高昕星，胡明祎，蘭日清，劉慶賓，趙安中

(1.國機集團科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100050；2.國機集團工程振動控制技術(shù)研究中心，北京 100020)

0 引言

隨著我國重大建設(shè)項目的日益增多，核電設(shè)施、大型橋梁、大科學(xué)裝置等重要建筑工程對其所處的環(huán)境的振動控制要求愈發(fā)苛刻，對工程振動的監(jiān)測需求也日益強烈。

振動監(jiān)測通常借助振動傳感器實現(xiàn)，其中加速度計是代表性器件，其測量原理是通過測量質(zhì)量塊在非慣性參照系中慣性力所引發(fā)的某一物理量的變化，逆推該非慣性參照系的相對加速度，用以描述振動的強烈程度。進入信息時代以來，隨著微電子技術(shù)的誕生和發(fā)展，幾乎所有的傳感器都向小而精的方向快速演化，加速度計的空間尺寸越來越小，其測量精度越來越高；而且得益于片上系統(tǒng)(system on a chip，SOC)的推動，加速度計與其外圍電路得到了芯片級的整體封裝，集成度進一步提高，同時功耗和成本大幅降低，高度契合了需要使用極多振動傳感器的環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用需求。

1 MEMS加速度計

MEMS(micro electro mechanical system)是微機電系統(tǒng)的簡稱，是指通過光刻、腐蝕、硅微加工、超精密制造和LIGA(lithographie galvanoformung abformung，同步輻射光刻、電鑄和注塑)等技術(shù)在硅片上搭建的尺寸為幾mm甚至更小的微型裝置。這些微型裝置內(nèi)部可活動部件尺度極小，但其性能指標(biāo)與宏觀裝置基本一致，兼具優(yōu)良的電氣性能。借助MEMS技術(shù)構(gòu)建微型梁、微彈簧、活動質(zhì)量塊、梳齒結(jié)構(gòu)和微溝道，將振動能量轉(zhuǎn)換為電壓、電阻和電容量的變化，并由外圍模擬電路放大和輸出。依據(jù)不同的換能類型，MEMS加速度計有著不同的微結(jié)構(gòu)與測量特性，并通常可分為壓電式、電容式、壓阻式和熱對流式等類型。目前在工程振動環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛的是壓電式和電容式2種類型。

1.1 壓電式MEMS加速度計

壓電材料具備將機械形變轉(zhuǎn)換為電學(xué)信號的分子特性，使用壓電材料作為傳感材料的加速度計可直接實現(xiàn)從振動結(jié)構(gòu)應(yīng)變到輸出電壓之間的換能。大多數(shù)壓電材料由金屬或半導(dǎo)體的氮化物及氧化物制成，此類材料在結(jié)晶與沉積過程中通常涉及200～800 ℃的高溫，且其壓電性能高度依賴于沉積層的厚度與形態(tài)，因此制備過程中需嚴(yán)格控制這些材料的晶核生長和結(jié)晶過程[1-3]，在過去，在微結(jié)構(gòu)上制備指定形狀的薄膜壓電材料十分困難，但近些年來材料科學(xué)在開發(fā)低成本、高質(zhì)量壓電材料沉積方向上進展迅速，以氧化鋅(ZnO)、鐵電鋯鈦酸鉛(PZT)和氮化鋁(AIN)為代表性的薄膜壓電材料的沉積技術(shù)相繼問世，三者的等離子體圖形化工藝[4-6]滿足了MEMS微制造技術(shù)的需求，壓電式MEMS加速度計得以出現(xiàn)和發(fā)展。

壓電式MEMS加速度計的主要測量結(jié)構(gòu)通過在單晶硅晶圓表面以微加工的方式制造，其制造過程如圖1所示[7]：對襯底硅片進行熱氧化處理(圖1(b))，以生成絕緣襯底；在此襯底上沉積一層導(dǎo)電薄膜(圖1(c))，作為底部電極；在底部電極的表面沉積一層壓電材料(圖1(d))，用作換能元件；在壓電陶瓷的表面沉積導(dǎo)電薄膜(圖1(e))，充當(dāng)頂部電極；借助等離子體掩?；蚬饪碳夹g(shù)實現(xiàn)圖案化腐蝕(圖1(f))，形成臂式結(jié)構(gòu)；通過基底刻蝕方法(圖1(g))或各向異性腐蝕方法(圖1(h))將臂式結(jié)構(gòu)底部的硅晶圓基底除去，形成懸臂梁結(jié)構(gòu)。

圖1 壓電式MEMS加速度計懸臂梁的制作流程

在振動環(huán)境下，懸臂梁結(jié)構(gòu)在慣性力的作用下產(chǎn)生彎曲形變，該形變使得懸臂梁中的壓電材料夾層的上下表面出現(xiàn)應(yīng)力差，進而導(dǎo)致上下表面出現(xiàn)電勢差，被頂部和底部電極采集并傳遞至外圍電路，進行放大并完成測量。

懸臂梁作為早期的測量結(jié)構(gòu)，在理論推導(dǎo)和驗證計算上有優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中，其存在靈敏度不足的缺陷。因此，P.L.Chen(1984年)[8]在ZnO薄膜復(fù)合懸臂梁的末端增加了質(zhì)量為2.8 mg的硅質(zhì)量塊，將振動引起的彎曲形變放大，其靈敏度為0.05 mV/g(見圖2(a))。此后，D.L.Devoe(2001年)[9]在此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建四懸臂梁結(jié)構(gòu)，將靈敏度提高為44.7 mV/g(見圖2(b))，并指出減少ZnO壓電薄膜的厚度不僅能夠提升質(zhì)量塊-懸臂梁類結(jié)構(gòu)測量靈敏度，而且能夠大幅改善其低頻測量特性。后期隨著壓電薄膜制備技術(shù)的進步，ZnO層的厚度也在不斷降低，Q.Zou(2008年)[10]將ZnO薄膜的厚度減少到0.3 μm，共振頻率僅為100 Hz，幾乎達到當(dāng)時工藝的極限。在制造工藝上遭遇瓶頸之后，技術(shù)的進步寄希望于新材料的突破，由于PZT薄膜的機電耦合系數(shù)和壓電常數(shù)比ZnO高1個數(shù)量級，L.P.Wang(2002年)[11-12]基于PZT薄膜建立了一種環(huán)形結(jié)構(gòu)，靈敏度達到7.6 pC/g(見圖2(c))，與ZnO薄膜的技術(shù)演進路線類似，H.G.Yu(2003年)[13-14]等分別將PZT薄膜的厚度降低為0.6 μm、0.5 μm，進一步提高了低頻響應(yīng)特性。此后，由于歐盟與日本相繼出臺貿(mào)易法規(guī)，逐步禁止電子器材中鉛的使用，限制了PZT壓電薄膜的應(yīng)用前景，而具備優(yōu)良CMOS相容性的AIN(氮化鋁)材料逐漸受到重視。R.H.Olsson(2009年)[15]構(gòu)建了基于共振音叉式結(jié)構(gòu)(見圖2(d))，內(nèi)部AIN薄膜厚約1 μm，其靈敏度達到3.4 Hz/g，該音叉結(jié)構(gòu)始終處于頻率為835.3 kHz的共振狀態(tài)之下，當(dāng)外部振動加載時，該音叉結(jié)構(gòu)的輸出頻譜會出現(xiàn)新的2個尖峰(對稱分布于共振峰兩側(cè))，尖峰與共振峰之間的頻域?qū)挾日扔陟`敏度，由于采用預(yù)調(diào)制的動態(tài)測量技術(shù)，該結(jié)構(gòu)有著較強的抗噪能力。Y.Wang(2016年)[16]改進并優(yōu)化了該類結(jié)構(gòu)，提出了一種中心對稱式的雙端音叉諧振結(jié)構(gòu)，并且引入了兩級微杠桿的機制，將測量靈敏度提高到28.4 Hz/g，所使用的AIN薄膜層厚度僅為0.5 μm。AIN懸臂梁結(jié)構(gòu)的最新進展參見Z.H.Chen(2020年)[17]的研究文章，其測量靈敏度達到1.49 mV/g，對應(yīng)共振頻率7.2 kHz，AIN薄膜厚度1 μm。上述壓電式MEMS加速度計的特征參數(shù)見表1。

圖2 壓電式加速度計的測量結(jié)構(gòu)演化過程

表1 壓電式MEMS加速度計的特征參數(shù)

在新型壓電材料與其薄膜制備技術(shù)不斷取得進展的同時，壓電材料的介電損耗和環(huán)境熱噪聲對測量靈敏度所造成的誤差影響也越來越顯著，使得懸臂梁式結(jié)構(gòu)的測量靈敏度存在一個相對極限。S.Tadigadapa(2009年)對此相對極限進行了解析計算，在他所提出的5個假設(shè)基礎(chǔ)上，結(jié)合F.A.Levinzon[18](2006年)的薄膜熱噪聲理論與P.Muralt[19](2005年)等制備出的最薄壓電薄膜(厚0.2 μm)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，給出了此相對極限的解析式，并進行了數(shù)值計算，其結(jié)論表明，隨著懸臂梁長度的縮短，最大量程與共振頻率增加，但相應(yīng)的分辨力變差，難以感知微弱振動；增加懸臂梁長度固然可以增強對微弱振動的感知能力，但最大量程與共振頻率(測量帶寬)同樣減小，產(chǎn)生測量矛盾。

除了上述測量矛盾之外，盡管介電材料在理論上能夠因靜力產(chǎn)生穩(wěn)定電勢差，但實際中因內(nèi)損耗機制使得壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不斷泄漏，最終導(dǎo)致電勢失穩(wěn)[20]，此缺點使得壓電類加速度計在測量低頻振動上表現(xiàn)不佳。因此，現(xiàn)有的產(chǎn)品級MEMS壓電類加速度計往往放棄低頻(1 Hz以下)的振動測量，以維持中高頻上的寬頻帶和高靈敏度特性，對于來自低頻的微弱振動，MEMS加速度計則以電容式的換能結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)測量。

1.2 電容式MEMS加速度計

2塊平行電極板之間存在電容，電容量的大小與平行板之間的距離和正對面積等參量相關(guān)，將其中一塊電極板固定，另一塊電極板安裝在彈簧-阻尼體系中的質(zhì)量塊上，外界振動將使電極板之間的距離或正對面積發(fā)生改變，借助外圍電路即可測算電容變化量的大小，進一步處理為振動方向與能量等信息。

基于控制變量的測量原則，單一方向上的測量結(jié)構(gòu)往往希望僅檢測單一結(jié)構(gòu)量的變化。根據(jù)檢測結(jié)構(gòu)量的不同，電容類MEMS加速度計可分為監(jiān)測電極板間距的可變間隙式(圖3(a))以及檢測電極板正對面積的可變面積式(圖3(b))兩大類[21]，可變間隙式結(jié)構(gòu)的阻尼由空氣壓模阻尼提供，而可變面積式由空氣滑膜阻尼提供，不同的阻尼形式對應(yīng)不同的測量特性。通常來說，壓模阻尼遠大于滑膜阻尼，使得可變間隙式結(jié)構(gòu)對振動的衰減顯著，平復(fù)時間更短，但卻容易受到雙極板內(nèi)殘余靜電力的影響，極板位置變化之后難以做到精確復(fù)位，遲滯較大。為了克服此類缺點，雙電路板結(jié)構(gòu)被擴充為三板式結(jié)構(gòu)，即移動電極板被放置于兩塊固定電極板的中間，對稱結(jié)構(gòu)使得移動電極板在中心位置達到靜電力平衡，解決了精確復(fù)位的問題(見圖3(c)、(d))。

圖3 電容式MEMS加速度計測量結(jié)構(gòu)

由于微振動所引起的質(zhì)量塊相對位移極小，導(dǎo)致單個三板式結(jié)構(gòu)的電容變化量難以被檢測到。借助MEMS技術(shù)微制造能力，在單一芯片內(nèi)建造數(shù)量極多的并聯(lián)三板式電容器，且其移動電極板全部與同一個質(zhì)量塊相連，形成“手指”或“梳齒”類結(jié)構(gòu)(見圖4(a)、圖4(b))，微電容器數(shù)量的增加使得微振動所誘發(fā)的變化電容增加，提升了電容式MEMS加速度計在測量低頻、微弱振動上的測量能力。隨著MEMS制造能力的不斷提升，單位面積內(nèi)集成的三板式電容器數(shù)量不斷增多，電容式MEMS加速度計對微弱振動的感知能力也在不斷增強。極多微電容的集成數(shù)量所帶來的另一優(yōu)勢在于，通過在1個正方形質(zhì)量塊的4條邊集成微電容，可以同時測量來自XYZ3個方向上的微振動，這對汽車行業(yè)以及智能手機重要，對于工程振動環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域而言，構(gòu)建分布式無線傳感網(wǎng)絡(luò)必須使用數(shù)量眾多的無線傳感器，其中相當(dāng)一部分被安裝在不能提供穩(wěn)定供電的位置而不得不采用電池供電，此時功耗控制的重要性得以凸顯，即使用單塊MEMS芯片同時測量3個方向振動的功耗顯然比使用3塊MEMS芯片分別測量3個方向的總功耗小得多。因此從提升測量能力和降低功耗的角度，電容式MEMS加速度計的高集成度都是意義重大的(圖4(c)、圖4(d))。

圖4 電容式MEMS加速度計的微測量結(jié)構(gòu)

M.A.Lemkin(1997年)[22]構(gòu)建了一套大小為4 mm×4 mm，厚度僅為2.3 mm的三軸電容式MEMS加速度計，除了在大小為500 μm×500 μm的質(zhì)量塊四周布設(shè)指形電容測量平面加速度以外，同樣在底部設(shè)置了一層電極板用于測量Z軸的振動，其靈敏度達到0.24 fF/g(Z軸為0.82 fF/g)，由于其質(zhì)量塊過輕，軸間耦合噪聲和環(huán)境噪聲較大。因此，G.Li(2001年)[23]基于體微機械加工技術(shù)(bulk-micromachined)，研制了一套高度對稱的四梁結(jié)構(gòu)，盡管結(jié)構(gòu)中沒有加手指形結(jié)構(gòu)，僅通過3個三板式電容的方式實現(xiàn)測量，但通過增重質(zhì)量塊的方式將靈敏度提升了近30倍。H.Qu(2004年，2008年)[24-25]重點研究了成型過程中的鉆蝕現(xiàn)象與噪聲之間的關(guān)系，并指出了成型過程中溫度過熱是導(dǎo)致鉆蝕噪聲的關(guān)鍵要素，改進了深反應(yīng)離子蝕刻(DIRE)的后處理流程，將熱噪聲降低至12 μg/Hz1/2，同時維持520 mV/g的高靈敏度。之后，電容式MEMS加速度計開始走向商業(yè)化，2009年，ADI(analog device industrial)[26]公司推出了三軸電容式加速度計產(chǎn)品，大規(guī)模的商業(yè)化生產(chǎn)迅速降低了成本，使得加速度計在消費級電子產(chǎn)品(如智能手機和四軸飛行器)上得到廣泛應(yīng)用。Y.W.Hsu(2010年)[27]基于硅-玻璃鍵合的體硅加工技術(shù)，在單個芯片內(nèi)構(gòu)建了3個彈簧質(zhì)量塊系統(tǒng)，將靈敏度提高到1.44 V/g?？s小加速度計的外形尺寸可以在一塊晶圓上制造更多的MEMS芯片，有助于進一步降低成本，C.M.Sun(2010年)[28]將封裝后的MEMS加速度計芯片縮小到1.78 mm×1.78 mm，緊湊的芯片結(jié)構(gòu)使單位面積晶圓上的芯片數(shù)量增加了4倍，進一步降低制造成本并提高了產(chǎn)能，但它存在靈敏度較低、噪聲過高的問題。后續(xù)的研究重點是降低測量噪聲，提升測量線性度。M.H.Tsai(2012年)[29-30]等在此方面做出了貢獻，最終，D.E.Serrano(2014年)[31]將封裝腔體內(nèi)部抽為真空，研制的加速度計噪聲僅為13 μg/Hz1/2、非線性度0.5%，所使用的單質(zhì)量塊大小僅為0.45 mm×0.45 mm×0.04mm，封裝后的芯片高度集成且緊湊。電容式MEMS加速度計的特征參數(shù)見表2。

表2 電容式加速度計的特征參數(shù)總結(jié)

總體而言，電容式MEMS加速度計具有較好的低頻響應(yīng)特性，可實現(xiàn)對極低頻微弱振動的測量，但這種測量能力是通過微制造并集成大量微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，其技術(shù)門檻較高，只有少數(shù)幾家半導(dǎo)體公司(如Bosch博世、ST意法半導(dǎo)體、ADI亞諾德和FS飛思卡爾等)才能掌握，國內(nèi)在此方面進展較緩慢。

2 MEMS加速度計在工程振動環(huán)境監(jiān)測上的應(yīng)用

工程振動環(huán)境監(jiān)測是一類實時、連續(xù)的振動測量系統(tǒng)應(yīng)用。根據(jù)測量對象的不同，可劃分為面向機械裝備的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(machine condition monitoring，MCM)[32-33]和面向建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(structural health monitoring，SHM)[34]兩大類。MCM系統(tǒng)的主要功能在于保障機械裝備的正常運轉(zhuǎn)，根據(jù)實時振動數(shù)據(jù)監(jiān)測機械裝備的當(dāng)前工作狀態(tài)，并以長時間的連續(xù)振動測量數(shù)據(jù)作為依據(jù)，給出預(yù)防性的維護建議。SHM系統(tǒng)借助預(yù)安裝在建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置上的加速度計，以行人、風(fēng)和車輛作為激擾源，測量結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)，進一步確定結(jié)構(gòu)模態(tài)。由于模態(tài)響應(yīng)是結(jié)構(gòu)自身的固有特性，僅當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時才會改變，故SHM系統(tǒng)可以通過監(jiān)測橋梁和建筑的模態(tài)數(shù)據(jù)判斷其結(jié)構(gòu)完整性，提供損害評估的功能，此功能對于相當(dāng)一部分處在超期服役、使用風(fēng)險逐年增加的建筑和橋梁而言，是十分迫切與重要的。

由于機械裝備的振動頻率集中于10 Hz～5 kHz，加速度范圍為1～100g，振動較強烈易于測量，且裝備的空間尺寸相對緊湊，MCM系統(tǒng)無需進行空間大尺度的分布式架設(shè)，往往使用少量壓電式加速度計，通過信號傳輸線與多通道信號采集卡相連，單臺PC機計算即可滿足數(shù)據(jù)分析和風(fēng)險預(yù)警需求。建筑或橋梁等結(jié)構(gòu)振動的振動頻率較低、振動加速度較小，難以被測量感知，且橋梁結(jié)構(gòu)跨度較大，通?？蛇_數(shù)百m，對SHM系統(tǒng)在大跨結(jié)構(gòu)應(yīng)用場景下的低頻微弱振動測量能力提出了一定的要求?，F(xiàn)有的SHM系統(tǒng)方案中，通常采用高靈敏度的電容式MEMS傳感器，與存儲模塊、處理器模塊、無線傳輸模塊和供電模塊一并被封裝構(gòu)成測量傳感終端，大量測量傳感終端基于多種通訊協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)拓撲方式(通常有星形、鏈型和樹形，見圖5)構(gòu)成振動傳感網(wǎng)絡(luò)，將振動數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)中心，在數(shù)據(jù)中心處完成分析和診斷。

除此之外，由于監(jiān)測對象在空間尺度上的顯著增大，所需要的傳感器數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)通道的信息流密度快速增長，對傳感器的功耗與授時校準(zhǔn)、網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)承載力和數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理能力均提出了一定的要求。綜合而言，由于SHM監(jiān)測對象的一系列特殊性，其實現(xiàn)難度較高，但鑒于它可以提供極為重要的建筑、橋梁與隧道的實時振動和結(jié)構(gòu)診斷信息，因此各國學(xué)者依然對其進行了大量的研究與實踐。

M.J.Whelan(2008年)構(gòu)建了基于16位微處理器和無線通訊的測量傳感終端[35]，測量芯片使用LISL02AL電容式加速度計，該芯片在100 Hz帶寬內(nèi)有2.63×10-3m/s2的測量精度，測量終端整體功耗僅為185.7 mW，使用3節(jié)AA干電池供電。最終SHM系統(tǒng)集成了20個測量終端，在紐約St.Lawrence的單跨17 m的鋼混結(jié)構(gòu)橋[36]以及紐約56號公路Raquette橋[37]上分別進行了現(xiàn)場測試(見圖6(a))。在這些測試中，測量終端的測量帶寬為0～60 Hz，數(shù)據(jù)顯示該系統(tǒng)探測到的最微弱振動為19.61×10-3m/s2，在2.82 h內(nèi)實現(xiàn)了振動連續(xù)監(jiān)測測量，且測出了橋體的一階模態(tài)(RT345橋及Raquette橋的一階模態(tài)頻率分別為9.5 Hz與8.07 Hz)。

S.N.Pakzad(2008年)[38]在同一個測量終端上就集成了2個SD-1221單軸加速度計和1個ADXL202型雙軸加速度計，實現(xiàn)了由交通或風(fēng)荷載誘發(fā)的低頻微幅振動的測量，并最終用于金門大橋的結(jié)構(gòu)振動監(jiān)測，見圖6(b)，數(shù)據(jù)顯示測到的微振動響應(yīng)平均值為0.31×10-3m/s2，頻率低至0.11 Hz，電池的續(xù)航能力超過2個月，且整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作了超過4個月，是SHM實際應(yīng)用。

J.A.Rice(2009年)[39]采用LIS3L02AS4型加速度計，最小測量能力達到0.14×10-3m/s2，其特點在于可根據(jù)用戶的需求自行調(diào)整傳感終端的采樣率，高采樣率下可以獲得更寬的測量帶寬，但功耗將會增加到700 mW，低采樣率有助于降低功耗，同時測量帶寬同樣會受到限制。該系統(tǒng)首先在振動臺上進行了性能測試，隨后在溫哥華的Stawamus Chief Pedestrian大橋上進行了單次60 s、共60次的現(xiàn)場測試(見圖6(c))，測試結(jié)果表明大橋在強風(fēng)沖擊下的振幅沒有超過允許標(biāo)準(zhǔn)，且其一階共振頻率為2.45 Hz[40]。

H.Jo(2010年)通過更新高精度加速度計實現(xiàn)了在15～400 Hz頻段內(nèi)分辨率為0.24×10-3m/s2的微振動測量，同樣，整個系統(tǒng)在實驗室的振動臺上進行桁架地板振動評估實驗[41]，擴充為70個測量終端在韓國Jindo大橋上進行了測試實驗[42-44](見圖6(d))，由于采用了加強了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該SHM系統(tǒng)具備長期穩(wěn)定運行的能力，整個測試過程長達1 a，未報告故障。

J.H.Park(2010年)[45]采用SD-1221加速度計，構(gòu)建了基于XBee通訊協(xié)議的無線測量終端，戶外傳輸距離達100 m，傳輸帶寬為250 kb/s，在0.1～250 Hz頻段內(nèi)實現(xiàn)了分辨精度達到10×10-3m/s2的振動監(jiān)測，在實驗室驗證其測量結(jié)果與PZT壓電加速度計(非MEMS)基本一致，并使用7個終端在一段長6 m的鋼混結(jié)構(gòu)縮尺橋梁模型上進行振動監(jiān)測(見圖6(e))，該系統(tǒng)準(zhǔn)確地預(yù)報了結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋束的斷裂情況，但對主梁斷裂的預(yù)報準(zhǔn)度不佳，除此之外，考慮到整體終端功率超過500 mW，其長期監(jiān)測能力在部分無穩(wěn)定供電的區(qū)域?qū)艿较拗啤?/p>

在對SHM信息獲取渠道擴充方向上，M.J.Chae(2012年)[46]開發(fā)了基于ZigBee傳輸協(xié)議的多類型傳感器SHM系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了加速度計、應(yīng)變計、測溫計和風(fēng)速計在內(nèi)的多類傳感器，并使用太陽能電池板供能，整體測量精度為2.79×10-3m/s2，測量頻寬為300 Hz，最終在韓國Yongjong大橋上進行了為期3個月的檢測(見圖6(f))，使用的傳感節(jié)點超過45個，檢測的振動平均值為192×10-3m/s2，最低頻率3 Hz。

在國內(nèi)，X.Hu(2013年)[47]使用了SD-1221L型加速度計和MSP430F1611型微控制器構(gòu)建了無線振動測量終端，測量帶寬為50 Hz，分辨率為0.44×10-3m/s2，傳感終端設(shè)計了一套二級放大裝置來保證對微弱信號的采集能力，最終在武漢市內(nèi)鄭店高速公路橋上進行了時長為250 s的連續(xù)采樣測試(見圖6(g))，采集到的最小振動為19.61×10-3m/s2，并進一步確定了該橋的共振頻率。吳遠光[48](2017年)設(shè)計了基于ADXL202型MEMS加速度計的無線振動測量節(jié)點，并在振動臺上進行了測試實驗。

A.Sabato(2015年)基于1600SN型寬頻低噪聲加速度計，開發(fā)了分辨率為0.14×10-3m/s2、帶寬達1 500 Hz的無線監(jiān)測終端，通過特有的V/F轉(zhuǎn)換模塊，將傳感器輸出信號轉(zhuǎn)換為FM調(diào)頻波，該類調(diào)制方式顯著地提高了傳輸系統(tǒng)的魯棒性。并將其安裝在日本的Streicker預(yù)應(yīng)力混凝土拱橋上(見圖6(h))，用于監(jiān)測橋體的振動，測出了橋體的共振頻率(3.07 Hz)[49-50]。

D.K.Monica(2015年)[51]構(gòu)建了名為ShakeNet的SHM系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)十個無線振動測量傳感終端組成，單個測量終端使用3個Si-Flex1500型單軸加速度計，加速度計在1 500 Hz帶寬內(nèi)有0.14×10-3m/s2的分辨率，同時信號噪聲不高于0.003×10-3m/(s2·Hz0.5)，單個測量終端的整體功耗高達750 mW。ShakeNet的測量終端在實驗室內(nèi)與有線加速度計進行了對比測試，在振動臺激勵處于0.1～90 Hz頻段內(nèi)時，測量結(jié)果相差小于10%，ShakeNet在加州理工學(xué)院的Millikan圖書館和加州San Pedro的Vincent Thomas橋上進行了持續(xù)30 min的測試(見圖6(i))，測試結(jié)果與建筑內(nèi)預(yù)裝的高精度有線加速度計的測量結(jié)果進行了對比，相差小于20%?；贛EMS加速度計的無線傳感終端參數(shù)應(yīng)用見表3。

表3 使用MEMS加速度計的無線傳感終端參數(shù)及應(yīng)用

圖6 SHM測試現(xiàn)場及無線傳感終端

在MEMS加速度計的輔助下，SHM系統(tǒng)實現(xiàn)了對建筑結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，并在此過程中采集并記錄了海量的振動相關(guān)數(shù)據(jù)，但如何將數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)損害建立對應(yīng)關(guān)系，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動的健康損害評價體系，一直以來是學(xué)界重點關(guān)注的領(lǐng)域難題。近年來隨著多層非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(深度學(xué)習(xí))等算法的發(fā)展，為挖掘振動大數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)破壞之間的內(nèi)在規(guī)律提供了新的方法，越來越多的土木與結(jié)構(gòu)工程師開始進入這個領(lǐng)域。

人工智能(artifcial intelligence，AI)作為計算機科學(xué)領(lǐng)域的一個分支，早在20世紀(jì)50年代就已經(jīng)被用于機器人控制、模式識別和數(shù)據(jù)挖掘方面，早期的人工智能是建立在蒙特卡洛樹下的監(jiān)督學(xué)習(xí)，依靠計算機的強大算力采用窮舉等算法給出最優(yōu)解，并于1997年由IBM的超級計算機“深藍”成功擊敗國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫。對于選擇樹分支更多、數(shù)據(jù)量更大、窮舉算法不能應(yīng)對的程序，科學(xué)界開發(fā)了可以讓計算機自主學(xué)習(xí)不斷進化的算法，包括機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)等，并于2016年與2017年由谷歌的Alpha GO分別擊敗圍棋世界冠軍李世石與柯潔，這一突破讓科學(xué)界認(rèn)識到了AI所蘊含的潛力，并積極地將AI引入到SHM系統(tǒng)中來。

多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為較容易實現(xiàn)的模型預(yù)測方法，在2007年被Y.S.Li[52]引入到蘇通長江大橋的施工監(jiān)測中，以纜索張拉變形參數(shù)和橋面變形參數(shù)為輸入，預(yù)測跟蹤施工中主梁的高度變化，M.Mehrjoo(2008年)對美國Kentucky Louisville大橋也有類似應(yīng)用[53]，其原理均是通過預(yù)置大量桁架結(jié)構(gòu)損傷樣本來生成多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的各層參數(shù)，以反向傳播(back propagation)進行逐步優(yōu)化，不斷調(diào)整每層參數(shù)的權(quán)向量以逼近最優(yōu)估計模型參數(shù)，經(jīng)過足夠多的樣本和足夠長的訓(xùn)練時間后，該模型即可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)損傷類型和位置的估計。

C.M.Chang(2018年)[54]等改進了M.P.González(2008年)[55]的基于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鋼框架結(jié)構(gòu)彎矩損傷識別算法，以建筑結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)變化量作為輸入，以結(jié)構(gòu)剛度的降低模式作為輸出，不僅實現(xiàn)了對每一層結(jié)構(gòu)剛度損傷指數(shù)的預(yù)測，而且能夠定位該損傷的位置并評估損傷后結(jié)構(gòu)的剩余性能，最終在一個有多個受損柱的7層建筑和弱支撐的多層雙子塔上進行了測試，達到了預(yù)期的效果。

張旭[56](2020年)利用Allan方差和最小均方(LMS)自適應(yīng)濾波算法對加速度計的輸出進行預(yù)處理，并將預(yù)處理后的測試數(shù)據(jù)用作訓(xùn)練樣本，利用最小二乘法和批量梯度下降法實現(xiàn)模型店參數(shù)優(yōu)化擬合，實現(xiàn)了對MEMS加速度計的高精度標(biāo)定。

3 總結(jié)與展望

文中對工程振動環(huán)境監(jiān)測所使用的MEMS加速度計的類型和結(jié)構(gòu)特性進行了概述。使用MEMS技術(shù)所制造的加速度計具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積微小、功耗極低和性價比高等優(yōu)點。根據(jù)測量原理的不同，MEMS加速度計可分為壓電式與電容式等類型。通常而言，壓電式MEMS加速度計的測量帶寬較寬，但其低頻特性不佳；電容式MEMS加速度計測量帶寬較窄，但能夠測量極低頻振動，同時通過大量制造并集成微測量結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對微弱振動的感知，從而被廣泛應(yīng)用于工程振動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中。

根據(jù)檢測對象的不同，工程振動環(huán)境監(jiān)測可分為面向機械裝備的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和面向建筑、橋梁等工程的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測兩大類。設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測借助壓電類加速度計持續(xù)測量裝備振動情況，監(jiān)測設(shè)備的運行平穩(wěn)性，在振動超標(biāo)時給出預(yù)防性維護建議，并能夠在振動嚴(yán)重超標(biāo)后實現(xiàn)自動停機，避免重大安全事故的產(chǎn)生。對于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測而言，由于建筑結(jié)構(gòu)在空間尺度上分布較廣，各國學(xué)者傾向于開發(fā)使用無線傳輸?shù)恼駝訙y量傳感終端，以多終端拓撲組網(wǎng)的方式實現(xiàn)指定區(qū)域下的振動監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算建筑或橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)信息，在一段時間內(nèi)對比模態(tài)的變化量，評估可能存在的結(jié)構(gòu)損傷。

從現(xiàn)有的研究成果看，工程領(lǐng)域結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的無線振動傳感網(wǎng)絡(luò)相對成熟，有大量研究性或報告性的論文均構(gòu)建了基于不同MEMS加速度計芯片和通訊協(xié)議傳感網(wǎng)絡(luò)，且實現(xiàn)了對眾多橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)的模態(tài)測量。而目前的學(xué)科難點集中于如何建立監(jiān)測數(shù)據(jù)(模態(tài)數(shù)據(jù))與結(jié)構(gòu)損傷之間的對應(yīng)關(guān)系，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動的健康損害評價體系，為此，世界各國學(xué)者投入了大量精力，并完成了眾多結(jié)構(gòu)損傷估計的實驗案例。但現(xiàn)實中情況更加復(fù)雜，僅通過單一的模態(tài)分析來反演結(jié)構(gòu)損傷困難較大，目前學(xué)界的研究熱點集中于在大量振動數(shù)據(jù)中通過人工智能技術(shù)深度挖掘結(jié)構(gòu)損傷信息，建立振動信息與結(jié)構(gòu)損傷之間的對應(yīng)關(guān)系，最終形成一整套的評價策略。

在上述背景下，振動信息的豐度和廣度是進行深度數(shù)據(jù)挖掘的先決基礎(chǔ)，對MEMS加速度計的信息采集能力提出了更高的要求。目前，MEMS加速度計在測量精度、低頻特性和采樣頻率上距離專業(yè)拾振器仍有一定差距，但其低成本、低功耗、高集成度和強嵌入式等特性在一定程度上彌補了差距，并在大空間、長時間、極多點監(jiān)測的應(yīng)用背景下存在一定的優(yōu)勢。在未來的發(fā)展中，MEMS加速度計若能在保持現(xiàn)有優(yōu)勢的同時，不斷提升測量精度、強化電磁兼容性、智能調(diào)整采樣策略、增強魯棒性、提升使用壽命，并協(xié)助SHM系統(tǒng)在提升網(wǎng)絡(luò)承載能力、優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)、制訂專用協(xié)議、云·霧計算相結(jié)合等方面取得突破。