התפתחות מדד סטרין בחלל

הנדסה מודרנית פועלת בשולי הגבולות החומריים והמבניים, שבו אזור סדק יחיד ללא חתיכה יכול לעגל לתוך כשלון קטסטרופלי.מדד המתח נשאר החיישן הבסיסי של ניטור כיצד רכיבי מטוסים מתפרעים תחת עומס, רטט, ורכיבי אופניים תרמיים.המכשירים האלה הופכים למתח מכני לתוך אות חשמלי מדידה גבוהה יותר, נותן מהנדסים בזמן אמת על שלמות מבנית במהלך שני העשורים האחרונים, המדע המופיק מאחורי תרכובות מתכתיות רגישות, יש חומרים עמידים, אשר נותרו חומרים עמידים יותר, אשר נותרו חומרים עמידים יותר, חומרים מסוכנים יותר, אשר נמצאים תחת חומר מתכתיים, אשר נותרו חומרים עמידים יותר, אשר נותרו חומרים עמידים יותר, אשר נמצאים במרחק חומרים מסוכנים יותר, אשר נמצאים במרחק חומרים מסוכנים יותר, אשר נותרו על פני חומר מתכתיים, אשר נמצאים במרחק חומרים עמידים יותר, אשר נמצאים במרחק חומרים עמידים יותר, ואפקטים יותר, אשר נמצאים במרחק של חומרים רדיואקטיביים יותר, אשר נותרו חומרים רדיואקטיביים יותר, אשר נמצאים במרחק של חומרים מסוכנים יותר, אשר נמצאים במרחק חומרים עמידים יותר, אשר נמצאים במרחק חומרים מסוכנים יותר, אשר נמצאים במרחק של חומרים מסוכנים יותר, אשר נמצאים במרחק של חומרים רגישים יותר, אשר נמצאים במרחק של חומרים רדיואקטיביים יותר, אשר נמצאים במרחק של חומרים רדיואקטיביים יותר, אשר נמצאים

חומרים מסורתיים של סטרין Gauge ו-Constraints שלהם

במשך עשרות שנים, חומר עבודתי עבור מדזנים היה קבוע - ⁇ נחושת-ניקל עם חסכוני טמפרטורה כמעט אפס של התנגדות כאשר טיפול חום כראוי. מדורי מתכת נדחה מן קבוע מציעים לינאריות טובה, רגישות נאותה (גורם מגוג בסביבות 2.0), ויציבות מקובלת בתנאים מתונה יותר. ⁇ מתכת אחרים כגון קארמה (ניקל-chromi-alnumiron-uminumiron) ו-Finetungtunging חיים יותר גמישים.

למרות האמינות שלהם, מדדי מתח מתכתיים מסורתיים עומדים בפני מגבלות פיזיות קשות.S הוא מוגבל על ידי גורם המד האינטרי של ⁇ , בדרך כלל החל מ 1.5 עד 4.0.בסביבות אוויריות בטמפרטורה גבוהה - כגון מנוע טורבינות או חומרים היפרסמוניים אלה - מדדים מתכתיים לעתים קרובות מורכבים - סובלים מחמצן, סחף, ומצמריש מעל 200 -300 - גם לא יכול להיות מדביקים פחות או יותר ממתכת (מפסים) כמו חומרים קצרים יותר מאשר ממתכת).

חומרים מתקדמים מעצבים את Strain Gauge Performance

ההקדמה של ננו-חומרים, פולימרים מתקדמים ומבנים קריסטליים מהונדסים הרחיבה את מרחב העיצוב לחיישנים בעלי זנים.כל מחלקה חומרית מביאה יתרונות נפרדים ומסחר-offs, מה שהופך אותם מתאימים ליישומים אווירקליים ספציפיים.

צינורות פחמן (CNTs) - כוח ב-Nanoscale

צינורות פחמן הם מולקולות צייליות עם קוטרים על סדר של ננומטר אחד ואורך עד מ"מ.הם מציגים כוח רבילי יוצא דופן - 100 פעמים זה של פלדה באחת-ששת את המשקל - ו מוליכות חשמלית יוצאת דופן שמשנה מתחמיך באופן ברור כאשר הצינור הוא מפורש.

מדדי זנים מבוססי CNT להשיג את גורמי המדידה מעל 100 בתצורה מסוימת, בהשוואה ל- 2.0 של קבוע.עלייה זו של האמנטית ברגישות מאפשרת זיהוי של מיקרו-אימונים שיהיו בלתי נראים למדדים מתכתיים.בנוסף, חיישני CNT יכולים למתוח באופן גמיש על ידי כמה אחוזים לפני הכישלון, מה שהופך אותם מתאימים לאזורים של מעקב גבוה כגון אזורי סגסוגת או נחיתה.

Graphene - The One-Atom-Thick Sensing Layer

Graphene, שכבה אחת של אטומי פחמן מסודרים ב ⁇ hexagonal lattice, מציעה שילוב ייחודי של תכונות מכניות וחשמליות.מדד מדד זה נע בין 6 ל-150 בהתאם לאיכות החומר ותצורת המדידה, עם הערכים הגבוהים ביותר שהושגו בדגימות חד-קריסטליות יחיד.האופי הדו-ממדי של גרפן פירושו שגם תת-מטר של עיוות מייצר שינוי בלתי-גנטי, המאפשר פתרון מרחבי חסר תקדים.

עבור יישומים אווירוקל, יציבות תרמית של גרפן היא יתרון גדול.זה נשאר שלם מבחינה מבנית בטמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס באטמוספירה אינרטית, ועם capsulation מתאים זה יכול לשרוד סביבות חמצון עד 300-400 מעלות צלזיוס. זה הופך את גרפן למועמד אטרקטיבי למעקב אחר חלקים חמים של מנועי גאולה או מערכות הגנה תרמיות על כלי רכב retrance כימי (VD) עכשיו לאפשר חיישנים גדולים של גרפים יכול להיות מועברים מורכבים כדי גרף מורכב על גבי גרף מורכב יכול להיות מסוגל למתוח גרף מורכב של חומרים גמישים מורכבים של מנועי חום של כלי רכב גרף מורכבים.

Piezoelectric Polymers - גמישות וכוח עצמי

חומרים Piezoelectric לייצר מטען חשמלי בתגובה ללחץ מכני. Polyvinylidene fluoride (PVDF) ואת copolymers שלה הם פולימרים ⁇ electric נחקר נרחב ביותר עבור זנים רגישים. בניגוד מדדים מתכתיים או פחמן מבוסס פחמן הדורש מקור כוח חיצוני ולוח גשר חיטה, PVDF לייצר מתח ישר ביחס לשיעור הזנים החל, המאפשר הפעלה דלת כוח נמוכה, פסיבית.

מדדי זנים PVDF גמישים מטבעם וניתן לייצר אותם כסרטים דקים (10–100 מיקרומטר) הדבקים על פני השטח מעוקלים ללא פשרות המדידה.האימפולס האקוסיבי שלהם קרוב לזה של מים ופולימרים רבים, מה שהופך אותם שימושיים לזיהוי גלי מתח במבנים מורכבים.עבור חלל, חיישנים PV כבר הוצבו על להבים של מסוקים ורכב לא מאויש לכדי לעקוב אחר תדרים - לעתים קרובות עם תדרים דינמיים - אבל הם נמצאים בתדירות גבוהה יותר - אבל הם נמצאים תחת לחץ גבוה יותר מאשר בתדירות גבוהה יותר מאשר בתדירות גבוהה יותר - אבל הם נמצאים בתדירות גבוהה יותר - אבל הם נמצאים בתדירות גבוהה יותר מאשר בתדירות גבוהה יותר.

Metal-Organic Frameworks (MOFs) - רגישות בלתי ניתנת לנטייה

מסגרות מתכת-אורגניות הן חומרים גבישיים המורכבים מבלוטות מתכת המחוברות על ידי קישורים אורגניים. על ידי בחירת מרכזי מתכת שונים ורצועות אורגניות, החוקרים יכולים מהנדס MOFs עם תכונות חשמליות, מכניות וכימיקליות ספציפיות.כאשר משולבים לתוך זנים, MOFs לספק אזור משטח גבוה להעברת מטען מושרה מתח, וניתן לתכנן להגיב באופן מעדיף למתח בכיוון מסוים.

בעוד מדפי זנים המבוססים על MOF עדיין בשלב המחקר, הפוטנציאל שלהם להתאמה אישית הוא ללא מקבילים. חיישן MOF עשוי להיות מכוון להתעלם מהתרחבות תרמית ולהגיב רק למתח מכני, חיסול הצורך מעגלים פיצויי טמפרטורה. לחלופין, תוכנית MOF יכול להיות מתוכנן לזהות גם זנים ואת נוכחות של סוכנים קורוזיים, מתן פונקציונליות כפולה ביסוד יחיד של פעולות יחידני.

Silicon Carbide ו-High-Temperature Semiconductors

עבור סביבות קיצוניות שבו אפילו גרפן ו- CNTs degrade, סיליקון carbide (SiC) מציע אלטרנטיבה חזקה. SiC הוא מוליכים למחצה רחב פסגהp כי שומר את התכונות החשמליות שלה בטמפרטורות מעל 600 מעלות C והוא עמיד מאוד לקרינה, חמצון, ולבוש מכני. SiC מד מתח הם מוטבע כמו אלמנטים אדזומנטים על גבי מנברה דק או נון, שבו הוא מבנה ההתנגדות הוא תחת מבנה המוליכים למחצה.

חיישני SiC מפותחים למעקב אחר שורשים של טורבינות, קושרים תאים, ו-Slesht nozzles - מיקום שבו המדים הקונבנציונאליים נכשלים בתוך דקות. חברות חלל כגון רולס-Royce ו- Pratt & ויטני מימן מחקר לתוך SiC-based-based-based-Wimetry לניהול בריאות המנוע.

ניתוח ביצועים השוואתי: חדש לעומת חומרים מסורתיים

Material Gauge Factor Max Temperature Flexibility Fatigue Life
Constantan (metal foil) ~2.0 200°C Low 10^5–10^6 cycles
Carbon Nanotubes 10–100+ 300–400°C High >10^6 cycles
Graphene 6–150 500°C (inert) High >10^5 cycles
PVDF (piezoelectric) N/A (voltage output) 100–150°C Very high Excellent (dynamic)
Silicon Carbide ~30–80 >600°C Low Good (single crystal)

בטבלה לעיל ממחיש כי שום חומר יחיד אינו שולט בכל המדדים. חיישנים ננופח מציעים את הרגישות הגבוהה ביותר ואת הגמישות, אבל להתמודד עם אתגרים ביציבות ארוכת טווח והתחדשות הייצור.סיליקון קרבה גמישות לסובלנות טמפרטורה קיצונית.הבחירה האופטימלית תלויה ביישום האווירוקל הספציפי, ולכן מהנדסים משתמשים יותר ויותר במערכות גירוד היברידיות המשלבות שני סוגים או יותר חומר.

אתגרים ושיקולי ייצור

המעבר מטיפוסי מעבדה לחיישנים אוויריים מוכנים לייצור כרוך במספר מכשולים. הראשון, עקביות חומרית היא קריטית: התכונות החשמליות של CNTs ו גרפן משתנות באופן משמעותי על בסיס שיטת סינתזזה, הפצת chirality, ודחיסות פגם. [-]

שנית, אריזות ושיטות חיבוריות חייבות להתפתח.מדני זנים מסורתיים מחוברים למבנים באמצעות cyanoacrylate או epoxy adhesives ומחוברת באמצעות חוטים מוכרים.Nanomaterial לעתים קרובות דורשים אסטרטגיות שונות - כגון צמיחה ישירה על תת-התחתוך, הדפסה, או שילוב לתוך שקעים מורכבים - כדי לשמור על הביצועים שלהם.

שלישית, סטנדרטי ריצוף והסמכת עבור חומרי מד זן חדשים עדיין אינם בוגרים.תעשיית האווירוspace מסתמכת על מפרטים מבוססים כגון ASTM E251 עבור מדדי סייר מתכתיים.תקני שיוויון עבור CNT, גרפן או חיישנים MOF עדיין בפיתוח, יצירת אי ודאות עבור מהנדסי עיצוב אשר חייבים להפגין עמידה בתקנות ראויות אוויר.

יישומים חשמליים זמינים על ידי Novel Strain Gauge Materials

התכונות הייחודיות של חומרי מדד זנים מתקדמים מאפשרות יכולות ניטור חדשות ברחבי המגזר האווירי, מחברות תעופה מסחריות ועד כלי רכב ולוויינים היפרוזיים.

מעקב אחר בריאות מבנית של Airframes

לוחות אוויר מודרניים מתוכננים עם עקרונות סובלנות נזק, כלומר הם יכולים לקיים נזק מבני מוגבל להישאר בטוח עד הביקורת הבאה חיישנים מתוחים מתקדמים - במיוחד CNT ומדפי גרפן - מאפשרים ניטור רציף של ריכוזים מתח סביב מזרזים, מתחים מיתרים, וחתכים על ידי מועדוני מעקב של מערכת ניטור בריאות מבני המטוס, חיישנים אלה יכולים לזהות קריקט וצמיחה או שבועות לפני שהם הופכים לפעילים מאובטחים בתיבת אבטחה בתיבת אבטחה ב- CNT.

מנוע מעקב

מנועי טורבינות גז יוצרים כמה מהסביבות הקשות ביותר עבור חיישנים: טמפרטורות מעל 500 מעלות צלזיוס, רטט גבוה ומוצרים של הדבקה קורוזית.סי.סי.ג'י הם מפותחים במיוחד עבור התחום הזה. מערך חיישן אלחוטי SiC רכוב על ה-Songroning יכול למדוד משר סחף סחף, ⁇ s תרמיים, ועומסי אנרגיה.

ניתוח חומרים

סיבים פחמן מחזקים פולימרים (CFRP) משמשים כיום נרחב במבנים ראשוניים כגון בואינג 787 ו- Airbus A350 מתפתל וכנפיים. עם זאת, מורכבים מציגים מצבי כישלונ שונים מאשר מתכות - כולל דלמנטום, פירוק סיבים, וסדקים ממטריקס - שקשה לזהות עם מדדי נקודה קונבנציונליים.

בקרת טיסה Surface Feedback

מנגנוני בקרה אלקטרוניים עבור מערכות בקרת טיסה אלחוטיות-טיס דורשים מיקום מדויק משוב כוח. חיישנים פולימרים Piezoelectric משולבים ישירות קישורי פעולה או משטח שליטה על משטח משטח hings יכול למדוד עומסים דינמיים במהלך תמרון. נתונים אלה משפרים את חוקי בקרת הטיסה ומאפשר תחזוקה חיזוי של פועלים.הגמישות והמסה הנמוכה של חיישנים PVDF להפוך אותם מתאימים במיוחד עבור יישומים רוטטוריים שבו משקל ופרופיל אווירודינמיקה הם קריטי.

קווי עתיד וגבולות מחקר

כמה מגמות מתעוררות יעצבו את הדור הבא של חומרי מד זן עבור אווירוקל.כיוון מבטיח אחד הוא פיתוח חיי זנים של מתח עצמי כי משלב מיקרו-capsules של חומר מוליכים. כאשר סדקים בחיישנים, הקפסולות קרע לשחזר המשכיות חשמלית, להאריך את חיי השירות. מוקדם באמצעות קפסולות CNT מלא הראו את היכולת לשחזר 80–90% של רגישות מקורית לאחר נזק.

גבול נוסף הוא שילוב של מתח רגיש עם קציר אנרגיה. ⁇ פולימרים דיפואלקטריים ו nanogenerators triboelectric יכול במקביל למדוד מאמץ ו scavenge אנרגיה רטט, פוטנציאל כוח צמת חיישן אלחוטי ללא סוללות. a Flight שרטוטרטור על רכב אווירי קטן לא מאויש הראה כי סוחר PVDF יכול לייצר מספיק אנרגיה כדי להעביר קריאה כל 30 שניות במהלך טיסה נורמלית.

לבסוף, למידת מכונה וטכנולוגיות תאום דיגיטליות משנים את האופן שבו נתונים מתוחים מחיישנים מתקדמים מתפרשים.במקום להסתמך על אזעקה פשוטה של סף הסף, רשתות עצביות יכולות לנתח את הגלפור המלא של CNT או חיישנים גרפיים כדי לזהות זנים עדינים כי precede מבני כשלון בשילוב עם הרגישות הגבוהה של מדדים ננו-חומריים, גישה זו עשויה לאפשר חיזוי של חיי עייפות עם נחיתות הרבה יותר מאשר שיטות הנוכחיות.

מסקנה

החומרים המשמשים במדדי זנים מודרניים להנדסה אווירית עברו הרבה מעבר לסולם קבוע.פחמן ננו-בוטיקים, גרפן, פולימרים אדזואלקטריים, מסגרות מתכת-אורגניות, ו-סיליקון Carbide כל אחד מציע יתרונות נפרדים אשר מרחיבים את הגבולות של מה שניתן למדוד ולעקוב אחר פעילות מכנית ומערכת חללית יותר, בעוד אתגרים נשארים בעקביות ייצור, והסמכת, המסלול הוא ברור: הדור הבא של חיישנים רגישים יותר, והופכים להיות יותר, והופכים יותר, כלומר, יותר, יותר, על פני כלי רכב יציבים יותר, יציבים, והופכים יותר, והופכים יותר, תוך כדי שיפור יעיל יותר, תוך כדי שמירה על פני מערכת בריאותיים, תוך כדי שמירה על פני השטחיים, תוך כדי שמירה על פני השטח, תוך כדי שמירה על פעילות מכנית יותר, תוך כדי שמירה על פני השטח, תוך כדי שמירה על פעילות יעילה יותר, תוך כדי שמירה על פעילות גופנית יעילה יותר, תוך כדי שמירה על פני כלי רכב יציבים יותר, תוך כדי שמירה על פעילות מכנית יותר, תוך כדי שמירה על פעילות גופנית יעילה יותר, תוך כדי שמירה על פעילות גופנית יעילה יותר, בעוד אתגרים, בעוד אתגרים, תוך כדי שמירה על פעילות גופנית יעילה יותר, בעוד אתגרים בתחום יעיל יותר, בעוד אתגרים

(ב) ראו את הביקורת המקיפה של חיי זן ננו-חומריים שפורסמו ב-FLT:0) ,SensorsveFLT:1 ואת ההנחיות הספציפיות של אוויר-מרחב מ-FLT:2SAE InternationalearFLT 3: נאס"א (FLT:4Aeronautics Research Mission DirectorateFLT:5) שומרת גם על מידע נוכחי על תוכניות פיתוח חיישן.