施 例提供优于公知传感器的纳米粒子墨水基压电传感器110，因为它们不 需要粘结剂将它们粘结到基体或结构，并且这样减少了纳米粒子墨水基 压电传感器110从结构30分离的可能性。此外，这里公开的系统170 和方法200的实施例提供由于可获得具有良好压电性质的纳米级墨水粒 子106而使能的且在不使用粘结剂的情况下以理想构造被沉积在基体或 结构上的纳米粒子墨水基压电传感器110。因为在传感器110和基体或 结构之间不存在粘结剂的情况下可以将纳米粒子墨水基压电传感器110 沉积在基体或结构上，所以可以改进与被质询结构的信号联接。此外， 这里公开的系统170和方法200的实施例提供不需要手动放置或安置到 基体或结构上并且可以与所需动力和通信电线组件一起被沉积或印制 到基体或结构上的纳米粒子墨水基压电传感器110，从而减少了劳动力 和安置成本并且降低了结构的复杂性和重量。此外，可以使用包括喷射 原子化沉积过程126的多种直写印制过程来沉积纳米粒子墨水基压电传 感器110；并且纳米粒子墨水基压电传感器110可以由已经被预结晶化 的纳米粒子尺寸粒子制成，并且可以比没有结晶化的公知传感器更有效 率；不需要高温烧结/结晶过程并且因此减少或消除了对温度敏感性基体 或结构的可能损害；可以被沉积在弯曲或非平面基体或结构上；没有或 很少有物理几何尺寸限制并且因此减少了感测能力不足或致动响应不 足的可能性。此外，这里公开的系统170和方法200的实施例提供了可 以用于在结构30的退化或劣化实际产生之前预测这种退化或劣化并且 因此可以增加结构或结构性部件零件的可靠性并且减少结构或结构性 部件零件的寿命期间的总体制造和维护成本的纳米粒子墨水基压电传 感器110。最后，这里公开的系统170和方法200的实施例提供了能够 预测、监测和诊断结构的完整性、健康和适应性的能力而不需要拆卸或 移除结构或在结构中钻孔来插入任意测量工具。

在上述实施例中，公开了用于监测结构30的结构健康172的系统， 该系统包括针对结构健康172待监测的结构；沉积在该结构30上的纳 米粒子墨水基压电传感器组件的分布式网络120，每个组件均包括多个 纳米粒子墨水基压电传感器110；以及，多个导电墨水动力和通信电线 组件140，其互连多个传感器110；将纳米粒子墨水基压电传感器组件 的分布式网络120沉积在结构30上的墨水沉积设备142；向分布式网络 提供电力的电源178；以及经由来自传感器110的一个或更多个信号检 索和处理结构30的结构健康数据174的数据通信网络179。

在一个变型中，系统包括使得多个纳米粒子墨水基压电传感器110 极化的电压源176。在又一变型中，结构30包括选自包括复合材料、金 属材料以及复合材料和金属材料的组合的组的一种材料。在又一变型 中，结构30具有弯曲表面，纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式 网络120被沉积在该弯曲表面上。在一个替代性实施例中，纳米粒子墨 水基压电传感器110以定制形状被沉积在结构上。在又一替代性实施例 中，墨水沉积设备142包括直写印制设备，其选自包括如下设备的组： 喷射原子化沉积设备、墨水喷射印制设备、气雾剂印制设备、脉冲激光 蒸发设备、柔印设备、微喷涂印制设备、平网丝印设备、旋转丝网印制 设备和凹版印制设备。

在一个变型中，纳米粒子墨水基压电传感器组件的分布式网络120 还包括沉积在结构30的主体上的绝缘层。在一个替代性实施例中，每 个导电墨水动力和通信电线组件140均包括第一导电电极114、第二导 电电极118、第一导电示踪电线和第二导电示踪电线。在一个示例中， 结构健康数据174包括分离、薄弱粘结、应变水平、湿气侵蚀、材料改 变、裂纹、孔隙、剥落、多孔和会不良地影响结构30的性能的不规则。 在另一示例中，纳米粒子墨水基压电传感器110由具有从大约20纳米 到大约1微米范围内的离子尺寸的纳米粒子构成。在一个替代性实施例 中，结构30包括飞行器结构。

在上述实施例中，公开了用于监测结构30的结构健康172的方法， 该方法包括提供针对结构健康172待监测的结构；经由墨水沉积过程将 多个纳米粒子墨水基压电传感器110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140沉积在结构30上以形成纳米粒子墨水 基压电传感器组件的分布式网络120；经由电源向分布式网络提供电动 力；以及使用数据通信网络179经由来自传感器130的一个或更多个信 号检索和处理结构30的结构健康数据。在一个变型中，该方法还包括 在沉积多个纳米粒子墨水基压电传感器110之后，使用电压源176来极 化纳米粒子墨水基压电传感器110从而在纳米粒子墨水基压电传感器 110上产生电场。

在一个变型中，墨水沉积过程包括选自包括如下过程的组中的直写 印制过程：喷射原子化沉积过程、墨水喷射印制过程、气雾剂印制过程、 脉冲激光蒸发过程、柔印过程/柔版印刷过程、微喷涂印制过程、平网丝 印过程、旋转丝网印制过程和凹版印制过程。在另一变型中，数据通信 网络179使用接收器检索从纳米粒子墨水基压电传感器110接收的数据 并且使用计算机处理器处理从纳米粒子墨水基压电传感器110接收的数 据。在又一变型中，结构健康数据174包括分离、薄弱粘结、应变水平、 湿气侵蚀、材料改变、裂纹、孔隙、剥落、多孔和会不良地影响结构的 性能的不规则。

在上述实施例中，公开的结构30是针对结构健康待监测的，结构 包括主体；以及经由墨水沉积过程被沉积在结构30的主体上的纳米粒 子墨水基压电传感器组件的分布式网络120，每个组件均包括多个纳米 粒子墨水基压电传感器110；以及互连多个传感器110的多个导电墨水 致动器组件141，其中分布式网络120内的信号路径包括多个纳米粒子 并且结构30的结构健康数据174经由从纳米粒子墨水基压电传感器110 流过信号路径到达数据通信网络179的一个或更多个信号而获得。在一 个变型中，结构30具有弯曲表面，纳米粒子墨水基压电传感器120的 分布式网络被沉积在该弯曲表面上。在又一变型中，纳米粒子墨水基压 电传感器组件的分布式网络120还包括被沉积在主体上的绝缘层。在又 一变型中，纳米粒子墨水基压电传感器110由具有从大约20纳米到大 约1微米范围内的粒子尺寸的纳米粒子构成。在一个替代性实施例中， 墨水沉积过程包括选自包括如下过程的组中的直写印制过程：喷射原子 化沉积过程、墨水喷射印制过程、气雾剂印制过程、脉冲激光蒸发过程、 柔印过程/柔版印刷过程、微喷涂印制过程、平网丝印过程、旋转丝网印 制过程和凹版印制过程。在另一替代性实施例中，结构30包括飞行器 结构。

本领域技术人员将意识到本公开涉及的许多改型和其他实施例，其 具有上述说明和附图中所教导的优点。这里公开的实施例是描述性的并 且不试图是限制或排他的。虽然这里使用特定术语，不过它们仅是其通 用和描述性含义而不是为了限制性目的。