结构健康监测系统中的传感技术浅析

王宗鹏 栾云斐 李 鑫

（青岛理工大学艺术与设计学院，山东 青岛 266033）

0 引言

实时监测和评估道路、桥梁、住宅建筑、大坝等土木工程基础设施的状况，并能预测未来的损伤，降低危害发生的可能性，可极大地减少直接或间接的经济损失。要实现这一目标的关键在于实时监控设施的状态，在于识别结构损伤的能力。过去，损伤检测以无损检测和人工目测方法为主，但在面对结构整体及复杂的特殊部位检测时则难以实现准确监测。

在传统检测方法难以实现的条件下，SHM（Structural Health Monitoring）系统的出现，为其提供了一个近实时在线损伤评估的新策略。SHM是通过自动监测系统对工程结构实施损伤预测和健康评估策略的工具。SHM使用传感系统及相关硬件和软件设施来监测工程结构的性能和运行环境，对结构进行随时间变化的观察，使用周期性采样的结构响应和来自传感器阵列的操作环境测量，然后评估结构的当前状态和未来性能。

在SHM中传感器系统合理的位置安装，可以收集结构部件温度、湿度、挠度及应变等性能参数，后经过传感器网络系统将数据传至计算机处理，并实现可视化，最后经技术人员将监测数据与阈值进行比较，以诊断结构的变化。

本文将基于对传感器系统的研究，探究传感器系统在SHM中的应用策略，对实现结构健康的高效监测提供支持。

1 传感器类型

较早的基于传感器的结构监测技术主要应用于军事领域和飞机结构的健康状况检测领域[3]，经过几十年的发展，结构健康监测技术在结构监测领域中应用广泛，与之配套的各种特性的传感器也在不断发展。

（1）应变计传感器由支撑金属箔图案的绝缘性衬垫组成，用于监测物体结构的应变特性，以评估基础设施的当前状况和裂缝检测。常见的应变计传感器有电阻应变计传感器、振弦式应变计传感器和光纤Bragg光栅应变器[4]。光纤Bragg光栅由短段光纤构成，通过反射特定波长的光，并在特殊设计的介质镜的折射中产生周期性变化来传输信号，是目前较为先进的应变传感器类型。Li等人开发并试验了一种具有获得有效平均应变或宏观应变分布能力的分布式长规格光纤传感系统，并应用于民用基础设施钢结构弯曲状况的监测[5]。光纤应变计传感器优点在于不受电压浪涌、射频干扰和电磁干扰的影响，但因为这种传感器会对温度和应变做出反应，所以光纤应变计传感器面临温度和应变之间的交叉灵敏度问题。

（2）线性位移和位置测量传感器已用于测量地质滑坡、基础设施结构位移和设施裂缝损伤宽度的监测。类型包括线性可变差动变压器和直流差动变压器。线性可变差动变压器是一种用于线性位移测量的磁性位置传感器，由于其具有高分辨率、精度和良好的重复性，Navarro V等人利用固定在桑托斯莫西略湖床立柱上振弦式裂纹监测器，监测并获得连续的裂缝张开数据[6]。

（3）热敏电阻器和电阻温度检测器是使用广泛的温度监测传感器，以检测结构热胀冷缩背后的温度数据。柔性电阻温度检测器是最常见的温度检测传感器，广泛应用于监测与人类活动有关的温度变化中。Zhang等人利用电阻温度检测器以监测沥青路面温度变化[7]。环境传感器，即湿度传感器，用于监测结构或建筑物表面的相对湿度。结构的湿度通常与作为侵蚀性离子（如氯化物、硫酸盐、碳酸盐和铵）传输介质的水的进入有关。2001年，瑞士的研究人员首次报告了使用光纤Bragg光栅传感器进行湿度传感的情况[8-9]。

（4）倾斜传感器广泛使用于基础设施，尤其是桥梁组件的旋转变化监测中。类型包括振弦式倾斜仪和电解式倾斜仪。Zhang F等人在俄亥俄州和肯塔基州Ironton-Russell大桥顶部安装了一部振弦式倾斜仪以监测不同构件的旋转变化，并通过监测到的数据分析了发生的重要事件[10]。

（5）动态承重（WIM）传感器技术在桥梁健康监测和超重汽车执法中发挥着越来越重要的作用，动态称重系统用于获取重型车辆的静态和动态重量，以保护和管理桥梁、路面和其他基础设施。WIM传感器类型主要有压电式WIM传感器、弯曲板WIM传感器、称重传感器WIM传感器、光纤WIM传感器等。压电式WIM传感器类型是最便宜，但坚固性和精确性不如弯板式WIM传感器，弯板系统需要相当长的安装时间，且寿命不长。应变测量称重传感器系统比弯板系统更精确、更坚固，但也更昂贵。光纤WIM传感器是一种很有前途的路面监测新技术，Lydon，M等人基于自蔓延光纤传感的优势，开发了第一个全光纤动态承重传感器[11]。

（6）超声波探伤仪主要是利用超声波漫反射为SHM提供一种全面的损伤检测策略，在结构裂缝损伤、腐蚀等监测中应用广泛。Kazakov.VV研究了采用非线性调制裂纹检测方法的超声波探伤仪[12]。光纤传感器具有重量轻、体积小、可嵌入性好、抗电磁干扰等优点，因此，长期以来被认为是一种理想的SHM传感解决方案。最近，Agarwal等人提出了光纤超声波传感器水管裂纹检测的方法，表明声波频率是裂纹尺寸的函数，可以通过捕获100kHz频率声波检测到较大裂纹[13]。

以上对SHM中各种应用条件下的传感器及传感器类型，部分传感器性能和在具体案例中的应用做了介绍。通过研究发现，传感设备在数据传输、工作频率、功耗等方面可靠性取决于所使用的传感材料的质量和传感器技术。

2 传感器网络系统

传感器网络系统提供了在整个结构生命周期内将数据从传感器输出到服务器或基站的机会。传感器网络包括有线和无线传输网络。有线传感器网络系统在实际中应用较少，多应用于实验室实验；无线的传感器网络系统有许多功能，包括半载微处理器、传感能力、无线通讯和数据存储等。而能耗、成本问题是当前传感器网络系统需要持续优化的方向，面对通常由多个传感器节点组成的SHM系统，减少传感器能耗既可以更好地进行实时监测，又可以减少维护费用。

2.1 有线传感器网络

有线传感器网络系统在实际中应用较少，但目前的几个SHM传感器仍然采用传统的有线数据采集系统，用于从许多结构位置收集数据。孙等人提出一种基于电力线的有线传感器网络，针对煤炭开采生产安全需求提出采用LonWorks技术的有线传感器网络系统基本组成结构[14]。然而，有线网络传感器存在许多缺点，例如成本高、效率低、安装困难、易受干扰、灵活性差、耗电量大，并且问题会组合出现。此外，该系统对长期SHM有局限性，通常容易受到损坏，阻碍了其实用性。

2.2 无线传感器网络

无线传感器网络具有降低系统实现成本和提高数据处理效率的优点，成为传统有线传感器系统的有力替代品。无线传感网络系统是基于无线网络协议的结构健康监测系统的重要组成部分，它通过路由来组织网络中的无线传感器，并使所有传感器能够相互协作。一般来说，根据网络拓扑的标准，无线传感器网络可以分为单跳网络和多跳网络。

单跳网络中央服务器位于网络的中心，所有的无线传感器都在中央服务器周围。数据通过单跳直接传输到基站。这个网络拓扑是非常简单和健壮的，一个节点的故障不会影响整个网络的运行。单跳网络中的数据包是逐个传输的，处理速度依赖于网关和中央服务器的性能。

多跳网络通过多跳通信将节点之间或传感器节点之间的数据传输到中央服务器，成为一种有吸引力的替代方案。多跳通信使用中间节点在不在直接无线电范围内的两个终端节点之间传输数据和命令。多跳路由更加复杂，因为每个节点必须确定如何找到最有效的路由将数据包转发到中央服务器，并协调从其他节点接收的数据包的传输。如果一个节点出现故障并且不再能够充当中间体，则需要动态地重新配置路由，以保证其健壮性。在大跨度桥梁上大规模部署无线传感器网络，需要多跳通信以提供足够的无线覆盖。多跳网络可以进一步分为四类：网状网络、树状网络、线性多跳网络和随机多跳网络。

3 SHM中传感器系统的研究方向

（1）到目前为止，实时或在线学习、识别和监控总体上已经部分实现，并有望取得进一步进展。同时，物联网框架被认为在尽可能减少传感器性能延迟方面发挥着至关重要的作用。

（2）每个民用基础设施都具有独特的存在性和复杂性，结构和材料的不确定性需要精确检测技术。从目前的SHM角度来看，新的传感器解决方案必须解决可扩展性和适应性问题。

（3）尽管目前已经存在最先进的系统识别和损伤检测技术，但可以观察到，完全自动化的方法仍然不可实现。即使是以数据为中心的方法论，在实施的许多阶段也依赖于人工决策和交互，因此尝试将传感器技术与现有的机器学习相结合，是一个可行的方案。

（4）随着连接设备数量的增加，物联网生态系统必须相互通信和交换信息。迄今为止，SHM研究都是针对特定结构进行的，因此，发展可以为互操作性的数据开放标准是有必要的。

（5）多功能SHM系统需要一个强大的数据管理系统。随着许多传感器SHM应用程序接收到的数据量和类型的不断增加，当前数据的存储容量面临较大压力。而数据管理是社会关注较少的方面，同时还需确保制定数据的安全和隐私措施。

4 结束语

基于传感器技术的结构健康监测系统在早期识别土木工程结构中的损伤是重要且必要的，可以确保结构的巨大的经济效益和安全效益。但基于传感器的结构健康监测系统还存在很多挑战，包括开发和集成先进的传感网络系统、强大的监测系统以及强大的数据处理和分析算法，涉及传感器、信号处理、数据遥测、数值建模、概率分析和计算硬件多学科的交叉合作，还需要长期进行集中和综合的研究。