[發明專利]基于能量采集的結構體健康監測系統及其方法

有效

• 申請號: 201610590977.2
• 申請日: 2016-07-26
• 公開（公告）號: CN106017574B
• 公開（公告）日: 2018-03-13
• 發明（設計）人: 魯力;李松璠
• 申請（專利權）人: 成都布阿澤科技有限公司
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;H02J50/20
• 代理公司: 成都弘毅天承知識產權代理有限公司51230
• 代理人: 李春芳

技術領域

本發明涉及結構體健康監測技術領域，具體涉及基于能量采集的結構體健康監測系統及其方法。

背景技術

結構體健康監測(Structural Health Monitoring，SHM)定義為對工程結構的損傷監測和特性描述。這是一個近20年來新興的概念。其主要專注的領域是基礎設施的健康狀況，包括建筑物、橋梁、隧道以及航空工業。此外在水下管道系統(油管、光纖等)、高速公路、機械、醫療和電路板方面也有相關應用。

2007年，美國，I-35公路橋梁由于超負荷而坍塌；2009年，德國，城市歷史檔案館由于地基形變坍塌；這兩個案例都是由于缺乏結構體健康監測而導致的基礎設施坍塌。其中的建筑物和橋梁分別由于地基形變和過度形變而導致的坍塌。美國克里夫蘭的一架已經使用了50年的舊高速公路橋梁。該座橋梁在2009年被診斷出主鋼筋損壞以及過度形變。之后，在2014年這座橋梁被拆除并重建。

傳感器典型的感知參數(測量參數)有應變、壓力、溫度、傾斜率、濕度、腐蝕、振動、壓強和水平程度。這些參數通過各式傳感器采集得來，包括：風速計、加速度計、動態和靜態應變片、位移傳感器、溫度傳感器、全球定位系統、水平傳感器、動態稱重設備、氣壓計、雨量計、濕度計、腐蝕傳感器、數字攝像機和電磁傳感器。

目前，由于高昂的成本開銷，結構體健康監測系統僅僅應用在一些至關重要的大型橋梁和重要的摩天大樓上。在眾多橋梁中以香港昂船洲大橋為例，這座大橋上安裝有風力和結構體健康監測系統，是世界上最昂貴的數字化橋梁之一。在建筑物方面，以世界上最高的哈利法塔為例。香港昂船洲大橋上總共安裝有1723個監測傳感器節點。其中有82％(1416個)的傳感器是應變片和溫度傳感器。另一方面，安裝在哈利法塔上428個應變片。對于此類至關重要的結構體來說，安裝全面健康監測系統所帶來的高成本是可以接受的；而對于其它大部分橋梁和建筑物，時常首先選擇定制的系統。這種定制的系統僅監測部分結構體參數，從而降低了成本。中國的一部分橋梁使用改造的結構體健康監測系統，使其能夠在技術上使用混合拓撲，比如，通信：光纖，有線，或無線；能源：電力線，電池，或能量采集；傳感器類型：主動式，或被動式(無源)。

美國橋梁健康診斷的案例。結構體健康監測的重要性可以通過下面這個例子體現出來。從1990年開始，美國各地交通管理局要求以半年為周期目視檢查全部576,000個高速橋梁。這樣的檢測能夠發現橋梁的毫米級形變，從而召回維修部分結構體已老化的橋梁。這樣的統計顯示：

1990年初期：美國將近35％的橋梁(236,000座)在結構上或功能上有缺陷；

2006年：超過149,000座橋梁在結構上有缺陷；

2012年：差不多25％的橋梁有缺陷。

值得強調的是，在監測系統中感知的主要工作量集中在應變測量和溫度測量上。橋梁損毀的主要原因是超載(常由重型卡車導致)，強風和地震。這需要周期性的監測由這些原因所導致的橋梁形變。高速公路橋梁的案例中，對橋梁形變程度測量的重要性是顯而易見的——僅通過目視應變檢查就能預測橋梁損害的程度。應變測量在評估建筑物沉降和傾斜狀況方面也是至關重要的，尤其在施工階段。

如果結構體健康監測在結構診斷中是極其重要的，并且在當前市場中也是現成的，那么問題是為什么周圍重要的基礎設施中并沒有這樣的系統？在這里，主要的原因是其高昂的成本。此外其他的原因包括系統的高功耗和高維護的開銷，尤其是在電池供電或太陽能供電的案例系統中。系統精度漂移(尤其受溫度的影響)依然是一個無法忽略的因素。

拓撲結構，感知參數的數量等等。每個傳感器成本(cost per sensor)是評估一個監測系統成本的很好的判斷依據。圖1所示為4座橋梁的成本對比，在這些橋梁里使用了光纖和無線監測技術。昂貴的成本是全自動結構體健康監測系統只安裝在少量重要橋梁的原因。中國橋梁估計成本大概在一到兩百萬美元。在安裝有自動化監測系統的橋梁里，每個傳感器的成本大概在5000美元左右。

功耗(電池壽命)限制隨著近年來嵌入式無線傳感系統的發展，似乎實現一個高信價比的無線結構體健康監測系統無疑是近在眼前的。協同能源采集技術(太陽能或振動能量)能實現全自動解決方案。為了更好的去權衡成本與系統之間的關系，研究了一些當前已部署的無線監測系統的發展狀況。