用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的高靈敏度RFID傳感器

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）對于確保管道、儲罐、飛機、船舶和車輛等應(yīng)用的運行安全至關(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)麥姆斯咨詢報道，近日，阿卜杜拉國王科技大學(xué)（King Abdullah University of Science and Technology）的研究人員提出了一種無線無電池射頻識別（RFID）傳感器，用于監(jiān)測復(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，使得對于低于1%的應(yīng)變，無線應(yīng)變傳感器的應(yīng)變系數(shù)（GF）為50。通過使用簡單掃頻的外部讀出系統(tǒng)被動檢測頻移。這種無線無電源的設(shè)計可以輕松集成到復(fù)合材料中，而不會影響結(jié)構(gòu)的完整性。實驗結(jié)果表明，裂紋無線應(yīng)變傳感器具有檢測復(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)測提供了一種經(jīng)濟有效、無損的解決方案。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。

超靈敏無源RFID應(yīng)變傳感器：應(yīng)用與技術(shù)

在這項工作中，研究人員開發(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（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)致詢問信號在傳感器長度上的穿透能力不同。這種設(shè)計使得與應(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?；谙嗤母拍?，為了適應(yīng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)監(jiān)測的框架，研究人員通過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)的新型無線傳感方法。

裂紋RFID傳感器機制和設(shè)計

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，同時保持足夠的導(dǎo)電性，以減少（但非零）電子傳導(dǎo)。對于高裂紋密度（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衰減，因此，電容變化對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

所開發(fā)的裂紋傳感器具有良好的分辨率和精度，能夠檢測復(fù)合材料斷裂應(yīng)變點以下的應(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、檢測微小應(yīng)變的能力和響應(yīng)時間方面表現(xiàn)出卓越的性能。此外，研究人員還證實了將傳感器集成到復(fù)合材料內(nèi)部，同時保持其與外部環(huán)境通信的能力。彎曲試驗表明，傳感器集成后的機械性能得到改善。結(jié)果證實，裂紋RFID傳感器是CSHM（復(fù)合結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測）的優(yōu)秀候選者，因為它可以嵌入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中而不影響材料的完整性，并且通過啟用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（幾公里長的管道、大型儲氣罐、飛機等），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傳感器無線檢測低應(yīng)變的能力

總而言之，研究人員展示了RFID技術(shù)實現(xiàn)超靈敏無線應(yīng)變傳感器的潛力，該傳感器可以檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變。研究人員實現(xiàn)了一種超靈敏、可集成無線傳感器，它具有無線通信、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。首次制造出能夠無線檢測低于復(fù)合材料斷裂點應(yīng)變（≈1.5%）的RFID應(yīng)變傳感器，并進行了全面測試。研究人員證明了該傳感器在嵌入材料（玻璃纖維增強塑料和碳纖維復(fù)合材料）內(nèi)部時能夠發(fā)送應(yīng)變數(shù)據(jù)的能力，并進行了彎曲測試，展示了材料內(nèi)部真實應(yīng)變的良好響應(yīng)。材料的機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，研究人員驗證了當(dāng)傳感器嵌入時，材料的剛度和強度不會出現(xiàn)明顯的下降。通過在大型結(jié)構(gòu)中添加傳感器網(wǎng)絡(luò)，該技術(shù)已準(zhǔn)備好應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）系統(tǒng)。以幾公里長的管道為例，解決了管道監(jiān)測的大問題，降低了傳統(tǒng)無損檢測方法對油氣結(jié)構(gòu)監(jiān)測的巨大成本。一個連接到Wi-Fi系統(tǒng)的包含無人機的讀出系統(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