水下目標(biāo)探測(cè)是海洋技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，涵蓋科學(xué)研究（例如海洋生物學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)）、工業(yè)（例如對(duì)采礦和油田開采作業(yè)進(jìn)行水下監(jiān)視）和軍事（例如威脅檢測(cè)）等多個(gè)場(chǎng)景。例如，通過監(jiān)測(cè)特定水域中海洋生物發(fā)出的信號(hào)，可以對(duì)種群進(jìn)行分類，識(shí)別外來物種，保護(hù)區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的平衡。然而，介質(zhì)衰減、信號(hào)干擾以及不同的水域環(huán)境等影響使得非接觸水下目標(biāo)探測(cè)面臨巨大的挑戰(zhàn)。

本研究制備了一種可用于水下目標(biāo)探測(cè)的自粘附壓力傳感器，其由混合構(gòu)型碳納米管陣列制備而成，包括陣列和非陣列兩個(gè)部分。由于陣列部分在壓力作用下致密的管間接觸，其可實(shí)現(xiàn)水下18 mPa的微弱壓力信號(hào)檢測(cè)，在18 mPa-178 mPa壓力探測(cè)范圍內(nèi)保持99.82%的線性度。此外，非陣列部分表現(xiàn)出23.24 N/cm2的剪切粘附強(qiáng)度，使得傳感器可以在運(yùn)行速度為10公里/小時(shí)的載體上保持穩(wěn)定。結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該傳感器可以對(duì)不同的水下目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，為非接觸式壓力檢測(cè)和水下目標(biāo)識(shí)別提供了新的可能。

水下目標(biāo)探測(cè)可以分為主動(dòng)探測(cè)（發(fā)射主動(dòng)信號(hào)并接收反射信號(hào)）和被動(dòng)探測(cè)（探測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生的信號(hào)）兩種。主動(dòng)探測(cè)具有成像分辨率高、噪聲干擾低等優(yōu)點(diǎn)，但該方法需要大功率信號(hào)源來發(fā)射信號(hào)，加重了供電系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，并且增加了暴露的風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)而言，被動(dòng)探測(cè)更加隱蔽，功耗低且可大范圍鋪設(shè)，是一種理想的隱蔽式探測(cè)方案。然而，被動(dòng)式水下非接觸式壓力探測(cè)的研究仍相對(duì)少見。

本研究成功制備了一種具有超低檢測(cè)下限的自粘附壓力傳感器，為水下目標(biāo)的非接觸式遠(yuǎn)距離探測(cè)提供了重要解決方案。其基于混合構(gòu)型碳納米管制備而成，在有離子存在的液體環(huán)境中，碳納米管表面會(huì)吸附離子形成雙電層，在壓力作用下，碳納米管發(fā)生彎曲變形，管與管之間發(fā)生接觸，所吸附的離子發(fā)生遷移，產(chǎn)生電勢(shì)變化，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè)。

相較于單一構(gòu)型的陣列碳納米管和非陣列碳納米管，混合構(gòu)型碳納米管結(jié)合了陣列碳納米管在傳感性能方面和非陣列碳納米管在粘附方面的優(yōu)勢(shì)。并且，由于混合構(gòu)型碳納米管中非陣列部分的彈性模量低于陣列部分的彈性模量，在施加預(yù)壓力將自粘附壓力傳感器粘附在基底的過程中，非陣列部分先發(fā)生變形，與載體形成牢固的貼合。而陣列部分由于彈性模量較高，其在預(yù)壓力作用下仍然保持了高度的取向結(jié)構(gòu)，為傳感器在壓力作用下致密的管間接觸提供了保障，從而獲得更高的壓力輸出響應(yīng)。

結(jié)果分析

基于混合構(gòu)型碳納米管制備的自粘附水下壓力傳感器的剪切粘附強(qiáng)度達(dá)到23.24 N/cm2,法向粘附強(qiáng)度達(dá)到5.05N/cm2，經(jīng)過28天水下浸泡后，其粘附強(qiáng)度保持率仍然在80%以上，并且可以實(shí)現(xiàn)在石英、不銹鋼、亞克力、玻璃和銅基底上的粘附。

得益于混合構(gòu)型碳納米管中陣列部分對(duì)于壓力的高靈敏響應(yīng)，其可實(shí)現(xiàn)18 mPa-178 mPa范圍內(nèi)微弱壓力信號(hào)的響應(yīng)，在40m水深范圍內(nèi)可保持性能穩(wěn)定。結(jié)合其1-10Hz范圍內(nèi)的頻率穩(wěn)定性和在垂直方向的指向性，通過組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，其可實(shí)現(xiàn)水下不同目標(biāo)的識(shí)別和所在位置的判斷。

結(jié)合人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，自粘附水下壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的識(shí)別。通過采集不同目標(biāo)產(chǎn)生的信號(hào)，根據(jù)不同目標(biāo)產(chǎn)生的信號(hào)在傳輸過程中頻率不會(huì)變化這一特點(diǎn)，依據(jù)其特征頻率的不同，自粘附水下壓力傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)的識(shí)別。

總之，本研究開發(fā)了一種自粘附水下壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水下目標(biāo)的非接觸檢測(cè)?；旌蠘?gòu)型碳納米管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效地解決了傳感和粘合功能之間的權(quán)衡，從而實(shí)現(xiàn)了安全的固定和18 mPa的超低檢測(cè)下限。此外，由于陣列部分高度的取向性，該傳感器表現(xiàn)出穩(wěn)定的頻率響應(yīng)和垂直方向的指向性。并且其剪切粘結(jié)強(qiáng)度為23.24 N/cm2，可承受高達(dá)1.67 L/S的水壓沖擊和10 km/h的高速運(yùn)行試驗(yàn)，在復(fù)雜的水下環(huán)境中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。通過與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，其還可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同模擬水下目標(biāo)的移動(dòng)識(shí)別，為非接觸式、遠(yuǎn)距離水下目標(biāo)探測(cè)提供了新的可能。

來源：傳感器專家網(wǎng)