1.2 國內外結構健康監測發展現狀

1.在航空航天領域的發展與應用

國際上對結構健康監測開展了大量的研究工作，在美國空軍及國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的多個項目中都包含了對結構健康監測技術的研究與探索，具體包括：①1979年，美國NASA啟動了一項“智能蒙皮”計劃，Claus等人首次將光纖光柵傳感器網絡埋入碳纖維增強復合材料飛機蒙皮中，使材料具有感知應力和判斷損傷的能力，這是結構健康監測系統在航空航天領域的初步嘗試；②1998年NASA采用光纖光柵傳感器監測可重復使用運載器（RLVX-33）低溫儲箱的狀態（包括溫度和應變）；③NASA開發了結合經驗組件方法的混合診斷工具，并將該混合診斷工具應用于航天飛機主引擎異常檢測；④NASA集成噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）開發的BEAM和ARC（Ames Research Center，埃姆斯研究中心）開發的Livingstone構成混合推理系統原型，并用于X-34主推進反饋系統健康監測；另外美國空軍還針對F-15、F-16、F-18、F-22、JSF等飛行器的結構健康監測技術進行了大量基礎研究并已開始進行飛行演示驗證，例如F-35中采用了先進的預測及健康管理（Prognostics & Health Management，PHM）系統。在民用航空領域，結構健康監測技術被視為保障復合材料大量使用和提高飛機可靠性、降低維護費用的關鍵技術。因此世界上的主要飛機制造公司都非常重視結構健康監測技術的研究與應用。波音公司探索了在多個機型上采用結構健康監測技術探測結構微裂紋，還在繼續研究大面積復合材料結構的健康監測技術在新型飛機Boeing 787上的應用?？罩锌蛙嚬狙芯苛私Y構健康監測技術在A320、A340、A350、A380等型號上的實現。

美國陸軍航空技術局資助的運營支持和維持技術計劃[Operations Support and Sustainment Technologies（OSST）Program]的一個重要研究內容，就是發展以傳感器網絡智能層為基礎的直升機疲勞裂紋監測方法，以內置傳感器網絡智能層為基礎的結構健康監測系統可用來對纖維纏繞復合材料壓力容器—空間飛行器儲箱的完整性進行監測。在美國航空航天局馬歇爾航天飛行中心成功制備了含有嵌入式智能層的纖維纏繞復合材料儲箱樣品。在記錄了傳感器網絡中的每一驅動器—傳感器路徑的基線數據后，在復合材料儲箱中引入沖擊損傷，然后觀察由損傷引起的傳感器信號改變。通過處理所有驅動器—傳感器路徑信號的改變，可以獲得表示損傷位置和大小的損傷圖像。

我國國家自然科學基金委員會最早于1991年將智能材料與結構技術列為國家高新技術研究發展計劃綱要的新概念構想探索課題，1996年又將其列入重點課題。從那時起，我國的一些高等院校就緊緊跟隨國際先進水平的步伐，至今已開展了20余年的智能材料與結構技術的研究。例如，南京航空航天大學早在1991年就成立了智能材料與結構研究所，集中從事智能材料與結構的研究，研究內容涉及壓電傳感技術、光纖傳感技術、無線傳感器網絡和系統集成等方面，并在無人機典型結構和復合材料結構典型構件上進行了驗證，建立了基于多主體協作管理的用于大型鋁板結構的三種典型對象監測驗證系統，先后取得了一批在國內外有影響的學術成果。1991年原中國航空工業集團有限公司還投資1200萬元建設了智能材料與結構航空科技部級重點實驗室。此外，哈爾濱工業大學在應用光纖傳感器監測復合材料的固化等方面進行了大量的研究。重慶大學側重于基于分布式光纖傳感器系統的智能材料與結構的研究。北京航空航天大學也進行了一些智能材料制備及性能表征方面的研究，并在“863項目”資助下，開展了對飛機結構損傷進行在線監測的新機理和新技術研究。

2.在土木工程領域的研究與應用

目前結構健康監測技術在土木工程領域的應用早已是一個研究的熱點，應用的對象包括橋梁、水壩、高層建筑、公路等。美國20世紀80年代中后期就開始在多座橋梁上布設監測傳感器，監測環境荷載、結構振動和局部應力狀態，用以驗證設計假定、監視施工質量和實時評定服役安全狀態。美國僅1995年，就投資1.44億美元，在90座大壩上配備了安全監測設備。

在艦艇和海上鉆井平臺方面，美國海軍研究了一套光纖傳感器系統，用于監測美國海軍艦艇推進系統中裝配的水潤滑軸承的疲勞裂紋及船體的結構應變。英國實施了海上平臺智能結構系統的研究計劃，針對航海目標，研究以全光纖傳感器為核心的復合材料海上平臺系統，以探索在惡劣的海洋環境下海上平臺的健康監測試驗等綜合技術；英國石油機構聲稱，由于采用結構健康監測系統，他們的海上石油平臺得到了很好的經濟效益，平均每一個海上石油平臺可以節省5000萬英鎊左右。

日本的明石海峽大橋（Akashi-Kaikyo bridge）為主跨1991m的3跨雙鉸懸索橋，于1998年4月5日通車，是本州—四國聯絡線橋。該橋抗震設計要求可以抵抗距震中150km的里氏8.5級地震，抗風設計的設計風速在橋面處為60m/s。明石海峽大橋的建造采用了最新的抗風、抗震設計法，所以不僅必須檢驗設計時的假定，而且還要檢驗結構在強風和強震中的一些相關參數。另外還需要監控其基本結構特性，即在正常狀態中溫度和其他條件發生變化時橋梁的行為。為調查這些項目，安裝了一套監控系統。在觀測中，采用GPS來監測梁和塔的變形。

在國內，近幾年結構健康監測系統的應用逐漸增多，武漢理工大學、同濟大學、東南大學及大連理工大學都開展了不少結構健康監測方面的研究，尤其是針對橋梁結構。我國在許多大型土木工程中也都采用了結構健康監測系統，例如香港青馬大橋安裝了500個加速度傳感器、粘貼了大量的應變片和一套GPS，用以長期監測橋梁的服役安全性。內地也有不少橋梁安裝了結構健康監測系統，如江蘇的蘇通大橋、江陰大橋等。此外，哈爾濱工業大學在“863項目”的資助下，對海洋鉆井平臺的結構健康監測系統進行了系統研究。但由于結構健康監測系統集成技術復雜，成本昂貴，我國的結構健康監測系統多應用于大跨橋梁。

濱州黃河公路大橋是目前黃河上唯一的3塔斜拉橋，也是目前全國第3大3塔斜拉橋。該橋結構健康監測系統集成的核心軟件為美國NI公司的LabVIEW開發平臺，主要用于進行傳感器信號的采集，并將所有信息輸入數據庫中；同時通過閾值觸發調用MATLAB進行數據處理和分析，調用ANSYS進行結構分析；采用大型網絡數據庫系統SQL Server 2000作為系統的核心數據庫；橋梁結構損傷識別采用應變模態法；結構安全評定采用整體安全評定與局部構件安全評定相結合，現場實時安全評定與遠程專家安全評定相結合的方法。傳感器系統包括：風荷載采用超聲風速儀和渦輪式風速儀測試，分別安裝在中塔頂部和橋面上；溫度采用光纖光柵溫度傳感器，測試精度為±0.1℃；應變采用光纖光柵應變傳感器，其測試精度為±2με；根據橋梁結構的自振頻率，分別選用了力平衡式和壓電式加速度傳感器；位移采用JAVAD公司的GB-1000雙頻GPS測試，在該橋上共安裝了4套GPS，分別設置在中塔頂部、合龍段的上下游和岸邊。該結構健康監測系統在成橋試驗階段開始運行，成橋試驗中利用此系統記錄了山東濱州黃河公路大橋在試驗工況下的受力狀態，驗證了該系統的性能。

另外，李愛群等開發了一套用于潤揚大橋的健康監測系統，在有限元分析的基礎上，應用遺傳算法進行了潤揚大橋結構健康監測系統振動和應變傳感器優化布置的理論分析。蕪湖長江大橋也安裝了長期的健康監測系統，實現了對表征大橋健康及行車安全狀況的多種物理量的長期在線監測。

3.在特種設備領域的研究與應用

（1）壓力容器健康監測

1995年，美國洛馬航空公司的Lisa等人驗證了EFPI（Extrinsic Fabry-Ferot干涉儀）能夠應用于低溫儲箱的監測，在-210～370℃（可重復使用儲箱工作的范圍在此之內）的溫度范圍內它能夠正常工作。由于彎曲對EFPI傳感器的精度有影響，故不能粘貼或埋入到封頭處的曲面部位，這限制了EFPI傳感器在儲箱上的使用。哈爾濱工業大學的張曉晶等探索了裸FBG（Fiber Bragg Grating，光纖布拉格光柵）傳感器在-150～550℃范圍內的溫度靈敏特性，通過試驗證實了FBG傳感器只在有限區域內波長變化和溫度是線性關系，而在整個試驗溫度范圍內卻是非線性的。研究發現FBG傳感器能夠在低溫下使用，并分段給出了FBG傳感器的溫度靈敏系數。這項工作為FBG傳感器在低溫儲箱上的使用打下了基礎。日本東京大學的Takeda等在液氮儲箱表面粘貼了FBG傳感器，證實了傳感器能夠在液氮的溫度下正常使用。這項研究通過向儲箱中打入液氮來增加壓力，為FBG傳感器在低溫儲箱上的應用做了一次實際驗證。

最先開展這項工作的美國洛馬航空公司的研究人員把EFPI傳感器埋入到縮比的低溫儲箱中，證實了埋入傳感器是可行的，并把電阻應變片粘貼在縮比件的表面。試驗表明，EFPI傳感器和電阻應變片的測量結果有極好的一致性。日本東京大學的Takeda等人將FBG傳感器粘貼在液氮儲箱表面，并與應變片的測量結果進行了對比，雖然儲箱在增壓和減壓的過程中，測量的應變沒有重合為一條線，但FBG傳感器和應變片的測量結果符合得很好。韓國科學技術院的研究人員在儲箱的桶身和封頭處粘貼了大量的FBG傳感器和應變片進行比較，兩者的測量結果相符合，兩種傳感器測量到的應變略有差別，是由于兩種傳感器粘貼的位置不完全重合造成的。馬歇爾宇航中心的Grant等將FBG傳感器埋入到復合材料壓力容器中，驗證了FBG傳感器在增壓過程中的存活能力，容器內壓力與FBG傳感器測量到的應變成正比。比利時根特大學的Wale等人把FBG傳感器埋入到復合材料壓力容器中，跟蹤載荷循環變化，監測容器變形情況，得到了較好的結果。Wale等人還把埋入FBG傳感器的監測結果和應變片、聲發射的監測結果做了深入的比較，FBG傳感器的監測結果與兩者符合得很好。

德國物理學會的研究人員將鈀金屬用環氧膠粘貼在光柵段，制作成微彎梁氫傳感器，經過測試，氫氣的密度與光柵的波長成正比。上海交通大學和哈爾濱工業大學合作利用微機電系統（Micro Electro Mechanical System，MEMS）加工工藝在光柵處濺射上金屬鈀薄膜，鈀金屬吸收氫氣后膨脹，將變形傳遞給光柵，從而制作成氫傳感器，來探測氫儲箱是否泄漏。試驗結果表明，氫氣濃度與光柵波長有線性關系。FBG和鈀金屬結合制作成氫傳感器的原理都是相同的，不同的是制作方法。合理選擇方法，制作出高精度、低成本的氫傳感器是研究的目標。

（2）壓力管道健康監測

Martin等人在實驗室條件下對全尺寸海底管道立管試件處安裝FBG光纖光柵傳感器，通過試驗機對試件加載，對軸力和彎矩的應變狀況進行監測，試驗數據證明FBG傳感器在立管監測中具有良好的傳感性能。

Ren Liang、Li Hong-Na等人，將1.2mm直徑不銹鋼管封裝的FBG傳感器安裝在海底管道模型上，采用萬能試驗機對管道加載，標定了FBG傳感器，并將該傳感器應用在管道的振動試驗上。室內試驗證明，FBG傳感器與電阻應變片線性關系良好。

Borbon等人對準分布式多點FBG光纖光柵傳感器在海底管道泄漏檢測的應用做了初步探索。通過不同的波長區分各點的應變值，并通過試驗對傳感器的性能進行標定，試驗證明該傳感器有工程應用的價值。但該方法受光柵數量限制，有效傳感長度較短，尚無法用于實際海底管道的監測。

Zingaretti、Prmi等人提出了光纖水下成像技術，來連續監測管道的運行狀況，通過后續軟件過濾、提取并分析管道的等高線，跟蹤比較管道的路由，以此來監測管道的安全狀況。該成像技術需放置于船舶上，監測速度每小時1海里[1]，但該技術無法對海底管道進行實時監測，且受惡劣天氣和海況制約，監測成本較大。

（3）儲罐健康監測

在20世紀90年代前，國外光纖傳感技術對大型儲罐的監測處于起步階段，隨著光纖傳感技術的不斷發展，其已經在儲罐的監測領域上有進一步的發展，Alessandra Tesei和Piero Guerrini、Mario Zampolli等人提出了頻散測量法測量儲罐中的參數。Ines Latka、Kyung-Rak和Sohn、Joon-Hwanshim等人提出了用嵌入懸臂Bragg光纖光柵傳感器系統對液位進行監測。Li, W.和Jiang, D等人認為光纖傳感器液位測量是一個編碼單元，可以將油位的改變轉化為一連串的光纖編碼，當液位依舊如此，這個單元處于靜止狀態，當油位或上或下時該系統會在外力的驅使下達到新的平衡狀態，光纖編碼器會同時隨著鼓型浮標而旋轉。Tadahito Mizutani和Nobuo Takeda等人還提出了用光纖傳感技術去監測儲罐的壓力和儲罐的應變等。

國內由于具體國情，長期以來對罐區的管理工作主要是依靠人工進行，沒有形成真正意義上的“監控系統”，國內的檢測儀表和控制設備也大大落后于國際知名品牌。改革開放以后，我國工業生產發展迅速，通過對國外先進技術的消化和吸收，我國安全儀表、監測系統、報警及連鎖控制系統等得到了提升并在我國自行設計的石化生產設備中獲得應用。中國地質大學的李寶健通過光纖傳感技術的監測方法和計算機輔助管理技術，對石油儲罐區油罐超高液位、溫度和壓力等參數進行了監測；武漢理工大學姜德生教授等人以實驗的方法做了光纖對儲罐中參數監測的研究，將光纖傳感技術引入油田聯合站，解決原油儲罐液位檢測和報警、儲罐負壓檢測和報警、原油流量檢測和信號遠傳、三相分離器油、水液位檢測與信號遠傳，采用分布式控制技術和網絡技術組成先進的生產過程控制系統和安全監控系統，但從整體上看，無論監測傳感器還是數據處理、計算機系統開發應用，都與發達國家有一定的距離，大中型控制系統仍采用歐美控制系統較多。

（4）起重機健康監測

由于大型起重裝備金屬結構的失效往往導致重大經濟損失、造成嚴重的社會影響。國外有關專家首先開始了針對起重裝備等工程機械的健康監測研究：Hale首先開展了起重機金屬結構疲勞裂紋監測的研究工作；Lee等人研究了由循環載荷引起的低碳鋼板疲勞裂紋擴展的監測問題，通過試驗證明了通過檢測裂紋附近的剛度變化能夠可靠監測鋼結構疲勞裂紋的擴展；Ichinose等人也通過與Lee類似的方法研究了由循環載荷引起的鋼結構破壞的應力監測問題。日本安川公司開發的起重機監控系統（Crane Monitoring System，CMS），通過智能傳感技術實時采集生產現場相關數據，然后通過無線通信技術遠程監控集裝箱裝卸設備，實現遠程故障診斷；日本住友公司研發的起重機監控系統，能夠實時監測起重機的金屬結構應力，并通過超高速交換路由技術實現全球其自有品牌機械產品的實時在線健康監測。馬來西亞Johor港口基于無線技術開發了一套復雜的健康監測系統，它能使裝卸機械、集裝箱、船舶與監控中心進行實時數據交換，并能利用專用軟件實現對港口作業的統一調度，實現了港口作業的自動化。

隨著健康監測技術在土木工程領域的成功應用，國內也有高校、科研院所開展了對大型工程機械結構健康監測的理論和技術研究，東南大學、清華大學等高校已將健康監測系統初步應用于大型機械的健康監測及故障診斷。武漢理工大學針對港口岸橋結構，建立了基于改進BP神經網絡的結構應力診斷專家系統，并開發了基于GPRS無線網絡的在線監測系統。東南大學研究了機械設備工況監視與故障診斷系統，通過布置振動傳感器、壓力傳感器等來實時采集機組運行數據，具備報警功能，并在故障診斷系統中加入相關算法分析，可以給出針對具體故障的一般應對方案。上海交通大學開發了基于移動通信技術的港口起重機遠程監控系統NetsCAD，該系統的監控采用GE9030系列PLC，通過無線通信技術實現現場起重設備和監控中心的連接，通過TCP/IP實現監測數據的無線傳輸，系統可對碼頭的任一臺設備進行在線監測，并具有遠程故障診斷功能。另外，天津港港口的門式起重機上也安裝了健康監測系統，用于生產經營管理監督，此系統可實現對吊裝質量等參數的實時監測，并可以通過無線通信技術將監測數據傳輸至局域網，實現起重機運行狀況的遠程動態監測。華中科技大學土木工程與力學學院也開展了智能結構在起重機金屬結構健康監測中應用的研究。我國的健康監測系統可以完成采集待測結構狀態參數這一基本功能，但在如何有效分析、評估結構的健康狀況方面（如結構累積損傷分析、剩余壽命評估、智能診斷等）僅處于探索階段，這方面工作的實質性進展還有待于損傷識別理論的發展、新型損傷參考指標的發現以及對特定待測結構特性的更深入認識。