应变传感智能皮肤用于监测大型结构

莱斯大学开发了一种应变感应智能皮肤，它使用非常小的结构，碳纳米管，以监测和检测大型建筑物的损坏，已为黄金时间做好了准备。

先“过滤油漆”2012年由赖斯披露利用纳米管的荧光特性来显示表面何时因应力而变形。

现在，这种多层涂层被开发成非接触式光学监测系统S4的一部分，可以应用于桥梁、建筑物、船舶和飞机等大型表面，在这些表面上，高应变会造成无形的威胁。

该项目由大米化学家领导布鲁斯·韦斯曼，结构工程师Satish Nagarajaiah主要作者和研究生魏孟源于2002年韦斯曼的发现，半导体碳纳米管在近红外波长发出荧光。随后，他开发了光学仪器来探索纳米管的物理和化学性质，包括光谱应变效应2008．

“应变测量通常是安全相关检查的一部分，”Weisman说。“技术团体的保守是合理的，因为他们的测量必须是可靠的。因此，我们需要通过证明我们的方法和现有方法一样有效来克服对新方法的怀疑。

他说:“这篇论文证明了我们的方法是一种重要的应变测量技术。”

应变映射依赖于两种技术:物理指标附在结构和数字图像相关性(DIC)，用于比较嵌入“斑点”的表面随时间拍摄的图像。

Weisman说S4经得起DIC的考验。更好的是，这两种技术可以协同工作。他说:“我们想与DIC进行直接比较，DIC是目前唯一商业化的应变映射方法。”“它被用于许多行业，人们对它有相当高的信心。

“为了证明我们的方法可以与它并立，并得到类似或更好的结果，魏设计了一种方法来整合S4因此这两种技术可以同时使用，甚至可以相互补充，”Weisman说。

皮肤本身有三层，它们的结构与所覆盖的表面相适应。通常，首先涂上含有DIC斑点的不透明底漆。第二层是透明的聚氨酯，可以将基底与纳米管隔离开来。最后，传感层分别涂覆纳米管，悬浮在甲苯，喷在顶部。

甲苯蒸发后，留下一层亚微米厚的纳米管感应层附着在结构构件上。可以在上面再加一层保护层，让皮肤保持多年的活力。

该系统还需要一个读取器，在这种情况下，一个小型可见激光来激发纳米管，以及一个便携式光谱仪来观察它们是如何被拉伸的。

孟将S4与DIC和计算机模拟进行了比较，测试对象是带有孔或切口的i型亚克力棒，以及在混凝土块和铝板上钻孔以集中应变模式。在每种情况下，S4都给出了高分辨率、准确的应力试件视图，与同时DIC结果相当或更好。

测量混凝土构成了光学上的挑战。Nagarajaiah说:“我们发现混凝土中的水泥具有固有的近红外辐射，这干扰了我们的应变测量。”“魏花了大量的时间，特别是在大流行期间，仔细研究了一种新的架构来阻止这些信号。”

他说，与通常的白色基底不同，一种黑色基底也可以容纳斑点。

Weisman说:“S4相对于DIC还有一个优势，这是我们直到最近才意识到的。“事实是，为了从DIC中获得良好的结果，运营商需要高水平的专业知识。公司告诉我们，只有他们的工程师才有资格使用它。获取数据很简单，但解释需要大量的判断。

“我们的方法很不一样，”他说。“获取数据和分析S4几乎一样容易应变图是自动的。从长远来看，这将是一个优势。”

Nagarajaiah说:“毫无疑问，这是一种最先进的应变映射方法。”“我们已经在由金属、塑料和混凝土制成的结构构件上进行了测试，这些结构构件有复杂的微裂缝和地下损伤，在所有情况下都有效。我相信我们已经到了可以实施的阶段，我们正在与业界合作，学习如何帮助他们。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。