土木工程智能結構中傳感器原理與應用

張強

（中鐵十六局集團第一工程有限公司）

1 引言

傳感器是常見的智能材料，廣泛應用在土木工程建設中。隨著我國土木工程技術的發展，相關人員需要積極重視智能材料結構中傳感器原理的研究和傳感器的利用，通過提升傳感器的應用效果來促進我國經濟的進步。

2 土木工程智能結構的基本功能

近年來，智能材料結構在促進我國土木工程建設的發展中發揮了重要作用。有效檢測了土木工程的運行狀況，最大程度減少了工程事故的發生。土木工程中的功能材料結構具有優良功能，包括四個主要功能。

①對土木工程結構的內部和外部載荷進行特定檢查。

②可以檢測到智能物料結構對充電的特定響應。

③可以及時檢查結構的安全性。

④它可以及時發現和解決問題。

3 土木工程智能結構中新型傳感器原理與應用

在土木工程智能結構中，新型傳感器的應用廣泛，主要包含以下應用。

1）壓電材料元件傳感原理及應用

壓電材料是一種具有正、負壓電效應的材料，該材料與電荷量成反比。當壓電材料受到負載的影響時，壓電材料會產生相互吸引的正電荷和負電荷，并且電荷密度與外部結合力密切相關。同時，壓電材料本身就是一種傳感元件，其電導率和靈敏度極佳。在土木工程結構的技術診斷和綜合評估中，它起著重要作用。人們已經在壓電陶瓷的基礎上開發出了新的具有高頻響應和出色韌性的壓電復合材料（壓電）復合材料，稱為PCM。PCM壓力結合母材設計，公布結構有壓電正交各向異性檢測器，可用于檢測平面應用e結構的可變場和總表面積中任何方向的應變值場應力分布。

2）土木工程中的光導纖維傳感元件

近年來，光纖被用于信息的傳輸。同時，憑借其自身強大的性能優勢，光纖可在當今的中國得到了很大的發展和應用。同時，光纖的存在也會幫助土木工程實現相應功能，這是因為光纖本身的特性。

①光纖本身是輕便且可攜帶的，并且對被測結構基本上沒有影響。

②光纖與其他傳輸工具的不同之處在于：它不受諸如極端天氣之類的外部因素的影響。

③頻率帶寬作為光纖的主要特色，在實際應用中可以實現遠程通訊，同時可以盡量保持信息的完整性。同時，光纖在土木工程智能結構中的主要應用分為兩個方面[1]。一方面，它在項目質量監督中起著重要作用。另一方面，在建筑系統和輔助設施的管理中也被廣泛使用。然而，在土木工程智能結構中，光纖在混凝土中的應用測試時，必須將光纖與特定組件有效結合，從而才能確保其特定結構的完整性和正確的安裝程序，以便準確評估整體結構并促進土木工程行業的不斷發展與進步。在監視混凝土結構的過程中，必須在使用光纖之前將其與主體組件有效結合。傳感器在混凝土結構中的應用，包括混凝土中固化期間的熱應變和溫度檢測，結構的內部應變檢測以及振動測量和裂紋檢測。它提供建筑結構智能和內部狀態，用于實時、在線無損檢測。該方法有利于結構的安全監控和整體評價、維護，也有利于結構設計的準確評估。

3）愈合凝膠原料的應用研究

在設計過程中，將可愈合材料(聚丙烯纖維等)以一定比例加入混凝土結構中，如果建筑因地震或其他風險造成損壞時，可以快速修復建筑物的結構。當前，該解決方案是克服混凝土結構損壞的最佳方法，但是這種方法仍在探索中。隨著該項技術的發展，其具有很大的應用空間。土木工程的智能結構有很大的發展潛力，但仍然存在許多問題和弊端。在智能土木工程結構中，除了改進智能傳感技術外，還必須改進智能驅動技術。另外，加快處理和傳輸信息的速度以及智能集成技術的發展是土木結構未來的發展方向。

4）電阻應變絲傳感元件

電阻應變線檢測元件的原理主要是在復合材料中添加電阻應變線，在材料發生特定變形后更改電阻器原始電阻的過程。電力在智能材料結構中的應用耐應力電線具有以下優點[3]。

①電阻應變線本身的性能相對穩定，同時，電阻應變絲不受其他各種因素的影響。

②在將電阻應變線應用于智能材料結構的過程中，不必擔心對原料結構的影響。

③因為電阻應變線的內部結構比較成熟，可以實現與計算機等兼容的功能。電阻應變線埋入復合結構后，當結構變形時，電阻應變線的電阻值改變。根據受力分析，將抗應變線埋入復合結構中，用膠水構成一個傳感器網絡陣列，性能相對穩定，可以根據需要確定形狀和面積。應用模式識別或人工神經網絡技術，可以測量結構的內部磁場應變。

使用電阻應變線測量智能材料結構的應變主要優點是：

①性能穩定，易于根據結構材料進行開發，僅受應變影響的合適導線；

②對基質材料的強度幾乎沒有影響；

③配套的儀器非常成熟，易于連接到計算機，與其他設備兼容。

5）碳纖維傳感原理及應用

碳纖維是主要由碳分子組成的長鏈，是在特定溫度和條件下聚合物纖維的組合。燃燒后，最終結果是碳纖維。碳纖維依靠其自身的耐高溫性、重量輕和其他優點，在1960年代廣泛使用[4]。碳纖維沒有其他傳感器材料，優點之一是其內部電阻隨接觸壓力變化而變化。正是這一功能，使碳纖維能夠支撐土木工程施工中使用的傳感器。通過實踐研究，纖維含量適當的混合和復雜制造工藝的結合，會由于外部因素改變水泥的電性能。然后，將碳纖維添加到水泥中，創建用于測量智能的傳感器。東京大學的柳田平樹教授發展了一種材料。這種材料是由兩種類型的纖維（碳纖維和玻璃纖維）制成，將纖維捆扎在一起，然后再以樹脂以棒狀固化。該結構的特征如下：可以看到減少、惡化的程度；玻璃纖維非常結實，可以用作混凝土增強材料來增強混凝土的承載能力。這種智能材料特別適合海上或地下建筑等人們很難接近的建筑物體[5]。

6）電脈沖時域反射

電脈沖時域反射儀縮寫為ETDR。ETDR第一個應用是查找電力系統傳輸線中的故障點。使用由表面傳輸線阻抗不連續引起的反射波到達時間和波形用于確定這些不連續點的位置和類型。其原理與一維彈性桿反射波故障診斷方法相同。由Daudin等人在土木工程領域引入并采用，美國的同軸傳輸線和ETDR技術會影響大壩的水壓和巖石運動。基于此原理的位置監控，可用于智能建筑現有或嵌入式傳輸線結構，可提供在線損壞控制。該方法的優點有兩個方面。

①傳感器具有連續開放的結構，可以對其進行監控。兩根傳輸線之間的區域較寬，特別適合監視材料參數的變化。

②具有強大的功能，可通過脈沖反射來定位和識別損壞[6]。

4 結語

綜上所述，土木工程智能材料結構傳感器在未來具有廣泛的前景，這不僅是因為土木工程傳感器在工程中的有效應用，更因為傳感器本身的性能優勢。當前，我國社會經濟發展不平衡，很多技術并沒有得到完善的開發，因此傳感器的使用還需要進一步優化。傳感器使用包括壓電材料元件傳感原理及應用、土木工程中的光導纖維傳感元件、形狀記憶合金傳感元件、電阻應變絲傳感元件、碳纖維傳感原理及應用以及電脈沖時域反射。社會各界通過分子研究取得了更大的進步和成果，將會促進經濟的發展。