新型传感器在桥梁结构健康监测中的应用与性能评估

新型传感器在桥梁结构健康监测中的应用与性能评估

赖春林

350824198901053515

摘要: 随着交通网络的不断发展,桥梁结构的健康状况备受关注。传统的监测方法存在诸多缺陷,如人工检测费时费力、信息缺乏连续性等。新型传感器技术的出现为桥梁结构健康监测提供了一种高效、经济的解决方案。本文针对几种常用新型传感器(光纤传感器、无线传感器网络等)在桥梁监测中的应用进行了深入探讨,评估了它们的性能表现,并对未来发展前景进行了展望。

关键词: 桥梁结构健康监测；新型传感器；光纤传感器；无线传感器网络；性能评估

引言: 桥梁作为关键交通基础设施,其结构安全与否直接关系到人民生命财产安全。长期以来,人工目视检测一直是最常用的桥梁监测手段。然而,这种方法存在多方面缺陷:费时费力、检测信息的断续性差、检测精度有限等。近年来,新型传感器技术在桥梁结构健康监测领域的应用越来越广泛,为常规检测方式带来了革新,有望彻底解决上述问题。

一、新型传感器在桥梁结构健康监测中的应用

随着交通网络的不断发展,桥梁结构的健康状况备受关注。传统的监测方法如人工目视检测存在诸多缺陷,如费时费力、信息缺乏连续性及检测精度有限等。新型传感器技术的出现为桥梁结构健康监测提供了一种高效、经济的解决方案。

光纤传感器是应用最为广泛的新型传感器之一。它利用光学原理测量应变、温度等物理量的变化。通过在桥梁关键部位布设光纤传感网络,可实现对桥梁的实时、动态监控。相比电阻应变片,光纤传感器免受电磁干扰、抗腐蚀性好、使用寿命长等优势。在美国纪念大桥工程中,成功部署了17000多米光纤传感器监测桥梁的应力、温度等状态。

无线传感器网络也为桥梁监测带来了革新。该系统由大量低功耗节点组成,可通过自组网实现对桥梁位移、振动等信息的实时采集。与传统有线方式相比,无线方案安装维护方便,且适合覆盖桥梁各个死角区域。在金门大桥工程中,布设了689个无线传感器节点实现了对桥梁健康状态的全方位监测。

此外,声学发射传感器、视频图像监测等新型传感器在桥梁缺陷检测、几何变形监测等领域也有重要应用。这些先进技术极大提高了桥梁监测的精度和实时性,为桥梁安全运营提供了有力保障。

传统人工检测和新型传感器监测具有一定互补性,将二者有机结合是大势所趋。随着传感器技术的不断进步,新型传感器在桥梁结构健康监测中的应用将会更加广泛和深入。

二、新型传感器的性能评估

1. 与传统监测方式的比较

连续性方面,新型传感器可实现24小时不间断在线监测,大大优于定期人工检测。以光纤传感器为例,通过在桥梁关键部位布设光纤传感网络,可全程监控桥梁的应变、温度等数据,获取结构状态的连续变化信息。

精确度方面,新型传感器可提供高分辨率、高精度的测量数据。例如声学发射传感器能够精确检测出微小裂缝的产生和扩展;无线传感器网络可对桥梁的振动和位移等进行精细化测量。

在成本效益方面,虽然新型传感器的前期投资较高,但其自动化、远程操作的特点大幅降低了后期的人力和检修成本,且使用寿命长,长期来看性价比更高。

2. 存在的不足

易损坏性是新型传感器面临的一大挑战。光纤传感器容易受机械冲击和环境腐蚀的影响而损坏;无线传感器节点的电池寿命也是制约因素。如何提高传感器的可靠性和使用寿命值得重视。

数据处理复杂度也是新型传感器系统需解决的问题。大规模传感网络将产生大量原始数据,数据传输、存储、处理都将面临巨大压力,需要强大的计算能力和高效的算法支持。

此外,一些特殊环境对传感器的应用也存在一定挑战,例如高温、高盐等恶劣环境条件会影响传感器性能。开发出适应复杂环境的传感器也是未来的工作重点。

总的来说,尽管新型传感器在桥梁健康监测中存在一些不足,但其优势是显而易见的。随着技术的进一步发展和完善,新型传感器必将发挥越来越重要的作用。

三、新型传感器发展趋势与前景展望

1. 技术日趋成熟和集成化

目前常见的新型传感器如光纤传感器、无线传感器网络等已经有较为成熟的理论基础和工程应用案例,但仍存在一些需要解决的问题,如提高测量精度、增强环境适应性、降低生产和安装成本等。未来这些技术将在材料、结构、集成电路等方面不断改进和完善,实现更加智能化、高性能、低功耗的集成化发展。

2. 多种新型传感器融合应用

单一新型传感器难以满足桥梁健康监测的全部需求。未来,将有更多不同种类新型传感器在同一桥梁工程中融合应用,发挥各自的优势,形成多维度、全方位的检测体系,全面感知桥梁结构的形变、载荷、裂缝、腐蚀等状况。例如,可将光纤传感器(应变/温度监测)、声学发射传感器(裂缝检测)、视频监控系统(位移/变形监测)等多种传感手段结合使用。

3. 智能化数据分析处理

海量传感器数据的高效采集、传输、存储、分析和处理是新型传感器系统面临的主要挑战。未来将借助人工智能、大数据等先进技术,构建智能化的数据分析处理平台,在线对采集的海量监测数据进行智能识别和分析,及时发现异常情况,为桥梁安全运营提供决策支持。

4. 互联网+监测新模式

未来监测系统将更多地与互联网、移动互联网等技术相融合,形成"互联网+监测"的新模式。工作人员可远程实时查看桥梁健康状况,系统也能主动向监管部门和公众发布信息。基于物联网、云计算等技术,可对分散的桥梁监测数据进行集中管理,提高管理效率。此外,通过大数据分析,还可为桥梁设计、施工、养护等环节提供参考。

5. 向智能化、低成本化发展

减小新型传感器系统的建设和运维成本,实现低成本化监测,是未来重点发展方向。一方面,通过新材料、新工艺和规模化生产降低传感器制造成本;另一方面,将传感器、数据处理等功能高度集成,实现智能化监测,减少人力投入。同时,借助互联网等技术,实现监测系统的远程控制和低成本运维,达到经济实用的目标。

新型传感器技术在桥梁健康监测领域的应用前景十分广阔。通过持续创新,必将使这一技术在智能化、集成化、低成本化等方面不断取得突破,为桥梁等重要基础设施的安全运营保驾护航。

结语: 新型传感器技术为桥梁结构健康监测带来了革新性变化,弥补了传统检测手段的诸多缺陷。相比之下,它们具有更高的精确度、更好的连续性、更优的性价比等优势。虽然目前在实际应用中仍面临一些挑战,但未来这些新技术必将在桥梁监测领域大显身手,为确保基础设施安全发挥重要作用。

参考文献：

[1]史海峰,金建敏,王丹锋.桥梁结构健康监测系统研究解析[J].湖南交通科技,2014,40(04):108-110.

[2]张清安.基于新型树状结构的无线传感器网络桥梁监测系统[J].吉首大学学报(自然科学版),2012,33(03):61-65.