走向自我診斷的橋梁
——基于壓電浮柵（PFG）的傳感技術研究

文 譯者

相關研究表明，無線自供電傳感器可能是持續監測基礎設施的關鍵設備。目前，美國聯邦公路管理局贊助了無線自供電傳感器的研究，旨在促進該技術的發展和應用。

研究生正在美國密歇根州的麥基諾橋上安裝壓電浮柵（PFG）傳感器的樣機。

對橋梁及其他交通基礎設施系統的運行狀況進行監測是養護管理單位的一項重要工作內容。在制定諸如維護方案或投資等決策前，養護管理單位需要充分掌握有關基礎設施狀況的準確信息。

先進的結構監測技術能夠幫助養護人員盡早發現設施存在的結構劣化，從而延長結構的使用壽命。當前，美國聯邦公路管理局（Federal Highway Administration）的贊助，無疑為具備連續監測性能的無線自供電傳感器的研究鋪平了道路，而運用此類技術收集的數據，將會為交通運輸機構提供有效的決策支持。

眾所周知，導致橋梁故障的因素有很多，包括自然災害、碰撞、超載、退化以及疲勞裂紋，如果不加強監測并及時處理故障，可能會引發橋梁坍塌事故。而這項研究的重點就是開發一種獨特的傳感器，用于監測鋼橋中的疲勞裂紋。解決結構監測問題的一種前瞻性方案是——基于壓電浮柵（PFG）的傳感技術，該傳感器無需電池即可工作，且體積非常小，可以嵌入混凝土中或附著在鋼結構上。雖然傳感器體積很小，但提供連續可用數據的潛力卻很大。

新型技術，破解應用難題

結構健康監測系統在實際應用中面臨許多挑戰，首先，最主要的挑戰是使用足夠數量的常規傳感器（例如應變計和加速度計）提供足夠高的空間分辨率，來捕獲可能是嚴重結構損壞先兆的響應變化；其次，從待測結構采集數據不僅需要傳感器，而且還需要測量網絡來收集和傳輸測量數據，以便進行后續分析；此外，還需要可靠的能源來驅動傳感器和相關數據采集網絡。

無線網絡的發展摒棄了使用電纜的繁瑣環節，但確保有足夠的能源為傳感器網絡供電，以開展長期、自主、連續的監測仍然是一項挑戰。更換電池無法滿足嵌入式和長期運行的要求，而傳感器的小體積則嚴重限制了能量收集設備的存儲能力。此外，從結構中收集的能量與傳感、計算和通信所需的能量之間也存在很大差距。為此，密歇根州立大學和華盛頓大學在美國聯邦公路管理局的資助下進行了有關自供電傳感器的研究，在一定程度上解決了這一問題。

最近的研究發現了一項新穎的自供電傳感器技術，該技術能夠實現皮瓦功耗，這項指標比其他任何商用傳感器的技術都低兩個數量級，該技術同時兼具超低功耗計算和數據記錄能力，已被證明能夠用于自動、長期監測動態荷載響應。

嵌入基礎架構（例如橋梁和公路）中的一系列自供電傳感器可以連續監測基礎架構的狀況。當前，來自傳感器的數據通過射頻識別（RFID）讀取器以無線方式從行駛中的車輛或手持設備上傳。美國幾個州的交通部門表示需要在未來的研究中進一步提高系統功能，方法是通過手機、平板電腦或具有互聯網訪問權限的便攜式計算機將數據上傳到云平臺中，以進行處理和分析。

目前，壓電浮柵傳感器樣機系統已作為美國聯邦公路管理局資助項目的一部分進行了開發和測試（DTFH61-08-C-00015智能路面監測系統、DTFH61-13-H-00009超低功耗無線傳感技術可用于橋梁和公路基礎設施的多指標自供電監測）。與其他傳統的結構健康監測方法相比，壓電浮柵傳感技術具備以下特色功能：低功耗要求（功耗小于80納瓦）；自供電連續傳感（無需電池）；傳感器的尺寸較小且無需電池供電，有利于在密集網絡（需要大量傳感器以確保覆蓋范圍內無間隙的傳感器網絡）中進行部署；自主計算和感應變量的非易失性存儲；無線通信功能。

圖為壓電浮柵傳感器電路的顯微照片以及放置在保護盒中的傳感器樣機（保護盒用于承受惡劣的外部環境）

密歇根州麥基諾橋管理局的執行秘書鮑勃·斯威尼說：“我們很高興在這里對壓電浮柵傳感器樣機系統進行測試。在麥基諾橋外的結構上，此類傳感器具有巨大的潛力和優勢，我們每年都會對橋梁進行精心維護和檢查，而類似的傳感器將起到輔助作用，為我們提供更多有關橋梁狀況的信息，幫助養護人員更好地維護橋梁。”

自主供電，確保持續監測

迄今為止開發的所有傳感器都基于一組相似的組件或構件。通常，傳感器系統由換能器、轉換器和調節器等組成。這些組件需要恒定的電源，而所有商業上可行的傳感器都需要太陽能或電池來供電。高速公路等基礎設施需要成千上萬個傳感器來監測所需的響應，這使得傳統傳感器無法適應實際需求。

針對路面裂縫監測，只需將傳感器嵌入材料下方，但對于橋梁監測而言，有效的高密度監測網絡需要應用大量傳感器，要想實現監測系統持續運行，定期更換電池顯然行不通，若采用太陽能供電技術則會產生高額的成本。此外，土木結構的監測系統最重要的是捕獲每個加載事件，如果在重要的加載周期之間，傳感器處于不活動狀態，監測的效果將大打折扣。顯然，消除這些“停電”時段是一個挑戰，因為任何商用的機載電池或超級電容器都可能會在間歇性加載周期之間失去電荷。相同的邏輯可以解釋使用非易失性存儲器的必要性，因為在電源中斷期間任何易失性存儲器采集的數據都會丟失。

為了克服上述困難，研究人員發明了一種能夠捕獲、計算和存儲應變以及加速度信號的新技術——壓電浮柵（PFG）感應技術。該技術所使用的材料能將機械能（例如振動）轉換為電能，且產生的電信號與機械激勵成正比，能夠為傳感系統中的所有電子設備供電。

壓電浮柵傳感器樣機已安裝在麥基諾橋跨中的主梁上

壓電浮柵傳感器適用性較強（橋梁和路面監測），可以制造成不同尺寸和形狀。

圖為封裝的壓電浮柵傳感器，法國已經開展該類傳感器的測試試驗。

新穎的設計使得傳感器能夠從其檢測到的信號中獲取功率。傳感器電子裝置就像一個大的電子容器，每次加載結構（例如當卡車經過橋梁）時，壓電材料都會發出會晃動容器的信號。在晃動時，一些電子將被扔到一個較小的容器中，該容器被隔離并且不會被搖動（因此被稱為“浮動”），該過程被稱為“熱電子注入”。較小的容器就像永久記憶一樣，因為其中的電子被永久捕獲。計算被困電子的數量可得出系統被搖動的次數以及顫抖的強度，從而反映外部荷載（例如經過的車輛）的數量和大小。該設計實現了傳感系統的節能化，同時也降低了對電源和傳統傳感器所需其他接口電子設備的需求。

數據分析，助力科學決策

監測大型結構健康狀況的另一個嚴峻的挑戰是——理清由傳感器生成的大量數據。為了應對這一挑戰，每個傳感器都有一系列存儲單元或門，它們與計算電路相鄰放置。壓電換能器傳遞的信息存儲在這些門中。當由壓電換能器產生的輸入信號的幅度超過某些預定閾值時，門將會記錄應變/電壓事件的持續時間。傳感器的輸出以直方圖的形式表示，其中每個門表示在特定的預定應變水平下事件的累積時間。自我維持的傳感系統使用傳感器輸出將應變分布的變化率與損壞率關聯起來。

新型數據需要用特定的技術進行處理和分析。密歇根州立大學的研究團隊已開發出先進的軟件和工具，為橋梁運營商和州交通運輸部提供數據分析。該軟件將自動分析數據，然后將其合成并以簡化的方式呈現給用戶，以幫助用戶做出養護決策。

壓電浮柵工作原理

這種多度量傳感系統和數據分析程序的成功開發和實施，可以極大地改變橋梁和道路養護的經濟性，并最終改善基礎設施的服務水平。