高性能压电光纤传感器提供实时滑坡检测

由DGIST能源与环境技术部的Lim Sang-kyu博士领导的一个研究小组开发了一种智能光纤传感器，可以实时检测滑坡等自然灾害。这种新型纤维基于压电技术，可以将压力转化为电能。其三维（3D）结构显著提高了性能，有助于实现无需外部电源即可运行的自供电传感器系统。

研究结果发表在《高级功能材料》杂志上。

压电纤维在受压或弯曲时会发电。这些材料用于可穿戴设备、智能光纤传感器和能量收集设备。然而，传统的纤维结构具有多个空气层，这些空气层对性能的影响未知。因此，该结构限制了功率输出。

研究小组开发了一种新的纳米材料，钛酸锡纳米棒（SnTiO₃NR），他们使用聚偏二氟乙烯（PVDF）聚合物将其制成压电纤维。

纤维的横截面呈八叉状，类似于花瓣。它采用特殊的编织技术编织成两层重叠的3D双拉舍尔结构。在结构内，纤维之间形成空气层，有助于吸收冲击、传递压力和放大信号。

根据研究结果，当向5 cm×5 cm的区域施加1 Nm-2的压力时，光纤传感器可以产生高达92.8 V的电压和4.13 mA的电流，这足以在没有外部电源的情况下点亮22个LED。这种功率也足以运行日常传感器系统或小型电子设备。这表明，纤维结构的简单改变可以大大提高性能。

值得注意的是，功率输出是传统平面结构的两倍多，展示了高性能智能光纤的巨大潜力。

研究小组还使用光纤实现了一个基于蓝牙的实时滑坡检测系统，该系统可以在没有外部电源的情况下运行。该系统可以检测外力并无线传输数据。因此，它可用于各种领域，从检测大雨造成的山体滑坡等灾害迹象，到跟踪健康和运动记录。

Lim Sang-kyu博士评论道：“我们已经确定了可以提高压电纤维性能的结构和非结构因素。我们的研究可以为智能传感技术的发展做出贡献，该技术可用于先发制人地应对各种灾害，如大雨造成的山体滑坡。”