第一作者：胡鳳鳴
通訊作者：羅堅義、陳智明
通訊單位：五邑大學應用物理與材料學院、柔性傳感材料與器件研究中心；中南大學教育部交通運輸工程學院交通安全軌道重點實驗室；五邑大學軌道交通學院；五邑大學軌道交通智能制造學部；五邑大學-廣東天物新材料科技有限公司柔性傳感技術聯合實驗室
背景介紹及內容概述
隨著世界各地高速列車的發展，列車的速度不斷打破記錄，空氣動力學問題變得越來越嚴重。高速列車的空氣動力學問題包括空氣阻力、空氣橫向力、兩列列車相遇產生的氣壓脈沖、隧道壓力波等，極大地影響了列車的運行安全和乘客的乘坐舒適性。為了保證列車的安全運行，必須加強空氣動力學試驗和分析。因此，氣壓傳感器作為空氣動力學測試的主導工具，有望具有超薄、目標線性范圍內的高靈敏度、環境穩定性和機械魯棒性等綜合特性，以確保實時準確監測列車在復雜惡劣環境中的空氣動力學信息。目前用于高速列車空氣動力測試的氣壓傳感器基于微機電系統(MEMS)，它集成了納米級和微米級尺寸的電氣和機械組件。開發出來的MEMS壓力傳感器，具有體積小、遲滯低、信噪比高、功耗低、與電路集成能力強等優點。由于這些優點，基于MEMS的壓力傳感器廣泛應用于消費電子、醫療設備、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力學特性，如列車長徑比大、列車與地面耦合作用強、列車穿越各種橋梁和隧道、兩列列車在開放線路上的交叉口或在隧道中，以及在風、雨或雪中運行的火車。這些空氣動力學特性在列車表面氣流場上呈現出不同的壓力幅度，期望在目標線性范圍內具有高靈敏度的相應傳感器。然而，基于單一類型 MEMS的壓力傳感器往往具有單一的工作范圍，其線性范圍難以調整。此外，基于MEMS的壓力傳感器通常制造為600-1000μm的厚度，這對列車的表面氣流場造成了不可忽視的影響。同時，傳感器必須具有高可靠性才能在惡劣環境中進行測量，而基于MEMS 的壓力傳感器不可靠的原因有多種，包括機械沖擊、過載、應力腐蝕開裂、材料疲勞和使用環境的污染（如塵埃顆粒和水滴）。這些常見的故障機制也阻礙了應用于高速列車空氣動力學測試的新興柔性氣壓傳感器。因此，盡管每年都有大量基于 MEMS 的壓力傳感器被設計和制造，但實際上只有一小部分成功地應用于汽車系統、高速列車的空氣動力學領域。因此，開發一種超薄、在目標線性范圍內具有高靈敏度、防水并且對高速列車的空氣動力學測試具有抗沖擊性的可靠氣壓傳感器具有顯著的挑戰性。
鑒于此，五邑大學物院柔性傳感研究中心羅堅義團隊針對高速列車的空氣動力學測試，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，構建了一個密封微腔結構模型，用于傳感器獲取氣壓信號。傳感器的線性范圍可以通過密封微腔的初始內部壓力進行調整，以獲得目標范圍內的高靈敏度。此外，密封微腔結構的傳感器可以在水中工作至少500分鐘，即使在受到汽車撞擊后也能保持工作，這說明該傳感器同時實現了優異的防水和抗沖擊性能，證明了該傳感器的高可靠性。我們通過將該傳感器成功應用于列車空氣動力學監測，進一步證明了這種可靠性。這種基于碳纖維束和密封微室結構的氣壓傳感器在高速列車空氣動力學測試中具有很大的應用前景。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 面向高速列車空氣動力學測試的碳基柔性氣壓傳感器 a)柔性超薄氣壓傳感器結構示意圖；b)柔性超薄氣壓傳感器的工作原理。
論文具體內容
圖3 柔性超薄氣壓傳感器的線性范圍調節機制 a)微腔室內初始氣壓的三種典型控制模式；b)在三種典型模式下，氣壓傳感器線性范圍的預測情況；c)在三種典型模式下，氣壓傳感器響應區間的實際測量。
圖4 氣壓傳感器的傳感性能 a)氣壓傳感器對氣壓響應的電阻變化率。b）加載-卸載的恢復試驗。c)在130個循環中反復加載-卸載時器件電阻變化率的實時變化。
圖5 防水、抗沖擊特性試驗 a)在去離子水中工作的柔性超薄氣壓傳感器；b)重復加載-卸載時水下傳感器電阻變化率的實時變化。c)柔性超薄氣壓傳感器抗沖擊試驗照片；d)柔性超薄氣壓傳感器在被車輪碾壓時的特寫攝影；e)人手指按壓時柔性超薄氣壓傳感器的特寫攝影；f)柔性超薄氣壓傳感器在人指按壓和汽車碾壓條件下電阻變化率的實時變化。
圖6 列車空氣動力學試驗的測量裝置 a)列車傳感器布局的側視圖和俯視圖；b）2號車架上傳感器的實際布局；c)列車外表面傳感器的特寫攝影，以及傳感器輪廓中的光學顯微鏡圖像。
圖7 列車空氣動力學試驗 a)列車路線圖；b)列車速度和R2測試點表面壓力的實時變化。
總結與展望
本文開發了一種防水、抗沖擊、柔性超薄氣壓傳感器用于高速列車空氣動力學測試。該傳感器基于碳纖維束傳感材料和密封微腔結構，使得傳感器能夠調節其線性范圍，從而在目標范圍內實現高靈敏度。該傳感器遲滯小，且具有動態耐久性，在130次加卸載循環后，其電阻變化可以忽略不計。此外，該傳感器在完全浸泡于去離子水中保持良好的動態耐久性，并在被一輛重1550 kg的汽車碾壓后保持完好，表明其防水和抗沖擊的性能。最后，該傳感器通過在列車表面壓力實時監測中的成功應用，展示了其在高速列車的空氣動力學測試方面的巨大前景。
作者及團隊介紹
第一作者：胡鳳鳴，女，五邑大學應用物理與材料學院信息與通信工程專業在讀碩士研究生。
通訊作者：羅堅義，男，工學博士，教授，博士生導師，現任五邑大學應用物理與材料學院院長，五邑大學柔性傳感材料與器件研究開發中心主任（創始人），廣東省杰出青年基金獲得者，國家重點研發計劃智能傳感重點專項會評專家，南粵優秀教師, 江門市首屆 “僑鄉青年榜樣”，江門市優秀科技工作者。主要研究領域包括：柔性傳感材料與器件應用（柔性觸覺傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調光變色材料與器件。
文獻及DOI號：
Waterproof, Anti-Impacted, and Ultrathin Carbon-Based Air Pressure Sensors Toward Aerodynamic Tests on High-Speed Trains
DOI: 10.1002/adem.202101781
