阅读说明：本技术 用于智能材料分析的设备和方法 (Apparatus and method for smart material analysis ) 是由 E.博韦罗 于 2018-05-10 设计创作，主要内容包括：一种使用可移动检查设备检查包括光子材料的结构的方法,包括照射所述结构的一部分,接收从所述结构的所述部分中的光子材料衍射的辐射,根据以下的至少一种确定所述光子材料的变形：i)接收的辐射的强度,ii)接收的辐射的位置和iii)接收的辐射的波长；和确定变形幅度是否高于阈值。如果变形幅度高于阈值,则存储关于所述光子材料的变形的数据；相反,如果变形幅度不高于阈值：停止所述光子材料的位置处的检查并移动所述检查设备以检查所述结构的另一部分。(A method of inspecting a structure comprising a photonic material using a movable inspection apparatus, comprising illuminating a portion of the structure, receiving radiation diffracted from the photonic material in the portion of the structure, determining a deformation of the photonic material from at least one of: i) an intensity of the received radiation, ii) a location of the received radiation and iii) a wavelength of the received radiation; and determining whether the magnitude of the deformation is above a threshold. Storing data about the deformation of the photonic material if the deformation magnitude is above a threshold; conversely, if the magnitude of the deformation is not above the threshold: stopping the inspection at the location of the photonic material and moving the inspection apparatus to inspect another portion of the structure.)

用于智能材料分析的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于监测和检测的嵌入式智能材料，特别涉及用于智能材料分析的设备和方法。

背景技术

石油和天然气工业中使用的管道和容器结构随着时间的推移会受到应力的影响，这些应力会累积而在结构中产生缺陷。遗憾的是，通常难以确定这种结构是否受到破坏性应力，直到容易观察到的缺陷发生。

结构材料例如管道中使用的非金属管的非破坏性检查技术的可用性是有限的。在大多数情况下，到目前为止可用的技术要么对材料具有破坏性，要么是实验性的和不可靠的。即使考虑当前用于非破坏性检查的实验技术，也没有现有技术能够可靠地预测缺陷的形成，并且通常仅用于检测现有缺陷。

更具体地说，现有的建筑材料以及用于检查材料的相应系统和技术不足以以足够的准确度和精度检测材料上或材料中的应力的存在，例如拉伸应力或压缩应力，从而可以在之前预测缺陷。目前用于感测材料缺陷的可用技术通常基于单维光纤布拉格光栅。这些纤维提供单维信息：即，它们仅能检测沿纤维长度发生的应力，并且仅检测对应于已经损坏的材料的显著应力，其中结构材料中具有显著的裂缝和破裂。

对用于检测结构材料中的扰动的系统和方法存在需要，其利用光子材料例如光栅或光子晶体作为用于产生衍射的敏感元件。另外，对用于检测结构材料中的扰动的系统和方法存在需要，其通过波长变化量化光子材料中的变形，或者根据强度变化量化衍射角度变化。此外，对用于检测扰动的具有灵敏度的系统和方法存在需要，该灵敏度可通过选择检测波长和光子结构材料的相应周期来调节。另外，对用于检测扰动的具有多维灵敏度水平的系统和方法存在需要。

关于这些和其他考虑因素，提出了本文所公开的内容。

发明内容

根据本发明，提供了一种使用可移动的检查设备检查包括光子材料的结构的方法。该方法包括照射所述结构的一部分，接收从所述结构的所述部分中的光子材料衍射的辐射，根据以下的至少一种确定所述光子材料的变形：i)接收的辐射的强度，ii)接收的辐射的位置和iii)接收的辐射的波长；和确定变形幅度是否高于阈值。如果变形幅度高于阈值，则存储关于所述光子材料的变形的数据；相反，如果变形幅度不高于阈值：停止所述光子材料的位置处的检查并移动所述检查设备以检查所述结构的另一部分。

在一些实施方案中，用单色辐射照射所述结构的所述部分，并且根据接收的辐射的强度确定所述变形。检查设备可以包括辐射源和辐射传感器，并且所述变形可以进一步根据以下确定：(i)所述辐射源发射的波长，(ii)所述辐射源相对于被照射的所述结构的所述部分的位置，以及(iii)所述辐射源和所述辐射传感器之间的距离。

在其他实施方案中，用多色辐射照射所述结构的所述部分，并且根据接收的辐射的波长确定所述变形。在所述光子材料是三维的实施方式中，根据测量的波长禁带(wavelength stop band)进一步确定所述变形。

在一些实施方式中，衍射的辐射由相机传感器接收，并且所述变形可以进一步根据接收的辐射的所述相机传感器处的位置确定。检查设备可以包括辐射源，并且可以根据接收的辐射的波长和位置来确定变形，其中接收的辐射的位置包括在相机传感器处捕获的辐射的像素位置，其中变形进一步根据以下确定：(i)相对于照射的所述结构的所述部分的辐射源位置，以及(ii)所述辐射源与所述相机传感器之间的距离。在一些实施方案中，所述相机传感器包括多个像素元件，其通过表达色调来响应所接收的辐射，并且根据表达的色调确定接收的辐射的波长。在一些实施方式中，多色辐射在可见光谱中，而在其他实施方式中，多色辐射的至少一部分在可见光谱之外。

根据本发明的其他方面，提供了一种计算机程序产品，其包括非暂时性计算机可读介质，该非暂时性计算机可读介质包括程序代码，该程序代码在被加载到计算机中时控制所述计算机执行上述方法。

根据本发明的其他方面，提供了一种用于检查包括光子材料的物体的可移动设备。该设备包括用于照射结构的一部分的辐射源，用于接收从所述结构的所述部分中的光子材料衍射的辐射的辐射传感器，耦合到传感器的处理器，其被配置为根据以下的至少一种确定所述光子材料的变形：i)接收的辐射的强度，ii)接收的辐射的位置和iii)接收的辐射的波长，和确定变形幅度是否高于阈值，以及耦合到所述处理器的存储介质。如果变形幅度高于阈值，则处理器将关于光子材料的变形的数据引导到存储介质；相反，如果变形幅度不高于阈值，则处理器使光子材料的位置处的检查停止，并发送使检查设备移动并检查所述结构的另一部分的信号。

在一些实施方案中，辐射源发射单色辐射，并且光子材料的变形根据在辐射传感器处接收的辐射强度确定。在其他实施方案中，辐射源发射多色辐射，并且光子材料的变形进一步根据接收的辐射的波长确定。在一些实施方式中，多色波长在可见光谱中，并且辐射传感器包括具有多个具有不同位置的像素元件的相机。在这样的实施方式中，处理器被配置为根据以下确定变形：(i)接收的辐射的波长，(ii)在相机传感器处捕获的辐射的像素元件位置，(iii)辐射源相对于光子材料的所述部分的位置，和(iv)辐射源和相机之间的距离。多个像素元件通过表达色调来响应所接收的辐射，并且根据表达的色调确定接收的辐射的波长。

在一些实施方案中，光子材料是三维的，并且处理器被配置为进一步根据测量的波长禁带确定光子材料的变形。

这些和其它方面、特征和优点可从本发明的某些实施方案和附图以及权利要求的以下描述中理解。

附图说明

图1是根据本发明的实施方案的检查设备的示意图。

图2是根据本发明的实施方案的检查设备的组件的示意性框图。

图3是示出根据本发明的实施方案的检查的角度模式的透视图。

图4是示出根据本发明的实施方案的检查的波长模式的透视图。

图5是根据本发明的实施方案的检查包含光子材料的结构的方法的流程图。

具体实施方式

在一个或多个实施方案中，提供了一种检查具有嵌入的“智能”材料的结构的方法。放置检查设备以便将辐射发射到结构的表面的一部分上。使用辐射传感器检测从嵌入结构的表面的智能材料衍射的辐射。取决于所应用的特定检查模式，基于检测到的衍射光的特性，确定被检查表面的所述部分是否已经受到变形阈值水平(即，一定长度的变形)。如果变形高于阈值水平，则存储检测到的传感器数据并执行进一步分析。如果变形低于阈值水平，则移动设备以检查结构的表面上的不同部分。

为了监测现场大型结构例如管道和储存容器的状况，智能材料可以被嵌入或附着在结构上，作为结构状态的指示器。智能材料包括响应于变形而经历指数参数变化的结构。一类重要的智能材料包括周期性光子材料，包括光栅和光子晶体。由光子材料响应于辐射而传输的衍射图案对其组成元件的周期性间距极其敏感。因此，由于例如拉伸应力、压缩应力、弯曲、温度变化等，嵌入的光子材料所经受的从常态的任何变形或扰动都可以在扰动结构与常态的衍射图案的相应差异中显示出来。衍射图案的变化与扰动的大小成比例，并且可以使用检查设备来测量。

检查设备可以在不同的检查模式下操作，例如角度模式和波长模式。在角度模式中，在辐射传感器处接收衍射的辐射，并且根据衍射光束照射传感器的位置，或者更具体地，传感器上的位置处的强度的变化，确定变形。通过位置的强度的变化用于确定位移距离。在波长模式中，在光传感器上的一个或多个特定位置处接收的光的波长而不是强度用于量化位移。通过选择检测波长和光子材料的相应周期，可以调节检测的灵敏度。在一个或多个实施方案中，可以组合多个检查模式以帮助确定具有嵌入的光子材料103的结构102的变形，如将从下面的讨论中理解的。

图1示出了根据本发明的检查设备100的示例性实施方案，其用于检查具有嵌入的光子材料103的结构102。光子材料103可以(优选地)包括衍射光栅，但是也可以包括表现出光学特性例如折射率的周期性变化的其他结构。设备100包括壳体105，壳体105包含用于检查结构的多个组件，所述壳体可以沿着结构102的长度作为一个单元定位和移动。为此目的，壳体105可以连接到运载器，例如机器人或无人机，或者，壳体可以包括用于自动运动的驱动机构和轮子。壳体105包括用于辐射源和检测器的开口107。

放置在壳体105内的是辐射源110、115，其定位成将辐射引向结构102的一部分。尽管描绘了两个辐射源，但是在一些实施方案中可以使用单个源，并且在替代实施方案中，可以使用两个以上的源。在示例性实施方式中，辐射源110是激光源(例如，具有例如单一波长的准直光束)，并且辐射源115是发射多个不同波长的漫射辐射源。漫射辐射源115可以采取多种形式，并且可以在可见光谱中和/或可见光谱外的宽波长或窄波长范围内发射辐射。例如，漫射辐射源可以使用白色LED、闪光灯、X射线发射器或自然环境辐射来实现。一个或多个透镜例如120可以被配置为将通过漫射辐射源115发射的辐射聚焦到结构102以进行检查。

在光子材料103处接收的辐射被衍射并反射回检查设备的开口107。在一些实施方案中，设备100包括反射器125(如图所示)，其被定位以接收从光子材料103衍射的辐射。反射器125和一个或多个聚焦组件128定向成将入射辐射引导并聚焦到辐射传感器130中。辐射传感器130可以以多种方式实现，包括数码相机、红外检测器、电荷耦合器件(CCD)光电倍增管、摄影胶片等。在传感器构成单个元件的实施方式中，传感器输出信号的幅度或强度用于确定位移。对于包括诸如CCD阵列的元件阵列的传感器，特定阵列元件(即位置)的响应提供了可以确定位移的信息。在所示实施方案中，辐射传感器耦合到本地处理器140并将捕获的传感器数据发送到本地处理器140。在替代实施方案中，处理器位于远程，并且设备包括无线通信模块(如图2所示)，用于将传感器数据发送到远程处理器。

检查设备100可以布置有各种计算机硬件和软件组件，其用于使得能够操作检查设备，并且更具体地，执行与由辐射传感器130捕获的信息的分析相关的操作。图2是描绘包括处理器140和电路板150的检查设备100的示例性计算机硬件和软件组件的框图。如图2所示，电路板可包括存储器155、通信接口160和可由处理器140访问的计算机可读存储介质165。处理器140和/或电路板150还可以耦合到用于可视地输出信息给操作员(用户)的显示器170，用于接收操作员输入的用户界面175，以及用于提供声音反馈的声音输出180，如本领域技术人员理解的。作为实例，当遇到高于特定阈值的缺陷或变形时，设备100可以从显示器170发出视觉信号，或者从声音输出180发出声音。可以在测量之前通过用户界面175手动或默认设置阈值，用户界面175可以是触摸屏或合适的键盘。虽然各个组件被描绘为独立于电路板150或者是电路板150的一部分，但是可以理解的是，所述组件可以以各种配置布置而不背离本文的公开内容。

处理器140用于执行可以加载到存储器中的软件指令。处理器140可以使用多个处理器、多处理器核或一些其他类型的处理器以及分布式处理器来实现，为了本公开的目的，它们共同被称为“处理器”。存储器155可由处理器140访问，从而使处理器能够接收和执行存储在存储器和/或储存器上的指令。存储器155可以使用例如随机存取存储器(RAM)或任何其他合适的易失性或非易失性计算机可读存储介质来实现。另外，存储器155可以是固定的或可移除的。存储介质165还可以采取各种形式，这取决于具体实施方式。例如，存储介质165可以包含一个或多个组件或设备，例如硬盘驱动器、闪存、可重写光盘、可重写磁带或上述的一些组合。存储介质165也可以是固定的或可移动的或远程的，例如基于云的数据存储系统。电路板150还可以包括或耦合到电源(未示出)，用于为检查设备供电。

一个或多个软件模块185被编码在存储器155和/或存储介质165中。软件模块可以包括一个或多个软件程序或应用程序，其具有在处理器140中执行的计算机程序代码或一组指令。用于执行操作和实现本文公开的系统和方法的各方面的这种计算机程序代码或指令可以用一种或多种编程语言的任何组合来编写。当软件模块185本地存储在处理器140上时，处理器可以经由局域网或广域网与基于远程的计算平台交互，优选地无线地交互，以经由通信接口160执行计算或分析。

在执行软件模块185期间，处理器140被配置为执行与由传感器130捕获的辐射的分析有关的各种操作，用于检测和量化作为衍射图案的函数的被检查材料中的扰动，如将在下面更详细描述的。软件模块185的程序代码和一个或多个非暂时性计算机可读存储设备(诸如存储器155和/或储存器165)形成计算机程序产品，其可以根据本公开内容进行制造和/或分发，如本领域普通技术人员所知的。另外，与本设备和方法的配置和操作相关的信息和/或数据也可以与软件模块相关联地存储。这样的信息可以包括与设备以及可以检查的各种材料和光子材料有关的规定设置和参数，例如预期的衍射图案。类似地，还可以存储特定于检查设备的操作参数和各种操作模式(例如，设备组件的相关尺寸、变形阈值、辐射强度)。

根据本发明的一些实施方案，软件模块185包括用于以角度模式186、波长模式187和三维模式188操作检查设备和分析数据的子模块。图3是示出角度检查模式的示意性透视图。如图3所示，检查设备100的实施方案通过首先使用辐射源110照射基材102的一部分来开始根据角度模式子模块186指示进行检查，辐射源110优选地是激光(单色)源。使用单色光源允许波长在分析中是固定参数。在图3中，辐射源110将激活光束302发射到结构102的光子光栅103上。入射光束302通过单光束304反射，并且还由光栅沿不同顺序的若干光束路径306、308、310、312衍射。光束306和308分别为1级和-1级，光束310和312为2级和-2级。光栅103的特征与衍射参数之间的关系如下：

d(sinα-sinβ)＝nλ (1)

其中d是光栅103中凹槽之间的距离，α是光束302的入射角，β是一个光束312的衍射角，它是在传感器130处检测到的，n是衍射级，λ是辐射的波长。以这种方式，给定恒定波长(λ)、级数(n)和激活光束角(α)，光栅间距(d)的任何变化将仅取决于检测到的衍射角(β)。

具有级数n＝-2的光束312由辐射传感器130接收。参数α是光束302相对于垂直轴线指向的角度，因此从辐射源110的配置和位置得知。参数β可以通过考虑辐射源110和辐射传感器130之间的距离e来计算，这也可以从设备100中的这些组件的配置以及设备100和结构表面之间的距离s得知。

特别是，β的公式是：

因此，给定激光的波长(λ)，光栅等式(1)中唯一未知的是特征之间的间距(d)。该距离的量化提供了关于材料变形的相对和绝对信息。该距离相对于周围的值是相对的并且也是绝对的，因为所提供的值是特定点中材料状态的直接测量而不是比率。

随着特征之间的间距改变，等式(2)中的s值也以相应的方式改变。s的记录值取决于所采用的辐射传感器的类型。在辐射传感器是单个元件例如强度计的一些实施方案中，s的变化被捕获为信号强度的减小(其中传感器位置针对零变形的最大强度进行校准)。单元件传感器不指示位移的变化是否是延伸的压缩。更优选地，辐射传感器包括多个敏感元件，例如CCD阵列。通过确定多个单独元件的强度变化，多元件传感器可以指示变化的方向(膨胀或压缩)以及变形幅度。

设备100还可以包括接近度传感器(未示出)，以自动确定辐射源和结构表面之间的距离e。

如上所述，除了角度模式之外，还可以通过以波长模式操作检查设备来确定光子材料中的变形。在波长模式中，衍射光的波长是用于量化位移的信号。在该模式中，具有多个波长的光(例如，诸如白光的多色辐射源)被引导到样品上并且还根据光栅等式(1)衍射。图4是示出波长检查模式的示意性透视图。图4中示出了检查设备400的另一个实施方案。检查设备包括多色光源410和能够感测光谱的相关部分中的不同波长例如紫外光或可见光的辐射传感器430，或IR相机。辐射传感器430可以是能够同时检测多个波长的各传感元件的阵列。如上所述，在某些实施方案中可以组合多种操作模式，将变形的确定作为从每种方法返回的结果的平均值，作为加权平均值，或者多种操作模式可以比较结果以进行结果验证，或者可以基于主要条件(例如，测量时的湿度)来选择特定操作模式的结果。

在图4所示的方案中，结构表面的被照射区域被涵盖在角度α1和α2之间。被照射的表面上的每个点在各个方向上衍射辐射，但是辐射传感器430仅收集有限范围的辐射。该范围的宽度由辐射传感器430的尺寸和/或设备400中通向传感器的孔径确定。在任何情况下，由于通常制造的光栅的典型几何形状，该范围相当窄。该窄度用于检测的优点，因为单个波长可以与在辐射传感器430处生成的结果图像中的每个像素或点相关联。由传感器收集的图像由传感器本身的视野界定，其由图4中的虚线422和424界定。该视野还由衍射角β₁＝β₂＝γ界定。如图4中所示，图像中不同位置的不同波长可以对应于相同的位移d。更具体地，由传感器430收集的所有辐射由相同的位移d产生，从不同的角度、从不同波长的α1,β1至α2,β2到达。

因此，具有均匀间距(即，由于拉伸或压缩应力而没有变形)的光子材料以不同的角度衍射不同的波长，并且传感器图像中的衍射角和检测位置随波长均匀地变化。位移将导致特定角度的衍射波长的局部变化，或者在照射区域上的波长的非均匀变化。因此，为了量化该位移，重要的是考虑几个参数：最重要的是照射点相对于检查设备的相对位置，以及由辐射传感器430检测的颜色(波长)。

捕获的波长的像素在收集的图像中的位置可以用于精确地确定照射点相对于设备作为整体的位置。例如，可以将对应于通用点的衍射的角度α、β表示为与所收集的图像中的特定点相对应的像素的坐标的函数。角度α可以根据三角学考虑，通过观察以下进行计算：

在等式(3)中，tga是α的正切，y是材料表面上的图像的尺寸，并且P_y是从对应于像素坐标0的图像的末端测量的分析点的位置。P_y可以从像素p_y的坐标、像素P上的图像的大小和图像的在长度y的实际尺寸计算，如：

通过代入P_y，等式(3)变为：

类似地，角度β可表示为：

将等式(5)和(6)结合到光栅方程(1)中，得到波长模式的光栅方程(7)：

等式(7)以方便的形式写入，因为通常容易在距设备一定距离处测量图像的实际尺寸。然而，也可以通过考虑图像采集的角度(γ)来表达等式(7)。首先，距离(y)可表示为：

y＝2e·tgγ (8)

结合等式(8)，等式(7)变为：

等式(7)和(9)提供d的精确值，其用于量化材料中的任何位移。由于所有参数都是从测量设置和设备的架构中得知的，因此唯一的测量变量是λ。

到目前为止所描述的两种模式适用于具有平面周期性的光栅或任何其他二维结构形式的技术。但是，分析也可以扩展到三维周期结构。对于三维光子材料，角度和波长模式分析都受不同机制的支配。在三维光子晶体中，周期性结构与介电常数的周期性调制相关联。光子材料对于波长具有允许的带和禁止的禁带的区域，其方式与半导体跨越电子带结构的方式类似。禁带波长的近似值可以表示为布拉格衍射定律的修正版与Snell折射定律的组合，如下：

在等式(10)中，S是收缩因子，其考虑在形成期间晶格结构的最终收缩，是负责所考虑的特定禁带的光子晶体的参数，m是衍射的级数，h、k和l是米勒指数，Φ是构成晶格的材料之一的体积分数，以及n₁、n₂是两种材料的折射率。如果光子材料发生变形，则参数a将改变。结果，通过监测禁带波长的变化，可以监测材料的变形。通常，三维周期性结构中观察角度的变化不会像二维光子材料那样影响波长的变化。通常，存在一系列角度，禁带的波长将是恒定的。然而，一旦角度改变一定幅度，另一个晶格面和晶格常数起作用，并改变禁带。

利用如上所述的设备可以容易地进行测量。可以以反射模式(即，通过接收来自光子晶体的反射光束)或者以透射模式执行测量。在反射模式中，由辐射传感器测量的波长将对应于禁带的波长。在透射模式中，测量的波长将与禁带互补。入射辐射的角度不会影响测量。用于监测三维光子材料的变形的等式(10)的一种有用形式是：

在其他实施方案中，可以使用结构的吸收光谱来确定禁带波长。对于吸收光谱测量，带的峰值的测量值将对应于禁带的波长而不是互补波长。

在其中相机被作为辐射传感器实施的本发明的方法的一些实施方案中，波长测量可以使用相机的色调标度确定。相机像素的色调(H)可用作波长的近似值。例如，在某些相机中，色调可以被建模为从红色穿过黄色等并返回到红色的360弧度。随着可见光范围内的波长减小，色调增加。因此，通过考虑有限范围的色调来匹配从大约650nm到430nm的可见光范围内的波长，可以写出经验对应关系如下：

λ＝650-1.16H (12)

通过色调(H)量化波长不一定精确，但在波长和色调之间存在函数比例。因此，等式(12)具有强大的经验特征并且可能需要校准。色调标度的这种精度水平足以应用于其中变形的局部变化比绝对值更重要的应用。

图5是根据本发明的实施方案的检查包括光子材料的结构的方法500的流程图。在步骤502中，该方法开始于相对于结构定位检查设备，以便能够检查结构。定位可包括许多步骤以推进或操纵机器人式爬行检查机器或无人机，或其上可安装检测设备的其他机构。在步骤504中，照射包括光子材料的结构的一部分。在步骤506中，接收从光子材料衍射的辐射。在随后的步骤508中，根据以下之一确定光子材料的变形：i)强度ii)位置和iii)所接收辐射的波长。在步骤510中，确定变形幅度是否高于阈值。如果变形高于阈值，则在步骤512中，存储关于光子材料变形的数据。如果变形低于阈值，则在步骤514中停止对所述结构部分的检查，并且在步骤516中，将检查设备移动到结构的另一部分。

本系统和方法的说明性实施方案和布置提供了用于检查智能结构的系统和计算机实现的方法、计算机系统和计算机程序产品。附图中的流程图和框图示出了根据各种实施方案和布置的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示模块、片段或代码的部分，所述代码包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意，在一些替代实施方式中，框中提到的功能可以不按图中所示的顺序发生。例如，连续示出的两个方框实际上可以基本上同时执行，或者这些方框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应注意，框图和/或流程图说明的每个框以及框图和/或流程图说明中的框的组合可以由执行特定功能或动作的基于专用硬件的系统或专用硬件和计算机指令的组合来实现。

应理解，本文所公开的任何结构和功能细节不应被解释为限制所述系统和方法，而是作为用于教导本领域技术人员实现所述方法的一种或多种方式的代表性实施方案和/或布置方式来提供。

应理解，尽管许多前面的描述已经涉及用于检查光子材料的系统和方法，但本文所公开的方法可以类似地将其它‘智能’结构部署在超出提及的场景的场景、情况和设置中。应进一步理解，任何这类实施方案和/或部署都在本文描述的系统和方法的范围内。

应进一步理解，贯穿若干附图，图中相似的附图标记表示相似的元件，并且不是所有的参考附图描述和图示的组件和/或步骤都是所有实施方案或布置方式所需要的。

本文所使用的术语仅出于描述特定实施方案的目的，并且不旨在限制本发明。如本文所使用，除非上下文另外明确指示，否则单数形式“一(a/an)”和“所述(the)”旨在也包括复数形式。将进一步理解，术语“包含(comprises和/或comprising)”当用于本说明书中时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组的存在或添加。

本文使用的取向的术语仅出于约定和参考的目的，而不应被理解为限制。然而，认识到这些术语可参考观看者使用。因此，不暗示或推断出任何限制。

而且，本文所使用的措词和术语是出于描述的目的并且不应被视为限制。本文“包括(including)”、“包含(comprising)”或“具有(having)”、“含有(containing)”、“涉及(involving)”和其变体的使用意指涵盖在其后所列出的项目和其等效物以及附加项目。

虽然已参考示例性实施方案描述本发明，但是所属领域的技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出各种改变并且可用等效物替代本发明的元件。此外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，所属领域的技术人员将理解许多修改来使特定器械、情形或材料适于本发明的教导内容。因此，希望本发明不限于作为进行本发明设想的最佳模式公开的特定实施例，但是本发明将包括属于所附权利要求书范围内的所有实施方案。