走向自我诊断的桥梁基于压电浮栅的传感技术研(2)

针对路面裂缝监测，只需将传感器嵌入材料下方，但对于桥梁监测而言，有效的高密度监测网络需要应用大量传感器，要想实现监测系统持续运行，定期更换电池显然行不通，若采用太阳能供电技术则会产生高额的成本。此外，土木结构的监测系统最重要的是捕获每个加载事件，如果在重要的加载周期之间，传感器处于不活动状态，监测的效果将大打折扣。显然，消除这些“停电”时段是一个挑战，因为任何商用的机载电池或超级电容器都可能会在间歇性加载周期之间失去电荷。相同的逻辑可以解释使用非易失性存储器的必要性，因为在电源中断期间任何易失性存储器采集的数据都会丢失。

为了克服上述困难，研究人员发明了一种能够捕获、计算和存储应变以及加速度信号的新技术——压电浮栅（PFG）感应技术。该技术所使用的材料能将机械能（例如振动）转换为电能，且产生的电信号与机械激励成正比，能够为传感系统中的所有电子设备供电。

压电浮栅传感器样机已安装在麦基诺桥跨中的主梁上

压电浮栅传感器适用性较强（桥梁和路面监测），可以制造成不同尺寸和形状。

图为封装的压电浮栅传感器，法国已经开展该类传感器的测试试验。

新颖的设计使得传感器能够从其检测到的信号中获取功率。传感器电子装置就像一个大的电子容器，每次加载结构（例如当卡车经过桥梁）时，压电材料都会发出会晃动容器的信号。在晃动时，一些电子将被扔到一个较小的容器中，该容器被隔离并且不会被摇动（因此被称为“浮动”），该过程被称为“热电子注入”。较小的容器就像永久记忆一样，因为其中的电子被永久捕获。计算被困电子的数量可得出系统被摇动的次数以及颤抖的强度，从而反映外部荷载（例如经过的车辆）的数量和大小。该设计实现了传感系统的节能化，同时也降低了对电源和传统传感器所需其他接口电子设备的需求。

数据分析，助力科学决策

监测大型结构健康状况的另一个严峻的挑战是——理清由传感器生成的大量数据。为了应对这一挑战，每个传感器都有一系列存储单元或门，它们与计算电路相邻放置。压电换能器传递的信息存储在这些门中。当由压电换能器产生的输入信号的幅度超过某些预定阈值时，门将会记录应变/电压事件的持续时间。传感器的输出以直方图的形式表示，其中每个门表示在特定的预定应变水平下事件的累积时间。自我维持的传感系统使用传感器输出将应变分布的变化率与损坏率关联起来。

新型数据需要用特定的技术进行处理和分析。密歇根州立大学的研究团队已开发出先进的软件和工具，为桥梁运营商和州交通运输部提供数据分析。该软件将自动分析数据，然后将其合成并以简化的方式呈现给用户，以帮助用户做出养护决策。

压电浮栅工作原理

这种多度量传感系统和数据分析程序的成功开发和实施，可以极大地改变桥梁和道路养护的经济性，并最终改善基础设施的服务水平。

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