[发明专利]基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及结构体健康监测技术领域，具体涉及基于能量采集的结构体健康监测系统及其方法。

背景技术

结构体健康监测(Structural Health Monitoring，SHM)定义为对工程结构的损伤监测和特性描述。这是一个近20年来新兴的概念。其主要专注的领域是基础设施的健康状况，包括建筑物、桥梁、隧道以及航空工业。此外在水下管道系统(油管、光纤等)、高速公路、机械、医疗和电路板方面也有相关应用。

2007年，美国，I-35公路桥梁由于超负荷而坍塌；2009年，德国，城市历史档案馆由于地基形变坍塌；这两个案例都是由于缺乏结构体健康监测而导致的基础设施坍塌。其中的建筑物和桥梁分别由于地基形变和过度形变而导致的坍塌。美国克里夫兰的一架已经使用了50年的旧高速公路桥梁。该座桥梁在2009年被诊断出主钢筋损坏以及过度形变。之后，在2014年这座桥梁被拆除并重建。

传感器典型的感知参数(测量参数)有应变、压力、温度、倾斜率、湿度、腐蚀、振动、压强和水平程度。这些参数通过各式传感器采集得来，包括：风速计、加速度计、动态和静态应变片、位移传感器、温度传感器、全球定位系统、水平传感器、动态称重设备、气压计、雨量计、湿度计、腐蚀传感器、数字摄像机和电磁传感器。

目前，由于高昂的成本开销，结构体健康监测系统仅仅应用在一些至关重要的大型桥梁和重要的摩天大楼上。在众多桥梁中以香港昂船洲大桥为例，这座大桥上安装有风力和结构体健康监测系统，是世界上最昂贵的数字化桥梁之一。在建筑物方面，以世界上最高的哈利法塔为例。香港昂船洲大桥上总共安装有1723个监测传感器节点。其中有82％(1416个)的传感器是应变片和温度传感器。另一方面，安装在哈利法塔上428个应变片。对于此类至关重要的结构体来说，安装全面健康监测系统所带来的高成本是可以接受的；而对于其它大部分桥梁和建筑物，时常首先选择定制的系统。这种定制的系统仅监测部分结构体参数，从而降低了成本。中国的一部分桥梁使用改造的结构体健康监测系统，使其能够在技术上使用混合拓扑，比如，通信：光纤，有线，或无线；能源：电力线，电池，或能量采集；传感器类型：主动式，或被动式(无源)。

美国桥梁健康诊断的案例。结构体健康监测的重要性可以通过下面这个例子体现出来。从1990年开始，美国各地交通管理局要求以半年为周期目视检查全部576,000个高速桥梁。这样的检测能够发现桥梁的毫米级形变，从而召回维修部分结构体已老化的桥梁。这样的统计显示：

1990年初期：美国将近35％的桥梁(236,000座)在结构上或功能上有缺陷；

2006年：超过149,000座桥梁在结构上有缺陷；

2012年：差不多25％的桥梁有缺陷。

值得强调的是，在监测系统中感知的主要工作量集中在应变测量和温度测量上。桥梁损毁的主要原因是超载(常由重型卡车导致)，强风和地震。这需要周期性的监测由这些原因所导致的桥梁形变。高速公路桥梁的案例中，对桥梁形变程度测量的重要性是显而易见的——仅通过目视应变检查就能预测桥梁损害的程度。应变测量在评估建筑物沉降和倾斜状况方面也是至关重要的，尤其在施工阶段。

如果结构体健康监测在结构诊断中是极其重要的，并且在当前市场中也是现成的，那么问题是为什么周围重要的基础设施中并没有这样的系统？在这里，主要的原因是其高昂的成本。此外其他的原因包括系统的高功耗和高维护的开销，尤其是在电池供电或太阳能供电的案例系统中。系统精度漂移(尤其受温度的影响)依然是一个无法忽略的因素。

拓扑结构，感知参数的数量等等。每个传感器成本(cost per sensor)是评估一个监测系统成本的很好的判断依据。图1所示为4座桥梁的成本对比，在这些桥梁里使用了光纤和无线监测技术。昂贵的成本是全自动结构体健康监测系统只安装在少量重要桥梁的原因。中国桥梁估计成本大概在一到两百万美元。在安装有自动化监测系统的桥梁里，每个传感器的成本大概在5000美元左右。

功耗(电池寿命)限制随着近年来嵌入式无线传感系统的发展，似乎实现一个高信价比的无线结构体健康监测系统无疑是近在眼前的。协同能源采集技术(太阳能或振动能量)能实现全自动解决方案。为了更好的去权衡成本与系统之间的关系，研究了一些当前已部署的无线监测系统的发展状况。