香港理工大学研发出可喷涂传感器

　　香港理工大学（理大）的研究团队新近研发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以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。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。

　　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。

　　现时用于原位监测的传统超声波传感器，例如由锆钛酸铅（PZT）制成的压电类型传感器，因成本及重量所限，可使用的数量一般不多。这些传感器一般是硬的，不能扭弯以用于弯曲的结构表面，且会显着增加结构的附加重量与体积。理大团队研发的纳米复合材料传感器，制造成本及重量都大大低于传统传感器，又可大量制造组成密集的传感器网络，采集宽频信号，用以监测结构的健康。

　　苏教授说：「该新型纳米复合材料传感器在『传感成本』和『传感效能』之间取得了平衡，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闢了新思路。」

　　体重轻且成本低

　　理大的创新传感技术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。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。

　　一个基于压电材料的传统超声波传感器成本是十多美元，重数克；而一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。此外，理大团队的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。

　　响应频率更广阔

　　理大团队所研发的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讯号。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，比苏教授研究的更广阔，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。

　　新技术减省成本及提高灵敏度

　　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，可因应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能极敏感地侦测到结构的改变，是因为研究团队优化了混合物的纳米结构，令传感器能识别纳米复合材料对不同压阻的回馈。团队对材料的组成反复做了许多测试，以优化纳米复合材料的导电率，从而量度及分析压阻的回馈。

　　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。

　　这项崭新研究最近在其所属领域的顶级期刊发表，包括《Ultrasonics》、《Carbon》及《Smart Materials and Structures》。苏教授说：「这种创新的纳米复合材料传感器网络技术重量轻，适应用于移动的结构，如火车及飞机，令今后的实时结构监测更进一步，有助加强工程结构的安全、从根本上改变现有工程结构维护的理念。