基于激光直寫的柔性電阻抗成像傳感器研究?

董富貴，鞠 寬，劉 琦，章 軒，高 陽(yáng)，4?，肖 飚，焦 玲，軒福貞

(1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200237；2.上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 200062；3.卓然(靖江)設(shè)備制造有限公司，江蘇 靖江 214500；4.武漢光電國(guó)家研究中心，湖北 武漢 430074)

傳感器作為一類獲取外界信息的重要器件，是工業(yè)和社會(huì)智能化轉(zhuǎn)型的重要支撐，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、智慧醫(yī)療、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有傳感器多通過(guò)構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]來(lái)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模分布式傳感，進(jìn)而提升感知信息的準(zhǔn)確性和可靠性，但也面臨布線復(fù)雜和分辨率低的技術(shù)難題。為了解決這些問(wèn)題，一些學(xué)者將柔性薄膜傳感器與電阻抗成像技術(shù)(Electrical Impedance Tomography，EIT)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)外界刺激的二維可視化傳感[2－4]，有效解決了大規(guī)模傳感布線復(fù)雜和分辨率低的問(wèn)題[5－7]。

實(shí)現(xiàn)柔性電阻抗成像傳感應(yīng)用的前提條件之一是獲得大面積、導(dǎo)電良好的薄膜，且薄膜的制備方法需具有高效、可規(guī)模化的特點(diǎn)。目前，研究者通常采用噴涂[8－10]、真空灌注樹脂成型[11－12]和填充[13]等方法來(lái)獲得所需要的柔性薄膜傳感器。Gupta 等[8]采用噴槍噴涂的方法制備了一種網(wǎng)格石墨烯薄膜傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和裂紋監(jiān)測(cè)。首先石墨烯納米片被分散在聚乙烯醇溶液中制備油墨，然后用噴槍將油墨噴涂在在聚酯網(wǎng)格上獲得薄膜傳感器。噴涂可以實(shí)現(xiàn)薄膜傳感器快速生產(chǎn)，但是油墨制備過(guò)程中存在著納米導(dǎo)電材料分散性差的技術(shù)難題。Dai 等[12]將浸涂過(guò)碳納米管的無(wú)紡布作為傳感層，然后利用真空灌注樹脂成型制備了一種壓力薄膜傳感器。當(dāng)傳感器受到外界壓力時(shí)，傳感器中包裹碳納米管的無(wú)紡布被壓縮，纖維絲的接觸面增加使電阻減小。這種模仿纖維復(fù)合材料制備方法制備的薄膜傳感器具有良好的機(jī)械性能，但是制備過(guò)程復(fù)雜、器件靈敏度低。Shin 等[13]將室溫等離子液體填充到內(nèi)嵌有微通道的硅酮彈性體制備了一種觸覺(jué)薄膜傳感器，實(shí)現(xiàn)了表面接觸大小和位置的檢測(cè)。由于這種辦法采用的傳感材料是室溫等離子液體，解決了分散性差的問(wèn)題，但是微通道的制備和電極接入困難。

近年來(lái)，激光直寫(Laser Direct Writing，LDW)技術(shù)作為一種新型的傳感器制造技術(shù)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。LDW 通過(guò)激光直接在聚合物薄膜表面誘導(dǎo)生成活性傳感層，可以一步完成柔性薄膜傳感器制備，大大簡(jiǎn)化了制備過(guò)程。這為我們提供了一種可規(guī)模化的傳感器制備方法。例如，Xuan等[14]通過(guò)激光直寫技術(shù)在Ecoflex 薄膜上制備了一種碳化硅基應(yīng)變薄膜傳感器。Ecoflex 薄膜在激光誘導(dǎo)下，表層硅氧烷被直接轉(zhuǎn)化為連續(xù)的碳化硅傳感層，碳化硅活性材料合成和形成薄膜器件一步完成，最高應(yīng)變靈敏度系數(shù)(Gauge Factor，GF) 為2.47×105。Liu 等[15]利用二氧化碳激光器在聚酰亞胺薄膜(Polyimide，PI)上制備了一種石墨烯應(yīng)變薄膜傳感器。PI 薄膜在二氧化碳激光束的照射下，表層材料被直接碳化形成連續(xù)石墨烯傳感層，石墨烯的合成和形成連續(xù)薄膜一步完成，它的最高GF 為112。雖然目前已經(jīng)可以利用激光直寫技術(shù)制備柔性薄膜傳感器，但是鮮有見(jiàn)到將激光直寫薄膜傳感器結(jié)合EIT 技術(shù)應(yīng)用于大規(guī)模分布式傳感的相關(guān)研究。針對(duì)此，本文首先利用激光直寫制備了一種大面積石墨烯薄膜傳感器，然后通過(guò)調(diào)節(jié)激光焦點(diǎn)偏距的辦法優(yōu)化了傳感器的電學(xué)性質(zhì)各向異性。最后基于EIT 技術(shù)將優(yōu)化后柔性石墨烯傳感器應(yīng)用于空間裂紋損傷、空間圓孔損傷和筒體表面撞擊損傷監(jiān)測(cè)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和傳感器制備

制備EIT 傳感器的PI 薄膜(東莞市凱圳電子科技有限公司)厚度為0.125 mm。用于激光碳化PI的激光為購(gòu)置于雪谷公司的激光雕刻機(jī)(XG－1690A 7W)。連接傳感器電極引腳和銅導(dǎo)線的導(dǎo)電銀漿和環(huán)氧導(dǎo)電膠從深圳市鑫威電子材料有限公司購(gòu)得。

EIT 傳感器的制備過(guò)程如圖1 所示，首先將PI薄膜粘貼在玻璃板上，然后通過(guò)激光誘導(dǎo)碳化的方式在PI 薄膜表面形成含石墨烯的傳感層。為了能夠測(cè)試傳感器的器件性能，傳感層的預(yù)留電極位置被接上電極。為了實(shí)現(xiàn)傳感層和銅導(dǎo)線之間良好的電傳導(dǎo)，傳感層預(yù)留電極處先被涂上一層導(dǎo)電銀漿，然后再用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂將銅線固定在電極上。

圖1 激光直寫碳基導(dǎo)電薄膜制備EIT 傳感器

由于激光直寫過(guò)程中，激光的加工方向可能會(huì)引起導(dǎo)電薄膜的各向異性，因此，為了厘清碳基傳感層的電學(xué)各向異性，本文對(duì)其與激光運(yùn)行方向平行(橫向電阻Rx，圖2(a)中上圖)和垂直(橫向電阻Ry，圖2(a)中下圖)的電學(xué)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。圖2(b)是應(yīng)用于實(shí)際信號(hào)感知的大面積32 電極EIT 傳感器示意圖，傳感器尺寸為11.2 cm ×11.2 cm。

圖2 用于碳基傳感層的電學(xué)各向異性分析的EIT 傳感器

1.2 樣品的表征

美國(guó)HORIBA 公司的HR800 的拉曼光譜儀被用來(lái)對(duì)PI 膜的碳化情況進(jìn)行分析。采用Tescan 公司型號(hào)為Tescan Mira 3 高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)PI 膜表面和斷面的微觀形貌進(jìn)行研究。采用日本JEM－2100 高分辨透射電鏡對(duì)傳感材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

1.3 傳感層均勻性測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中采用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀34972A 測(cè)量?jī)呻姌O傳感器的電阻。通過(guò)計(jì)算兩電極傳感器橫向電阻和縱向電阻的比值來(lái)研究激光加工過(guò)程中焦點(diǎn)偏距對(duì)傳感層電學(xué)性質(zhì)各向異性的影響。

由于傳感層在平行于激光運(yùn)行方向的碳層結(jié)構(gòu)與垂直于激光運(yùn)行方向的碳層結(jié)構(gòu)不相同，所以會(huì)導(dǎo)致傳感層出現(xiàn)電學(xué)性質(zhì)各向異性的情況。傳感層電學(xué)性質(zhì)的各向異性會(huì)影響到EIT 測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[16－17]。為了提高EIT 測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，我們希望得到電學(xué)性質(zhì)各向異性程度低的傳感層。影響傳感層電學(xué)性能的激光加工參數(shù)有四個(gè)，分別是速度、功率、激光線間距和焦點(diǎn)偏距。激光線間距一定時(shí)，傳感層的電學(xué)性質(zhì)各向異性主要受到激光焦點(diǎn)偏距的影響，所以在本實(shí)驗(yàn)中我們固定激光的速度和功率分別為4 000 mm/min 和5.6 W 來(lái)研究激光焦點(diǎn)偏距對(duì)傳感層電學(xué)性質(zhì)各向異性的影響。在本實(shí)驗(yàn)中我們將圖2(a)上的兩電極傳感器的電阻定義為橫向電阻Rx，圖2(a)下的兩電極傳感器的電阻定義為縱向電阻Ry，它們的比值Ry/Rx定義為傳感層的各向異性程度。通過(guò)研究不同焦點(diǎn)偏距條件下傳感層的電學(xué)性質(zhì)各向異性程度，確定獲得傳感層均勻度好的最佳激光工藝參數(shù)。

1.4 EIT 成像方法和測(cè)試

EIT 成像的目標(biāo)是通過(guò)測(cè)量由激勵(lì)電流引起的邊界電壓獲得導(dǎo)電體內(nèi)部的電導(dǎo)率分布。EIT 問(wèn)題主要包括正問(wèn)題和反問(wèn)題兩個(gè)方面。正問(wèn)題是在已知導(dǎo)電體激勵(lì)電流和導(dǎo)電體內(nèi)部電導(dǎo)率分布的條件下求解導(dǎo)電體邊界的電壓值，正問(wèn)題是適定的，具有唯一確定的解。反問(wèn)題是在已知激勵(lì)電流和測(cè)得導(dǎo)電體邊界電壓的情況下求解導(dǎo)電體內(nèi)部電導(dǎo)率分布。反問(wèn)題的解是不適定的，換句話說(shuō)就是激勵(lì)電流和邊界電壓一定時(shí)，電導(dǎo)體內(nèi)部電導(dǎo)率分布有很多種情況。所以反問(wèn)題的求解是復(fù)雜而又具有挑戰(zhàn)的，研究者們通過(guò)從求解正向問(wèn)題獲得的靈敏度矩陣再結(jié)合先驗(yàn)條件和最優(yōu)化理論逐步探索出求解反問(wèn)題的辦法。

正向問(wèn)題的介紹從方程(1)開(kāi)始，它表示導(dǎo)電體內(nèi)部的電導(dǎo)率分布和其邊界測(cè)量電壓的控制方程是二維Laplace 方程[11]

式中:σ是導(dǎo)電體內(nèi)部的電導(dǎo)率分布，u是導(dǎo)電體上的電勢(shì)分布。由于方程(1)的解析解在導(dǎo)電體形狀比較復(fù)雜時(shí)不容易得到，所以我們通過(guò)有限元方法對(duì)問(wèn)題的求解進(jìn)行簡(jiǎn)化。首先我們需要通過(guò)變分法獲得Laplace 方程的弱解形式

式中:Ωn代表監(jiān)測(cè)的導(dǎo)電域，?被用來(lái)描述每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電壓值。為了讓模型與實(shí)際情況更加符合，我們采用全電極模型(考慮電極接觸電阻影響)

式(3)描述在邊界激勵(lì)電流在與邊界電極相連接的單元El上引起的電勢(shì)變化，Il是電極注入電流，zl是電極接觸電阻，n是邊界的單位法向量，Vl是電極電勢(shì)。式(4)描述了接觸電阻會(huì)導(dǎo)致測(cè)量電壓下降的實(shí)際物理現(xiàn)象。最終基于方程(1)和相應(yīng)邊界條件(3)、(4)的有限元問(wèn)題解的矩陣形式可以描述為

[AM]是方程(1)的常用系統(tǒng)矩陣，和[AZ]設(shè)定了全電極模型的邊界條件[18]。

關(guān)于反向問(wèn)題，我們采用差分成像的方法對(duì)電導(dǎo)率變化分布進(jìn)行成像。更具體地說(shuō)，我們采取了最大后驗(yàn)值方法，它是Adler 和Guardo 開(kāi)發(fā)的一種一步線性成像方法[19]。這種方法沒(méi)有迭代過(guò)程，成像速度快，可用于實(shí)時(shí)成像。最大后驗(yàn)值方法首先對(duì)非線性的前向問(wèn)題通過(guò)靈敏度矩陣J進(jìn)行線性化近似處理。然后通過(guò)成像圖像先驗(yàn)信息的假設(shè)改善EIT 反問(wèn)題的欠定性，同時(shí)通過(guò)對(duì)測(cè)量噪聲的高斯假設(shè)減弱測(cè)量電壓中的噪聲信號(hào)的影響。最后通過(guò)計(jì)算測(cè)量信號(hào)下成像信號(hào)的最大后驗(yàn)估計(jì)，獲得電導(dǎo)率變化的解

式中:雅可比矩陣J可以把內(nèi)部電導(dǎo)率變化映射到邊界電極的電壓變化。算法中為了減小測(cè)量數(shù)據(jù)中的高斯白噪聲誤差的影響，W矩陣使用測(cè)量電壓的方差計(jì)算得到:

式中:ai是測(cè)量電壓的方差。R是為了改善反問(wèn)題的欠定性而引入的先驗(yàn)信息。λ是正則化超參數(shù)，用來(lái)權(quán)衡測(cè)量數(shù)據(jù)和先驗(yàn)信息矩陣對(duì)電導(dǎo)率空間分布的影響程度。為了能夠得到良好的成像效果，正則化超參數(shù)的選擇十分關(guān)鍵。有許多算法可以用來(lái)選擇超參數(shù)，例如L－curve，廣義交叉驗(yàn)證法(Generalized cross-validation，GCV)和固定噪聲系數(shù)(Noise factor，NF)法[20]。在這些超參數(shù)選擇方法中固定噪聲系數(shù)表現(xiàn)優(yōu)異，它提供了一種與配置無(wú)關(guān)的超參數(shù)選擇且能實(shí)現(xiàn)良好圖像重建。參考文獻(xiàn)中建議的取值范圍0.5～2[20]，在本研究中我們選取NF ＝1 來(lái)計(jì)算超參數(shù)。

如圖2 所示，本實(shí)驗(yàn)中電阻抗成像所采用的測(cè)量方式是文獻(xiàn)中介紹的相鄰激勵(lì)－共地測(cè)量的方案[12]。電流激勵(lì)采用的依然是常規(guī)的相鄰激勵(lì)模式；在電壓測(cè)量過(guò)程中選取8 號(hào)電極作為接地電極，測(cè)量剩余電極與接地電極之間的電壓。在激勵(lì)和測(cè)量過(guò)程有幾點(diǎn)特別的地方需要聲明:在電流激勵(lì)過(guò)程中不能將接地電極作為激勵(lì)電極；在電壓測(cè)量過(guò)程中，為了減小接觸電阻變化的影響，不測(cè)量接地電極與激勵(lì)電極之間的電壓。一次電流激勵(lì)過(guò)程可以獲得30 個(gè)電壓測(cè)量，所以一個(gè)完整的電阻抗數(shù)據(jù)集包含870(29×30)個(gè)電壓測(cè)量值。在采集數(shù)據(jù)的過(guò)程中，用電化學(xué)工作站提供5 mA 的恒定電流，用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀34972A 采集邊界電壓值。

1.5 定位誤差計(jì)算

我們首先使用質(zhì)心方程來(lái)確定局部電導(dǎo)率變化區(qū)域的位置。局部電導(dǎo)率變化區(qū)域中心的坐標(biāo)定義為單個(gè)元素的電導(dǎo)率變化乘以質(zhì)心之和，再除以局部區(qū)域電導(dǎo)率變化之和。

定位誤差定義為重建區(qū)域中心的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的差值除以傳感器尺寸。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光直寫碳基薄膜表征

圖3(a)給出的是激光直寫碳基傳感層的表面SEM 圖。從圖中可以看到傳感層表面存在一些溝、脊和微裂紋(長(zhǎng)度10 μm，寬度2 μm)，這些均勻分布的溝和脊碳層結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了激光直寫制備的EIT 傳感器的電學(xué)各向異性。圖3(b)展示的是傳感層的截面圖，傳感層的厚度大約是22 μm。從截面圖可以看出，激光直寫的碳基薄膜具有多孔化的片層結(jié)構(gòu)。圖3(c)是碳基傳感層的TEM 圖。激光直寫制備的碳基片層結(jié)構(gòu)含有豐富的褶皺并在表面顯示石墨烯條紋特征[21]。圖3(d)給出的是碳基材料的拉曼光譜圖，具有典型的碳基材料特征峰:位于～1 350 cm－1的D 峰，位于～1 580 cm－1的G 峰和位于～2 700 cm－1的2D 峰。其中，D 峰通常被認(rèn)為是碳基材料的無(wú)序振動(dòng)峰，主要用于判斷其缺陷和無(wú)序程度。G 峰是碳基材料的主要特征峰，是由于碳在sp2軌道的振動(dòng)引起的，主要用于判斷其對(duì)稱性和有序度。ID/IG表明石墨化程度，其數(shù)值小于1，代表碳基傳感層的石墨化程度好，缺陷較少。2D 峰是雙聲子共振二階峰，2D峰的出現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)激光直寫所獲材料中含有石墨烯的成分，且可以用于輔助判別石墨烯層數(shù)。I2D/IG數(shù)值小于1 說(shuō)明我們得到的是多層石墨烯。

圖3 激光直寫碳基傳感層的表征

2.2 激光焦點(diǎn)偏距對(duì)傳感層電學(xué)性質(zhì)的影響

在激光速度4 000 mm/min，激光功率5.6 W 和激光線間距50 μm 的條件下，研究激光焦點(diǎn)偏距(0～7.2 mm)對(duì)激光直寫制備的傳感層電學(xué)性質(zhì)的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1 和圖4)可以看出激光線間距一定時(shí)，傳感層的橫向電阻Rx和縱向電阻Ry都隨著焦點(diǎn)偏距的增加呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)中報(bào)道的結(jié)果一致[22]。在激光線間距一定時(shí)，激光焦點(diǎn)偏距的改變主要會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響。一方面是激光能量密度的變化，激光焦點(diǎn)偏距增加，激光能量密度逐漸降低，激光碳化能力下降；另一方面是光斑重疊區(qū)域的變化，激光焦點(diǎn)偏距增加光斑重疊區(qū)域增加，傳感器均勻度增加。在PI 薄膜靠近激光焦點(diǎn)時(shí)，傳感器均勻度是傳感器電阻的主要影響因素，傳感器電阻隨著均勻度的增加而減?。划?dāng)PI 薄膜遠(yuǎn)離激光焦點(diǎn)時(shí)，激光碳化能力成為傳感器電阻的主要影響因素，傳感器電阻隨著激光碳化能力的下降而增加。

表1 不同激光焦點(diǎn)偏距下碳基導(dǎo)電薄膜橫向和縱向電阻

圖4 激光焦點(diǎn)偏距對(duì)傳感層電阻影響

表2 和圖5 給出了激光焦點(diǎn)偏距對(duì)傳感層電學(xué)各向異性的影響。傳感層的電學(xué)各向異性隨著激光焦點(diǎn)偏距的增加而減弱。這是由于隨著激光焦點(diǎn)偏距的增加，兩條激光斑點(diǎn)重疊區(qū)域增大，傳感層均勻度增加，電學(xué)性質(zhì)各向異性減弱。激光焦點(diǎn)偏距對(duì)傳感層電學(xué)性質(zhì)各向異性的影響并不是線性下降的。起初隨著激光焦點(diǎn)偏距的增加，電導(dǎo)率各向異性急劇下降；然后影響逐漸減弱，在這段時(shí)期會(huì)出現(xiàn)數(shù)值起伏的情況。

圖5 不同激光焦點(diǎn)偏距下石墨烯傳感器電學(xué)性質(zhì)各向異性

表2 不同激光焦點(diǎn)偏距下兩電極石墨烯傳感器電學(xué)性質(zhì)各向異性

2.3 激光直寫碳基EIT 傳感器在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

本文主要研究了激光直寫碳基EIT 傳感器在損傷監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。如圖6(a)所示，我們用刀片在傳感層表面切割出一個(gè)42 mm 長(zhǎng)狹窄缺口來(lái)模擬裂紋。圖6(b)和6(c)顯示了切割前后傳感器的EIT 重建圖?？梢钥闯鲋亟▓D像100%覆蓋了模擬裂紋。從重建圖中可以看出，傳感層表面出現(xiàn)裂紋之后，切割區(qū)域的電導(dǎo)率發(fā)生了明顯的變化。同樣從對(duì)所有單元電導(dǎo)率變化的統(tǒng)計(jì)分析圖6(d)也可以看出，模擬裂紋的出現(xiàn)使得EIT 重建單元中出現(xiàn)了電導(dǎo)率增大的單元(－ 32 S/m、－ 24 S/m 和－16 S/m)。裂紋的中心位置與重建圖像的損傷中心基本一致，EIT 重建可以定位裂紋損傷。重建圖像中裂紋的分辨率較低，這是差分成像算法的主要問(wèn)題[23]。盡管如此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠證明使用激光直寫的碳基EIT 傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)大縱橫比的不連續(xù)性裂紋損傷是可行的。

圖6 EIT 傳感器裂紋損傷監(jiān)測(cè)

接著我們進(jìn)一步在傳感層表面制造了圓孔型的損傷，圖7(a)是三次圓孔損傷后的傳感器層實(shí)物圖，三個(gè)損傷圓孔的直徑分別是30 mm，15 mm 和20 mm。它們分別占傳感層總面積的7.2%，1.8%和3.2%。對(duì)三次圓孔切割損傷分別進(jìn)行EIT 重建，圖7(b)、7(c)和7(d)分別是三次損傷后的EIT 重建圖，三次成像的損傷面積分別占總面積的7.2%，9%和12.2%。重建圖像損傷位置用實(shí)線圈表示，實(shí)際損傷位置用虛線圈表示。重建圖像損傷位置出現(xiàn)一定偏差，這可能是由我們采用的優(yōu)化后的傳感器依然具有一定的電學(xué)性質(zhì)各向異性(130.8%)導(dǎo)致的。利用1.5 節(jié)定義的計(jì)算公式對(duì)重建結(jié)果進(jìn)行定位誤差計(jì)算，結(jié)果如圖7(b)～7(d)所示，最大定位誤差5.3%。另外，重建損傷的大小與實(shí)際損傷相比變小了，從圖7(d)看出重建損傷的直徑分別為25 mm，12 mm 和18 mm。但是，重建損傷區(qū)域與實(shí)際損傷區(qū)域大小的比例關(guān)系近似一致。這說(shuō)明了該EIT 傳感器具有在多個(gè)損傷中識(shí)別損傷區(qū)域大小的能力。為了定量研究不同損傷的EIT 重建情況，我們對(duì)不同損傷情況的EIT 重建單元進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，結(jié)果如圖7(e)。可以看出隨著破壞圓孔數(shù)的增加，象征著未損傷區(qū)域大小的單元(電導(dǎo)率變化－8 S/m)數(shù)量逐漸下降，代表著損傷區(qū)域大小的單元(電導(dǎo)率變化－16 S/m，－24 S/m 和－32 S/m)數(shù)量逐漸增加。

圖7 EIT 傳感器圓孔損傷監(jiān)測(cè)

為了研究EIT 重建單元數(shù)與實(shí)際損傷面積大小的關(guān)系，我們對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，結(jié)果見(jiàn)表3。為了研究損傷面積比例估計(jì)誤差，我們引入理想EIT 重建單元數(shù)Nideal。相同電導(dǎo)率變化的統(tǒng)計(jì)單元數(shù)的總和根據(jù)損傷面積按比例分配得到的EIT 單元數(shù)被稱為理想EIT 重建單元數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。實(shí)際EIT 重建單元數(shù)和理想EIT 重建單元數(shù)的最大差值被定義為估計(jì)損傷大小比例關(guān)系的最大誤差，計(jì)算結(jié)果整理見(jiàn)表5。從表5 可以看出選取電導(dǎo)率變化為－24 S/m 的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)反映實(shí)際損傷面積大小的比例關(guān)系最準(zhǔn)確，最大誤差為8.3%。這一點(diǎn)可以從重建圖像中得到解釋。如圖7(b)，7(c)和7(d)所示，大面積損傷A 的存在會(huì)導(dǎo)致小面積損傷B 的重?fù)p傷單元(－32 S/m)減少；損傷區(qū)域增多會(huì)導(dǎo)致先驗(yàn)條件引起輕損傷單元(－16 S/m)增加；所以中等損傷單元(－24 S/m)可以更加準(zhǔn)確地反映實(shí)際損傷大小的比例關(guān)系。

表3 實(shí)際EIT 重建單元數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 理想EIT 重建單元數(shù)計(jì)算結(jié)果

表5 損傷面積比例關(guān)系估計(jì)的誤差結(jié)果

最后我們將實(shí)驗(yàn)制備的大面積EIT 傳感器粘貼在圓筒表面來(lái)監(jiān)測(cè)圓筒受到的沖擊損傷。圖8 展示的是EIT 傳感器的圓筒撞擊損傷監(jiān)測(cè)圖，圖8(a)和8(b)是圓筒未受到撞擊之前的實(shí)物圖和EIT 重建圖，可以看出重建圖像并未產(chǎn)生異常；圖8(c)和8(d)是圓筒受到撞擊之后的實(shí)物圖和EIT 重建圖，兩個(gè)圖對(duì)比觀察可以發(fā)現(xiàn)，重建圖像在圓筒受到撞擊區(qū)域發(fā)生電導(dǎo)率變化，且重建圖像中的損傷區(qū)域位置和大小與實(shí)際沖擊損傷基本一致。至于損傷程度的評(píng)估，由于缺少必要的沖擊損傷評(píng)估手段，這項(xiàng)工作將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步完善。

圖8 EIT 傳感器的圓筒撞擊損傷監(jiān)測(cè)圖

3 結(jié)論

本文通過(guò)激光直寫制備了碳基EIT 傳感器。首先研究了不同激光焦點(diǎn)偏距對(duì)傳感層電學(xué)各向異性的影響，在50 μm 的線間距，7.2 mm 偏焦距下獲得了電導(dǎo)較為均一的石墨烯傳感層。然后采用工藝優(yōu)化后的EIT 傳感器進(jìn)行了損傷感知的應(yīng)用研究。我們主要設(shè)計(jì)了三種損傷類型，一種是具有大長(zhǎng)寬比的裂紋損傷，另一種是圓孔型損傷，最后我們通過(guò)將EIT 傳感器粘貼在筒體表面監(jiān)測(cè)其受到的撞擊損傷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EIT 傳感器能有效檢出和定位損傷的位置，顯示了其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。同時(shí)，需要指出，目前采用的EIT 重建算法還存在損傷位置偏移和損傷面積被低估的情況，需后續(xù)對(duì)相關(guān)算法進(jìn)行改進(jìn)。