結構健康監測（SHM）對于確保管道、儲罐、飛機、船舶和車輛等應用的運行安全至關重要。傳統的嵌入式傳感器由于成本和潛在的結構損壞而受到限制。

據麥姆斯咨詢報道，近日，阿卜杜拉國王科技大學（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，用于監測復合結構中的應變。該RFID系統是一種基于電感-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。這種非常規的電容變化改變了諧振頻率，使得對于低于1%的應變，無線應變傳感器的應變系數（GF）為50。通過使用簡單掃頻的外部讀出系統被動檢測頻移。這種無線無電源的設計可以輕松集成到復合材料中，而不會影響結構的完整性。實驗結果表明，裂紋無線應變傳感器具有檢測復合材料內部微小應變的能力。該技術為精確的結構健康監測提供了一種經濟有效、無損的解決方案。相關研究成果以“High-Sensitivity RFID Sensor for Structural Health Monitoring”為題發表在Advanced Science期刊上。

超靈敏無源RFID應變傳感器：應用與技術

在這項工作中，研究人員開發了一種新穎的基于裂紋的電阻應變傳感器，具有極高的靈敏度。該傳感器的有源區域由分裂的導電薄膜組成，與其他系列的電阻應變計（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，研究人員將開發的高壓阻性電極集成到傳統的平行板電容器中，以形成傳輸線模型，從而導致詢問信號在傳感器長度上的穿透能力不同。這種設計使得與應變和頻率相關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。基于相同的概念，為了適應復合材料結構監測的框架，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，將這種設計應用到耐用、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合，形成了一種利用RFID技術的新型無線傳感方法。

裂紋RFID傳感器機制和設計

有裂紋的電極由兩層疊加的金屬層制成：一層用于觸發裂紋，另一層用于確保良好的電子傳導。導電層中的裂紋在材料中產生壓阻效應，導致應變下的電阻變化，同時保持足夠的導電性，以減少（但非零）電子傳導。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），以使傳輸線現象適應諧振頻率。

Cr/Au裂紋納米膜的電學行為

所開發的裂紋傳感器具有良好的分辨率和精度，能夠檢測復合材料斷裂應變點以下的應變，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、檢測微小應變的能力和響應時間方面表現出卓越的性能。此外，研究人員還證實了將傳感器集成到復合材料內部，同時保持其與外部環境通信的能力。彎曲試驗表明，傳感器集成后的機械性能得到改善。結果證實，裂紋RFID傳感器是CSHM（復合結構健康監測）的優秀候選者，因為它可以嵌入復合材料結構中而不影響材料的完整性，并且通過啟用無線傳感器網絡（幾公里長的管道、大型儲氣罐、飛機等），即使在大規模情況下也能準確地跟蹤結構中的應變。

裂紋RFID傳感器無線檢測低應變的能力

總而言之，研究人員展示了RFID技術實現超靈敏無線應變傳感器的潛力，該傳感器可以檢測復合材料結構內部的應變。研究人員實現了一種超靈敏、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、符合復合材料結構要求的一致可靠性。首次制造出能夠無線檢測低于復合材料斷裂點應變（≈1.5%）的RFID應變傳感器，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合材料）內部時能夠發送應變數據的能力，并進行了彎曲測試，展示了材料內部真實應變的良好響應。材料的機械性能的非侵入性和非退化性是新型RFID應變傳感器的特點，研究人員驗證了當傳感器嵌入時，材料的剛度和強度不會出現明顯的下降。通過在大型結構中添加傳感器網絡，該技術已準備好應用到無線傳感器網絡（WSN）系統。以幾公里長的管道為例，解決了管道監測的大問題，降低了傳統無損檢測方法對油氣結構監測的巨大成本。一個連接到Wi-Fi系統的包含無人機的讀出系統可以讀取WSN數據并將其直接發送到數據處理站，這有助于避免復合結構的災難性故障和缺陷，成就下一代SHM系統。

審核編輯：劉清