結構健康監測系統中的傳感技術淺析

王宗鵬 欒云斐 李 鑫

（青島理工大學藝術與設計學院，山東 青島 266033）

0 引言

實時監測和評估道路、橋梁、住宅建筑、大壩等土木工程基礎設施的狀況，并能預測未來的損傷，降低危害發生的可能性，可極大地減少直接或間接的經濟損失。要實現這一目標的關鍵在于實時監控設施的狀態，在于識別結構損傷的能力。過去，損傷檢測以無損檢測和人工目測方法為主，但在面對結構整體及復雜的特殊部位檢測時則難以實現準確監測。

在傳統檢測方法難以實現的條件下，SHM（Structural Health Monitoring）系統的出現，為其提供了一個近實時在線損傷評估的新策略。SHM是通過自動監測系統對工程結構實施損傷預測和健康評估策略的工具。SHM使用傳感系統及相關硬件和軟件設施來監測工程結構的性能和運行環境，對結構進行隨時間變化的觀察，使用周期性采樣的結構響應和來自傳感器陣列的操作環境測量，然后評估結構的當前狀態和未來性能。

在SHM中傳感器系統合理的位置安裝，可以收集結構部件溫度、濕度、撓度及應變等性能參數，后經過傳感器網絡系統將數據傳至計算機處理，并實現可視化，最后經技術人員將監測數據與閾值進行比較，以診斷結構的變化。

本文將基于對傳感器系統的研究，探究傳感器系統在SHM中的應用策略，對實現結構健康的高效監測提供支持。

1 傳感器類型

較早的基于傳感器的結構監測技術主要應用于軍事領域和飛機結構的健康狀況檢測領域[3]，經過幾十年的發展，結構健康監測技術在結構監測領域中應用廣泛，與之配套的各種特性的傳感器也在不斷發展。

（1）應變計傳感器由支撐金屬箔圖案的絕緣性襯墊組成，用于監測物體結構的應變特性，以評估基礎設施的當前狀況和裂縫檢測。常見的應變計傳感器有電阻應變計傳感器、振弦式應變計傳感器和光纖Bragg光柵應變器[4]。光纖Bragg光柵由短段光纖構成，通過反射特定波長的光，并在特殊設計的介質鏡的折射中產生周期性變化來傳輸信號，是目前較為先進的應變傳感器類型。Li等人開發并試驗了一種具有獲得有效平均應變或宏觀應變分布能力的分布式長規格光纖傳感系統，并應用于民用基礎設施鋼結構彎曲狀況的監測[5]。光纖應變計傳感器優點在于不受電壓浪涌、射頻干擾和電磁干擾的影響，但因為這種傳感器會對溫度和應變做出反應，所以光纖應變計傳感器面臨溫度和應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滑坡、基礎設施結構位移和設施裂縫損傷寬度的監測。類型包括線性可變差動變壓器和直流差動變壓器。線性可變差動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測器，監測并獲得連續的裂縫張開數據[6]。

（3）熱敏電阻器和電阻溫度檢測器是使用廣泛的溫度監測傳感器，以檢測結構熱脹冷縮背后的溫度數據。柔性電阻溫度檢測器是最常見的溫度檢測傳感器，廣泛應用于監測與人類活動有關的溫度變化中。Zhang等人利用電阻溫度檢測器以監測瀝青路面溫度變化[7]。環境傳感器，即濕度傳感器，用于監測結構或建筑物表面的相對濕度。結構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）傳輸介質的水的進入有關。2001年，瑞士的研究人員首次報告了使用光纖Bragg光柵傳感器進行濕度傳感的情況[8-9]。

（4）傾斜傳感器廣泛使用于基礎設施，尤其是橋梁組件的旋轉變化監測中。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測不同構件的旋轉變化，并通過監測到的數據分析了發生的重要事件[10]。

（5）動態承重（WIM）傳感器技術在橋梁健康監測和超重汽車執法中發揮著越來越重要的作用，動態稱重系統用于獲取重型車輛的靜態和動態重量，以保護和管理橋梁、路面和其他基礎設施。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，但堅固性和精確性不如彎板式WIM傳感器，彎板系統需要相當長的安裝時間，且壽命不長。應變測量稱重傳感器系統比彎板系統更精確、更堅固，但也更昂貴。光纖WIM傳感器是一種很有前途的路面監測新技術，Lydon，M等人基于自蔓延光纖傳感的優勢，開發了第一個全光纖動態承重傳感器[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，在結構裂縫損傷、腐蝕等監測中應用廣泛。Kazakov.VV研究了采用非線性調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、抗電磁干擾等優點，因此，長期以來被認為是一種理想的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，可以通過捕獲100kHz頻率聲波檢測到較大裂紋[13]。

以上對SHM中各種應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用做了介紹。通過研究發現，傳感設備在數據傳輸、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量和傳感器技術。

2 傳感器網絡系統

傳感器網絡系統提供了在整個結構生命周期內將數據從傳感器輸出到服務器或基站的機會。傳感器網絡包括有線和無線傳輸網絡。有線傳感器網絡系統在實際中應用較少，多應用于實驗室實驗；無線的傳感器網絡系統有許多功能，包括半載微處理器、傳感能力、無線通訊和數據存儲等。而能耗、成本問題是當前傳感器網絡系統需要持續優化的方向，面對通常由多個傳感器節點組成的SHM系統，減少傳感器能耗既可以更好地進行實時監測，又可以減少維護費用。

2.1 有線傳感器網絡

有線傳感器網絡系統在實際中應用較少，但目前的幾個SHM傳感器仍然采用傳統的有線數據采集系統，用于從許多結構位置收集數據。孫等人提出一種基于電力線的有線傳感器網絡，針對煤炭開采生產安全需求提出采用LonWorks技術的有線傳感器網絡系統基本組成結構[14]。然而，有線網絡傳感器存在許多缺點，例如成本高、效率低、安裝困難、易受干擾、靈活性差、耗電量大，并且問題會組合出現。此外，該系統對長期SHM有局限性，通常容易受到損壞，阻礙了其實用性。

2.2 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡具有降低系統實現成本和提高數據處理效率的優點，成為傳統有線傳感器系統的有力替代品。無線傳感網絡系統是基于無線網絡協議的結構健康監測系統的重要組成部分，它通過路由來組織網絡中的無線傳感器，并使所有傳感器能夠相互協作。一般來說，根據網絡拓撲的標準，無線傳感器網絡可以分為單跳網絡和多跳網絡。

單跳網絡中央服務器位于網絡的中心，所有的無線傳感器都在中央服務器周圍。數據通過單跳直接傳輸到基站。這個網絡拓撲是非常簡單和健壯的，一個節點的故障不會影響整個網絡的運行。單跳網絡中的數據包是逐個傳輸的，處理速度依賴于網關和中央服務器的性能。

多跳網絡通過多跳通信將節點之間或傳感器節點之間的數據傳輸到中央服務器，成為一種有吸引力的替代方案。多跳通信使用中間節點在不在直接無線電范圍內的兩個終端節點之間傳輸數據和命令。多跳路由更加復雜，因為每個節點必須確定如何找到最有效的路由將數據包轉發到中央服務器，并協調從其他節點接收的數據包的傳輸。如果一個節點出現故障并且不再能夠充當中間體，則需要動態地重新配置路由，以保證其健壯性。在大跨度橋梁上大規模部署無線傳感器網絡，需要多跳通信以提供足夠的無線覆蓋。多跳網絡可以進一步分為四類：網狀網絡、樹狀網絡、線性多跳網絡和隨機多跳網絡。

3 SHM中傳感器系統的研究方向

（1）到目前為止，實時或在線學習、識別和監控總體上已經部分實現，并有望取得進一步進展。同時，物聯網框架被認為在盡可能減少傳感器性能延遲方面發揮著至關重要的作用。

（2）每個民用基礎設施都具有獨特的存在性和復雜性，結構和材料的不確定性需要精確檢測技術。從目前的SHM角度來看，新的傳感器解決方案必須解決可擴展性和適應性問題。

（3）盡管目前已經存在最先進的系統識別和損傷檢測技術，但可以觀察到，完全自動化的方法仍然不可實現。即使是以數據為中心的方法論，在實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與現有的機器學習相結合，是一個可行的方案。

（4）隨著連接設備數量的增加，物聯網生態系統必須相互通信和交換信息。迄今為止，SHM研究都是針對特定結構進行的，因此，發展可以為互操作性的數據開放標準是有必要的。

（5）多功能SHM系統需要一個強大的數據管理系統。隨著許多傳感器SHM應用程序接收到的數據量和類型的不斷增加，當前數據的存儲容量面臨較大壓力。而數據管理是社會關注較少的方面，同時還需確保制定數據的安全和隱私措施。

4 結束語

基于傳感器技術的結構健康監測系統在早期識別土木工程結構中的損傷是重要且必要的，可以確保結構的巨大的經濟效益和安全效益。但基于傳感器的結構健康監測系統還存在很多挑戰，包括開發和集成先進的傳感網絡系統、強大的監測系統以及強大的數據處理和分析算法，涉及傳感器、信號處理、數據遙測、數值建模、概率分析和計算硬件多學科的交叉合作，還需要長期進行集中和綜合的研究。