《飞机结构腐蚀与防护》课件-无线传感器检测

无线传感器技术飞机结构腐蚀与防护/INTRODUCE引入无线传感是结构健康监测应用中基于光纤的技术的首选替代方案，因为它消除了传感位置对有源能源和有源电子设备的需求，并允许无线传输能量和数据。在某些情况下消除使用电线和电池，增强了系统在恶劣环境中的稳定性和耐用性。无线传感器成本低、体积小，因此很容易与移动组件集成并安装在人迹罕至的位置。/CONTENTS目录表面声波传感器01射频识别传感器02传感器节点03表面声波传感器PART01表面声波（SAW）是一种局限于弹性材料表面的机械波，其幅度在整个材料块中呈指数衰减。此类声学振动的幅度与频率深受其所在环境的影响，即任何环境参数（如温度和压力）的变动均会显著影响SAW的行为。SAW技术已被广泛应用于分析过程中，其中目标分析物通过引起环境变化来改变机械振动的特性，如频率和振幅。因此，SAW已作为促动器被用于激发如压电晶体等机械响应。一、表面声波传感器基于SAW的传感器，因其占地面积小、易于制造（仅涉及表面微制造技术和适度的空间分辨率）、与CMOS技术兼容、功耗相对较低（约1W，约10Vpp）及工作频率较高（范围从几百MHz至GHz）等特点，已成为广泛微传感应用中的核心组件。其高频工作范围使得检测与小型质量负载相关的小频移成为可能。一、表面声波传感器SAW传感器由一个或多个交叉指型传感器（IDT）构成，这些传感器被沉积在光学抛光的压电基板上。基板表面的特定区域经过功能化处理，以针对特定的化学物质、机械变形或环境参数（如温度和压力）进行响应。一、表面声波传感器SAW传感器的操作原理在于，通过RF正弦波或窗口正弦波驱动输入IDT，从而在压电基板中产生以特定频率传播的机械波。当存在被测量物质时，基板表面上的传感膜会改变传播的SAW的频率、幅度和/或速度。这些变化被输出IDT捕获，随后被反射回输入IDT并转换为电信号。值得注意的是，压电材料本身对温度和应变变化敏感，这在一定程度上减少了对温度和应变变形监测中额外传感材料的需求。然而，在化学和生物传感器中，传感材料的选择性吸收化学物质并影响基板表面的能力至关重要，这会导致传播波速度的变化。一、表面声波传感器在SAW传感器中，聚合物是常用的传感膜材料，尤其在气体传感应用中。然而，由于其热稳定性和机械稳定性较低，聚合物材料在恶劣环境中的应用受到限制。相比之下，纳米材料如碳纳米管和金属氧化物纳米线因其高表面体积比而展现出更优越的性能。最近的研究表明，功能化的石墨烯因其较大的表面体积比、亲水性和电绝缘性而在湿度传感应用中展现出巨大潜力。一、表面声波传感器射频识别传感器PART02射频识别（RFID）技术是一种基于无线电通信的先进手段，旨在从RFID标签或芯片中无接触地提取电子编码数据。其运作模式与条形码技术有相似之处，但核心差异在于RFID阅读器无需与标签直接接触，数据通过无线电波实现远程传输。RFID系统核心组件包括：标签（由微芯片、天线及塑料或玻璃基板组成）、阅读器（配备扫描功能）、天线（负责数据的接收与发送）、以及处理器（负责数据的记录与传输）。二、射频识别传感器近年来，RFID技术凭借其独特的优势，在农业、供应链管理及访问控制等多个领域实现了广泛应用，并逐步渗透到化学与生物传感技术中，为环境监控与健康监测提供有力支持。基于RFID的传感技术，通过在电极间隙内沉积或集成传感材料，实现对外界环境的灵敏感知。天线与谐振器作为关键组件，对外部环境变化极为敏感，任何由传感涂层引起的变化均会直接影响传输至阅读器的信号特征。二、射频识别传感器薄膜材料，尤其是石墨烯衍生材料，因其优异的表面体积比、易于功能化及高热导率与导电性，成为RFID传感器领域的优选材料。例如，一种创新的无线RFID相对湿度传感器，通过在石墨烯印刷的天线上沉积氧化石墨烯薄膜实现，当阅读器发射电磁信号时，天线利用部分信号能量为标签微芯片供电，并通过调整阻抗生成调制后的反向散射信号。RFID天线设计巧妙，确保其与标签芯片的阻抗相匹配，从而对环境变化（如湿度变化）产生高度敏感的反应，进而通过改变反向散射信号的相位来反映环境湿度的变化。二、射频识别传感器值得注意的是，该设备作为一款可打印的无线无电池RFID传感器，创新性地利用GO的介电特性实现环境相对湿度的检测与测量。其传感机制基于反向散射信号相位的变化而非共振频率，这一设计极大地加速了监测过程并简化了操作流程。二、射频识别传感器然而，尽管无线传感器展现出广阔的应用前景，但在航空电子结构健康监测等复杂环境中，其实际部署仍面临诸多挑战。这些挑战主要包括极端运行环境（如宽幅温度变化、高压、液体侵蚀）及机械负载、振动与电磁干扰等因素对传感器可靠性的影响。此外，高频天线虽能提升数据传输速率，却不可避免地缩减了传输范围，并增加了小型传感器制造过程的复杂性与成本。因此，在未来的研发与应用中，需持续关注并解决这些问题，以推动无线传感器技术的进一步发展。二、射频识别传感器传感器节点PART03在飞机工业中，监测腐蚀对于确保飞机的耐用性和安全性至关重要，这需要一系列传感器来跟踪各种负责和指示腐蚀损坏的化学物质。由于每个传感器都需要自己的电路来中继传感器数据，因此跟踪同一结构上的各种类型的化学物质很快就会变得复杂且成本高昂。三、传感器节点无线传感网络是分布式实时监测的一个有吸引力的概念，其中许多传感器节点用于监测不同的化学物质并将其数据传输到中央数据采集单元。传感器节点是具有传感、网络和在某些情况下具有处理能力的简单传感器，与传感接口中的其他传感器集成在一起，所有传感器都连接到一个控制器板，该控制器板管理来自各个节点的数据采集并执行处理操作。三、传感器节点多参数集成传感器提出了分布式腐蚀传感网络来检测氢气、相对湿度和温度变化，该系统包括用于氢气和湿度检测的基于聚苯胺/碳纳米管的传感器。聚苯胺(PANI)是一种本征导电聚合物，具有高导电性、低密度、环境稳定性和易于加工的特点。结合具有PANI的碳纳米管(CNT)通过改善PANI中的电荷载流子机制来增强半导体的导电性。三、传感器节点在这种配置中，PANI/CNTs复合材料沉积在由叉指电极制成的简单传感芯片上，如图所示。三、传感器节点与市售传感器相比，该传感器对湿度具有出色的灵敏度。然而，它对氢浓度变化的响应受到聚苯胺/碳纳米管材料中的氢键位点或制造过程中残留水分的存在的限制。尽管如此，多参数集成传感器表明了这种网络的可行性，该网络具有传感节点在降低分布式传感系统复杂性方面的优势以及使用有机半导体的优势。三、传感器节点传感器节点是一种整体集成方法，将针对不同分析物的传感器合并到同一节点中。这是一种可用于飞机腐蚀监测的新方法，其中将多种腐蚀因素的监测传感器被封装在同一节点中，并放置在飞机结构的关键位置。传感器节点可以有一个通用的数据采集和处理单元，并且可以使用无线传感器（如SAW和RFID）进行有线或无线连接或两者兼有。这种配置允许持续监测腐蚀环境、腐蚀产物和进展，同时降低传感网络的复杂性以及相关的安装和维护成本。三、传感器节点/SUMMARY小结飞机结构腐蚀与防护中的无线传感器技术，包括表面声波(SAW)传感器、射频识别(RFID)传感器和传感器节点。SAW传感器利用压电效应，通过