走向自我诊断的桥梁基于压电浮栅的传感技术研

相关研究表明，无线自供电传感器可能是持续监测基础设施的关键设备。目前，美国联邦公路管理局赞助了无线自供电传感器的研究，旨在促进该技术的发展和应用。

研究生正在美国密歇根州的麦基诺桥上安装压电浮栅（PFG）传感器的样机。

对桥梁及其他交通基础设施系统的运行状况进行监测是养护管理单位的一项重要工作内容。在制定诸如维护方案或投资等决策前，养护管理单位需要充分掌握有关基础设施状况的准确信息。

先进的结构监测技术能够帮助养护人员尽早发现设施存在的结构劣化，从而延长结构的使用寿命。当前，美国联邦公路管理局（Federal Highway Administration）的赞助，无疑为具备连续监测性能的无线自供电传感器的研究铺平了道路，而运用此类技术收集的数据，将会为交通运输机构提供有效的决策支持。

众所周知，导致桥梁故障的因素有很多，包括自然灾害、碰撞、超载、退化以及疲劳裂纹，如果不加强监测并及时处理故障，可能会引发桥梁坍塌事故。而这项研究的重点就是开发一种独特的传感器，用于监测钢桥中的疲劳裂纹。解决结构监测问题的一种前瞻性方案是——基于压电浮栅（PFG）的传感技术，该传感器无需电池即可工作，且体积非常小，可以嵌入混凝土中或附着在钢结构上。虽然传感器体积很小，但提供连续可用数据的潜力却很大。

新型技术，破解应用难题

结构健康监测系统在实际应用中面临许多挑战，首先，最主要的挑战是使用足够数量的常规传感器（例如应变计和加速度计）提供足够高的空间分辨率，来捕获可能是严重结构损坏先兆的响应变化；其次，从待测结构采集数据不仅需要传感器，而且还需要测量网络来收集和传输测量数据，以便进行后续分析；此外，还需要可靠的能源来驱动传感器和相关数据采集网络。

无线网络的发展摒弃了使用电缆的繁琐环节，但确保有足够的能源为传感器网络供电，以开展长期、自主、连续的监测仍然是一项挑战。更换电池无法满足嵌入式和长期运行的要求，而传感器的小体积则严重限制了能量收集设备的存储能力。此外，从结构中收集的能量与传感、计算和通信所需的能量之间也存在很大差距。为此，密歇根州立大学和华盛顿大学在美国联邦公路管理局的资助下进行了有关自供电传感器的研究，在一定程度上解决了这一问题。

最近的研究发现了一项新颖的自供电传感器技术，该技术能够实现皮瓦功耗，这项指标比其他任何商用传感器的技术都低两个数量级，该技术同时兼具超低功耗计算和数据记录能力，已被证明能够用于自动、长期监测动态荷载响应。

嵌入基础架构（例如桥梁和公路）中的一系列自供电传感器可以连续监测基础架构的状况。当前，来自传感器的数据通过射频识别（RFID）读取器以无线方式从行驶中的车辆或手持设备上传。美国几个州的交通部门表示需要在未来的研究中进一步提高系统功能，方法是通过手机、平板电脑或具有互联网访问权限的便携式计算机将数据上传到云平台中，以进行处理和分析。

目前，压电浮栅传感器样机系统已作为美国联邦公路管理局资助项目的一部分进行了开发和测试（DTFH61-08-C-00015智能路面监测系统、DTFH61-13-H-00009超低功耗无线传感技术可用于桥梁和公路基础设施的多指标自供电监测）。与其他传统的结构健康监测方法相比，压电浮栅传感技术具备以下特色功能：低功耗要求（功耗小于80纳瓦）；自供电连续传感（无需电池）；传感器的尺寸较小且无需电池供电，有利于在密集网络（需要大量传感器以确保覆盖范围内无间隙的传感器网络）中进行部署；自主计算和感应变量的非易失性存储；无线通信功能。

图为压电浮栅传感器电路的显微照片以及放置在保护盒中的传感器样机（保护盒用于承受恶劣的外部环境）

密歇根州麦基诺桥管理局的执行秘书鲍勃·斯威尼说：“我们很高兴在这里对压电浮栅传感器样机系统进行测试。在麦基诺桥外的结构上，此类传感器具有巨大的潜力和优势，我们每年都会对桥梁进行精心维护和检查，而类似的传感器将起到辅助作用，为我们提供更多有关桥梁状况的信息，帮助养护人员更好地维护桥梁。”

自主供电，确保持续监测

迄今为止开发的所有传感器都基于一组相似的组件或构件。通常，传感器系统由换能器、转换器和调节器等组成。这些组件需要恒定的电源，而所有商业上可行的传感器都需要太阳能或电池来供电。高速公路等基础设施需要成千上万个传感器来监测所需的响应，这使得传统传感器无法适应实际需求。

文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2021/0613/425.html