面向结构健康监测的新型内置式3D打印电容传感器设计与差分测量算法研究

《IEEE Transactions on Medical Imaging》：Design of a Novel Built-in 3-D-Printed Sensor for Structure Health Monitoring

本刊推荐：为解决复合材料结构健康监测(SHM)中传感器集成困难、环境干扰大等问题，研究人员开展基于多材料3D打印的电容式传感器研究。通过弹簧-质量系统建模优化谐振频率（fresonance），提出差分测量架构与算法有效抑制环境电容干扰（δ(t)）。实验表明该传感器可实现振动（10-160 Hz）、加速度（分辨率128 mg rms）等多场景感知，为认知超材料（cognitive metamaterials）和工业自动化提供低成本定制化解决方案。

　　

在工业4.0浪潮中，物理世界与数字世界的深度融合对结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）提出了更高要求。航空航天领域的智能发动机、复合材料的广泛应用，虽然带来了轻量化优势，但其内部微观损伤在冲击载荷下极易扩展，传统无损评估（NDE）方法如C扫描和X射线检测存在时间滞后性，难以实现实时监测。现有传感器集成方案往往需要预留电子元件空间，导致结构出现“伤口效应”（effect of the wound），或使用压电材料（PZT）时存在迟滞和非线性问题。如何实现传感器与结构的一体化集成，并保证高精度抗干扰能力，成为制约认知结构发展的关键瓶颈。

针对这一挑战，Caoyu Xie等研究人员在《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》发表论文，提出了一种基于多材料3D打印的新型内置式传感器。该研究通过将导电聚乳酸（PLA）与绝缘材料结合，制造出包含弹簧-质量系统的开放式框架电容传感器，利用平行板电容原理（C=εA/d）将机械运动转换为电容变化。创新性地引入差分测量架构与算法，有效抑制了环境电容和电磁干扰，实现了振动、位移和加速度的多功能感知，为结构健康监测提供了低成本、可定制的一体化解决方案。

关键技术方法主要包括：1）通过欧拉-伯努利梁理论建立对称梁-质量结构模型，推导谐振频率公式（f_resonance=t/l2·√(E/(2π2ρ))·1/√(AB+1)）以优化工作频率范围；2）采用双通道差分电容设计（上下电极间距d_u=301μm、d_l=289μm），通过算法消除环境干扰项δ(t)和系统偏移S；3）使用熔融沉积建模（FDM）技术实现传感器一体化制造，验证了从设计到成型的全流程可行性。

传感器概念设计与建模

研究人员将传感器设计为包含中心活动质量块和上下固定电极的平行板电容器。通过仿真优化抑制高阶振动模式，确保质量块仅沿y轴上下运动。将对称梁-质量结构简化为弹簧-质量系统，推导出刚度k_eq和共振频率的解析表达式，为几何参数优化提供理论依据。在加速度传感模型中，将系统简化为弹簧-质量-阻尼器模型，推导出加速度与电容板间距变化量Δd的线性关系（a=k/m·Δd）。

差分测量架构创新

为克服3D打印传感器缺乏电磁屏蔽的缺陷，团队设计了双电容差分架构。将中心质量块改为绝缘材料分隔的上下导电面，形成两个共轭电容器。通过建立测量值ξ_i(t)=C_i-ΔC_i(t)+δ(t)+S_i的数学模型，开发出可实时消除环境干扰和系统偏移的算法，使位移测量精度显著提升。

制造与实验验证

实验使用基础版本（图1）和带配重的优化版本（图6b）进行验证。振动传感实验通过激振器产生10-160 Hz周期性振动，电容信号经快速傅里叶变换（FFT）分析显示与输入频率完美线性相关（R2=1）。频率扫描实验在130 Hz共振点附近观察到异常响应，证实了模型对工作频率范围的准确预测。

加速度传感性能验证

通过线性导轨滑块实验（图8）生成可控加速度，使用商用加速度计（LPMS-B2）作为基准。差分算法处理后的电容数据（图12）有效滤除了低频波动，重建的加速度与参考值线性回归斜率接近1（均值偏差0.013），决定系数R2约0.9。传感器灵敏度达1.299 μm/g，动态范围≥32.0 dB，但瞬态高加速度阶段存在较高方差（标准偏差1.77），表明结构对冲击响应的非线性特性。

研究结论表明，这种3D打印传感器成功实现了结构集成与多功能感知的平衡，差分测量方法有效提升了抗干扰能力。尽管在快速瞬变激励下存在响应滞后和非线性问题，且长期可靠性仍需验证，但该技术为认知超材料（cognitive metamaterials）和工业自动化提供了新的技术路径。未来研究将通过有限元分析（FEA）引入几何非线性模型，优化梁-质量结构的鲁棒性，进一步提升传感器在复杂工况下的适用性。这项工作是增材制造技术在机电一体化领域的重要突破，为嵌入式传感系统的低成本定制化开发奠定了坚实基础。