“感应皮肤”可以检测建筑物中的裂缝和有害化学物质

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穆罕默德Pour-Ghaz mpourghaz@ncsu.edu 919.515.2235

马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

研究人员开发了一种多层的“传感皮肤”，可以检测结构中的腐蚀性或其他有害物质。皮肤还可以检测到肉眼看不到的裂缝和其他结构缺陷。

“我们已经创造了一种皮肤，可以应用于几乎任何结构的表面，并用于远程和实时监测结构的完整性，在潜在的问题变成灾难性之前就识别出来，”穆罕默德·普尔-加兹说，他是一名土木工程助理教授。北卡罗来纳州立大学建筑与环境工程学院教授，同时也是一篇描述这项工作的论文的合著者。

传感皮由三层组成，可以涂在结构表面，也可以像墙纸一样预先组装并附着在表面上。

第一层是导电的，仅用于检测裂缝。第二层作为第一层和第三层之间的缓冲层。第三层用于检测裂缝，但也被设计用于检测感兴趣的特定化学物质。

这第三层含有金属纳米颗粒，其电导率在特定离子存在时发生变化。通过改变金属纳米颗粒的组成，这一层可以对任何特定的化学物质做出反应。

如果用户想要监控从结构中流出的化学物质——比如化学物质从密封结构中流出——第三层将面向内，接触结构的表面。为了监测外部化学物质，第三层将面向外。

下面是感应皮肤的工作原理。电极被应用在结构的周长周围。然后，传感皮肤被应用到电极上方的结构上。然后一个计算机程序在两个电极之间同时运行一个小电流，循环通过许多可能的电极组合。

当电流在两个电极之间流动时，计算机就会监测并记录第一层和第三层传感皮肤结构上所有电极的电势。然后用这些数据来计算传感皮肤在两层上的空间分布电导率。研究人员开发了一套算法，可以利用第一层和第三层皮肤测量到的电导率变化来检测和定位损伤和目标化学物质的存在。

在一项概念验证研究中，研究人员将他们的传感皮肤应用于钢筋混凝土。研究人员将混凝土暴露在腐蚀元素中，并使混凝土承受应变，以模拟真实世界结构的破坏。在这项研究中，第三层传感皮被设计用于检测氯化物，氯化物会导致钢筋混凝土的腐蚀。

“皮肤表现得非常好，”Pour-Ghaz说。“我们能够检测到小到几百微米的裂缝;我们可以非常准确地检测到任何氯化物与皮肤接触的情况。

“我们希望人们能够尽早发现问题，”Pour-Ghaz说。“虽然这个概念验证着眼于混凝土，但如果应用得当，这项技术可以用于从金属到聚合物的结构材料。”

研究人员正在对大型结构的传感皮肤进行实验，以更准确地反映真实世界结构的大小。

纸”,一种用于检测腐蚀元件和裂纹的功能分层传感皮肤，发表在该杂志的网上结构健康监测．这篇论文的主要作者是东芬兰大学的Aku Seppänen。这篇论文的合著者是米拉德·哈拉吉(Milad Hallaji)，他曾是北卡罗来纳州立大学(NC State)的博士生。这项工作得到了芬兰科学院和北卡罗莱纳州土木、建筑和环境工程部的支持。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

一种用于检测腐蚀元素和裂纹的功能层状传感皮肤

作者Aku Seppänen，东芬兰大学;北卡罗莱纳州立大学的Milad Hallaji和Mohammad Pour-Ghaz说

发表: 10月6日,结构健康监测

DOI: 10.1177 / 1475921716670574

文摘:在本文中，我们提出了一种基于电阻抗断层成像(EIT)的多功能表面传感系统，或传感皮肤，用于结构健康监测。更具体地说，基于eit的传感表皮是用于检测和定位氯化物的进入和开裂——这两种现象在许多结构中都很重要，包括钢筋混凝土结构。多功能传感皮肤由两层组成;一层对氯化物和裂缝都敏感，另一层只对裂缝敏感。在实验中，传感皮在聚合物和混凝土基板上进行了测试。结果表明，该多功能多层传感皮肤可用于检测、定位和区分腐蚀元件和裂纹。