结构健康监测传感器

随着最近的进展传感器技术,结构健康监测(SHM)系统已经被开发并应用于各种土木结构，如桥梁、建筑物、隧道、发电厂和水坝。许多先进类型的传感器，从有线到无线传感器，已经开发了通过实时数据收集连续监测结构状况。然而，仍有大量的问题与SHM传感器的使用相关。对于设计一个SHM系统，关键任务之一是发现如何确定一个适当类型的传感器，可以有效地满足所设计的传感系统的范围。本文旨在对不同的类型进行简要的回顾用于结构健康监测的传感器以及结构的实时状态评估。

用于结构健康监测的智能传感器

结构健康监测在很大程度上依赖于收集准确和高质量的结构单元状态实时测量数据，将这些信息与控制系统进行通信，并在观察到不规则模式时发出必要的警报。用于结构健康监测的传感器旨在促进监测过程，并使维护工程师与决策工具，这将确保设施和公众的安全。典型的健康监测系统由传感器网络组成，负责测量与结构当前状态及其周围环境相关的不同参数，如应力、应变、振动、倾角、湿度和温度。

结构健康监测传感器技术的最新进展是各种类型的SHM传感器的结果。以下是对结构监测中最广泛使用的SHM传感器的简要回顾。

1.光纤传感器

近年来，光纤传感器得到了很大的发展。在土木工程中，这些传感器可以用来测量不同的参数。例如应变、结构位移、振动频率、加速度、压力、温度和湿度。结构的监视可以是局部的，也可以是全局的。局部方法的重点是材料行为，而全局方法归因于监测整个结构性能。光纤传感器已被测试用于不同的应用，例如桥梁混凝土构件的应变监测[韦伯等，2017］．

2.用于结构运行状况监测的加速计

加速度计是一种用于测量单轴或多轴方向加速度的机电设备。这些力可以是静态的，比如结构部件上的连续重力，也可以是动态的，比如卡车过桥时的运动或振动。加速度计的应用扩展到多个领域，从智能手机到旋转机械和民用基础设施。

在结构监测的背景下，加速度计可用于实时监测由于结构损伤或结构性能变化而引起的结构动力特性的变化[Lin等2015］．加速度计的多轴模型主要用于探测物体的大小和方向适当的加速度．加速度计在需要控制结构的短期或长期动态行为的建筑中也有广泛的用途[已具备2018］．在结构应用中，测量和记录结构的动力行为是评估其安全性和生存能力的关键。动态荷载的来源多种多样，如冲击荷载(如下落的碎片)、建筑工程(如打桩、拆除)、交通荷载、地震等。

压电加速度计:压电式加速度计是一种利用某些材料(如石英)的压电效应在施加机械应力时产生电荷的加速度计。这种类型的振动传感器提供非常宽的频率和动态范围。压电器件广泛应用于不同的行业、环境和应用，可以测量包括加速度、冲击和振动在内的机械变量的动态变化[阅读更多］．

3.振动线诽谤者

振动线传感器是一类在岩土工程和结构监测中非常受欢迎的传感器。振动钢丝传感器的主要部件是一根被拉紧的钢丝，当钢丝被拔出时，其振动的谐振频率与钢丝中的应变成正比。该机构用于通过各种传感器配置测量静态应变、应力、压力、倾斜和位移。

振动线传感器基于振动的合成共振频率，而不是振幅，来传递信号;因此，这些传感器相对来说能够抵抗电噪声、长电缆运行和电缆电阻的其他变化带来的信号退化。它们具有长期稳定性，广泛用于监测水坝、隧道、矿山、桥梁、基础、桩、不稳定斜坡和挖掘等结构[阅读更多］．

振动钢丝应变仪振动丝应变计被广泛用于测量钢或钢筋混凝土的应变。它们可以很容易地嵌入到混凝土中，用于监测桩、地基、大坝、隧道等的应变。电弧焊压力表适用于隧道衬砌、桩、桥梁等钢结构的电弧焊。

振动线位移传感器:振动丝位移传感器主要用于监测关键结构的长期运动。这些传感器能够测量混凝土、岩石、土壤和结构构件中接缝和裂缝的微小位移。从本质上说，换能器是由连接到张力弹簧的振动线组成的。传感器附近的结构元件的任何位移都由张力弹簧的拉伸来容纳，这反过来又产生相应的钢丝张力增加。这些传感器主要用于裂缝宽度测量，例如桥梁和隧道[阅读更多］．

4.线性可变差动变压器(LVDT)

线性变差动变压器(LVDT)是一种用于测量线性位移的机电传感器。在被测位移从毫米到几厘米的应用中，可以使用LVDT。LVDT传感器常用于结构监测应用，如记录活荷载和温度变化引起的结构构件位移[阅读更多］．

5.负载细胞

测压元件是一种传感器，用于将机械力，如张力、压缩、压力或扭矩转换为可测量的电力输出。这个输出与施加在测压元件上的力成比例变化。测压元件被用于各种要求精度和精确度的应用。这些传感器被用于许多历史建筑，在这些建筑中使用了各种建筑材料，如石头和砖[Ceravolo等，2017］．

6.结构健康监测中的应变计

结构监测中最常用的测压元件是应变计。应变计是一种用来测量因施加在物体上的力而产生的应变的装置。最常见的应变计由一个绝缘的柔性衬底组成，它支撑着金属箔图案。量规用合适的胶粘材料粘在物体上。当受到外力时，箔就会变形，使其电阻发生变化，从而可以测量到。这些传感器最常用于监测钢和钢筋混凝土结构的应变[Shahsavari等2019年］．

应变仪玫瑰:应变计花环是一种由两个或多个应变计组成的应变计，它们紧密地放置在一起，以测量被测元件沿不同方向的应变。使用多个应变计可更精确地评估被测表面的应变[Shahsavari等2019年］．

7.测斜仪(斜率指标)

倾角计(也称为坡度指示器)是用于监测地下运动和变形的精密仪器。当边坡稳定性涉及到天然边坡、人工切割/充填边坡和深填方工程时，倾斜仪用于测量井眼的水平地下变形。一个测斜系统包含两个主要部分:测斜机匣和测斜探头。倾斜计测量探头通过一个特殊的倾斜计套管降低和提高，该套管具有精密加工的凹槽，控制传感器的方向，并为测量提供一个均匀的表面。倾角计通常安装在井眼内;然而，它们也可以埋在沟里(水平倾角计)，浇铸到混凝土中，或附着在结构上。倾角计通常用于:

• 确定地下运动是否持续、加速或对补救措施是否有响应。
• 检查地下变形是否在设计范围内，支柱和锚是否按预期发挥作用，邻近建筑物是否不受地面运动的影响。
• 监测路堤、地基和其他结构构件的沉降剖面(水平倾角计)。

8.倾斜仪

倾斜仪是一种灵敏的倾斜仪，用于监测结构倾斜度的微小变化。测量数据提供了结构运动的准确历史，可用于潜在结构损伤的早期预警。传感器能够测量物体相对于重力方向的倾斜角(或倾斜角)、仰角或俯角。这些传感器适用于监测混凝土水坝或挡土墙等构筑物的转动情况[阅读更多］．

9.声发射传感器

声发射(AE)传感器测量由局部应力波源产生的高频能量信号。材料中的不连续和缺陷会产生应力波。声发射传感器能够捕捉到传播到材料表面的应力波。通过将这些波转换成电信号，声发射传感器是有效评估材料在应力作用下的当前状态的理想设备。这些传感器主要用于检测结构构件中现有裂纹的产生或扩展[Nair和Cai 2010］．

10.温度传感器

土木工程结构易受环境变化的影响，因此有必要测量在一定程度上影响结构物理性能的温度[Shahsavari等人，2018］．热电偶是应用最广泛的温度传感器之一，用于测量结构中某些点的温度变化。大多数大型混凝土结构在浇筑和施工过程中使用温度传感器，以完全控制养护过程中的温度变化。