香港理工大学研发出可喷涂传感器，低成本、高灵敏度，快速实时监测工程结构！
2017-07-12 14:44:08
作者：本网整理 来源： 高分子科学前沿
据悉，香港理工大学的研究团队最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。
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。
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苏教授说：“该新型纳米复合材料传感器在‘传感成本’和‘传感成本’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。！”
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，可根据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由于优化了混合物的纳米结构，能敏感地侦测到结构的改变，它能识别纳米复合材料对不同压阻的回馈。
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。
体重轻且成本低
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。
它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。
据悉，传统超声波传感器采用压电材料制作，成本是十多美元，重数克；而这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。
灵活性较好，可适用于弯曲的结构表面
此外，这款纳米复合材料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
这款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信号。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，比这款纳米复合材料传感器的响应频率更广阔，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资料。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。
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》等！
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