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機械工程學系蘇眾慶教授周利民教授解釋最新研發的可噴塗傳感器網絡技術,它不但能接收更闊的信號頻率,而且成本更低,用途更廣,能有效提升實時結構健康監測。

傳統的超聲波傳感器有甚麼限制?

由鋯鈦酸鉛製成的傳統壓電類型超聲波傳感器受到其製造成本(每個十多美元)和重量(每個重數克)限制。它們比較堅硬,不能用於彎曲的結構表面,傳感器安裝在主結構上會增加結構的附加重量與體積。

嶄新的納米複合材料傳感器如何超越以上的限制?

我們的納米複合材料傳感器採用創新的噴塗技術,使傳感器的安裝過程比傳統方法更快捷。傳感器的柔韌度極佳,適用於各類不同的結構表面。這種新一代納米複合材料傳感器的製造成本只需0.5美元,重量僅為0.04克,比傳統的超聲波傳感器便宜得多且十分輕巧。因此,在同一個主結構上可同時安裝多個傳感器用作結構健康監測,有助收取更多信息作結構健康的分析用途。

新型的納米複合材料傳感器還有甚麼特點?

納米複合材料傳感器由碳黑、二維石墨烯、導電納米粒子及聚偏二氟乙烯混合製成。因應不同工程的需要,可靈活地製造成大小不同的傳感器。此外,每一個傳感器可通過印刷在結構上的線路連接到網絡,透過分析由電阻率轉換而成的電信號,偵測到結構中的缺陷,並將信號轉換為三維圖像。

可噴塗傳感器網絡技術如何監測結構健康?

為了檢測結構的健康狀況,該技術使用了多個可噴塗納米複合材料傳感器及一個超聲波換能器組合。當超聲波換能器發出超聲導波時,傳感器便會即時量度波頻。如果結構有損毀,例如出現裂縫,超聲導波的傳播會受損壞部分干擾,因而出現獨特的波散射現象,並記錄在傳感網絡當中。這一體化的系統可根據超聲導波的散射現象,量化結構損壞的情況。

這項新技術有何應用範圍?

由於嶄新的傳感器體積輕巧,並且可靈活使用,它可應用於會移動的結構,例如列車及飛機,為實時結構安全監測開闢了新思路。