文 譯者

相關(guān)研究表明，無(wú)線自供電傳感器可能是持續(xù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵設(shè)備。目前，美國(guó)聯(lián)邦公路管理局贊助了無(wú)線自供電傳感器的研究，旨在促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

研究生正在美國(guó)密歇根州的麥基諾橋上安裝壓電浮柵（PFG）傳感器的樣機(jī)。

對(duì)橋梁及其他交通基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是養(yǎng)護(hù)管理單位的一項(xiàng)重要工作內(nèi)容。在制定諸如維護(hù)方案或投資等決策前，養(yǎng)護(hù)管理單位需要充分掌握有關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施狀況的準(zhǔn)確信息。

先進(jìn)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠幫助養(yǎng)護(hù)人員盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)施存在的結(jié)構(gòu)劣化，從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。當(dāng)前，美國(guó)聯(lián)邦公路管理局（Federal Highway Administration）的贊助，無(wú)疑為具備連續(xù)監(jiān)測(cè)性能的無(wú)線自供電傳感器的研究鋪平了道路，而運(yùn)用此類技術(shù)收集的數(shù)據(jù)，將會(huì)為交通運(yùn)輸機(jī)構(gòu)提供有效的決策支持。

眾所周知，導(dǎo)致橋梁故障的因素有很多，包括自然災(zāi)害、碰撞、超載、退化以及疲勞裂紋，如果不加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并及時(shí)處理故障，可能會(huì)引發(fā)橋梁坍塌事故。而這項(xiàng)研究的重點(diǎn)就是開(kāi)發(fā)一種獨(dú)特的傳感器，用于監(jiān)測(cè)鋼橋中的疲勞裂紋。解決結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)問(wèn)題的一種前瞻性方案是——基于壓電浮柵（PFG）的傳感技術(shù)，該傳感器無(wú)需電池即可工作，且體積非常小，可以嵌入混凝土中或附著在鋼結(jié)構(gòu)上。雖然傳感器體積很小，但提供連續(xù)可用數(shù)據(jù)的潛力卻很大。

新型技術(shù)，破解應(yīng)用難題

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中面臨許多挑戰(zhàn)，首先，最主要的挑戰(zhàn)是使用足夠數(shù)量的常規(guī)傳感器（例如應(yīng)變計(jì)和加速度計(jì)）提供足夠高的空間分辨率，來(lái)捕獲可能是嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損壞先兆的響應(yīng)變化；其次，從待測(cè)結(jié)構(gòu)采集數(shù)據(jù)不僅需要傳感器，而且還需要測(cè)量網(wǎng)絡(luò)來(lái)收集和傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行后續(xù)分析；此外，還需要可靠的能源來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器和相關(guān)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展摒棄了使用電纜的繁瑣環(huán)節(jié)，但確保有足夠的能源為傳感器網(wǎng)絡(luò)供電，以開(kāi)展長(zhǎng)期、自主、連續(xù)的監(jiān)測(cè)仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。更換電池?zé)o法滿足嵌入式和長(zhǎng)期運(yùn)行的要求，而傳感器的小體積則嚴(yán)重限制了能量收集設(shè)備的存儲(chǔ)能力。此外，從結(jié)構(gòu)中收集的能量與傳感、計(jì)算和通信所需的能量之間也存在很大差距。為此，密歇根州立大學(xué)和華盛頓大學(xué)在美國(guó)聯(lián)邦公路管理局的資助下進(jìn)行了有關(guān)自供電傳感器的研究，在一定程度上解決了這一問(wèn)題。

最近的研究發(fā)現(xiàn)了一項(xiàng)新穎的自供電傳感器技術(shù)，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)皮瓦功耗，這項(xiàng)指標(biāo)比其他任何商用傳感器的技術(shù)都低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，該技術(shù)同時(shí)兼具超低功耗計(jì)算和數(shù)據(jù)記錄能力，已被證明能夠用于自動(dòng)、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)荷載響應(yīng)。

嵌入基礎(chǔ)架構(gòu)（例如橋梁和公路）中的一系列自供電傳感器可以連續(xù)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)架構(gòu)的狀況。當(dāng)前，來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）讀取器以無(wú)線方式從行駛中的車輛或手持設(shè)備上傳。美國(guó)幾個(gè)州的交通部門表示需要在未來(lái)的研究中進(jìn)一步提高系統(tǒng)功能，方法是通過(guò)手機(jī)、平板電腦或具有互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)權(quán)限的便攜式計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)中，以進(jìn)行處理和分析。

目前，壓電浮柵傳感器樣機(jī)系統(tǒng)已作為美國(guó)聯(lián)邦公路管理局資助項(xiàng)目的一部分進(jìn)行了開(kāi)發(fā)和測(cè)試（DTFH61-08-C-00015智能路面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、DTFH61-13-H-00009超低功耗無(wú)線傳感技術(shù)可用于橋梁和公路基礎(chǔ)設(shè)施的多指標(biāo)自供電監(jiān)測(cè)）。與其他傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)方法相比，壓電浮柵傳感技術(shù)具備以下特色功能：低功耗要求（功耗小于80納瓦）；自供電連續(xù)傳感（無(wú)需電池）；傳感器的尺寸較小且無(wú)需電池供電，有利于在密集網(wǎng)絡(luò)（需要大量傳感器以確保覆蓋范圍內(nèi)無(wú)間隙的傳感器網(wǎng)絡(luò)）中進(jìn)行部署；自主計(jì)算和感應(yīng)變量的非易失性存儲(chǔ)；無(wú)線通信功能。

圖為壓電浮柵傳感器電路的顯微照片以及放置在保護(hù)盒中的傳感器樣機(jī)（保護(hù)盒用于承受惡劣的外部環(huán)境）

密歇根州麥基諾橋管理局的執(zhí)行秘書鮑勃·斯威尼說(shuō)：“我們很高興在這里對(duì)壓電浮柵傳感器樣機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。在麥基諾橋外的結(jié)構(gòu)上，此類傳感器具有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)，我們每年都會(huì)對(duì)橋梁進(jìn)行精心維護(hù)和檢查，而類似的傳感器將起到輔助作用，為我們提供更多有關(guān)橋梁狀況的信息，幫助養(yǎng)護(hù)人員更好地維護(hù)橋梁。”

自主供電，確保持續(xù)監(jiān)測(cè)

迄今為止開(kāi)發(fā)的所有傳感器都基于一組相似的組件或構(gòu)件。通常，傳感器系統(tǒng)由換能器、轉(zhuǎn)換器和調(diào)節(jié)器等組成。這些組件需要恒定的電源，而所有商業(yè)上可行的傳感器都需要太陽(yáng)能或電池來(lái)供電。高速公路等基礎(chǔ)設(shè)施需要成千上萬(wàn)個(gè)傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)所需的響應(yīng)，這使得傳統(tǒng)傳感器無(wú)法適應(yīng)實(shí)際需求。

針對(duì)路面裂縫監(jiān)測(cè)，只需將傳感器嵌入材料下方，但對(duì)于橋梁監(jiān)測(cè)而言，有效的高密度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)需要應(yīng)用大量傳感器，要想實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，定期更換電池顯然行不通，若采用太陽(yáng)能供電技術(shù)則會(huì)產(chǎn)生高額的成本。此外，土木結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最重要的是捕獲每個(gè)加載事件，如果在重要的加載周期之間，傳感器處于不活動(dòng)狀態(tài)，監(jiān)測(cè)的效果將大打折扣。顯然，消除這些“停電”時(shí)段是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)槿魏紊逃玫臋C(jī)載電池或超級(jí)電容器都可能會(huì)在間歇性加載周期之間失去電荷。相同的邏輯可以解釋使用非易失性存儲(chǔ)器的必要性，因?yàn)樵陔娫粗袛嗥陂g任何易失性存儲(chǔ)器采集的數(shù)據(jù)都會(huì)丟失。

為了克服上述困難，研究人員發(fā)明了一種能夠捕獲、計(jì)算和存儲(chǔ)應(yīng)變以及加速度信號(hào)的新技術(shù)——壓電浮柵（PFG）感應(yīng)技術(shù)。該技術(shù)所使用的材料能將機(jī)械能（例如振動(dòng)）轉(zhuǎn)換為電能，且產(chǎn)生的電信號(hào)與機(jī)械激勵(lì)成正比，能夠?yàn)閭鞲邢到y(tǒng)中的所有電子設(shè)備供電。

壓電浮柵傳感器樣機(jī)已安裝在麥基諾橋跨中的主梁上

壓電浮柵傳感器適用性較強(qiáng)（橋梁和路面監(jiān)測(cè)），可以制造成不同尺寸和形狀。

圖為封裝的壓電浮柵傳感器，法國(guó)已經(jīng)開(kāi)展該類傳感器的測(cè)試試驗(yàn)。

新穎的設(shè)計(jì)使得傳感器能夠從其檢測(cè)到的信號(hào)中獲取功率。傳感器電子裝置就像一個(gè)大的電子容器，每次加載結(jié)構(gòu)（例如當(dāng)卡車經(jīng)過(guò)橋梁）時(shí)，壓電材料都會(huì)發(fā)出會(huì)晃動(dòng)容器的信號(hào)。在晃動(dòng)時(shí)，一些電子將被扔到一個(gè)較小的容器中，該容器被隔離并且不會(huì)被搖動(dòng)（因此被稱為“浮動(dòng)”），該過(guò)程被稱為“熱電子注入”。較小的容器就像永久記憶一樣，因?yàn)槠渲械碾娮颖挥谰貌东@。計(jì)算被困電子的數(shù)量可得出系統(tǒng)被搖動(dòng)的次數(shù)以及顫抖的強(qiáng)度，從而反映外部荷載（例如經(jīng)過(guò)的車輛）的數(shù)量和大小。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了傳感系統(tǒng)的節(jié)能化，同時(shí)也降低了對(duì)電源和傳統(tǒng)傳感器所需其他接口電子設(shè)備的需求。

數(shù)據(jù)分析，助力科學(xué)決策

監(jiān)測(cè)大型結(jié)構(gòu)健康狀況的另一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是——理清由傳感器生成的大量數(shù)據(jù)。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，每個(gè)傳感器都有一系列存儲(chǔ)單元或門，它們與計(jì)算電路相鄰放置。壓電換能器傳遞的信息存儲(chǔ)在這些門中。當(dāng)由壓電換能器產(chǎn)生的輸入信號(hào)的幅度超過(guò)某些預(yù)定閾值時(shí)，門將會(huì)記錄應(yīng)變/電壓事件的持續(xù)時(shí)間。傳感器的輸出以直方圖的形式表示，其中每個(gè)門表示在特定的預(yù)定應(yīng)變水平下事件的累積時(shí)間。自我維持的傳感系統(tǒng)使用傳感器輸出將應(yīng)變分布的變化率與損壞率關(guān)聯(lián)起來(lái)。

新型數(shù)據(jù)需要用特定的技術(shù)進(jìn)行處理和分析。密歇根州立大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)已開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的軟件和工具，為橋梁運(yùn)營(yíng)商和州交通運(yùn)輸部提供數(shù)據(jù)分析。該軟件將自動(dòng)分析數(shù)據(jù)，然后將其合成并以簡(jiǎn)化的方式呈現(xiàn)給用戶，以幫助用戶做出養(yǎng)護(hù)決策。

壓電浮柵工作原理

這種多度量傳感系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析程序的成功開(kāi)發(fā)和實(shí)施，可以極大地改變橋梁和道路養(yǎng)護(hù)的經(jīng)濟(jì)性，并最終改善基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)水平。