發布日期：2022-07-14 點擊率：46
結構健康監測(SHM)是一種基于傳感器的主動防御型方法,可以彌補目前安全性能十分重要的結構中(橋梁、建筑、飛機及其他),基于視覺檢查和后續測試監測系統的不足。不過,SHM傳感器系統還沒有在美國展開大規模部署,由于出現時間不長,這種方法目前還沒有被加入到安全法規中。
目前,像Material Technologies等公司能夠在需要時完成現場結構測試,但由于不是連續進行監測,所以這些測試對災難的預防能力是有限的。相比之下,基于傳感器的SHM系統一旦部署成功,則在理論上可時時刻刻維護結構的安全。
“SHM時代已經到來。”Sandia國家實驗室SHM可行性研究小組負責人Dennis Roach認為,“嵌入式傳感器發出的安全警告是周期性檢查做不到的。利用傳感器進行SHM是一種可靠且不昂貴的做法,可以在第一時間檢測到缺陷的形成。”
除了橋梁、建筑和飛機之外,SHM也可以用來監測太空船、武器、有軌車輛、采油設備、管道、裝甲車、輪船、風力渦輪機、核電站,甚至氫動力汽車燃料箱的結構健康狀態。目前,SHM僅僅在亞洲才被作為常規使用,亞洲一些國家的政府為監測地震活動而引入了傳感器網絡。
“我們最應該做的事,就是把傳感器網絡安置到橋梁、建筑和飛機中,尤其應該在構造過程中就把它放進去,因為這樣我們可以將傳感器置于結構內部。”斯坦福大學電氣工程師、現任密西根大學教授的Jerome Lynch認為,“世界上裝有儀表最多的橋梁是香港的青馬大橋；在中國大陸,至少有六座正在建設中的橋梁將從一開始就嵌入傳感器陣列。但是在美國,還沒有人這樣做。”
需要付出多大代價？
美國目前對橋梁的檢查幾乎完全依賴于視覺:只有當肉眼看到腐蝕或裂紋時,才會使用蝸流、超聲或滲透性染料(penetrating dye)做進一步測試。在I-35W大橋垮塌事件的警示下,美國的一些實驗室建議使用無線節點將結構健康信息連續傳送給維修人員。因為傳感器可以檢測到肉眼看不到的微小裂紋,所以我們可以利用傳感器提供的數據在問題的“萌芽”期進行修復。
F1:實驗室研究人員正在努力開發一種能時時刻刻進行遠程監視的系統,以阻止類似I-35W橋梁倒塌災難的發生。
密西根大學已經研制出一種“納米管涂料”,可以把任意表面的信息轉換到一個傳感器片(sensor patch)上,以二維方式呈現出微觀缺陷圖像。另外,Los Alamos國家實驗室正在使用片狀(patchlike)壓電轉換器,通過一種新穎的基于無人駕駛直升機的檢查系統,利用“發出聲波并監聽回應”的方式來檢測缺陷。Sandia國家實驗室表示,其成為比較型真空監視(CVM)的方案可以感測分子大小的裂縫(即使裂縫在難以到達的地方),而且每個傳感器片的成本只有1美元,所以這將給建筑和橋梁帶來更大的好處。
F2:密西根大學的無線發射節點連接在涂覆了納米管涂料的“皮膚”上(見左圖,高亮部分為裂縫)。成像技術(右圖)能精確定位結構缺陷的地點。
密西根大學的方案是向結構噴涂一種感測型“皮膚”。Lynch聲稱,納米管涂料可以把其下覆蓋的任意表面的健康狀況轉換進二維圖像。Lynch曾經為美國中央情報局(CIA)設計了阻爆結構,并曾在韓國利川的Geumdang大橋上安裝無線SHM系統。通過噴涂涂料并安裝無線發送器,Lynch指出,維護人員能夠實現橋梁遠程監控,而且這樣做的成本足夠低,允許我們能把它當作標準設備部署在新建工程中,或在改造現有結構時予以采納。
這種方法能保持低成本的原因是:只要把監視傳感器放在噴涂區域的周邊就可以了。這種方法可以獲得結構表面任何位置的圖像,被腐蝕和有裂縫的區域表現為高阻。Lynch表示,通過調節所使用的納米管的密度和類型,該技術可以滿足不同應用的要求。密西根大學正在尋找商業化伙伴。
與此同時,Los Alamos國家實驗室也證實,其壓電傳感器方案的實現成本約為每節點1美元。其實現方法為:首先,片狀壓電轉換器在驅動器模式下發射一束超聲波；然后,該系統迅速切換到傳感器模式,使用相同的壓電元件記錄和分析超聲波反射,這一步是為了將超聲波引起的橋梁振動轉換成電信號；利用模式識別軟件,計算機可以對超聲波反射進行分析,從而感測橋梁的結構變化。
“我們的系統有點像主動聲納。”與加州大學圣地亞哥分校研究組進行合作的Los Alamos實驗室工程師Chuck Farrar透露,“我們向架構發射一種頻率在50-250kHz間的高能彈性波；然后,我們將所收到的響應與上次測試結果做比較。”
F3:Sandia的Roach舉著一個CVM傳感器,被抽成真空的槽會在發生裂縫時破裂。
一個多月前,在美國南部新墨西哥州的一座大橋成為美國首個安裝有壓電傳感器和驅動器的大橋。“通過消除供電系統,這種無線傳感器節點實現了成本削減,取而代之的是,這些傳感器由小型無人直升機發出的微波束提供能量。微波束向傳感器電路板上的一個電容器充電,使得它有足夠能量來讀取數據,并以無線方式把結果發送回直升機。在直升機上,一個單片機會記錄所有這些數據。”Lynch說。
Sandia實驗室推崇的傳感器方案成本超低但靈敏度卻超高。CVM傳感器包含一種可粘接到待監測結構上的槽狀帶,槽內的空氣被抽空,使槽狀帶變成一種非常敏感的監視設備。因為即使其所依附的表面上出現分子大小的裂縫,槽狀帶的真空狀態也會被破壞。這種自粘接型薄橡膠片的厚度介于硬幣到信用卡之間,每只成本僅為一美元,而且,可以用一條真空線來監視任意多個CVM。
“一旦裂縫形成,它們就會破壞真空密封,從而被儀器檢測到。”Roach表示,“這是第一種可以監測結構疲勞度的現場傳感器,而且其價格便宜到我們可以把其嵌入到結構中,讓它們留在那里進行連續監測。”
Structural Monitoring Systems公司制造的一款CVM,從幾年前開始就已經作為一項技術測試被用于商業航線。波音公司最近確認了這種方法的有效性。
Sandia實驗室也在試驗一種基于強化型復合材料的橋梁修復系統。該公司最近用這種新型復合材料修復了新墨西哥州一座橋上的一個疲勞裂縫,并安裝了一種帶有無線傳感器的渦流監測傳感器,可以對結構維修后的健康狀況進行遠程監測。
作者:羅克鈴
