結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(SHM)是一種基于傳感器的主動(dòng)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(cè)試監(jiān)測(cè)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(shí)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(shí)完成現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)測(cè)試,但由于不是連續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),所以這些測(cè)試對(duì)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(shí)時(shí)刻刻維護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

“SHM時(shí)代已經(jīng)到來。”Sandia國家實(shí)驗(yàn)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(shí)間檢測(cè)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(cè)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(dòng)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(cè)地震活動(dòng)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?yàn)檫@樣我們可以將傳感器置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部。”斯坦福大學(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(jià)？

美國目前對(duì)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(shí),才會(huì)使用蝸流、超聲或滲透性染料(penetrating dye)做進(jìn)一步測(cè)試。在I-35W大橋垮塌事件的警示下,美國的一些實(shí)驗(yàn)室建議使用無線節(jié)點(diǎn)將結(jié)構(gòu)健康信息連續(xù)傳送給維修人員。因?yàn)閭鞲衅骺梢詸z測(cè)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(shí)驗(yàn)室研究人員正在努力開發(fā)一種能時(shí)時(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(cè)缺陷。Sandia國家實(shí)驗(yàn)室表示,其成為比較型真空監(jiān)視(CVM)的方案可以感測(cè)分子大小的裂縫(即使裂縫在難以到達(dá)的地方),而且每個(gè)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(diǎn)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(diǎn)。  

密西根大學(xué)的方案是向結(jié)構(gòu)噴涂一種感測(cè)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(bào)局(CIA)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí),Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室也證實(shí),其壓電傳感器方案的實(shí)現(xiàn)成本約為每節(jié)點(diǎn)1美元。其實(shí)現(xiàn)方法為:首先,片狀壓電轉(zhuǎn)換器在驅(qū)動(dòng)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(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；利用模式識(shí)別軟件,計(jì)算機(jī)可以對(duì)超聲波反射進(jìn)行分析,從而感測(cè)橋梁的結(jié)構(gòu)變化。

“我們的系統(tǒng)有點(diǎn)像主動(dòng)聲納。”與加州大學(xué)圣地亞哥分校研究組進(jìn)行合作的Los Alamos實(shí)驗(yàn)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(cè)試結(jié)果做比較。”

F3:Sandia的Roach舉著一個(gè)CVM傳感器,被抽成真空的槽會(huì)在發(fā)生裂縫時(shí)破裂。

一個(gè)多月前,在美國南部新墨西哥州的一座大橋成為美國首個(gè)安裝有壓電傳感器和驅(qū)動(dòng)器的大橋。“通過消除供電系統(tǒng),這種無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)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(gè)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(gè)單片機(jī)會(huì)記錄所有這些數(shù)據(jù)。”Lynch說。

Sandia實(shí)驗(yàn)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(cè)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?yàn)榧词蛊渌栏降谋砻嫔铣霈F(xiàn)分子大小的裂縫,槽狀帶的真空狀態(tài)也會(huì)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(gè)CVM。

“一旦裂縫形成,它們就會(huì)破壞真空密封,從而被儀器檢測(cè)到。”Roach表示,“這是第一種可以監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)疲勞度的現(xiàn)場(chǎng)傳感器,而且其價(jià)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(cè)。”

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(xiàng)技術(shù)測(cè)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(shí)驗(yàn)室也在試驗(yàn)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(gè)疲勞裂縫,并安裝了一種帶有無線傳感器的渦流監(jiān)測(cè)傳感器,可以對(duì)結(jié)構(gòu)維修后的健康狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

作者:羅克鈴