在美國的許多實驗室,工程師們正在完善嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò),這種網(wǎng)絡(luò)可以提早向維修人員報告在關(guān)鍵結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的缺陷,從而避免災(zāi)難性事故——如不久前在明尼阿波利斯市發(fā)生的I-35W大橋垮塌事故。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)是一種基于傳感器的主動防御型方法,可以彌補(bǔ)目前安全性能十分重要的結(jié)構(gòu)中(橋梁、建筑、飛機(jī)及其他),基于視覺檢查和后續(xù)測試監(jiān)測系統(tǒng)的不足。不過,SHM傳感器系統(tǒng)還沒有在美國展開大規(guī)模部署,由于出現(xiàn)時間不長,這種方法目前還沒有被加入到安全法規(guī)中。
目前,像Material Technologies等公司能夠在需要時完成現(xiàn)場結(jié)構(gòu)測試,但由于不是連續(xù)進(jìn)行監(jiān)測,所以這些測試對災(zāi)難的預(yù)防能力是有限的。相比之下,基于傳感器的SHM系統(tǒng)一旦部署成功,則在理論上可時時刻刻維護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。
“SHM時代已經(jīng)到來?！盨andia國家實驗室SHM可行性研究小組負(fù)責(zé)人Dennis Roach認(rèn)為,“嵌入式傳感器發(fā)出的安全警告是周期性檢查做不到的。利用傳感器進(jìn)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(jī)之外,SHM也可以用來監(jiān)測太空船、武器、有軌車輛、采油設(shè)備、管道、裝甲車、輪船、風(fēng)力渦輪機(jī)、核電站,甚至氫動力汽車燃料箱的結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)。目前,SHM僅僅在亞洲才被作為常規(guī)使用,亞洲一些國家的政府為監(jiān)測地震活動而引入了傳感器網(wǎng)絡(luò)。
“我們最應(yīng)該做的事,就是把傳感器網(wǎng)絡(luò)安置到橋梁、建筑和飛機(jī)中,尤其應(yīng)該在構(gòu)造過程中就把它放進(jìn)去,因為這樣我們可以將傳感器置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部?！彼固垢４髮W(xué)電氣工程師、現(xiàn)任密西根大學(xué)教授的Jerome Lynch認(rèn)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(shè)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(dāng)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(jìn)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(jié)點將結(jié)構(gòu)健康信息連續(xù)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(shù)據(jù)在問題的“萌芽”期進(jìn)行修復(fù)。
F1:實驗室研究人員正在努力開發(fā)一種能時時刻刻進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視的系統(tǒng),以阻止類似I-35W橋梁倒塌災(zāi)難的發(fā)生。
密西根大學(xué)已經(jīng)研制出一種“納米管涂料”,可以把任意表面的信息轉(zhuǎn)換到一個傳感器片(sensor patch)上,以二維方式呈現(xiàn)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(zhuǎn)換器,通過一種新穎的基于無人駕駛直升機(jī)的檢查系統(tǒng),利用“發(fā)出聲波并監(jiān)聽回應(yīng)”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(jiān)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(dá)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(xué)的無線發(fā)射節(jié)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(shù)(右圖)能精確定位結(jié)構(gòu)缺陷的地點。
密西根大學(xué)的方案是向結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換進(jìn)二維圖像。Lynch曾經(jīng)為美國中央情報局(CIA)設(shè)計了阻爆結(jié)構(gòu),并曾在韓國利川的Geumdang大橋上安裝無線SHM系統(tǒng)。通過噴涂涂料并安裝無線發(fā)送器,Lynch指出,維護(hù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)控,而且這樣做的成本足夠低,允許我們能把它當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備部署在新建工程中,或在改造現(xiàn)有結(jié)構(gòu)時予以采納。
這種方法能保持低成本的原因是:只要把監(jiān)視傳感器放在噴涂區(qū)域的周邊就可以了。這種方法可以獲得結(jié)構(gòu)表面任何位置的圖像,被腐蝕和有裂縫的區(qū)域表現(xiàn)為高阻。Lynch表示,通過調(diào)節(jié)所使用的納米管的密度和類型,該技術(shù)可以滿足不同應(yīng)用的要求。密西根大學(xué)正在尋找商業(yè)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(xiàn)成本約為每節(jié)點1美元。其實現(xiàn)方法為:首先,片狀壓電轉(zhuǎn)換器在驅(qū)動器模式下發(fā)射一束超聲波；然后,該系統(tǒng)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(zhuǎn)換成電信號；利用模式識別軟件,計算機(jī)可以對超聲波反射進(jìn)行分析,從而感測橋梁的結(jié)構(gòu)變化。
“我們的系統(tǒng)有點像主動聲納?！迸c加州大學(xué)圣地亞哥分校研究組進(jìn)行合作的Los Alamos實驗室工程師Chuck Farrar透露,“我們向架構(gòu)發(fā)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(yīng)與上次測試結(jié)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(fā)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(qū)動器的大橋?！巴ㄟ^消除供電系統(tǒng),這種無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)了成本削減,取而代之的是,這些傳感器由小型無人直升機(jī)發(fā)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(shù)據(jù),并以無線方式把結(jié)果發(fā)送回直升機(jī)。在直升機(jī)上,一個單片機(jī)會記錄所有這些數(shù)據(jù)?！盠ynch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(jiān)測結(jié)構(gòu)上的槽狀帶,槽內(nèi)的空氣被抽空,使槽狀帶變成一種非常敏感的監(jiān)視設(shè)備。因為即使其所依附的表面上出現(xiàn)分子大小的裂縫,槽狀帶的真空狀態(tài)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(jiān)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?！盧oach表示,“這是第一種可以監(jiān)測結(jié)構(gòu)疲勞度的現(xiàn)場傳感器,而且其價格便宜到我們可以把其嵌入到結(jié)構(gòu)中,讓它們留在那里進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測?！?
Structural Monitoring Systems公司制造的一款CVM,從幾年前開始就已經(jīng)作為一項技術(shù)測試被用于商業(yè)航線。波音公司最近確認(rèn)了這種方法的有效性。
Sandia實驗室也在試驗一種基于強(qiáng)化型復(fù)合材料的橋梁修復(fù)系統(tǒng)。該公司最近用這種新型復(fù)合材料修復(fù)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(jiān)測傳感器,可以對結(jié)構(gòu)維修后的健康狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測。
作者:羅克鈴
（電子工程專輯）
