传感器设计使结构基础设施更安全

智能桥梁、道路和地铁线路在损坏时可以发出警告，这些技术不再被认为是科幻小说里才有的技术。

这是因为桑迪亚国家实验室与英国结构健康监测传感器制造商结构监测系统PLC合作，将智能桥梁变成了现实。

沿着这些路线，他们为一座美国桥梁配备了一个由八个实时传感器组成的网络，当他们检测到裂缝或裂缝达到需要修复的长度时，这些传感器能够向维护工程师发出警报。

结构健康监测的目标是加强对关键区域的监督，延长结构的使用寿命，降低运行成本，提高安全性。为了评估桥梁或其他类型的交通基础设施的状况，传感器最终安装在结构上，它们的数据需要进行适当的分析。

2016年，美国有超过5.4万座桥梁被联邦公路管理局的国家桥梁清单列为“结构缺陷”。这意味着大约9%的美国桥梁需要定期监测。

新的应用程序

桑迪亚高级科学家丹尼斯·罗奇说:“桥梁、管道和其他关键结构等难以进入的区域或偏远地区，对正确监测结构或设备的健康状况提出了重大挑战。”“结构健康监测传感器网络可能是一种解决方案，或者至少有助于确保对这些部件保持必要的警惕。”

试验桥的结构健康监测系统由8个比较真空监测传感器、一个形成真空的真空泵、一个打开真空泵并定期检查传感器的控制系统和一个无线传输设备组成，该设备在传感器检测到裂缝时自动呼叫或发短信给维护工程师。整个系统由一块锂离子电池供电，再由一块太阳能电池板充电。传感器被放置在悬索桥上离甲板或平坦路面100英尺的桁架上的几个焊缝上。

结构监测系统公司生产的比较真空监测传感器由薄而灵活的聚四氟乙烯制成，并有一排排小通道，称为画廊。它们可以粘在关键的接头或焊缝上，也可以放置在其他可能形成裂纹的地方附近。当金属是完整的，泵能够将所有的空气从通道中抽走，形成真空。当传感器下方的金属形成微小裂纹时，它就不能再形成真空，这与真空管泄漏时吸尘器停止工作的情况类似。这些传感器可以检测到比一角硬币厚度还小的裂缝。

根据需要监测的区域，传感器可以生产出许多不同的形状，例如跨长焊缝或围绕一系列螺栓。它们甚至可以在一个小裂缝前排成一列，看看它是否会增长，如果是的话，有多快。每个传感器都有大量的控制通道和监控硬件，因此它可以判断传感器或连接管是否有问题。由于这些控制通道，传感器实际上是万无一失的。

结构监测系统工程师Henry Kroker在桥梁监测项目中发挥了关键作用，他说:“比较真空监测传感器为不断测量关键部件提供了一种优雅的‘绿灯，红灯’方法。”“在航空和现在民用工业的多年试用和永久使用中，这些传感器没有产生任何虚假呼叫。

该团队在智能基础设施方面的工作始于2005年，由桑迪亚赞助的实验室指导研发项目。该项目探索了使用安装的传感器和无线数据传输来持续监测从重型采矿设备到铁路系统和桥梁等各种民用结构。这些传感器可以监测结构和机械设备的健康状况，通过检测腐蚀和裂缝的存在，甚至是关键运动部件的状况。

改变音高

罗奇和他的团队还使用压电传感器、光纤和打印涡流传感器进行结构健康监测。打印涡流传感器是桑迪亚的专利技术，可以安装在曲面上，利用磁场的变化来检测裂缝。另一方面，压电传感器网络可以监测广阔的区域，而不仅仅是几个补丁。每个传感器轮流通过其他传感器接收到的底层材料发出振动。

传感器网络中的裂缝或其他损坏会改变这些振动的“音高”。然而，这些音调变化比真空监控器的“是”或“否”结果更复杂。比较真空监测已经准备就绪，并获得了商业使用的认证，其他技术仍处于实验室和现场测试的不同阶段。

“在15年的比较真空监测传感器测试中，他们在生产可靠的结构健康监测方面取得了巨大的记录。一旦它们被纳入更多的系统，在受关注的领域，随着时间的推移，它只会让飞机、火车和桥梁更安全，”汤姆·赖斯(Tom Rice)说，他是负责测试各种结构健康监测系统的机械测试工程师。

罗奇说，结构健康监测尤其适用于难以到达或偏远的地区，但它并不是所有检查需求的灵丹妙药。

“仍然有很多时候，你需要一个人拿着手电筒或其他检查设备，推理出来。罗奇补充说，有了这样的警告，“结构健康监测只是开始触及它可以用于各种基础设施类型的表面。”

轨道车辆和铁路线、船舶、风力涡轮机、发电厂、远程管道、储罐、车辆，甚至建筑物都可以从实时远程结构健康监测中受益。

罗奇说:“民用基础设施行业越来越意识到结构健康监测可以提供的好处，现在有兴趣使用它们。”

格雷戈里·黑尔是《工业安全与保安来源》(ISSSource.com)，这是一个新闻资讯网站，内容涵盖制造业自动化领域的安全及保安事宜。本内容最初出现在ISSSource.com．ISSSource是CFE Media的内容合作伙伴。由CFE媒体制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，cvavra@cfemedia.com．

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