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理大研发可喷涂传感器网络技术助实时监测结构健康 接收信号频率更阔、成本更低、用途更多
发布时间:2017-07-05 15:34:42 | 浏览次数:


香港理工大学(理大)的研究团队新近研发了一种崭新的纳米复合材料传感器,可直接喷涂于平坦或弯曲的工程结构,如火车路轨和飞机结构。喷涂出来的传感器可以进一步构成传感器网络,为受监测的结构提供实时及丰富的结构健康状况信息。这种传感器重量极轻,而且制造成本低廉,可大量采用以检测隐藏在结构内部的问题,有助开创以超声波为基础的结构健康监测新时代。

纳米复合材料传感器由理大机械工程学系的苏众庆教授、周利民教授及以他们为首的团队研发,采用创新的喷涂技术制成,使传感器安装过程比传统方法更快捷和具效率。这种新技术也令该传感器适用于多种工程结构表面,提高了它的灵活性。

现时用于原位监测的传统超声波传感器,例如由锆钛酸铅(PZT)制成的压电类型传感器,因成本及重量所限,可使用的数量一般不多。这些传感器一般是硬的,不能扭弯以用于弯曲的结构表面,且会显著增加结构的附加重量与体积。理大团队研发的纳米复合材料传感器,制造成本及重量都大大低于传统传感器,又可大量制造组成密集的传感器网络,采集宽带信号,用以监测结构的健康。

苏教授说:“该新型纳米复合材料传感器在‘传感成本’和‘传感效能’之间取得了平衡,能同时兼顾传感器的成本及传感器网络所捕获的数据量两个因素,为实现原位振动感测、以超声波为基础的结构健康监测技术开辟了新思路。”

体重轻且成本低

理大的创新传感技术包含一个传感器网络,由多个纳米复合材料传感器及一个超声波换能器组成,可主动探测安装了该传感网络的结构的健康状况,快速及准确地显示该结构是否有损坏。传感器会接收及量度超声波换能器发出的超声导波,如结构有损坏,例如出现裂缝,超声导波的传播会受损坏的地方干扰,因而出现特有的波散射现象,并为传感网络所记录。团队研发出来的一体化系统,可基于超声导波的散射准确地检测及量化结构损坏的情况。

一个基于压电材料的传统超声波传感器成本是十多美元,重数克;而一个新一代纳米复合材料传感器的成本仅0.5美元,重0.04克。因此,一个结构可同时使用更多传感器,以获得更丰富的信息作分析,同时又不会给结构带来明显的负重。此外,理大团队的传感器有极佳的灵活性,适用于弯曲的结构表面,可广泛地应用在各种工程结构,即使是在移动结构的表面亦同样可以喷涂方式安装,实时传送结构的健康信息。

 

响应频率更广阔

理大团队所研发的纳米复合材料传感器可量度由静止至900千赫兹的微小幅度的超声波讯号。这技术能在超声波系统采集散射波,从而检测大部份工程物料中微细至一至二毫米的裂缝,响应频率比现有纳米复合材料传感器(根据国际期刊现有的报道)的响应频率高出400多倍。

虽然传统超声波传感器可量度的超声波范围,比苏教授研究的更广阔,但传统传感器的重量及成本均较高,难以大量使用构成大型传感器网络,故此只能带来有限的数据数据。在众多工程实际应用中,特别是针对航空航天结构,使用有很大的限制。

 

新技术减省成本及提高灵敏度

纳米复合材料传感器由碳黑、二维石墨烯、导电纳米粒子及聚偏二氟乙烯混合而成,可因应各种工程应用的需要,轻易和灵活地制成不同的尺寸大小。

新的纳米复合材料传感器能极敏感地侦测到结构的改变,是因为研究团队优化了混合物的纳米结构,令传感器能识别纳米复合材料对不同压阻的回馈。团队对材料的组成反复做了许多测试,以优化纳米复合材料的导电率,从而量度及分析压阻的回馈。

该新技术中,每一个传感器都通过印刷在结构上的电线连接到网络,透过分析和比较由电阻率转换而成的电信号,便可发现结构中的缺陷,同时将信号转换为三维图像。

这项崭新研究最近在其所属领域的顶级期刊发表,包括《Ultrasonics》、《Carbon》及《Smart Materials and Structures》。苏教授说:“这种创新的纳米复合材料传感器网络技术重量轻,适应用于移动的结构,如火车及飞机,令今后的实时结构监测更进一步,有助加强工程结构的安全、从根本上改变现有工程结构维护的理念。”

 
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