国内外结构健康监测发展现状

一、在航空航天领域的发展与应用

国际上对结构健康监测开展了大量的研究工作，在美国空军及国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的多个项目中都包含了对结构健康监测技术的研究与探索，具体包括：

①1979年，美国NASA启动了一项“智能蒙皮”计划，Claus等人首次将光纤光栅传感器网络埋入碳纤维增强复合材料飞机蒙皮中，使材料具有感知应力和判断损伤的能力，这是结构健康监测系统在航空航天领域的初步尝试；

②1998年NASA采用光纤光栅传感器监测可重复使用运载器（RLVX-33）低温储箱的状态（包括温度和应变）；

③NASA开发了结合经验组件方法的混合诊断工具，并将该混合诊断工具应用于航天飞机主引擎异常检测；

④NASA集成喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）开发的BEAM和ARC（Ames Research Center，埃姆斯研究中心）开发的Livingstone构成混合推理系统原型，并用于X-34主推进反馈系统健康监测；另外美国空军还针对F-15、F-16、F-18、F-22、JSF等飞行器的结构健康监测技术进行了大量基础研究并已开始进行飞行演示验证，例如F-35中采用了先进的预测及健康管理（Prognostics & Health Management，PHM）系统。在民用航空领域，结构健康监测技术被视为保障复合材料大量使用和提高飞机可靠性、降低维护费用的关键技术。因此世界上的主要飞机制造公司都非常重视结构健康监测技术的研究与应用。波音公司探索了在多个机型上采用结构健康监测技术探测结构微裂纹，还在继续研究大面积复合材料结构的健康监测技术在新型飞机Boeing 787上的应用。空中客车公司研究了结构健康监测技术在A320、A340、A350、A380等型号上的实现。

美国陆军航空技术局资助的运营支持和维持技术计划[Operations Support and Sustainment Technologies（OSST）Program]的一个重要研究内容，就是发展以传感器网络智能层为基础的直升机疲劳裂纹监测方法，以内置传感器网络智能层为基础的结构健康监测系统可用来对纤维缠绕复合材料压力容器—空间飞行器储箱的完整性进行监测。在美国航空航天局马歇尔航天飞行中心成功制备了含有嵌入式智能层的纤维缠绕复合材料储箱样品。在记录了传感器网络中的每一驱动器—传感器路径的基线数据后，在复合材料储箱中引入冲击损伤，然后观察由损伤引起的传感器信号改变。通过处理所有驱动器—传感器路径信号的改变，可以获得表示损伤位置和大小的损伤图像。

我国国家自然科学基金委员会最早于1991年将智能材料与结构技术列为国家高新技术研究发展计划纲要的新概念构想探索课题，1996年又将其列入重点课题。从那时起，我国的一些高等院校就紧紧跟随国际先进水平的步伐，至今已开展了20余年的智能材料与结构技术的研究。例如，南京航空航天大学早在1991年就成立了智能材料与结构研究所，集中从事智能材料与结构的研究，研究内容涉及压电传感技术、光纤传感技术、无线传感器网络和系统集成等方面，并在无人机典型结构和复合材料结构典型构件上进行了验证，建立了基于多主体协作管理的用于大型铝板结构的三种典型对象监测验证系统，先后取得了一批在国内外有影响的学术成果。1991年原中国航空工业集团有限公司还投资1200万元建设了智能材料与结构航空科技部级重点实验室。此外，哈尔滨工业大学在应用光纤传感器监测复合材料的固化等方面进行了大量的研究。重庆大学侧重于基于分布式光纤传感器系统的智能材料与结构的研究。北京航空航天大学也进行了一些智能材料制备及性能表征方面的研究，并在“863项目”资助下，开展了对飞机结构损伤进行在线监测的新机理和新技术研究。

二、在土木工程领域的研究与应用

目前结构健康监测技术在土木工程领域的应用早已是一个研究的热点，应用的对象包括桥梁、水坝、高层建筑、公路等。美国20世纪80年代中后期就开始在多座桥梁上布设监测传感器，监测环境荷载、结构振动和局部应力状态，用以验证设计假定、监视施工质量和实时评定服役安全状态。美国仅1995年，就投资1.44亿美元，在90座大坝上配备了安全监测设备。

在舰艇和海上钻井平台方面，美国海军研究了一套光纤传感器系统，用于监测美国海军舰艇推进系统中装配的水润滑轴承的疲劳裂纹及船体的结构应变。英国实施了海上平台智能结构系统的研究计划，针对航海目标，研究以全光纤传感器为核心的复合材料海上平台系统，以探索在恶劣的海洋环境下海上平台的健康监测试验等综合技术；英国石油机构声称，由于采用结构健康监测系统，他们的海上石油平台得到了很好的经济效益，平均每一个海上石油平台可以节省5000万英镑左右。

日本的明石海峡大桥（Akashi-Kaikyo bridge）为主跨1991m的3跨双铰悬索桥，于1998年4月5日通车，是本州—四国联络线桥。该桥抗震设计要求可以抵抗距震中150km的里氏8.5级地震，抗风设计的设计风速在桥面处为60m/s。明石海峡大桥的建造采用了最新的抗风、抗震设计法，所以不仅必须检验设计时的假定，而且还要检验结构在强风和强震中的一些相关参数。另外还需要监控其基本结构特性，即在正常状态中温度和其他条件发生变化时桥梁的行为。为调查这些项目，安装了一套监控系统。在观测中，采用GPS来监测梁和塔的变形。

在国内，近几年结构健康监测系统的应用逐渐增多，武汉理工大学、同济大学、东南大学及大连理工大学都开展了不少结构健康监测方面的研究，尤其是针对桥梁结构。我国在许多大型土木工程中也都采用了结构健康监测系统，例如香港青马大桥安装了500个加速度传感器、粘贴了大量的应变片和一套GPS，用以长期监测桥梁的服役安全性。内地也有不少桥梁安装了结构健康监测系统，如江苏的苏通大桥、江阴大桥等。此外，哈尔滨工业大学在“863项目”的资助下，对海洋钻井平台的结构健康监测系统进行了系统研究。但由于结构健康监测系统集成技术复杂，成本昂贵，我国的结构健康监测系统多应用于大跨桥梁。

滨州黄河公路大桥是目前黄河上唯一的3塔斜拉桥，也是目前全国第3大3塔斜拉桥。该桥结构健康监测系统集成的核心软件为美国NI公司的LabVIEW开发平台，主要用于进行传感器信号的采集，并将所有信息输入数据库中；同时通过阈值触发调用MATLAB进行数据处理和分析，调用ANSYS进行结构分析；采用大型网络数据库系统SQL Server 2000作为系统的核心数据库；桥梁结构损伤识别采用应变模态法；结构安全评定采用整体安全评定与局部构件安全评定相结合，现场实时安全评定与远程专家安全评定相结合的方法。传感器系统包括：风荷载采用超声风速仪和涡轮式风速仪测试，分别安装在中塔顶部和桥面上；温度采用光纤光栅温度传感器，测试精度为±0.1℃；应变采用光纤光栅应变传感器，其测试精度为±2με；根据桥梁结构的自振频率，分别选用了力平衡式和压电式加速度传感器；位移采用JAVAD公司的GB-1000双频GPS测试，在该桥上共安装了4套GPS，分别设置在中塔顶部、合龙段的上下游和岸边。该结构健康监测系统在成桥试验阶段开始运行，成桥试验中利用此系统记录了山东滨州黄河公路大桥在试验工况下的受力状态，验证了该系统的性能。

另外，李爱群等开发了一套用于润扬大桥的健康监测系统，在有限元分析的基础上，应用遗传算法进行了润扬大桥结构健康监测系统振动和应变传感器优化布置的理论分析。芜湖长江大桥也安装了长期的健康监测系统，实现了对表征大桥健康及行车安全状况的多种物理量的长期在线监测。

三、在特种设备领域的研究与应用

（1）压力容器健康监测

1995年，美国洛马航空公司的Lisa等人验证了EFPI（Extrinsic Fabry-Ferot干涉仪）能够应用于低温储箱的监测，在-210～370℃（可重复使用储箱工作的范围在此之内）的温度范围内它能够正常工作。由于弯曲对EFPI传感器的精度有影响，故不能粘贴或埋入到封头处的曲面部位，这限制了EFPI传感器在储箱上的使用。哈尔滨工业大学的张晓晶等探索了裸FBG（Fiber Bragg Grating，光纤布拉格光栅）传感器在-150～550℃范围内的温度灵敏特性，通过试验证实了FBG传感器只在有限区域内波长变化和温度是线性关系，而在整个试验温度范围内却是非线性的。研究发现FBG传感器能够在低温下使用，并分段给出了FBG传感器的温度灵敏系数。这项工作为FBG传感器在低温储箱上的使用打下了基础。日本东京大学的Takeda等在液氮储箱表面粘贴了FBG传感器，证实了传感器能够在液氮的温度下正常使用。这项研究通过向储箱中打入液氮来增加压力，为FBG传感器在低温储箱上的应用做了一次实际验证。

最先开展这项工作的美国洛马航空公司的研究人员把EFPI传感器埋入到缩比的低温储箱中，证实了埋入传感器是可行的，并把电阻应变片粘贴在缩比件的表面。试验表明，EFPI传感器和电阻应变片的测量结果有极好的一致性。日本东京大学的Takeda等人将FBG传感器粘贴在液氮储箱表面，并与应变片的测量结果进行了对比，虽然储箱在增压和减压的过程中，测量的应变没有重合为一条线，但FBG传感器和应变片的测量结果符合得很好。韩国科学技术院的研究人员在储箱的桶身和封头处粘贴了大量的FBG传感器和应变片进行比较，两者的测量结果相符合，两种传感器测量到的应变略有差别，是由于两种传感器粘贴的位置不完全重合造成的。马歇尔宇航中心的Grant等将FBG传感器埋入到复合材料压力容器中，验证了FBG传感器在增压过程中的存活能力，容器内压力与FBG传感器测量到的应变成正比。比利时根特大学的Wale等人把FBG传感器埋入到复合材料压力容器中，跟踪载荷循环变化，监测容器变形情况，得到了较好的结果。Wale等人还把埋入FBG传感器的监测结果和应变片、声发射的监测结果做了深入的比较，FBG传感器的监测结果与两者符合得很好。

德国物理学会的研究人员将钯金属用环氧胶粘贴在光栅段，制作成微弯梁氢传感器，经过测试，氢气的密度与光栅的波长成正比。上海交通大学和哈尔滨工业大学合作利用微机电系统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）加工工艺在光栅处溅射上金属钯薄膜，钯金属吸收氢气后膨胀，将变形传递给光栅，从而制作成氢传感器，来探测氢储箱是否泄漏。试验结果表明，氢气浓度与光栅波长有线性关系。FBG和钯金属结合制作成氢传感器的原理都是相同的，不同的是制作方法。合理选择方法，制作出高精度、低成本的氢传感器是研究的目标。

（2）压力管道健康监测

Martin等人在实验室条件下对全尺寸海底管道立管试件处安装FBG光纤光栅传感器，通过试验机对试件加载，对轴力和弯矩的应变状况进行监测，试验数据证明FBG传感器在立管监测中具有良好的传感性能。

Ren Liang、Li Hong-Na等人，将1.2mm直径不锈钢管封装的FBG传感器安装在海底管道模型上，采用万能试验机对管道加载，标定了FBG传感器，并将该传感器应用在管道的振动试验上。室内试验证明，FBG传感器与电阻应变片线性关系良好。

Borbon等人对准分布式多点FBG光纤光栅传感器在海底管道泄漏检测的应用做了初步探索。通过不同的波长区分各点的应变值，并通过试验对传感器的性能进行标定，试验证明该传感器有工程应用的价值。但该方法受光栅数量限制，有效传感长度较短，尚无法用于实际海底管道的监测。

Zingaretti、Prmi等人提出了光纤水下成像技术，来连续监测管道的运行状况，通过后续软件过滤、提取并分析管道的等高线，跟踪比较管道的路由，以此来监测管道的安全状况。该成像技术需放置于船舶上，监测速度每小时1海里[1]，但该技术无法对海底管道进行实时监测，且受恶劣天气和海况制约，监测成本较大。

（3）储罐健康监测

在20世纪90年代前，国外光纤传感技术对大型储罐的监测处于起步阶段，随着光纤传感技术的不断发展，其已经在储罐的监测领域上有进一步的发展，Alessandra Tesei和Piero Guerrini、Mario Zampolli等人提出了频散测量法测量储罐中的参数。Ines Latka、Kyung-Rak和Sohn、Joon-Hwanshim等人提出了用嵌入悬臂Bragg光纤光栅传感器系统对液位进行监测。Li, W.和Jiang, D等人认为光纤传感器液位测量是一个编码单元，可以将油位的改变转化为一连串的光纤编码，当液位依旧如此，这个单元处于静止状态，当油位或上或下时该系统会在外力的驱使下达到新的平衡状态，光纤编码器会同时随着鼓型浮标而旋转。Tadahito Mizutani和Nobuo Takeda等人还提出了用光纤传感技术去监测储罐的压力和储罐的应变等。

国内由于具体国情，长期以来对罐区的管理工作主要是依靠人工进行，没有形成真正意义上的“监控系统”，国内的检测仪表和控制设备也大大落后于国际知名品牌。改革开放以后，我国工业生产发展迅速，通过对国外先进技术的消化和吸收，我国安全仪表、监测系统、报警及连锁控制系统等得到了提升并在我国自行设计的石化生产设备中获得应用。中国地质大学的李宝健通过光纤传感技术的监测方法和计算机辅助管理技术，对石油储罐区油罐超高液位、温度和压力等参数进行了监测；武汉理工大学姜德生教授等人以实验的方法做了光纤对储罐中参数监测的研究，将光纤传感技术引入油田联合站，解决原油储罐液位检测和报警、储罐负压检测和报警、原油流量检测和信号远传、三相分离器油、水液位检测与信号远传，采用分布式控制技术和网络技术组成先进的生产过程控制系统和安全监控系统，但从整体上看，无论监测传感器还是数据处理、计算机系统开发应用，都与发达国家有一定的距离，大中型控制系统仍采用欧美控制系统较多。

（4）起重机健康监测

由于大型起重装备金属结构的失效往往导致重大经济损失、造成严重的社会影响。国外有关专家首先开始了针对起重装备等工程机械的健康监测研究：Hale首先开展了起重机金属结构疲劳裂纹监测的研究工作；Lee等人研究了由循环载荷引起的低碳钢板疲劳裂纹扩展的监测问题，通过试验证明了通过检测裂纹附近的刚度变化能够可靠监测钢结构疲劳裂纹的扩展；Ichinose等人也通过与Lee类似的方法研究了由循环载荷引起的钢结构破坏的应力监测问题。日本安川公司开发的起重机监控系统（Crane Monitoring System，CMS），通过智能传感技术实时采集生产现场相关数据，然后通过无线通信技术远程监控集装箱装卸设备，实现远程故障诊断；日本住友公司研发的起重机监控系统，能够实时监测起重机的金属结构应力，并通过超高速交换路由技术实现全球其自有品牌机械产品的实时在线健康监测。马来西亚Johor港口基于无线技术开发了一套复杂的健康监测系统，它能使装卸机械、集装箱、船舶与监控中心进行实时数据交换，并能利用专用软件实现对港口作业的统一调度，实现了港口作业的自动化。

随着健康监测技术在土木工程领域的成功应用，国内也有高校、科研院所开展了对大型工程机械结构健康监测的理论和技术研究，东南大学、清华大学等高校已将健康监测系统初步应用于大型机械的健康监测及故障诊断。武汉理工大学针对港口岸桥结构，建立了基于改进BP神经网络的结构应力诊断专家系统，并开发了基于GPRS无线网络的在线监测系统。东南大学研究了机械设备工况监视与故障诊断系统，通过布置振动传感器、压力传感器等来实时采集机组运行数据，具备报警功能，并在故障诊断系统中加入相关算法分析，可以给出针对具体故障的一般应对方案。上海交通大学开发了基于移动通信技术的港口起重机远程监控系统NetsCAD，该系统的监控采用GE9030系列PLC，通过无线通信技术实现现场起重设备和监控中心的连接，通过TCP/IP实现监测数据的无线传输，系统可对码头的任一台设备进行在线监测，并具有远程故障诊断功能。另外，天津港港口的门式起重机上也安装了健康监测系统，用于生产经营管理监督，此系统可实现对吊装质量等参数的实时监测，并可以通过无线通信技术将监测数据传输至局域网，实现起重机运行状况的远程动态监测。华中科技大学土木工程与力学学院也开展了智能结构在起重机金属结构健康监测中应用的研究。我国的健康监测系统可以完成采集待测结构状态参数这一基本功能，但在如何有效分析、评估结构的健康状况方面（如结构累积损伤分析、剩余寿命评估、智能诊断等）仅处于探索阶段，这方面工作的实质性进展还有待于损伤识别理论的发展、新型损伤参考指标的发现以及对特定待测结构特特的更深入认识。