第一作者：胡鳳鳴
通訊作者：羅堅(jiān)義、陳智明
通訊單位：五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院、柔性傳感材料與器件研究中心；中南大學(xué)教育部交通運(yùn)輸工程學(xué)院交通安全軌道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；五邑大學(xué)軌道交通學(xué)院；五邑大學(xué)軌道交通智能制造學(xué)部；五邑大學(xué)-廣東天物新材料科技有限公司柔性傳感技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室
背景介紹及內(nèi)容概述
隨著世界各地高速列車(chē)的發(fā)展，列車(chē)的速度不斷打破記錄，空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重。高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題包括空氣阻力、空氣橫向力、兩列列車(chē)相遇產(chǎn)生的氣壓脈沖、隧道壓力波等，極大地影響了列車(chē)的運(yùn)行安全和乘客的乘坐舒適性。為了保證列車(chē)的安全運(yùn)行，必須加強(qiáng)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)和分析。因此，氣壓傳感器作為空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試的主導(dǎo)工具，有望具有超薄、目標(biāo)線(xiàn)性范圍內(nèi)的高靈敏度、環(huán)境穩(wěn)定性和機(jī)械魯棒性等綜合特性，以確保實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)列車(chē)在復(fù)雜惡劣環(huán)境中的空氣動(dòng)力學(xué)信息。目前用于高速列車(chē)空氣動(dòng)力測(cè)試的氣壓傳感器基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)，它集成了納米級(jí)和微米級(jí)尺寸的電氣和機(jī)械組件。開(kāi)發(fā)出來(lái)的MEMS壓力傳感器，具有體積小、遲滯低、信噪比高、功耗低、與電路集成能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，基于MEMS的壓力傳感器廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、醫(yī)療設(shè)備、航空航天和軌道交通，但與航空航天相比，軌道交通有其自身的空氣動(dòng)力學(xué)特性，如列車(chē)長(zhǎng)徑比大、列車(chē)與地面耦合作用強(qiáng)、列車(chē)穿越各種橋梁和隧道、兩列列車(chē)在開(kāi)放線(xiàn)路上的交叉口或在隧道中，以及在風(fēng)、雨或雪中運(yùn)行的火車(chē)。這些空氣動(dòng)力學(xué)特性在列車(chē)表面氣流場(chǎng)上呈現(xiàn)出不同的壓力幅度，期望在目標(biāo)線(xiàn)性范圍內(nèi)具有高靈敏度的相應(yīng)傳感器。然而，基于單一類(lèi)型 MEMS的壓力傳感器往往具有單一的工作范圍，其線(xiàn)性范圍難以調(diào)整。此外，基于MEMS的壓力傳感器通常制造為600-1000μm的厚度，這對(duì)列車(chē)的表面氣流場(chǎng)造成了不可忽視的影響。同時(shí)，傳感器必須具有高可靠性才能在惡劣環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量，而基于MEMS 的壓力傳感器不可靠的原因有多種，包括機(jī)械沖擊、過(guò)載、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、材料疲勞和使用環(huán)境的污染（如塵埃顆粒和水滴）。這些常見(jiàn)的故障機(jī)制也阻礙了應(yīng)用于高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試的新興柔性氣壓傳感器。因此，盡管每年都有大量基于 MEMS 的壓力傳感器被設(shè)計(jì)和制造，但實(shí)際上只有一小部分成功地應(yīng)用于汽車(chē)系統(tǒng)、高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域。因此，開(kāi)發(fā)一種超薄、在目標(biāo)線(xiàn)性范圍內(nèi)具有高靈敏度、防水并且對(duì)高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試具有抗沖擊性的可靠氣壓傳感器具有顯著的挑戰(zhàn)性。
鑒于此，五邑大學(xué)物院柔性傳感研究中心羅堅(jiān)義團(tuán)隊(duì)針對(duì)高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試，提出了一種高可靠的超薄氣壓傳感器。基于碳纖維束的橫向壓敏特性，構(gòu)建了一個(gè)密封微腔結(jié)構(gòu)模型，用于傳感器獲取氣壓信號(hào)。傳感器的線(xiàn)性范圍可以通過(guò)密封微腔的初始內(nèi)部壓力進(jìn)行調(diào)整，以獲得目標(biāo)范圍內(nèi)的高靈敏度。此外，密封微腔結(jié)構(gòu)的傳感器可以在水中工作至少500分鐘，即使在受到汽車(chē)撞擊后也能保持工作，這說(shuō)明該傳感器同時(shí)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的防水和抗沖擊性能，證明了該傳感器的高可靠性。我們通過(guò)將該傳感器成功應(yīng)用于列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步證明了這種可靠性。這種基于碳纖維束和密封微室結(jié)構(gòu)的氣壓傳感器在高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試中具有很大的應(yīng)用前景。本文以“Waterproof, Anti-Impacted, and Ultrathin Carbon-Based Air Pressure Sensors Toward Aerodynamic Tests on High-Speed Trains”為題發(fā)表在Advanced engineering materials期刊，并被該期刊選為封面論文。
圖1 封面論文
圖2 面向高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試的碳基柔性氣壓傳感器 a)柔性超薄氣壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；b)柔性超薄氣壓傳感器的工作原理。
論文具體內(nèi)容
圖3 柔性超薄氣壓傳感器的線(xiàn)性范圍調(diào)節(jié)機(jī)制 a)微腔室內(nèi)初始?xì)鈮旱娜N典型控制模式；b)在三種典型模式下，氣壓傳感器線(xiàn)性范圍的預(yù)測(cè)情況；c)在三種典型模式下，氣壓傳感器響應(yīng)區(qū)間的實(shí)際測(cè)量。
圖4 氣壓傳感器的傳感性能 a)氣壓傳感器對(duì)氣壓響應(yīng)的電阻變化率。b）加載-卸載的恢復(fù)試驗(yàn)。c)在130個(gè)循環(huán)中反復(fù)加載-卸載時(shí)器件電阻變化率的實(shí)時(shí)變化。
圖5 防水、抗沖擊特性試驗(yàn) a)在去離子水中工作的柔性超薄氣壓傳感器；b)重復(fù)加載-卸載時(shí)水下傳感器電阻變化率的實(shí)時(shí)變化。c)柔性超薄氣壓傳感器抗沖擊試驗(yàn)照片；d)柔性超薄氣壓傳感器在被車(chē)輪碾壓時(shí)的特寫(xiě)攝影；e)人手指按壓時(shí)柔性超薄氣壓傳感器的特寫(xiě)攝影；f)柔性超薄氣壓傳感器在人指按壓和汽車(chē)碾壓條件下電阻變化率的實(shí)時(shí)變化。
圖6 列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)的測(cè)量裝置 a)列車(chē)傳感器布局的側(cè)視圖和俯視圖；b）2號(hào)車(chē)架上傳感器的實(shí)際布局；c)列車(chē)外表面?zhèn)鞲衅鞯奶貙?xiě)攝影，以及傳感器輪廓中的光學(xué)顯微鏡圖像。
圖7 列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn) a)列車(chē)路線(xiàn)圖；b)列車(chē)速度和R2測(cè)試點(diǎn)表面壓力的實(shí)時(shí)變化。
總結(jié)與展望
本文開(kāi)發(fā)了一種防水、抗沖擊、柔性超薄氣壓傳感器用于高速列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試。該傳感器基于碳纖維束傳感材料和密封微腔結(jié)構(gòu)，使得傳感器能夠調(diào)節(jié)其線(xiàn)性范圍，從而在目標(biāo)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高靈敏度。該傳感器遲滯小，且具有動(dòng)態(tài)耐久性，在130次加卸載循環(huán)后，其電阻變化可以忽略不計(jì)。此外，該傳感器在完全浸泡于去離子水中保持良好的動(dòng)態(tài)耐久性，并在被一輛重1550 kg的汽車(chē)碾壓后保持完好，表明其防水和抗沖擊的性能。最后，該傳感器通過(guò)在列車(chē)表面壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中的成功應(yīng)用，展示了其在高速列車(chē)的空氣動(dòng)力學(xué)測(cè)試方面的巨大前景。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
第一作者：胡鳳鳴，女，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院信息與通信工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生。
通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師, 江門(mén)市首屆 “僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
文獻(xiàn)及DOI號(hào)：
Waterproof, Anti-Impacted, and Ultrathin Carbon-Based Air Pressure Sensors Toward Aerodynamic Tests on High-Speed Trains
DOI: 10.1002/adem.202101781
