香港理工大学造出低成本高灵敏度的可喷涂传感器

作者：深圳铭之光发布时间：2017-07-17 14:17:05

最近，香港理工大学的研究团队开发出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。

香港理工大学开发的纳米复合材料传感器，资料图

据悉，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。

苏教授说，该新型纳米复合材料传感器，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。

理大机械工程学系教授苏众庆表示，新研发的纳米复合材料传感器可透过电路连接至传感网络。新闻资料图

新技术可减省成本提高灵敏度

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，能敏感地检测到结构的改变，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

据了解，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。

喷涂而成的纳米复合材料传感器薄如胶片（左），比传统超声波传感器（右）体积小，重量极轻。新闻资料图

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。

苏众庆表示，已与内地研究机构取得联系，未来将会把新技术用于航空结构上。新闻资料图

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。

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