传感器技术在结构监测与健康管理中的应用研究

传感器技术在结构监测与健康管理中的应用研究

肖荐文

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摘要:传感器技术在SHM技术中应用有巨大的优势和挑战。无线传感器技术提供了全面监测结构物的能力，但仍存在通信和能耗等方面的限制。区域分布光纤传感技术具有高灵敏度和实时性，但面临布置复杂性和成本挑战。图像技术和无人机数据采集技术具有非接触性和跨越性的优势，但需要解决相关算法的精确性和稳定性，以及无人机操作的安全性和隐私问题。展望未来发展，结合人工智能和大数据分析等技术，可以利用传感器获取的海量数据进行结构状态的预测和诊断，实现对结构物的精准管理和维护。推动技术提升、规范标准并提供政策支持、合作与共享等措施，可以改进和推广传感器技术的应用形式，为结构的安全运行提供强有力的支持。

关键词：传感器技术；结构监测与健康管理；应用

引言

城市化发展，使越来越多的基础设施项目兴建起来。然而，这些结构物在长期使用过程中会受到各种外部和内部因素的影响，如自然灾害、老化等。这些因素可能导致结构的损坏、失效甚至崩塌，给人们的生命财产安全带来巨大威胁。而结构健康监测(SHM)作为一种有效的结构安全评估手段，通过实时、连续地收集结构物的运行状态数据等手段帮助我们及时发现结构的潜在问题，并采取相应的修复或加固措施，这样可以显著减少事故的发生，保障结构物的安全运行。传感器技术作为结构健康监测领域的核心技术之一，具有重要的作用和优势。它能够实时感知结构物的各种物理量，如应力、变形、振动等，并将这些数据通过无线通信或有线连接传输到监测中心进行分析。传感器可以提供准确可靠的状态信息，为结构的健康管理提供强有力的支持。如何使传感器技术在SHM中更好的应用进一步研究和解决。

1 SHM(结构监测与健康管理)技术简介

1.1重要性

建筑过程中的结构物在长期使用过程中面临着许多挑战，如自然灾害、环境影响、材料老化和人为破坏等。这些因素可能导致结构的退化、损伤、甚至失效，严重威胁到人们的生命安全和财产安全。作为确保结构物安全性和可靠运行的关键手段之一的SHM技术发展迅速，通过实时获取结构物的运行状态信息，并对结构的性能和可靠性进行评估和预测，可以及时发现结构的潜在问题，采取必要的维修和加固措施，以保障结构的安全运行。

1.2基本实现过程

结构监测与健康管理的基本过程包括以下几个主要步骤：首先是传感器的部署和安装，通过选择合适的传感器类型和布置方式来监测结构物的各种参数，如应力、变形、振动等。其次是数据采集和存储，传感器获取的数据被采集并储存在监测系统中，以备后续分析和处理。然后是信号处理和分析，对采集到的数据进行滤波、降噪和特征提取等处理，为后续的结构评估提供准确的数据基础。最后是结构评估和决策，通过分析数据和模型计算，对结构的性能和健康状况进行评估，并根据评估结果制定必要的维修计划和决策。

2传感器技术在SHM(结构监测与健康管理)中的应用

2.1无线传感器技术

传感器技术在结构监测与健康管理（SHM）中起着至关重要的作用。无线传感器网络技术基于无线通信的传感器系统，通过将多个分布式传感器节点部署在结构体上，实时监测结构物的状态参数，不仅可以测量温度等物理量，并将数据传输到数据中心进行处理和分析，该技术具有灵活性和可扩展性，能够实现对大型结构的全面监测。然而，由于节点之间通信的限制和能耗问题，其应用范围受到一定限制。

2.2区域分布光纤传感技术

区域分布光纤传感技术是利用光纤传感元件对结构物进行监测的技术。通过将光纤布置在结构体内部或表面，当结构物受到变形或应力作用时，光纤中的光信号会发生改变，可通过分析光信号的变化来获取结构物的状态参数，这一技术具有高灵敏度和实时性，并且对测量范围、传感器数量等方面没有严格限制。然而，在实际应用中需要考虑光纤布置的复杂性和成本较高的问题。

2.3图像与无人机数据采集技术

图像技术与无人机数据采集技术可通过高分辨率的摄像设备获取结构物表面的图像或视频，并通过图像处理算法提取结构的位移、裂缝、变形等信息。这种方法具有非接触性和跨越性的优势，适用于大范围的结构监测。然而，图像处理算法的准确性和稳定性是该方法的关键挑战，同时无人机操作的安全性和隐私问题也需要重视。

3传感器技术在SHM(结构监测与健康管理)应用展望

3.1前景分析

不同类型的传感器技术在SHM中各有优劣。除了以上的传感器技术应用问题，随着传感器技术的发展，未来问题也会更多冒出来，需要进一步分析问题解决。未来，传感器技术在SHM领域的发展趋势是集成多种传感器技术，构建多源数据融合的监测系统，并结合人工智能和大数据分析等技术，提高结构监测的准确性和效率，实现对结构物的智能化管理。展望传感器技术在SHM中的未来发展，应继续推进多源数据融合和智能化监测系统的构建。结合人工智能和大数据分析等技术，可以利用传感器获取的海量数据进行结构状态的预测和诊断，实现对结构物的精准管理和维护。随着科技的不断进步和工程复杂度的增加，传感器技术将在更多领域发挥关键作用，提高结构的安全性和可靠性。

3.2改进措施

尽管传感器技术应用已经较为成熟，但仍需采取措施来获得更加完备的应用形式。要更好地推动传感器技术在结构监测与健康管理（SHM）中的应用，可以采取以下措施：

3.2.1推动技术提升

为了提高传感器技术在SHM中的性能和可靠性，需要加大对该领域的科学研究和技术开发投入。通过加强与学术界、研究机构和行业合作，共同推动传感器技术的创新和进步。为实际应用提供准确可靠的数据支持。通过举办研讨会、培训班和技术交流会议等形式，向相关从业人员传授传感器技术的基础知识和操作技能。提高技术人员的专业素质和应用水平，增强他们在传感器选择、布置和数据分析方面的能力。

3.2.2规范标准并提供政策支持

建立统一的传感器技术标准和规范，以确保传感器设备的互操作性和数据的可比性。制定适用于不同类型传感器的测试方法和验证流程，鼓励政府采购和资助项目中优先考虑传感器技术的应用。制定相关政策和法规，为传感器技术在SHM中的推广和应用提供政策支持和经济激励，促进传感器技术市场的发展和壮大。

3.2.3合作与共享

建立跨学科的合作机制，促进传感器技术研究与应用的交流与合作。加强数据的共享与共建平台，形成多方参与的生态系统，提高传感器技术的整体效益和社会价值。

4结束语

随着技术的不断进步，传感器技术在SHM领域将发挥关键作用，提高结构物的安全性和可靠性。通过多源数据融合和智能化监测系统的构建，结合人工智能和大数据分析等前沿技术，可以实现对结构状态的准确预测和快速诊断，进一步提高结构监测的精确性和效率。同时，推动技术提升、规范标准并提供政策支持、合作与共享等措施，将促进传感器技术的广泛应用和推广，为工程建设和维护提供更加可靠和高效的解决方案。通过持续创新和合作，我们有信心将传感器技术应用在实践中，为社会和经济发展作出积极贡献。

参考文献：

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[2]程朋根, 李大军, 史文中, 龚健雅. 基于GPS、GIS技术的桥梁结构健康监测与管理信息系统[J]. 公路交通科技, 2004（2）: 48-52.