中交路橋科技是從事工程檢測監(jiān)測、城市安全監(jiān)測預(yù)警與評價(jià)、數(shù)字智能化研發(fā)為一體的復(fù)合型高新技術(shù)集團(tuán)企業(yè)。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一門涉及材料、測控、力學(xué)、機(jī)械、信息通信等多個(gè)學(xué)科的前沿研究領(lǐng)域，它同傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)相比具有能夠?qū)崟r(shí)、在線監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，而且所用設(shè)備一般比較簡單，易于進(jìn)行大范圍的結(jié)構(gòu)監(jiān)測。
裂紋是結(jié)構(gòu)中典型的損傷類型之一。在一些諸如金屬橋梁、飛行器、核反應(yīng)堆等重要結(jié)構(gòu)中，由于初始結(jié)構(gòu)缺陷的存在和結(jié)構(gòu)所處環(huán)境中各種因素的影響，使它們在設(shè)計(jì)壽命服役期內(nèi)或超期服役期間不可避免地產(chǎn)生了裂紋，如果不能及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測出這些裂紋的萌生及其擴(kuò)展情況，可能會導(dǎo)致重大事故的發(fā)生。特別是，結(jié)構(gòu)中許多局部損傷的初始狀態(tài)都是以微裂紋形式表現(xiàn)出來的，監(jiān)測出這些裂紋的產(chǎn)生及其擴(kuò)展情況對于提高結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。所以，裂紋監(jiān)測已成為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
這里在以下幾個(gè)方面對疲勞裂紋監(jiān)測技術(shù)研究，特別是在航空領(lǐng)域的進(jìn)展?fàn)顩r，做一個(gè)簡要的介紹。
一、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測概述
在航空領(lǐng)域，隨著航空科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想不斷更新，輕質(zhì)、高可靠性、高機(jī)動性、高維護(hù)性、高生存力、超音速巡航、隱身、大航程和短距起落的綜合要求已成為現(xiàn)代軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)極為重要而且必須遵循的準(zhǔn)則。
目前常用的飛行器故障診斷和維護(hù)主要分為定期和不定期檢測維護(hù)兩種。傳統(tǒng)無損檢測非常耗時(shí)，同時(shí)在無損檢測手段中，還不具備實(shí)時(shí)在線大面積監(jiān)測的功能，且大多數(shù)設(shè)備復(fù)雜，成本高，對一些性能比較復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)，如復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，一些小的損傷還不能很好地檢測到。這都迫切需要發(fā)展一種在線、實(shí)時(shí)有效的方法加以解決。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)正是適應(yīng)上述要求，由美國軍方首先提出并在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中開展研究的。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測雖然源于航空工業(yè)的需求，但是其應(yīng)用領(lǐng)域并不局限于航空領(lǐng)域。橋梁、大壩、高層建筑、體育場館等土木工程結(jié)構(gòu)、船舶潛艇、汽車、高速列車、工程機(jī)械、發(fā)電設(shè)備、輸油輸氣管線等，這些結(jié)構(gòu)與設(shè)施的安全性問題同樣日益得到關(guān)注，因此結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測日益成為工程界和學(xué)術(shù)界研究的一個(gè)熱門課題。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)借鑒了大量無損檢測技術(shù)的方法和進(jìn)展，但兩者之間還是有區(qū)別的，主要的不同點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾方面：
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測是利用已同結(jié)構(gòu)材料集成在一起的功能元件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)自身狀態(tài)的監(jiān)測，一旦功能材料集成到結(jié)構(gòu)后，這些功能元件就被固定，只能被用來監(jiān)測自身結(jié)構(gòu)的安全。而無損檢測方法則采用外部設(shè)備元件，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的檢測，檢測的對象可多種多樣。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要強(qiáng)調(diào)“監(jiān)測”的概念，而無損檢測則強(qiáng)調(diào)“檢測”的概念；監(jiān)測的含義更多地是指對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線的檢測，而非事后的檢測；大多無損檢測技術(shù)無法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線檢測。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)一般設(shè)備簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可進(jìn)行大范圍的結(jié)構(gòu)監(jiān)測，而無損檢測系統(tǒng)一般設(shè)備復(fù)雜，檢測區(qū)域有限，需要人工參與，而且要求校驗(yàn)較多。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一門新興技術(shù)，有待進(jìn)一步發(fā)展，無損檢測技術(shù)相對比較成熟。
二、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究內(nèi)容
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測利用集成在結(jié)構(gòu)中的先進(jìn)傳感/驅(qū)動元件網(wǎng)絡(luò)，在線實(shí)時(shí)地獲取與結(jié)構(gòu)健康狀況相關(guān)的信息，結(jié)合先進(jìn)的信號信息處理方法，提取特征參數(shù)，識別結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康自診斷，并能夠提供結(jié)構(gòu)的安全性評估，預(yù)測損傷結(jié)構(gòu)的剩余壽命，以保證結(jié)構(gòu)的安全和降低維修費(fèi)用。目前，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測主要研究領(lǐng)域包含傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)、結(jié)構(gòu)建模技術(shù)、損傷辨識技術(shù)、信息融合技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)等。
1. 傳感器技術(shù)
監(jiān)測結(jié)構(gòu)的健康狀況需要傳感器主動或被動地感受結(jié)構(gòu)的變化，為了能夠更好地感受這些不同形式的結(jié)構(gòu)變化，如靜態(tài)的、動態(tài)的、小變形、大變形等，也就需要具有不同性能的傳感器。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中常用的傳感器有電阻應(yīng)變式傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器等。
電阻應(yīng)變式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)是：
性能穩(wěn)定，很容易研制成與結(jié)構(gòu)材料相配的絲材，這種絲材僅受應(yīng)變影響，不受溫度的影響。
電阻應(yīng)變絲埋入材料對原材料強(qiáng)度影響很小。
相配套的儀表很成熟，很容易和計(jì)算機(jī)及其它設(shè)備兼容。
但是存在的問題有：
電阻應(yīng)變絲的輸出信號小，易受干擾。
為了提高檢測靈敏度，需要研究最佳的布置方案。
壓電傳感器的主要特點(diǎn)是：
既可以作為驅(qū)動器，又可以作為傳感器。
響應(yīng)速度快，動態(tài)性能好。
尺寸可以做得很小和很薄，既適合于安裝在結(jié)構(gòu)表面，也可以埋入結(jié)構(gòu)中。
但是壓電材料制成的傳感器也存在一些問題：
激勵(lì)應(yīng)變小，一般僅300微應(yīng)變。
壓電陶瓷的極限應(yīng)變小，最大不超過700微應(yīng)變。
壓電材料和結(jié)構(gòu)母體材料融合方法有待研究，要求埋入材料結(jié)構(gòu)中既不影響強(qiáng)度，又不成為材料的夾雜。
光纖傳感器具有電絕緣、耐腐蝕、能在強(qiáng)電磁干擾等條件下工作等優(yōu)點(diǎn)，但其成本較高，設(shè)備也比較復(fù)雜，應(yīng)用范圍可以從民用結(jié)構(gòu)到航空航天結(jié)構(gòu)。
傳感器技術(shù)除了傳感器的研制，還涉及傳感器集成技術(shù)，如壓電智能夾層即是采用柔性印刷線路工藝將壓電傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)制作成壓電智能夾層以有效地解決壓電監(jiān)測系統(tǒng)中常用的直接將壓電片粘貼在結(jié)構(gòu)上所引起的膠層厚度不均、電絕緣問題、傳感性能分散、竄擾大的弊端。
智能夾層的主要優(yōu)點(diǎn)在于：
采用改進(jìn)的柔性印刷技術(shù)，可以有效地解決壓電片同復(fù)合材料集成過程中的電絕緣問題、引線問題并保證多個(gè)傳感器埋入工藝的一致性；
可以被預(yù)先制造、測試、儲藏和合成到結(jié)構(gòu)中，使用方便；
作為一種柔性膜，可便于根據(jù)各種應(yīng)用結(jié)構(gòu)的形狀，在制作時(shí)把智能夾層制成各種形狀，還可以根據(jù)三維結(jié)構(gòu)的形狀做適當(dāng)?shù)募舨谩?/P>
2．通訊技術(shù)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測通訊技術(shù)包括以電纜或電線作為基礎(chǔ)傳輸介質(zhì)組成的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和近年來廣泛發(fā)展的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。無線傳感技術(shù)是傳感技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)中具有廣闊的前景，得到了國內(nèi)外越來越多研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注和重視。
無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了微型傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、分布式信息處理以及集成電路技術(shù)，使它能夠協(xié)同地實(shí)時(shí)監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進(jìn)行處理和傳送。相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有引線少、靈活性高、可靠性高、運(yùn)用范圍廣等特點(diǎn)。
3．結(jié)構(gòu)建模分析技術(shù)
結(jié)構(gòu)建模分析技術(shù)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的重要組成部分。首先，通過對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行力學(xué)分析，可以獲知整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中傳感器的優(yōu)化布置；其次，通過對結(jié)構(gòu)建模進(jìn)行仿真，可以先驗(yàn)地獲知結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法的有效性，指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方法的實(shí)施；另外，還可以對結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)物理參數(shù)分析、模態(tài)分析等，再利用實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行模型修正，通過比較修正矩陣與健康狀態(tài)下的相應(yīng)矩陣來提供結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，判斷損傷產(chǎn)生的位置及損傷程度。
4．損傷辨識技術(shù)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的首要任務(wù)就是辨識損傷。損傷辨識技術(shù)首先需要從傳感器接收到的信號中提取特征量，再采取相應(yīng)的方法，判別出結(jié)構(gòu)有無損傷、損傷的位置以及損傷的程度。信號的特征量可以是幅值、相位、時(shí)間、頻率組分等，其中幅值可以是原始信號的幅值，也可以是特定頻率成分信號的幅值或是其它，時(shí)間信息也是如此。從原始信號中提取出這些信息后要進(jìn)行處理，通常涉及到的信號處理方法有：濾波去噪、頻譜分析、小波變換、黃氏變換等。相應(yīng)的損傷辨識方法則有基于時(shí)間延遲的方法、基于頻率組分的模態(tài)參數(shù)分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識法等。
5．信息融合技術(shù)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展是為了實(shí)用化，而實(shí)際工程的結(jié)構(gòu)是多樣化的，大部分是相當(dāng)復(fù)雜的。面對復(fù)雜結(jié)構(gòu)而布置的傳感器網(wǎng)絡(luò)，獲得的傳感器信息也是巨大的，因此，如何正確處理這些海量的數(shù)據(jù)是非常重要的。信息融合技術(shù)是協(xié)同利用多源信息，以獲得對同一事物或目標(biāo)的更客觀、更本質(zhì)認(rèn)識的信息綜合處理技術(shù)。這里的融合是指采集并集成各種信息源、多媒體和多格式信息，從而生成完整、準(zhǔn)確、及時(shí)和有效的綜合信息。它比直接從各信息源得到的信息更簡潔、更少冗余、更有用途。
融合的概念始于20世紀(jì)70年代初期,當(dāng)時(shí)稱為多傳感器或多源相關(guān)、多源合成、多傳感器混合和數(shù)據(jù)融合。80年代以來,信息融合技術(shù)得到迅速發(fā)展，現(xiàn)在多稱之為數(shù)據(jù)融合或信息融合。根據(jù)信息和數(shù)據(jù)的含義，用信息融合比較合適，因?yàn)楦懈爬ㄐ?。信息融合的基本功能是相關(guān)、估計(jì)和識別。它涉及多方面理論和技術(shù)，如信號處理、估計(jì)理論、不確定性理論、模式識別、最優(yōu)化技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能等。
6．系統(tǒng)集成技術(shù)
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)起源于航空領(lǐng)域，而航空結(jié)構(gòu)的特殊要求使得結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)必須具備體積小、重量輕、功能強(qiáng)大等特點(diǎn)，因此，要將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用于這些工程結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)集成技術(shù)的研究是必不可少的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)集成包括軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)兩個(gè)方面的集成。軟件系統(tǒng)集成就要求軟件系統(tǒng)同時(shí)具備信號采集、信號顯示、數(shù)據(jù)存儲、信號處理、界面顯示等強(qiáng)大功能，并且結(jié)構(gòu)要簡單、代碼效率要高、運(yùn)行速度要快。硬件系統(tǒng)的集成要求各硬件之間運(yùn)作協(xié)調(diào)、整個(gè)硬件系統(tǒng)穩(wěn)定性要高、體積要小、重量要輕，便于機(jī)載。
三、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的主要方法
理想的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測方法應(yīng)該能準(zhǔn)確地在損傷發(fā)生的初期，發(fā)現(xiàn)損傷并能夠定位及確定損傷的程度，進(jìn)而提供結(jié)構(gòu)的安全性評估，并能預(yù)測損傷結(jié)構(gòu)的剩余壽命。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測通常分為如下幾個(gè)步驟：
診斷，明確結(jié)構(gòu)中是否有損傷。
定位，確定結(jié)構(gòu)中損傷出現(xiàn)的位置。
評估，評估損傷的程度。
預(yù)測，預(yù)測結(jié)構(gòu)的安全性，如安全壽命。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的方法有很多，如：頻率變化法、模態(tài)變化法、模態(tài)曲率及應(yīng)變模態(tài)變化法、動態(tài)彈性測量方法、矩陣修正法、非線性法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測方法等。
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的方法從技術(shù)角度劃分，可以分為基于振動的損傷監(jiān)測方法和基于信號的損傷監(jiān)測方法。前者利用振動、壓力、聲發(fā)射、超聲波等信號，提取信號的某種特征進(jìn)行損傷辨識結(jié)構(gòu)的物理、模態(tài)參數(shù)或是建立非參數(shù)模型進(jìn)行損傷辨識。后者利用結(jié)構(gòu)的物理、模態(tài)參數(shù)或是建立非參數(shù)模型進(jìn)行損傷辨識。
1. 基于振動的損傷監(jiān)測方法。從結(jié)構(gòu)的參數(shù)識別角度上，這類方法又可以分為結(jié)構(gòu)物理參數(shù)分析技術(shù)、模態(tài)分析技術(shù)和非物理模型法。
結(jié)構(gòu)物理參數(shù)分析技術(shù)是基于調(diào)整結(jié)構(gòu)模型矩陣（如質(zhì)量、剛度、阻尼），使其產(chǎn)生與實(shí)測的靜態(tài)、動態(tài)響應(yīng)非常接近的數(shù)據(jù)。因此，在結(jié)構(gòu)參數(shù)識別技術(shù)中最常用到結(jié)構(gòu)模型是有限元模型。
有限元模型通過單元的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來反映結(jié)構(gòu)的連接性、特征，結(jié)構(gòu)參數(shù)識別技術(shù)需要經(jīng)常修正矩陣，它通過由結(jié)構(gòu)的運(yùn)動方程、健康狀態(tài)下的名義模型及實(shí)測數(shù)據(jù)而形成的一個(gè)約束優(yōu)化問題的求解來滿足要求。通過比較修正矩陣與健康狀態(tài)下的相應(yīng)矩陣來提供結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)，判斷損傷產(chǎn)生的位置及損傷程度。
模態(tài)分析技術(shù)是對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的解析分析和試驗(yàn)分析，其結(jié)構(gòu)動態(tài)特性用模態(tài)參數(shù)來表征。結(jié)構(gòu)損傷將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性（如固有頻率、固有振型、和模態(tài)阻尼等）發(fā)生變化，由固有頻率和固有振型可以推出結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣，于是可以根據(jù)未損傷結(jié)構(gòu)和損傷結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣和剛度矩陣來確定損傷位置和程度。
在數(shù)學(xué)上，模態(tài)參數(shù)是力學(xué)系統(tǒng)運(yùn)動微分方程的特征值和特征矢量，而在試驗(yàn)方面則是試驗(yàn)測得的系統(tǒng)之極點(diǎn)(固有頻率和阻尼)和振型(模態(tài)向量)。模態(tài)分析有兩種求解方式：有限元法和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法。結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型可以通過試驗(yàn)直接測得或由有限元模型計(jì)算得到，模態(tài)阻尼主要由試驗(yàn)直接測得。
有限元模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間的差異，這可能造成模型的誤差而產(chǎn)生的偏差與損傷產(chǎn)生的效果相當(dāng)，于是很難識別損傷。除了模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)的差異外，基于模態(tài)分析的方法還將受到傳感器獲取數(shù)據(jù)的非完整性以及測量信號中噪聲的影響。這些都可能使該方法在探測損傷時(shí)失效。
非物理模型法主要是根據(jù)結(jié)構(gòu)頻響函數(shù)或傳遞函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)，反映振動系統(tǒng)的特性。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損傷時(shí)，結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)和脈沖響應(yīng)函數(shù)則會發(fā)生相應(yīng)的變化，根據(jù)這些變化，就可以辨識出一些損傷。
2. 基于信號的損傷監(jiān)測方法。它不需要識別結(jié)構(gòu)的動力學(xué)參數(shù)，而是通過對比所檢測結(jié)構(gòu)與無損傷結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號或信號的某種特征參數(shù)來識別損傷。
通常是針對結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件的檢測。一般來說，直接測試得到的動態(tài)響應(yīng)信號要經(jīng)過處理才能提取出其特征參數(shù)，在基于試驗(yàn)信號處理的損傷檢測方法中，用于信號處理的方法是多種多樣的，但其根本目的都是要提取出足夠多的響應(yīng)信息和追求足夠高的信號損傷敏感度。
總的來說，該方法可分為兩種：一種是在時(shí)間域上進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號的分析；一種是求得信號的某些非時(shí)域特征值，如信號峰值、能量積分，然后再比較這些值來識別結(jié)構(gòu)的損傷。
從信號的來源劃分，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的方法又可以分為主動監(jiān)測和被動監(jiān)測。主動監(jiān)測采用驅(qū)動器對結(jié)構(gòu)主動施加激勵(lì)信號，使用傳感器接收結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信號，通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)在主動激勵(lì)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。被動監(jiān)測則通過傳感器監(jiān)測結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，感知外界的溫度、機(jī)械、電學(xué)或化學(xué)變化。
主動監(jiān)測和被動監(jiān)測主要區(qū)別在于監(jiān)測系統(tǒng)中有沒有對結(jié)構(gòu)進(jìn)行主動激勵(lì)，傳感器是被動還是主動地接收結(jié)構(gòu)響應(yīng)信號。被動監(jiān)測需要使傳感元件始終處于被動接收狀態(tài)，只有結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生相應(yīng)的物理變化量時(shí)，傳感元件才起作用。
目前聲發(fā)射是一種典型的被動監(jiān)測方法。主動監(jiān)測可以在任意時(shí)刻對結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線監(jiān)測，不需要始終保持監(jiān)測狀態(tài)，有效節(jié)省資源，降低成本，同時(shí)對環(huán)境噪聲和干擾具有抑制能力?；谥鲃覮amb波的監(jiān)測技術(shù)就是一種典型的、目前也是較為熱門的主動監(jiān)測方法。
四、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究進(jìn)展
結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測產(chǎn)生的原因也就決定了它的發(fā)展，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的誕生是信息科學(xué)與工程及材料科學(xué)相互滲透與融合的結(jié)果，已在一些重要工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與控制方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。
20世紀(jì)90年代以來，隨著火星無人探測計(jì)劃、國際空間站計(jì)劃、大跨度橋梁等大型工程項(xiàng)目的實(shí)施，復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系的健康監(jiān)測問題迅速成為國際學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的熱點(diǎn)。它的研究引起了美、英、法、日等發(fā)達(dá)國家的極大重視，已被列為優(yōu)先發(fā)展的研究領(lǐng)域和優(yōu)先培育的21世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。
在航空航天領(lǐng)域，美國航天局(NASA)的Sarsvanos等人從理論上及實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了利用Lamb波檢測復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)的分層損傷的有效性。1999年有文獻(xiàn)報(bào)道，美國洛克希德-馬丁公司針對F22的機(jī)翼盒段連接件的膠合失效和隨機(jī)振動狀態(tài)下的疲勞失效進(jìn)行了有限元分析和計(jì)算機(jī)仿真。2001年還有文獻(xiàn)報(bào)道，該公司又將Bragg光柵光纖傳感網(wǎng)絡(luò)用于X-33箱體結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力和溫度的準(zhǔn)分布監(jiān)測。同時(shí)美國波音公司在對研發(fā)中的787型客運(yùn)飛機(jī)運(yùn)用智能化的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，以做到自檢測和自動安全預(yù)警。美國諾斯羅普-格魯門公司在地面實(shí)驗(yàn)中利用壓電傳感器及光纖傳感器監(jiān)測具有隔段的F-18機(jī)翼結(jié)構(gòu)的損傷及應(yīng)變。
英國國防與評估研究機(jī)構(gòu)的Percival和Birt研究了利用兩種基本的Lamb波傳播模式檢測材料損傷。2000年有文獻(xiàn)報(bào)道，英國宇航局負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)研制了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)健康系統(tǒng)應(yīng)用于Eurofight，布置了基于多點(diǎn)應(yīng)變片的飛行載荷監(jiān)測系統(tǒng)，監(jiān)測了飛機(jī)在飛行時(shí)的飛行載荷。2004年有文獻(xiàn)報(bào)道，英國Sheffield大學(xué)針對碳纖維盒段，采用16點(diǎn)應(yīng)變片及6點(diǎn)光柵，通過監(jiān)測結(jié)構(gòu)應(yīng)變響應(yīng)，監(jiān)測結(jié)構(gòu)的低速沖擊載荷。同年還有文獻(xiàn)報(bào)道，法國瓦朗謝訥大學(xué)針對某機(jī)翼單格盒段(上下壁板為碳纖維復(fù)合材料板)分別采用主動Lamb波監(jiān)測和被動聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，驗(yàn)證其健康監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測真實(shí)盒段構(gòu)件的沖擊損傷和脫粘現(xiàn)象的能力。
我國自20世紀(jì)90年代中期開始在“863”航天高科技計(jì)劃中投入了一定的資金用于支持大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系健康自我診斷問題的探索性研究。南京航空航天大學(xué)、重慶大學(xué)、華中理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的研究中也取得了許多成果，如自適應(yīng)復(fù)合材料、光纖智能結(jié)構(gòu)的自診斷、自修復(fù)，利用聲發(fā)射技術(shù)和小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對損傷進(jìn)行定位等。其中，南京航空航天大學(xué)智能材料與結(jié)構(gòu)研究所在利用壓電元件及小波分析探索飛機(jī)表面結(jié)冰的出現(xiàn)及程度研究、應(yīng)用小波分析及主動監(jiān)測技術(shù)對復(fù)合材料實(shí)行監(jiān)測技術(shù)的研究、應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)合材料主動監(jiān)測技術(shù)中等各方面取得了若干研究成果。
在土木工程領(lǐng)域，美國自20世紀(jì)80年代中后期就開始在多座橋梁上布設(shè)傳感器，監(jiān)測環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)振動和局部應(yīng)力狀態(tài)，用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)假定、監(jiān)視施工質(zhì)量和實(shí)時(shí)評定服役安全狀態(tài)。1989年，美國Brown大學(xué)的Mendez等人首先提出把光纖傳感器用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康檢測。
以后，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究就成為一個(gè)研究的熱點(diǎn)。應(yīng)用的對象包括橋梁、水壩、高層建筑、公路等等。美國僅在1995年，就投資1.44億美元，在90座大壩配備了安全監(jiān)測設(shè)備。香港青馬大橋安裝了500個(gè)加速度傳感器、粘貼了大量的應(yīng)變片和一套GPS系統(tǒng)，用以長期監(jiān)測橋梁的服役安全性。加拿大Roctest公司研制的基于Fabry-Perot白光干涉原理的一系列產(chǎn)品，可以對結(jié)構(gòu)表面及內(nèi)部應(yīng)變﹙應(yīng)力﹚、溫度、位移、裂縫、孔隙壓力等狀況進(jìn)行監(jiān)測。
另外，英國實(shí)施了海上平臺智能結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的研究計(jì)劃，針對航海目標(biāo)、研究以全光纖傳感為核心的復(fù)合材料海上平臺系統(tǒng)，以探索在惡劣的海洋環(huán)境下海上平臺的健康監(jiān)測試驗(yàn)等綜合技術(shù)；英國石油機(jī)構(gòu)聲稱，由于采用結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，他們的海上石油平臺得到了很好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，平均每一個(gè)海上石油平臺可以節(jié)省五千萬英鎊左右。2000年Solomon等人對高180米，重21000噸，可以支撐30000噸重量的海上平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)來自海浪的動態(tài)載荷相當(dāng)明顯，可以用來測量海浪的影響和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，包括撓度和加速度。該系統(tǒng)已經(jīng)順利運(yùn)行了六年，并且結(jié)構(gòu)保存完好。
我國不少大型橋梁已研制或正在安裝結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，如江蘇的蘇通大橋、江陰大橋等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也在863項(xiàng)目的資助下，對海洋鉆井平臺的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
五、裂紋監(jiān)測的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前在國外的裂紋監(jiān)測研究領(lǐng)域中，S.Grondel等人在2001年研究了使用基于Lamb波的監(jiān)測系統(tǒng)對鋁質(zhì)鉚釘連接處疲勞裂紋損傷進(jìn)行監(jiān)測的可行性，以期降低損傷監(jiān)測的費(fèi)用和時(shí)間。在研究中，他們對壓電傳感信號進(jìn)行了Hilbert變換和時(shí)頻分析；而且在疲勞實(shí)驗(yàn)中也使用了聲發(fā)射系統(tǒng)對裂紋擴(kuò)展過程中的聲發(fā)射情況作了研究。他們的研究結(jié)果表明, 可同時(shí)運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)和Lamb波技術(shù)進(jìn)行裂紋監(jiān)測并具有較好的一致性。
2002年，E.L.Clezio等人研究了第一個(gè)對稱波包模式S0與鋁板中裂紋的相互作用。他們分別使用有限元分析和模式分解兩種方法對裂紋引起的S0模式衍射情況進(jìn)行仿真，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。
2003年，F(xiàn)u-Kuo Chang研究了一種基于壓電的嵌入式診斷技術(shù)對金屬板中疲勞裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了監(jiān)測。該技術(shù)主要由安置于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的壓電激勵(lì)元件激發(fā)出診斷信號，然后運(yùn)用該信號來檢測裂紋擴(kuò)展。該技術(shù)主要包括三個(gè)部分：診斷信號的產(chǎn)生，信號處理以及損傷評估。
在診斷信號產(chǎn)生部分，他選擇合適的Lamb波使傳感信號達(dá)到最佳。
在信號處理過程中，發(fā)展了一種可用于損傷檢測的Lamb波單模式提取方法，并能提高傳感信號的信噪比。
在損傷評估部分，他又提出了損傷參數(shù)的概念，該參數(shù)能反應(yīng)傳感信號和裂紋擴(kuò)展長度之間的關(guān)系。
為了驗(yàn)證上述技術(shù)，該研究者設(shè)計(jì)了相應(yīng)的疲勞實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明從傳感信號中得到的損傷參數(shù)與實(shí)際疲勞裂紋擴(kuò)展長度之間有著良好的一致性。雖然在他的研究中對壓電片的位置與監(jiān)測靈敏度之間的關(guān)系有所研究，但是還不夠深入，而且沒有涉及診斷信號的中心頻率對監(jiān)測結(jié)果的影響。
2005年，P.S.Tua等人在實(shí)驗(yàn)研究中給一個(gè)鋁管兩邊各貼上兩個(gè)直徑為5mm，厚為0.5mm的圓形壓電片作為Lamb波激勵(lì)與傳感器，然后他們根據(jù)Lamb波的傳播時(shí)間(TOF)和振幅變化來檢測和定位裂紋，為了使實(shí)驗(yàn)條件接近實(shí)際情況，他們把鋁管埋入沙子中，只有激勵(lì)與傳感器部分裸露在空氣中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法檢測深埋結(jié)構(gòu)中裂紋的可行性。
此外，美國學(xué)者Victor Giurgiutiu對該領(lǐng)域也作出了很大貢獻(xiàn)，在1998年他把機(jī)電阻抗技術(shù)用于裂紋監(jiān)測中，取得了一定進(jìn)展，在2005年他同時(shí)采用機(jī)電阻抗和主動Lamb波兩種技術(shù)對鋁合金試件中的裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了研究，在相關(guān)研究中他通過試件上安置的壓電片主動傳感器(PWAS)在裂紋擴(kuò)展每個(gè)階段實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的機(jī)電阻抗和Lamb波實(shí)驗(yàn)。其機(jī)電阻抗信號的頻率范圍為100-500KHz，試件中傳播的Lamb波信號為一個(gè)頻率為417KHz具有3個(gè)周期的正弦調(diào)制脈沖，經(jīng)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)機(jī)電阻抗和Lamb波信號都隨著裂紋擴(kuò)展發(fā)生變化。從這兩種信號中得到的損傷參數(shù)都隨著裂紋損傷的增大而遞增。研究結(jié)果表明運(yùn)用PWAS并結(jié)合機(jī)電阻抗和Lamb波監(jiān)測技術(shù)在裂紋監(jiān)測方面具有一定的潛力。在2006年，他把相控陣與主動Lamb波技術(shù)結(jié)合起來成功實(shí)現(xiàn)了鋁板中的裂紋監(jiān)測，并用不同形式的相控陣解決了掃查角度受限問題。
在國內(nèi)，大部分學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域中主要采用無損檢測技術(shù)，如海軍航空工程學(xué)院的張鳳林等人在2000年把聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用于航空領(lǐng)域中，研究了型號為PTAE-4A的機(jī)載聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)并做了隨機(jī)機(jī)載應(yīng)用研究。2003年，清華大學(xué)的李光海博士采用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測高頻疲勞條件下金屬材料的裂紋擴(kuò)展，研究結(jié)果表明聲發(fā)射參數(shù)變化能夠有效地反映材料疲勞裂紋擴(kuò)展過程，并能更早地發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部微小裂紋的變化。但是關(guān)于裂紋監(jiān)測方面的研究文獻(xiàn)較少。這是由于一方面相關(guān)的裂紋監(jiān)測方法還沒有完善，另一方面對于裂紋這一類較小損傷的監(jiān)測難度高。
