用于结构健康监测的高灵敏度RFID传感器

结构健康监测（SHM）对于确保管道、储罐、飞机、船舶和车辆等应用的运行安全至关重要。传统的嵌入式传感器由于成本和潜在的结构损坏而受到限制。

据麦姆斯咨询报道，近日，阿卜杜拉国王科技大学（King Abdullah University of Science and Technology）的研究人员提出了一种无线无电池射频识别（RFID）传感器，用于监测复合结构中的应变。该RFID系统是一种基于电感-电容（LC）电路和平行板电容传感单元的薄而柔的传感器。通过在电容器电极中加入特定的裂纹，使传感器的电容器电极具有高压阻性，从而改变电磁波的穿透性。这种非常规的电容变化改变了谐振频率，使得对于低于1%的应变，无线应变传感器的应变系数（GF）为50。通过使用简单扫频的外部读出系统被动检测频移。这种无线无电源的设计可以轻松集成到复合材料中，而不会影响结构的完整性。实验结果表明，裂纹无线应变传感器具有检测复合材料内部微小应变的能力。该技术为精确的结构健康监测提供了一种经济有效、无损的解决方案。相关研究成果以“High-Sensitivity RFID Sensor for Structural Health Monitoring”为题发表在Advanced Science期刊上。

超灵敏无源RFID应变传感器：应用与技术

在这项工作中，研究人员开发了一种新颖的基于裂纹的电阻应变传感器，具有极高的灵敏度。该传感器的有源区域由分裂的导电薄膜组成，与其他系列的电阻应变计（GF ≈ 10⁴）相比，它具有极高的压阻性。为了大幅提高电容传感器的GF，研究人员将开发的高压阻性电极集成到传统的平行板电容器中，以形成传输线模型，从而导致询问信号在传感器长度上的穿透能力不同。这种设计使得与应变和频率相关的电容具有超高灵敏度，释放了电容感测的潜力。这些基于裂纹的应变传感器显示出极高的灵敏度，GF为37，已通过使用裂纹碳纳米管纸作为电极和聚二甲基硅氧烷作为介电材料证明。基于相同的概念，为了适应复合材料结构监测的框架，研究人员通过使用聚酰亚胺衬底和活性金属层的微加工技术，将这种设计应用到耐用、灵活、轻薄的传感器上。研究人员将裂纹电容传感器与电感线圈相结合，形成了一种利用RFID技术的新型无线传感方法。

裂纹RFID传感器机制和设计

有裂纹的电极由两层叠加的金属层制成：一层用于触发裂纹，另一层用于确保良好的电子传导。导电层中的裂纹在材料中产生压阻效应，导致应变下的电阻变化，同时保持足够的导电性，以减少（但非零）电子传导。对于高裂纹密度（高电极压阻率），选择最佳金属厚度是获得有效传感器的必要条件。然而，由于传感器需要非常高的应变来激活传输线，电极中的低裂纹密度防止了谐振频率下的电磁信号衰减，因此，电容变化对谐振频率的影响非常有限。在此基础上，研究人员选择了60 nm厚的Cr（铬）和100 nm厚的Au（金），以使传输线现象适应谐振频率。

Cr/Au裂纹纳米膜的电学行为

所开发的裂纹传感器具有良好的分辨率和精度，能够检测复合材料断裂应变点以下的应变，其范围在1.5% ~ 2.5%之间。与其他传感器相比，该传感器在灵敏度、检测微小应变的能力和响应时间方面表现出卓越的性能。此外，研究人员还证实了将传感器集成到复合材料内部，同时保持其与外部环境通信的能力。弯曲试验表明，传感器集成后的机械性能得到改善。结果证实，裂纹RFID传感器是CSHM（复合结构健康监测）的优秀候选者，因为它可以嵌入复合材料结构中而不影响材料的完整性，并且通过启用无线传感器网络（几公里长的管道、大型储气罐、飞机等），即使在大规模情况下也能准确地跟踪结构中的应变。

裂纹RFID传感器无线检测低应变的能力

总而言之，研究人员展示了RFID技术实现超灵敏无线应变传感器的潜力，该传感器可以检测复合材料结构内部的应变。研究人员实现了一种超灵敏、可集成无线传感器，它具有无线通信、低消耗、易于安装、低成本、符合复合材料结构要求的一致可靠性。首次制造出能够无线检测低于复合材料断裂点应变（≈1.5%）的RFID应变传感器，并进行了全面测试。研究人员证明了该传感器在嵌入材料（玻璃纤维增强塑料和碳纤维复合材料）内部时能够发送应变数据的能力，并进行了弯曲测试，展示了材料内部真实应变的良好响应。材料的机械性能的非侵入性和非退化性是新型RFID应变传感器的特点，研究人员验证了当传感器嵌入时，材料的刚度和强度不会出现明显的下降。通过在大型结构中添加传感器网络，该技术已准备好应用到无线传感器网络（WSN）系统。以几公里长的管道为例，解决了管道监测的大问题，降低了传统无损检测方法对油气结构监测的巨大成本。一个连接到Wi-Fi系统的包含无人机的读出系统可以读取WSN数据并将其直接发送到数据处理站，这有助于避免复合结构的灾难性故障和缺陷，成就下一代SHM系统。

审核编辑：刘清