高灵敏度、柔性、无线、无源的LC温度传感器，配备双敏感单元，用于轴承监测

《Sensors and Actuators A: Physical》：Highly Sensitive Flexible Wireless Passive LC Temperature Sensor with Dual-Sensitive Units for Bearing Monitoring

提出一种基于铁氧体螺旋电感和聚酰亚胺互电极的双敏感单元无线无源LC温度传感器，解决了金属环境中轴承温度监测的灵敏度不足和弯曲频率漂移问题。通过铁氧体的温度依赖磁导率和聚酰亚胺介电特性的协同作用，实现305.45 kHz/°C的高灵敏度，抗弯曲稳定性优异，最大读取距离达29 mm，为工业设备健康监测提供新方案。

　　无线被动LC传感器在金属轴承状态监测中的应用存在一定的局限性，主要表现在温度敏感度不足以及机械弯曲导致的频率漂移问题。针对这些挑战，研究人员提出了一种创新的双传感单元LC温度传感器，该传感器结合了螺旋电感器与叉指电极结构。这种设计不仅提高了温度检测的灵敏度，还有效抑制了机械弯曲引起的频率漂移，从而实现更加稳定和精准的温度监测。

该传感器的电极结构被制作在聚酰亚胺（PI）基板上，并且集成了磁性薄膜。通过微电子喷涂和印刷工艺，该传感器能够在柔性基板上实现高精度的制造。双传感单元的结构是该传感器的核心创新点，与传统单传感单元的LC传感器相比，它能够同步调整电感和电容，从而实现温度敏感性的协同增强。此外，这种设计还能够在机械弯曲条件下，利用电感和电容的相反变化趋势，实现频率漂移的自我抵消，提高传感器在复杂环境下的稳定性。

在金属环境中，无线被动LC传感器面临着电磁屏蔽干扰的问题，这会显著降低其性能。为了克服这一问题，该传感器引入了磁性薄膜，从而提高了磁耦合效率，并有效抑制了电磁屏蔽效应。这种改进使得传感器在金属环境中的最大读取距离达到29毫米，比无磁性材料的传感器提升了12毫米。这不仅增强了传感器的实用性，还使其能够在实际工业设备中实现长期、稳定的监测。

在实际应用中，该传感器能够保持出色的稳定性与重复性，无论是在机械弯曲、热循环、湿度变化还是机械应力等复杂条件下，都能提供可靠的温度数据。这种性能使其成为一种适用于工业设备中关键部件如轴承状态监测的高灵敏度解决方案。通过这种创新设计，研究人员为未来的多功能集成提供了基础，特别是在构建全面的无线监测系统方面具有重要的工程价值。

在工业系统中，轴承状态监测对于设备的可靠性与安全性至关重要。温度变化是导致轴承故障的主要因素之一，尤其是在高温环境下，轴承的热应力会显著增加，从而导致设备运行不稳定甚至发生意外停机。因此，开发一种能够同时监测温度与机械应力的多功能传感器，对于实现对关键部件的全面评估具有重要意义。目前，虽然已有多种高性能压力传感器被开发出来，如基于多孔PDMS的压阻传感器和适用于恶劣环境的聚酰亚胺涂层传感器，但将这些传感器与高性能无线被动温度传感器集成在单一平台上仍然面临诸多挑战，例如信号串扰和性能一致性问题。

无线被动LC传感器因其结构简单、无需内置电源或物理连接，展现出优异的环境适应性与应用灵活性。这些特性使其在许多前沿领域中得到广泛应用，如生物医学、智能包装、可穿戴设备等。在轴承状态监测领域，LC传感器能够有效避免传统有线传感器所面临的结构限制，提供了一种新的实时监测方法。然而，其在金属环境中的应用仍然存在一些问题，如电磁屏蔽干扰、温度敏感度较低以及机械弯曲导致的频率漂移。

电磁屏蔽干扰是金属环境中LC传感器面临的主要挑战之一。由于金属材料的导电性，LC传感器在金属环境中的信号传输会受到显著影响，导致读取信号被屏蔽，从而降低其检测精度。为了克服这一问题，研究人员在传感器中引入了磁性薄膜，这种材料能够提高温度依赖性的磁导率，从而增强磁耦合效率。同时，磁性薄膜还能够有效抑制电磁屏蔽效应，使得传感器在金属环境中的性能得到显著提升。

此外，温度敏感度是LC传感器性能的重要指标之一。现有的LC温度传感器在温度敏感度方面存在一定的局限，通常只能达到100 kHz/°C以下。为了进一步提高温度敏感度，研究人员开发了一种基于双传感单元的LC温度传感器，该传感器通过集成磁性材料与柔性基板，实现了温度敏感性的协同增强。这种设计不仅提高了温度检测的灵敏度，还能够在不同温度范围内保持稳定的响应。

该传感器的温度范围覆盖了-40℃至140℃，这正好对应了轴承在实际运行中的常见环境条件。为了验证该传感器的性能，研究人员在恒温恒湿箱中对两种类型的LC传感器进行了温度敏感度实验，以研究其在不同热环境下的频率变化模式。实验过程中，温度稳定性保持在±0.5℃范围内，而相对湿度则固定在40% RH，以确保实验结果的准确性。

在实验结果中，该传感器的温度敏感度达到了305.45 kHz/°C，这是在40℃至100℃操作范围内的显著提升，相比没有磁性材料的传感器，其性能提升了2.5倍。这一成果表明，该传感器在金属环境中的应用具有较高的实用价值。同时，该传感器在机械弯曲条件下的频率漂移被有效抑制，其漂移量仅为4.15 MHz，远低于传统LC传感器的漂移水平。

该传感器的设计不仅提升了温度检测的灵敏度，还增强了其在复杂环境下的稳定性。这种稳定性使其能够适用于各种工业场景，如高温、高湿、高机械应力等。同时，该传感器的重复性也得到了验证，无论是在不同的弯曲程度、温度变化还是湿度波动下，其都能保持一致的检测结果，从而确保监测数据的可靠性。

在实际应用中，该传感器的制造工艺采用了微电子喷涂和印刷技术，这使得其能够在柔性基板上实现高精度的制造。这种制造方法不仅降低了生产成本，还提高了传感器的可扩展性，使其能够适用于大规模生产。同时，该传感器的结构设计使其能够适应不同的弯曲程度，从而在实际应用中保持良好的性能。

通过这种创新设计，研究人员不仅解决了无线被动LC传感器在金属环境中的电磁屏蔽问题，还提高了其温度敏感度与频率稳定性。这种改进使得该传感器能够在工业设备中实现长期、稳定的监测，为轴承状态监测提供了新的解决方案。同时，该传感器的制造工艺也体现了其在实际应用中的灵活性，使其能够适应不同的环境条件。

综上所述，该研究工作为无线被动LC温度传感器在金属环境中的应用提供了新的思路。通过双传感单元的设计，该传感器在温度敏感度与频率稳定性方面实现了显著提升，同时有效抑制了机械弯曲引起的频率漂移。这种创新不仅提高了传感器的性能，还增强了其在实际工业场景中的适用性。未来，该传感器有望成为工业设备中关键部件状态监测的重要工具，为实现更加智能化、自动化的设备管理提供技术支持。