Сетевая технология распыляемого зондирования для мониторинга состояния конструкций: с большей полосой пропускания, более низкой стоимостью и большей универсальностью

В нанокомпозитных сенсорах, разработанных исследовательской группой кафедры машиностроения Политехнического университета под руководством профессора Су Чжунцина и профессора Чжоу Лимина, используется инновационная технология изготовления путем распыления, что делает процесс установки сенсоров намного более быстрым и эффективным по сравнению с традиционными средствами. Это также увеличивает гибкость продукта для адаптации к различным типам поверхностей.В настоящее время количество обычных ультразвуковых датчиков, таких как датчики из цирконата-титаната свинца (PZT), используемых для мониторинга на месте, обычно ограничено факторами, связанными со стоимостью и весом датчика.

Эти датчики обычно жесткие (громоздкие для адаптации к изогнутым структурным поверхностям), что значительно снижает вес и объем основной конструкции, на которой должен быть установлен датчик. Однако нанокомпозитные датчики, разработанные командой, могут изготавливаться в больших количествах, чтобы сформировать плотную сеть датчиков для мониторинга состояния конструкций при гораздо более низких затратах на изготовление и весе, чем при использовании обычных датчиков.«Этот нанокомпозитный датчик проложил путь к внедрению измерения вибрации на месте или мониторинга состояния конструкций на основе ультразвуковых волн, соблюдая баланс между« стоимостью измерения », то есть стоимостью датчиков, и« эффективностью измерения », количеством данных, полученных с датчиков ", — сказал профессор Су.Низкая стоимость, легкий вес

Инновационная сенсорная технология PolyU включает в себя сенсорную сеть с несколькими распыляемыми нанокомпозитными сенсорами и ультразвуковым приводом для активного определения состояния здоровья конструкции, к которой они прикреплены, быстро и точно показывая, есть ли какие-либо повреждения в конструкции. Когда ультразвуковой привод излучает управляемые ультразвуковые волны (GUW), датчики принимают и измеряют волны. Если в конструкции присутствует повреждение, такое как трещина, распространению GUW будет препятствовать повреждение, что приведет к уникальным явлениям рассеяния волн, которые будут захвачены сенсорной сетью.

Основываясь на рассеянии волн, повреждения можно количественно и точно охарактеризовать с помощью комплексной системы, разработанной командой.По сравнению с обычными ультразвуковыми датчиками, которые стоят более 10 долларов США каждый и весят несколько граммов, этот новый тип нанокомпозитных датчиков стоит всего 0,5 доллара США и 0,04 грамма каждый.

Таким образом, в одну структуру может быть включено больше датчиков, генерирующих больше информации для анализа, с меньшим весом, добавленным к структуре. Кроме того, датчик профессора Су обладает превосходной гибкостью и может адаптироваться к изогнутым поверхностям конструкции. Это позволяет находить широкий спектр практических инженерных приложений. Его также можно распылять на поверхность движущейся конструкции для передачи информации о состоянии конструкции в режиме реального времени.

Более широкий частотный диапазон откликаДатчик, разработанный командой, может измерять ультразвуковой сигнал от статического до 900 кГц, но со сверхнизкой величиной.

Регистрация рассеяния волн в ультразвуковом режиме позволяет обнаруживать трещины размером от 1 до 2 мм в большинстве конструкционных материалов. Эта частота отклика более чем в 400 раз превышает самую высокую частоту, чем у нанокомпозитных сенсоров, которые, как сообщается, доступны (как сообщается в международных журналах).Хотя обычный ультразвуковой датчик может измерять более широкий диапазон ультразвуковых волн по сравнению с датчиками, разработанными командой, высокая стоимость и вес обычных датчиков делают невозможным применение большого количества данных, ограничивая количество получаемых данных. Существует множество ограничений в применении обычных ультразвуковых датчиков в практических приложениях, особенно в аэрокосмических конструкциях.

Новая технология для снижения затрат и повышения чувствительностиНанокомпозитный сенсор, изготовленный из гибридной сажи (CB), 2D-графена, проводящих наноразмерных частиц и поливинилиденфторида (PVDF), можно легко и гибко адаптировать к разным размерам для различных инженерных приложений.Секрет его высокой чувствительности к структурным изменениям заключается в оптимизированной наноструктуре гибрида, которая наделяет датчик способностью определять резкие изменения пьезорезистивности нанокомпозита.

Чтобы измерить и проанализировать резкое изменение пьезорезистивности, профессор Су и его команда провели многочисленные испытания весового соотношения нанонаполнителей, чтобы оптимизировать проводимость нанокомпозита.Каждый датчик подключен к сети через провод, нанесенный на конструкцию. Анализируя и сравнивая электрические сигналы, преобразованные из удельного электрического сопротивления, сеть может обнаружить дефект в конструкции, а также преобразовать сигналы в трехмерные изображения.

Это новое исследование было недавно опубликовано в ведущих журналах в этой области, включая Ultrasonics, Carbon и Smart Materials and Structures. «Благодаря небольшому весу новые нанокомпозитные датчики могут применяться в движущихся конструкциях, таких как поезда и самолеты. Это поможет проложить путь к мониторингу этих структур в реальном времени в будущем, повысив безопасность инженерных средств и модернизируя традиционные философия обслуживания системы ", — сказал профессор Су.