嵌入式传感器帮助监控复合材料

复合材料越来越多地用于要求强度和耐用性等高性能特性的苛刻应用。关键领域包括航空航天和汽车工业以及基础设施。

在这些类型的应用中，生命通常取决于材料是否按设计执行，而失败可能导致悲剧。这就是为什么监测桥梁和飞机机翼等材料的健康状况如此重要的原因。经常检查这些结构以检查是否有任何可能导致故障的损坏迹象。

然而，问题在于并非所有材料的损坏或腐烂都可以通过视觉检测到。有时，危险的变化发生在表面上没有任何迹象的结构中。例如，混凝土中钢筋的腐蚀就是如此。

另一个挑战是需要大量的监控。很难部署所需的资源来充分检查我们理想中想要检查的所有结构和部件。

这些问题越来越普遍的解决方案是通过嵌入式传感器自动监控关键应用中的材料。在本文中，我们将概述什么是嵌入式传感器以及它们如何用于复合材料以提高安全性和性能。

什么是嵌入式传感器？

嵌入式传感器以永久方式安装在被监控的环境中。通常，监控设备是便携式的，可以带到某个地方来测试一些参数——比如温度。相比之下，嵌入式传感器始终存在，持续测量特定的环境变量。

自 2000 年左右以来，这些类型的传感器变得越来越普遍，当时必要的技术变得足够小、足够便宜，使得嵌入式监控变得有意义。

这些系统有多种形式，但通常包括三个组件。首先是传感器，它们被设计用来仔细测量一些环境变量，如热量、温度、湿度、光线、运动、压力等。这些传感器与节点通信（直接或无线），节点是操作传感器的简单计算机，存储数据，并将该信息传递给与网络通信的第三方组件，有时称为网关。这些功能可以集成到一个单元中，也可以是三个独立的组件。

嵌入式传感器有什么用？

这项技术的应用范围很广。您可能听说过“物联网”(IoT)；它是一个物理对象网络，包含传感器和可能的其他电子组件，允许它们通过互联网共享数据。想想智能恒温器和电器之类的东西。

嵌入式传感器在制造业中也很有用。它们可以提供有关材料特性和机械功能等方面的实时数据，使制造商能够优化流程以提高效率并减少停机时间。

另一个正在快速发展嵌入式传感器技术的行业是汽车行业，尤其是自动驾驶汽车。他们需要大量关于汽车环境和运行参数的实时、准确的数据。

复合材料中如何使用嵌入式传感器？

特别是在复合材料方面，有两个领域很好地说明了如何使用该技术。

基础设施：桥梁是我们基础设施的关键组成部分，其性能尤为重要，因为故障会导致重大问题。美国大约有 617,000 座桥梁。其中许多已经老化，需要大量维护。这是一个压倒性的需求。嵌入式传感器如何提供帮助？

他们将能够使检查更容易、更准确、更及时。已经有许多实验涉及在建造桥梁或道路时将传感器嵌入混凝土中，以传递有关结构深处发生的事情的关键信息。传感器可以测量应变、温度和盐分（盐分对混凝土和加固它的钢筋均有腐蚀性）等因素。

一个早期的例子是 2000 年代头十年在奥地利建造的一座桥梁。他们将光纤线穿过混凝土，并将它们连接到敏感设备上，这些设备能够测量由它们嵌入的混凝土变化引起的非常轻微的波动。2003 年发表的一项研究详细介绍了他们如何能够使用该技术成功测量桥梁结构的应变。最近的一项研究对当前使用的各种传感技术进行了有益的概述。

这些技术的目标是提供准确评估结构健康所需的信息，并知道何时该进行维修。他们还能够以一种不需要耗时的人工检查的有效方式提供这些数据。

风力发电：风力涡轮机中使用的巨大叶片几乎完全由复合材料制成，尤其是玻璃纤维增强聚合物 (GFRP)。随着风力发电越来越受欢迎，越来越需要为这些巨大的结构创造更高效的制造工艺，并监测已安装设备的磨损和损坏迹象。

由 GE 领导的最新研究检验了在形成涡轮叶片的复合材料中嵌入传感器的技术。这里存在重大的设计挑战；传感器需要足够小和足够薄，以免降低成品的强度。它们还需要无线和无源（这意味着它们不必依赖最终会耗尽的电池）。

他们采用的方法是将薄电子元件打印到夹在叶片层内的聚合物薄膜上。这些传感器被设计成在被所谓的“询问器”刺激时发出信号，询问器会发出能量波。返回信号的性质传递有关传感器周围环境的信息。

这种技术使他们能够成功地监控制造过程中的温度和树脂流动等情况。希望这些信息能够提高施工的自动化程度和效率。嵌入式传感器还将能够测量安装的叶片中的应变，使工程师能够更准确地了解材料的健康状况。