結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）對(duì)于確保管道、儲(chǔ)罐、飛機(jī)、船舶和車輛等應(yīng)用的運(yùn)行安全至關(guān)重要。傳統(tǒng)的嵌入式傳感器由于成本和潛在的結(jié)構(gòu)損壞而受到限制。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology）的研究人員提出了一種無(wú)線無(wú)電池射頻識(shí)別（RFID）傳感器，用于監(jiān)測(cè)復(fù)合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變。該RFID系統(tǒng)是一種基于電感-電容（LC）電路和平行板電容傳感單元的薄而柔的傳感器。通過(guò)在電容器電極中加入特定的裂紋，使傳感器的電容器電極具有高壓阻性，從而改變電磁波的穿透性。這種非常規(guī)的電容變化改變了諧振頻率，使得對(duì)于低于1%的應(yīng)變，無(wú)線應(yīng)變傳感器的應(yīng)變系數(shù)（GF）為50。通過(guò)使用簡(jiǎn)單掃頻的外部讀出系統(tǒng)被動(dòng)檢測(cè)頻移。這種無(wú)線無(wú)電源的設(shè)計(jì)可以輕松集成到復(fù)合材料中，而不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的完整性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋無(wú)線應(yīng)變傳感器具有檢測(cè)復(fù)合材料內(nèi)部微小應(yīng)變的能力。該技術(shù)為精確的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供了一種經(jīng)濟(jì)有效、無(wú)損的解決方案。相關(guān)研究成果以“High-Sensitivity RFID Sensor for Structural Health Monitoring”為題發(fā)表在Advanced Science期刊上。

超靈敏無(wú)源RFID應(yīng)變傳感器：應(yīng)用與技術(shù)

在這項(xiàng)工作中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種新穎的基于裂紋的電阻應(yīng)變傳感器，具有極高的靈敏度。該傳感器的有源區(qū)域由分裂的導(dǎo)電薄膜組成，與其他系列的電阻應(yīng)變計(jì)（GF ≈ 10?）相比，它具有極高的壓阻性。為了大幅提高電容傳感器的GF，研究人員將開(kāi)發(fā)的高壓阻性電極集成到傳統(tǒng)的平行板電容器中，以形成傳輸線模型，從而導(dǎo)致詢問(wèn)信號(hào)在傳感器長(zhǎng)度上的穿透能力不同。這種設(shè)計(jì)使得與應(yīng)變和頻率相關(guān)的電容具有超高靈敏度，釋放了電容感測(cè)的潛力。這些基于裂紋的應(yīng)變傳感器顯示出極高的靈敏度，GF為37，已通過(guò)使用裂紋碳納米管紙作為電極和聚二甲基硅氧烷作為介電材料證明。基于相同的概念，為了適應(yīng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的框架，研究人員通過(guò)使用聚酰亞胺襯底和活性金屬層的微加工技術(shù)，將這種設(shè)計(jì)應(yīng)用到耐用、靈活、輕薄的傳感器上。研究人員將裂紋電容傳感器與電感線圈相結(jié)合，形成了一種利用RFID技術(shù)的新型無(wú)線傳感方法。

裂紋RFID傳感器機(jī)制和設(shè)計(jì)

有裂紋的電極由兩層疊加的金屬層制成：一層用于觸發(fā)裂紋，另一層用于確保良好的電子傳導(dǎo)。導(dǎo)電層中的裂紋在材料中產(chǎn)生壓阻效應(yīng)，導(dǎo)致應(yīng)變下的電阻變化，同時(shí)保持足夠的導(dǎo)電性，以減少（但非零）電子傳導(dǎo)。對(duì)于高裂紋密度（高電極壓阻率），選擇最佳金屬厚度是獲得有效傳感器的必要條件。然而，由于傳感器需要非常高的應(yīng)變來(lái)激活傳輸線，電極中的低裂紋密度防止了諧振頻率下的電磁信號(hào)衰減，因此，電容變化對(duì)諧振頻率的影響非常有限。在此基礎(chǔ)上，研究人員選擇了60 nm厚的Cr（鉻）和100 nm厚的Au（金），以使傳輸線現(xiàn)象適應(yīng)諧振頻率。

Cr/Au裂紋納米膜的電學(xué)行為

所開(kāi)發(fā)的裂紋傳感器具有良好的分辨率和精度，能夠檢測(cè)復(fù)合材料斷裂應(yīng)變點(diǎn)以下的應(yīng)變，其范圍在1.5% ~ 2.5%之間。與其他傳感器相比，該傳感器在靈敏度、檢測(cè)微小應(yīng)變的能力和響應(yīng)時(shí)間方面表現(xiàn)出卓越的性能。此外，研究人員還證實(shí)了將傳感器集成到復(fù)合材料內(nèi)部，同時(shí)保持其與外部環(huán)境通信的能力。彎曲試驗(yàn)表明，傳感器集成后的機(jī)械性能得到改善。結(jié)果證實(shí)，裂紋RFID傳感器是CSHM（復(fù)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)）的優(yōu)秀候選者，因?yàn)樗梢郧度霃?fù)合材料結(jié)構(gòu)中而不影響材料的完整性，并且通過(guò)啟用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（幾公里長(zhǎng)的管道、大型儲(chǔ)氣罐、飛機(jī)等），即使在大規(guī)模情況下也能準(zhǔn)確地跟蹤結(jié)構(gòu)中的應(yīng)變。

裂紋RFID傳感器無(wú)線檢測(cè)低應(yīng)變的能力

總而言之，研究人員展示了RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)超靈敏無(wú)線應(yīng)變傳感器的潛力，該傳感器可以檢測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變。研究人員實(shí)現(xiàn)了一種超靈敏、可集成無(wú)線傳感器，它具有無(wú)線通信、低消耗、易于安裝、低成本、符合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)要求的一致可靠性。首次制造出能夠無(wú)線檢測(cè)低于復(fù)合材料斷裂點(diǎn)應(yīng)變（≈1.5%）的RFID應(yīng)變傳感器，并進(jìn)行了全面測(cè)試。研究人員證明了該傳感器在嵌入材料（玻璃纖維增強(qiáng)塑料和碳纖維復(fù)合材料）內(nèi)部時(shí)能夠發(fā)送應(yīng)變數(shù)據(jù)的能力，并進(jìn)行了彎曲測(cè)試，展示了材料內(nèi)部真實(shí)應(yīng)變的良好響應(yīng)。材料的機(jī)械性能的非侵入性和非退化性是新型RFID應(yīng)變傳感器的特點(diǎn)，研究人員驗(yàn)證了當(dāng)傳感器嵌入時(shí)，材料的剛度和強(qiáng)度不會(huì)出現(xiàn)明顯的下降。通過(guò)在大型結(jié)構(gòu)中添加傳感器網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)已準(zhǔn)備好應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）系統(tǒng)。以幾公里長(zhǎng)的管道為例，解決了管道監(jiān)測(cè)的大問(wèn)題，降低了傳統(tǒng)無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)油氣結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的巨大成本。一個(gè)連接到Wi-Fi系統(tǒng)的包含無(wú)人機(jī)的讀出系統(tǒng)可以讀取WSN數(shù)據(jù)并將其直接發(fā)送到數(shù)據(jù)處理站，這有助于避免復(fù)合結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性故障和缺陷，成就下一代SHM系統(tǒng)。

審核編輯：劉清