第一作者：胡凤鸣
通讯作者：罗坚义、陈智明
通讯单位：五邑大学应用物理与材料学院、柔性传感材料与器件研究中心；中南大学教育部交通运输工程学院交通安全轨道重点实验室；五邑大学轨道交通学院；五邑大学轨道交通智能制造学部；五邑大学-广东天物新材料科技有限公司柔性传感技术联合实验室
背景介绍及内容概述
随着世界各地高速列车的发展，列车的速度不断打破记录，空气动力学问题变得越来越严重。高速列车的空气动力学问题包括空气阻力、空气横向力、两列列车相遇产生的气压脉冲、隧道压力波等，极大地影响了列车的运行安全和乘客的乘坐舒适性。为了保证列车的安全运行，必须加强空气动力学试验和分析。因此，气压传感器作为空气动力学测试的主导工具，有望具有超薄、目标线性范围内的高灵敏度、环境稳定性和机械鲁棒性等综合特性，以确保实时准确监测列车在复杂恶劣环境中的空气动力学信息。目前用于高速列车空气动力测试的气压传感器基于微机电系统(MEMS)，它集成了纳米级和微米级尺寸的电气和机械组件。开发出来的MEMS压力传感器，具有体积小、迟滞低、信噪比高、功耗低、与电路集成能力强等优点。由于这些优点，基于MEMS的压力传感器广泛应用于消费电子、医疗设备、航空航天和轨道交通，但与航空航天相比，轨道交通有其自身的空气动力学特性，如列车长径比大、列车与地面耦合作用强、列车穿越各种桥梁和隧道、两列列车在开放线路上的交叉口或在隧道中，以及在风、雨或雪中运行的火车。这些空气动力学特性在列车表面气流场上呈现出不同的压力幅度，期望在目标线性范围内具有高灵敏度的相应传感器。然而，基于单一类型 MEMS的压力传感器往往具有单一的工作范围，其线性范围难以调整。此外，基于MEMS的压力传感器通常制造为600-1000μm的厚度，这对列车的表面气流场造成了不可忽视的影响。同时，传感器必须具有高可靠性才能在恶劣环境中进行测量，而基于MEMS 的压力传感器不可靠的原因有多种，包括机械冲击、过载、应力腐蚀开裂、材料疲劳和使用环境的污染（如尘埃颗粒和水滴）。这些常见的故障机制也阻碍了应用于高速列车空气动力学测试的新兴柔性气压传感器。因此，尽管每年都有大量基于 MEMS 的压力传感器被设计和制造，但实际上只有一小部分成功地应用于汽车系统、高速列车的空气动力学领域。因此，开发一种超薄、在目标线性范围内具有高灵敏度、防水并且对高速列车的空气动力学测试具有抗冲击性的可靠气压传感器具有显着的挑战性。
鉴于此，五邑大学物院柔性传感研究中心罗坚义团队针对高速列车的空气动力学测试，提出了一种高可靠的超薄气压传感器。基于碳纤维束的横向压敏特性，构建了一个密封微腔结构模型，用于传感器获取气压信号。传感器的线性范围可以通过密封微腔的初始内部压力进行调整，以获得目标范围内的高灵敏度。此外，密封微腔结构的传感器可以在水中工作至少500分钟，即使在受到汽车撞击后也能保持工作，这说明该传感器同时实现了优异的防水和抗冲击性能，证明了该传感器的高可靠性。我们通过将该传感器成功应用于列车空气动力学监测，进一步证明了这种可靠性。这种基于碳纤维束和密封微室结构的气压传感器在高速列车空气动力学测试中具有很大的应用前景。本文以“Waterproof, Anti-Impacted, and Ultrathin Carbon-Based Air Pressure Sensors Toward Aerodynamic Tests on High-Speed Trains”为题发表在Advanced engineering materials期刊，并被该期刊选为封面论文。
图1 封面论文
图2 面向高速列车空气动力学测试的碳基柔性气压传感器 a)柔性超薄气压传感器结构示意图；b)柔性超薄气压传感器的工作原理。
论文具体内容
图3 柔性超薄气压传感器的线性范围调节机制 a)微腔室内初始气压的三种典型控制模式；b)在三种典型模式下，气压传感器线性范围的预测情况；c)在三种典型模式下，气压传感器响应区间的实际测量。
图4 气压传感器的传感性能 a)气压传感器对气压响应的电阻变化率。b）加载-卸载的恢复试验。c)在130个循环中反复加载-卸载时器件电阻变化率的实时变化。
图5 防水、抗冲击特性试验 a)在去离子水中工作的柔性超薄气压传感器；b)重复加载-卸载时水下传感器电阻变化率的实时变化。c)柔性超薄气压传感器抗冲击试验照片；d)柔性超薄气压传感器在被车轮碾压时的特写摄影；e)人手指按压时柔性超薄气压传感器的特写摄影；f)柔性超薄气压传感器在人指按压和汽车碾压条件下电阻变化率的实时变化。
图6 列车空气动力学试验的测量装置 a)列车传感器布局的侧视图和俯视图；b）2号车架上传感器的实际布局；c)列车外表面传感器的特写摄影，以及传感器轮廓中的光学显微镜图像。
图7 列车空气动力学试验 a)列车路线图；b)列车速度和R2测试点表面压力的实时变化。
总结与展望
本文开发了一种防水、抗冲击、柔性超薄气压传感器用于高速列车空气动力学测试。该传感器基于碳纤维束传感材料和密封微腔结构，使得传感器能够调节其线性范围，从而在目标范围内实现高灵敏度。该传感器迟滞小，且具有动态耐久性，在130次加卸载循环后，其电阻变化可以忽略不计。此外，该传感器在完全浸泡于去离子水中保持良好的动态耐久性，并在被一辆重1550 kg的汽车碾压后保持完好，表明其防水和抗冲击的性能。最后，该传感器通过在列车表面压力实时监测中的成功应用，展示了其在高速列车的空气动力学测试方面的巨大前景。
作者及团队介绍
第一作者：胡凤鸣，女，五邑大学应用物理与材料学院信息与通信工程专业在读硕士研究生。
通讯作者：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任五邑大学应用物理与材料学院院长，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心主任（创始人），广东省杰出青年基金获得者，国家重点研发计划智能传感重点专项会评专家，南粤优秀教师, 江门市首届 “侨乡青年榜样”，江门市优秀科技工作者。主要研究领域包括：柔性传感材料与器件应用（柔性触觉传感、温度传感、气压传感和弯曲传感等）；纳米功能材料合成；智能调光变色材料与器件。
文献及DOI号：
Waterproof, Anti-Impacted, and Ultrathin Carbon-Based Air Pressure Sensors Toward Aerodynamic Tests on High-Speed Trains
DOI: 10.1002/adem.202101781
