**论文解读：纸质阻抗传感器在层压木材中的多功能应用**

**研究背景与问题**

在可持续生产、结构健康监测（Structural Health Monitoring, SHM）和智能建筑系统领域，将传感器集成到层压结构中日益受到关注。工程木制品如胶合层压木（Glulam）因其优异的强度重量比、可持续性和易于预制化而广泛应用于承重结构。然而，传统传感器（如基于聚酰亚胺膜的叉指电极传感器）在嵌入胶粘层时存在诸多问题：其不透气性抑制水分蒸发，低热导率导致加热时间延长，并在整个生命周期中作为异物引起局部胶合不良。此外，开发既不影响胶合强度、又不引入不可分解材料的传感器系统仍是一个挑战。现有研究多聚焦于传感器制造和实验表征，缺乏将传感器响应与底层材料参数直接关联的模拟分析。同时，纸质传感器在木基层压板中的应变监测应用尚未得到充分验证，尤其在真实加载条件和微小变形下的实验验证仍然缺失。因此，本研究旨在解决两个关键问题：一是通过模拟方法从阻抗测量中估计胶粘剂在固化过程中的电学参数；二是验证相同的纸质电容传感器在固化后能否可靠地用于变形监测，实现产品全生命周期的多功能传感。

**研究内容与结论**

研究人员采用结合实验与模拟的方法，对嵌入木胶层的纸质阻抗传感器进行了全面分析。首先，建立了胶粘剂固化实验的有限元（Finite Element, FE）模型，结合最小二乘拟合程序，从频率相关阻抗测量中识别出胶粘剂随时间变化的电导率和介电常数。结果表明，二维模型与三维模型高度一致，且识别出的参数在固化过程中呈现平滑且物理合理的趋势，证实了该方法的有效性。其次，将同一传感器重新用于变形传感，在位移控制循环弯曲实验中对层压木试件进行测试，并与力、位移和应变参考测量对比。结果显示，传感器输出信号与施加的力呈近似线性关系，在反复加载循环中保持稳定，无显著滞后效应，表明传感器对弯曲诱导应变具有足够灵敏度。论文发表在《Sensors and Actuators A: Physical》。

**主要关键技术方法**

本研究采用的关键技术方法包括：1）基于有限元模拟（FE Model）的胶粘剂电参数估计，利用二维周期单元模型降低计算成本，并通过最小二乘拟合从实验阻抗数据中提取电导率和介电常数；2）Wheatstone半桥电路配置，用于提高嵌入式传感器微小阻抗变化的检测灵敏度，并与西门子SCADAS Mobile数据采集系统连接；3）位移控制循环弯曲实验，使用电机械伺服缸施加弯曲变形，并借助力传感器、激光位移传感器和表面应变片（CEA–06–250UWA–350）作为参考测量系统，验证传感器响应。所有木材样本均为三层云杉板，传感器嵌入商业水性白胶胶粘层中。

**研究结果**

**2. 基于仿真的胶粘剂电参数估计**

**2.1 有限元模型**：建立了二维有限元模型，利用叉指电极的周期性简化计算域，包含木材基底和胶粘层两个材料域，木材电学参数固定，胶粘层参数待识别。模型基于电准静态Maxwell方程，采用复介电常数描述材料行为，并通过施加电势和接地边界条件计算阻抗。

**2.2 二维有限元模型验证**：通过与三维模型对比，验证了二维模型的准确性。在相关频率范围内，二维模型与三维模型的阻抗幅值平均相对偏差仅为0.5%，表明二维近似足够精确。

**2.3 结果**：对固化过程中不同时间点的阻抗测量数据进行最小二乘拟合，识别出胶粘剂的电导率和介电常数随时间的变化。结果显示，固化早期这两个参数均显著下降，后期趋于缓慢；两者变化趋势相似，且模拟结果与实验数据高度吻合，证实了模型的有效性。

**3. 嵌入式纸质阻抗传感器变形传感的实验研究**

**3.1 变形检测的结构设置**：设计了多层胶合木梁，在对称胶粘层中嵌入两个Sen-PZ1传感器，实现差分测量，以建立电信号与机械变形的关系。

**3.2 试件制造**：使用三层云杉板，涂覆商业水性白胶，在指定位置放置传感器，并用银导电膏建立电气连接，环氧树脂固定导线，热熔胶提供应力释放，最后在室温下加压固化数天。

**3.3 机械加载设置**：采用电机械伺服缸进行位移控制循环弯曲，试件两端夹具对称固定，中央通过钢压头加载，产生重复循环变形。

**3.4 参考测量系统**：使用力传感器、激光位移传感器监测载荷和位移；表面应变片安装在粘合钢片上以提供准确应变读数，克服木质表面粗糙问题。

**3.5 纸质传感器测量系统**：嵌入式传感器连接成Wheatstone半桥，输出信号经SCADAS Mobile系统采集，通过差分电压反映阻抗变化。

**3.6 实验结果**：在最大压头位移4mm和6mm的循环加载下，嵌入式传感器输出与力、位移和应变信号高度一致。传感器信号在加载阶段上升，保持阶段稳定，卸载后恢复，且随加载幅度增大而比例增加，表明近似线性响应。与应变片测量对比，两者随时间变化趋势吻合，证实传感器对弯曲应变的灵敏度。尽管存在数据采集系统输入阻抗限制，但信号噪声比足够高，可清晰分辨变形引起的信号变化。

**讨论与结论**

研究结果表明，纸质阻抗传感器可成功集成到层压木结构中，并在材料生命周期不同阶段（从胶粘剂固化表征到服役期变形监测）发挥多功能作用。该传感器概念为实现可持续、低成本、可集成的木结构健康监测系统提供了有前景的基础。未来工作将聚焦于优化高阻抗读出电子设备、扩展实验验证，以及部署传感器网络以实现空间分辨监测。研究结论部分翻译如下：本研究探讨了嵌入式纸质阻抗传感器在层压木结构中的多功能应用，涵盖了胶粘剂固化表征和后续变形传感。通过建立基于有限元模拟的参数估计框架，成功识别了固化过程中胶粘剂的电导率和介电常数演变。实验验证表明，同一传感器在固化后可作为变形传感元件，其信号与力、位移和应变数据高度吻合，且具有近似线性响应和良好重复性。该研究证明了纸质阻抗传感器在木基建筑构件结构健康监测中的潜力。