結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感技術(shù)淺析

王宗鵬 欒云斐 李 鑫

（青島理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，山東 青島 266033）

0 引言

實(shí)時(shí)監(jiān)測和評(píng)估道路、橋梁、住宅建筑、大壩等土木工程基礎(chǔ)設(shè)施的狀況，并能預(yù)測未來的損傷，降低危害發(fā)生的可能性，可極大地減少直接或間接的經(jīng)濟(jì)損失。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)施的狀態(tài)，在于識(shí)別結(jié)構(gòu)損傷的能力。過去，損傷檢測以無損檢測和人工目測方法為主，但在面對(duì)結(jié)構(gòu)整體及復(fù)雜的特殊部位檢測時(shí)則難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確監(jiān)測。

在傳統(tǒng)檢測方法難以實(shí)現(xiàn)的條件下，SHM（Structural Health Monitoring）系統(tǒng)的出現(xiàn)，為其提供了一個(gè)近實(shí)時(shí)在線損傷評(píng)估的新策略。SHM是通過自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)實(shí)施損傷預(yù)測和健康評(píng)估策略的工具。SHM使用傳感系統(tǒng)及相關(guān)硬件和軟件設(shè)施來監(jiān)測工程結(jié)構(gòu)的性能和運(yùn)行環(huán)境，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨時(shí)間變化的觀察，使用周期性采樣的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和來自傳感器陣列的操作環(huán)境測量，然后評(píng)估結(jié)構(gòu)的當(dāng)前狀態(tài)和未來性能。

在SHM中傳感器系統(tǒng)合理的位置安裝，可以收集結(jié)構(gòu)部件溫度、濕度、撓度及應(yīng)變等性能參數(shù)，后經(jīng)過傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳至計(jì)算機(jī)處理，并實(shí)現(xiàn)可視化，最后經(jīng)技術(shù)人員將監(jiān)測數(shù)據(jù)與閾值進(jìn)行比較，以診斷結(jié)構(gòu)的變化。

本文將基于對(duì)傳感器系統(tǒng)的研究，探究傳感器系統(tǒng)在SHM中的應(yīng)用策略，對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康的高效監(jiān)測提供支持。

1 傳感器類型

較早的基于傳感器的結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域和飛機(jī)結(jié)構(gòu)的健康狀況檢測領(lǐng)域[3]，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，與之配套的各種特性的傳感器也在不斷發(fā)展。

（1）應(yīng)變計(jì)傳感器由支撐金屬箔圖案的絕緣性襯墊組成，用于監(jiān)測物體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變特性，以評(píng)估基礎(chǔ)設(shè)施的當(dāng)前狀況和裂縫檢測。常見的應(yīng)變計(jì)傳感器有電阻應(yīng)變計(jì)傳感器、振弦式應(yīng)變計(jì)傳感器和光纖Bragg光柵應(yīng)變器[4]。光纖Bragg光柵由短段光纖構(gòu)成，通過反射特定波長的光，并在特殊設(shè)計(jì)的介質(zhì)鏡的折射中產(chǎn)生周期性變化來傳輸信號(hào)，是目前較為先進(jìn)的應(yīng)變傳感器類型。Li等人開發(fā)并試驗(yàn)了一種具有獲得有效平均應(yīng)變或宏觀應(yīng)變分布能力的分布式長規(guī)格光纖傳感系統(tǒng)，并應(yīng)用于民用基礎(chǔ)設(shè)施鋼結(jié)構(gòu)彎曲狀況的監(jiān)測[5]。光纖應(yīng)變計(jì)傳感器優(yōu)點(diǎn)在于不受電壓浪涌、射頻干擾和電磁干擾的影響，但因?yàn)檫@種傳感器會(huì)對(duì)溫度和應(yīng)變做出反應(yīng)，所以光纖應(yīng)變計(jì)傳感器面臨溫度和應(yīng)變之間的交叉靈敏度問題。

（2）線性位移和位置測量傳感器已用于測量地質(zhì)滑坡、基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)位移和設(shè)施裂縫損傷寬度的監(jiān)測。類型包括線性可變差動(dòng)變壓器和直流差動(dòng)變壓器。線性可變差動(dòng)變壓器是一種用于線性位移測量的磁性位置傳感器，由于其具有高分辨率、精度和良好的重復(fù)性，Navarro V等人利用固定在桑托斯莫西略湖床立柱上振弦式裂紋監(jiān)測器，監(jiān)測并獲得連續(xù)的裂縫張開數(shù)據(jù)[6]。

（3）熱敏電阻器和電阻溫度檢測器是使用廣泛的溫度監(jiān)測傳感器，以檢測結(jié)構(gòu)熱脹冷縮背后的溫度數(shù)據(jù)。柔性電阻溫度檢測器是最常見的溫度檢測傳感器，廣泛應(yīng)用于監(jiān)測與人類活動(dòng)有關(guān)的溫度變化中。Zhang等人利用電阻溫度檢測器以監(jiān)測瀝青路面溫度變化[7]。環(huán)境傳感器，即濕度傳感器，用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)或建筑物表面的相對(duì)濕度。結(jié)構(gòu)的濕度通常與作為侵蝕性離子（如氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽和銨）傳輸介質(zhì)的水的進(jìn)入有關(guān)。2001年，瑞士的研究人員首次報(bào)告了使用光纖Bragg光柵傳感器進(jìn)行濕度傳感的情況[8-9]。

（4）傾斜傳感器廣泛使用于基礎(chǔ)設(shè)施，尤其是橋梁組件的旋轉(zhuǎn)變化監(jiān)測中。類型包括振弦式傾斜儀和電解式傾斜儀。Zhang F等人在俄亥俄州和肯塔基州Ironton-Russell大橋頂部安裝了一部振弦式傾斜儀以監(jiān)測不同構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)變化，并通過監(jiān)測到的數(shù)據(jù)分析了發(fā)生的重要事件[10]。

（5）動(dòng)態(tài)承重（WIM）傳感器技術(shù)在橋梁健康監(jiān)測和超重汽車執(zhí)法中發(fā)揮著越來越重要的作用，動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)用于獲取重型車輛的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)重量，以保護(hù)和管理橋梁、路面和其他基礎(chǔ)設(shè)施。WIM傳感器類型主要有壓電式WIM傳感器、彎曲板WIM傳感器、稱重傳感器WIM傳感器、光纖WIM傳感器等。壓電式WIM傳感器類型是最便宜，但堅(jiān)固性和精確性不如彎板式WIM傳感器，彎板系統(tǒng)需要相當(dāng)長的安裝時(shí)間，且壽命不長。應(yīng)變測量稱重傳感器系統(tǒng)比彎板系統(tǒng)更精確、更堅(jiān)固，但也更昂貴。光纖WIM傳感器是一種很有前途的路面監(jiān)測新技術(shù)，Lydon，M等人基于自蔓延光纖傳感的優(yōu)勢(shì)，開發(fā)了第一個(gè)全光纖動(dòng)態(tài)承重傳感器[11]。

（6）超聲波探傷儀主要是利用超聲波漫反射為SHM提供一種全面的損傷檢測策略，在結(jié)構(gòu)裂縫損傷、腐蝕等監(jiān)測中應(yīng)用廣泛。Kazakov.VV研究了采用非線性調(diào)制裂紋檢測方法的超聲波探傷儀[12]。光纖傳感器具有重量輕、體積小、可嵌入性好、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，因此，長期以來被認(rèn)為是一種理想的SHM傳感解決方案。最近，Agarwal等人提出了光纖超聲波傳感器水管裂紋檢測的方法，表明聲波頻率是裂紋尺寸的函數(shù)，可以通過捕獲100kHz頻率聲波檢測到較大裂紋[13]。

以上對(duì)SHM中各種應(yīng)用條件下的傳感器及傳感器類型，部分傳感器性能和在具體案例中的應(yīng)用做了介紹。通過研究發(fā)現(xiàn)，傳感設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸、工作頻率、功耗等方面可靠性取決于所使用的傳感材料的質(zhì)量和傳感器技術(shù)。

2 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供了在整個(gè)結(jié)構(gòu)生命周期內(nèi)將數(shù)據(jù)從傳感器輸出到服務(wù)器或基站的機(jī)會(huì)。傳感器網(wǎng)絡(luò)包括有線和無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。有線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用較少，多應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)；無線的傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有許多功能，包括半載微處理器、傳感能力、無線通訊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。而能耗、成本問題是當(dāng)前傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要持續(xù)優(yōu)化的方向，面對(duì)通常由多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成的SHM系統(tǒng)，減少傳感器能耗既可以更好地進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，又可以減少維護(hù)費(fèi)用。

2.1 有線傳感器網(wǎng)絡(luò)

有線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在實(shí)際中應(yīng)用較少，但目前的幾個(gè)SHM傳感器仍然采用傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于從許多結(jié)構(gòu)位置收集數(shù)據(jù)。孫等人提出一種基于電力線的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)煤炭開采生產(chǎn)安全需求提出采用LonWorks技術(shù)的有線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)[14]。然而，有線網(wǎng)絡(luò)傳感器存在許多缺點(diǎn)，例如成本高、效率低、安裝困難、易受干擾、靈活性差、耗電量大，并且問題會(huì)組合出現(xiàn)。此外，該系統(tǒng)對(duì)長期SHM有局限性，通常容易受到損壞，阻礙了其實(shí)用性。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本和提高數(shù)據(jù)處理效率的優(yōu)點(diǎn)，成為傳統(tǒng)有線傳感器系統(tǒng)的有力替代品。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是基于無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要組成部分，它通過路由來組織網(wǎng)絡(luò)中的無線傳感器，并使所有傳感器能夠相互協(xié)作。一般來說，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?biāo)準(zhǔn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分為單跳網(wǎng)絡(luò)和多跳網(wǎng)絡(luò)。

單跳網(wǎng)絡(luò)中央服務(wù)器位于網(wǎng)絡(luò)的中心，所有的無線傳感器都在中央服務(wù)器周圍。數(shù)據(jù)通過單跳直接傳輸?shù)交尽＿@個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠浅：唵魏徒训模粋€(gè)節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行。單跳網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包是逐個(gè)傳輸?shù)模幚硭俣纫蕾囉诰W(wǎng)關(guān)和中央服務(wù)器的性能。

多跳網(wǎng)絡(luò)通過多跳通信將節(jié)點(diǎn)之間或傳感器節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒敕?wù)器，成為一種有吸引力的替代方案。多跳通信使用中間節(jié)點(diǎn)在不在直接無線電范圍內(nèi)的兩個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)和命令。多跳路由更加復(fù)雜，因?yàn)槊總€(gè)節(jié)點(diǎn)必須確定如何找到最有效的路由將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到中央服務(wù)器，并協(xié)調(diào)從其他節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)包的傳輸。如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障并且不再能夠充當(dāng)中間體，則需要?jiǎng)討B(tài)地重新配置路由，以保證其健壯性。在大跨度橋梁上大規(guī)模部署無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，需要多跳通信以提供足夠的無線覆蓋。多跳網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步分為四類：網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)、線性多跳網(wǎng)絡(luò)和隨機(jī)多跳網(wǎng)絡(luò)。

3 SHM中傳感器系統(tǒng)的研究方向

（1）到目前為止，實(shí)時(shí)或在線學(xué)習(xí)、識(shí)別和監(jiān)控總體上已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)，并有望取得進(jìn)一步進(jìn)展。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)框架被認(rèn)為在盡可能減少傳感器性能延遲方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

（2）每個(gè)民用基礎(chǔ)設(shè)施都具有獨(dú)特的存在性和復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)和材料的不確定性需要精確檢測技術(shù)。從目前的SHM角度來看，新的傳感器解決方案必須解決可擴(kuò)展性和適應(yīng)性問題。

（3）盡管目前已經(jīng)存在最先進(jìn)的系統(tǒng)識(shí)別和損傷檢測技術(shù)，但可以觀察到，完全自動(dòng)化的方法仍然不可實(shí)現(xiàn)。即使是以數(shù)據(jù)為中心的方法論，在實(shí)施的許多階段也依賴于人工決策和交互，因此嘗試將傳感器技術(shù)與現(xiàn)有的機(jī)器學(xué)習(xí)相結(jié)合，是一個(gè)可行的方案。

（4）隨著連接設(shè)備數(shù)量的增加，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)必須相互通信和交換信息。迄今為止，SHM研究都是針對(duì)特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，因此，發(fā)展可以為互操作性的數(shù)據(jù)開放標(biāo)準(zhǔn)是有必要的。

（5）多功能SHM系統(tǒng)需要一個(gè)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。隨著許多傳感器SHM應(yīng)用程序接收到的數(shù)據(jù)量和類型的不斷增加，當(dāng)前數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)容量面臨較大壓力。而數(shù)據(jù)管理是社會(huì)關(guān)注較少的方面，同時(shí)還需確保制定數(shù)據(jù)的安全和隱私措施。

4 結(jié)束語

基于傳感器技術(shù)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)在早期識(shí)別土木工程結(jié)構(gòu)中的損傷是重要且必要的，可以確保結(jié)構(gòu)的巨大的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。但基于傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)還存在很多挑戰(zhàn)，包括開發(fā)和集成先進(jìn)的傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、強(qiáng)大的監(jiān)測系統(tǒng)以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析算法，涉及傳感器、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)遙測、數(shù)值建模、概率分析和計(jì)算硬件多學(xué)科的交叉合作，還需要長期進(jìn)行集中和綜合的研究。