智能传感技术在土木工程结构安全监测方面的应用

摘要：结构安全监测(SHM)即通过建立自动化系统，以最少人力参与为初衷，对建筑物结构进行持续的监测并对受损部位进行检测。构建结构安全监测系统的第一步就是要建立起一个可靠并具有长期稳定性的结构传感力系统。智能传感技术包括光纤传感器、压电传感器、磁致伸缩传感器和自诊纤维增强复合物，这些在检测各种建筑结构安全相关的物理或化学参数方面扮演着非常重要的角色，因而保证了建筑物的耐久性。特别是压电传感器和磁致伸缩传感器，两者既可作传感器，亦可作致动器。结构安全监测属于主动监测系统。因而，当前可利用智能传感技术对土木工程建筑的结构安全进行监测。本文将就智能装置/传感器在土木工程建筑结构安全监测的应用展开讨论。主要是对智能材料/传感器用于土木工程结构的学术讨论和实际考察。

关键词：结构安全监测光纤传感器混凝土应变压电传感器；

中图分类号：TN818文献标识码： A 文章编号：引言

通常情况下，土木工程作为基础设施对任何国家来说是都是一笔不小的开支，属于国家资产的一部分。并且，与其他商品相比，土木工程建筑寿命较长，一旦竣工，维修和重建代价甚高。另外，土木工程包括不同的建筑，建筑结构不同，建筑材料、设计方案和施工方式都会迥然不同。最重要的建筑结构包括桥梁、高层建筑、电力、核能和大坝。所有民用建筑都会随着时间老化和损坏，主要原因是材料的老化、持续使用、过载、过多暴露在有害环境、保护力度不够以及没有使用正确的检测方式。一旦受到内或外部侵害或二者同时作用，所有这些因素都会导致建筑材料和结构的老损并加重受损程度。

为保证建筑物的完整性和安全性，必须对建筑进行结构安全监测（SHM），通过自动化体系，对建筑物结构进行可持续的监和受损部位的检测。行之有效的结构安全监测系统可及时检测到各种受损部位并监测其压力和温度，从而优化建筑物维护效果，确保建筑物的安全，延长使用寿命。通常情况下典型的建筑安全监测系统包括三个主要组成成分：传感系统、数据处理系统（包括数据采集、传输和储存）和安全评估系统（包括诊断演算和信息管理）。要建立该系统，首先应使该系统具有一个稳定且可靠的结构传感系统。因此，本文主要讨论结构安全监视系统的第一个组成部分：由智能装置/传感器组成的传感系统。智能装置/传感器：如光纤传感器(FOS)、压电传感器、磁致伸缩传感器和自诊纤维增强结构复合材料，都具有非常重要的功能，可感应各种建筑结构安全方面的物理和化学参数。

光纤传感器（FOS），由于体积小，不会影响土木工程结构物本身的特点。通过使用多路复用或分布式传感技术，仅需一个光纤便可以对不同地区建筑的结构性能进行有效监测。并可避开电磁干扰的影响。光波适合在信号较弱的情况下进行长距离传输。压电和磁致传感器既可以作传感器，又可以作致动器，使结构安全监视成为一个积极的监测系统。此外，他们大小各异，便于存放，就算是放在较远的地方，也可对各种类型的结构进行积极监督。

过去几年人们对结构安全监测日益关注和重视，文本将重点评析智能装置/传感器在土木工程上的不同运用。本文涵盖光纤传感器，压电传感器、自我诊断纤维增强复合材料和磁致伸缩传感器的主要方面。

2.光纤传感器（FOS）

光纤传感器有诸多分类方式。第一种是按照待测参数经调制后得到的光特性（强度、波长、相位或极化等）进行的分类。第二种则是根据光发生调制的位置位于光纤内部还是外部（内部或外部）进行分类。光纤传感器还可根据传感范围分为点式（法布里-珀罗光纤传感器或长标距光纤传感器等），积分式（光纤布喇格光栅传感器）和分布式传感器（布里渊分布式光纤传感器）。本文主要讨论这种分类方法。光纤传感器一般都安装在现成结构表面，或嵌入新建土木结构中，包括桥梁、建筑物和大坝，显示应力（静态和动态）、温度、损害（分层、裂纹和腐蚀）和氯离子浓度等信息。获得的数据可被用来评估新建和修复结构，诊断损害部位和损害程度。本节主要探讨光纤传感器在监测土木工程结构的应力、位移和损害方面的应用。

2.1.监测应变和位移

实验研究已阐明光纤传感器被应用于土木工程结构后所表现的基本传感特性。在对混凝土横梁样本进行测试的实验中，与应力计输出信号相比，法布里-珀罗光纤传感器输出信号更加良好。与应力计相比，光纤传感器有更好的信噪比。对嵌入混凝土中的法布里-珀罗光纤传感器的性能进行评估。

图1：混凝土应变与各种传感器的对比

图1是压力高于混凝土抗压强度40%时，光纤传感器与丝式应变仪、电测应变仪和线性差动变压器测量结果对比图。由图可见，光纤传感器的测量压力、电测应变仪、线性差动变压器的测量压力具有高度一致性。在嵌入光纤传感器的混凝土平板上进行重复加载试验。频率为2 Hz-3 Hz，加载周期达四百万次。传感器在振幅为两千、加载周期为四百万的情况下仍可使用，且对动态加载反应良好。复合型波形传感器可以使光纤和混凝土的强度相互融合。如此一来，不仅应力大为减少，而且不用考虑理论校准因素。这个传感器还实现了对混凝土的持久粘连，并可在任何接触环境对伸缩装载给予相应的响应。

使用一种单模式光纤，又叫布里渊分布式光纤，对1.65m强化混凝横梁的压力进行测试。布里渊分布式光纤可同时测量温度和压力。结果显示，在5cm的可分解距离内，压力精确度达到± 5 με 。基于电缆中电磁波的电动时域反射计对两种分布传感器进行比较。将他们置于80%的横梁钢筋混凝土表面。试验结果表明，电缆传感器可以测量压力的局部巨大变化，而分布式光纤传感器可测量出长距离情况下压力的缓慢变化。电缆传感器在几秒甚至更短时间内就可测得应变分布，因而适用于动态信号监测。相比之下，光纤传感器完成测量任务需要数分钟的时间。安装了布里渊分布式光纤传感器以评估完全预应力下混凝土横梁的性能。同应变计的测量结果相比，光纤传感器更能很好地显示拉伸应变的测量结果。然而，光纤传感器对压缩应变的测量误差很大，这点在压缩应力很小的时候尤为明显。加拿大的卡尔加里贝丁顿的索道桥是世界上第一个引用光纤光栅传感系统，也是第一个在部分桥梁处使用碳纤维增强聚合物复合材料的构筑物。这座桥的部分钢筋在1993年经过预应力后，配上了光纤布拉格光栅传感器，总计18个。经过对预应力处理后的钢筋在混凝土收缩徐变、桥面恒载和桥梁后张等各种破坏力共同作用下的松弛状态进行评估，结果发现，钢筋预应力后的混凝土梁松弛度高于碳纤维复合材料的松弛度，并且在开放通行8个月后，这座桥的所有梁都存在着持续松弛的现象。另一动态测试表明，虽然这些传感器在6年后仍在工作，却没有监测到任何结构问题。首先，研究的重要价值在于该项目表明结合光传感技术、创新性电缆强化材料和结构工程所能带来的优势和益处。对纤维增强材料组成成分进行实时监测能够增强将这些材料用于混凝结构中的信心，因为目前就纤维增强材料来说，还没有设计标准出台。另一方面，光传感器可以嵌入纤维钢筋的表面，既保护了传感器及其线缆，又便于对这一类的土木工程结构进行控制和监测。

当前，世界上的很多桥梁都装有光纤传感器。法布里-珀罗光纤传感器用于加拿大魁北克若夫尔桥梁的修复工程。将这些传感器绑在由碳纤维复合材料制成的栏杆和钢梁上，以监测纤维复合塑料结构的性能、桥板和桥梁的应变。结果表明，大桥通行情况下，温度是影响应变的最重要因素。桥通行一年后，又进行了现场观测。使用3辆25吨校准卡车对纤维增强塑料加固处进行应力评估，结果发现纤维增强塑料加固处的应力小于20με,，钢梁应力小于120με。这就解释了加拿大联邦大桥嵌入光纤光栅传感器，但是并没有收到来自传感器的任何数据的原因。在泰勒大桥上，将63个光纤增强传感器、26个电测计加载在预应力处理后的碳纤维复合栏杆上，监测加固处在承受负荷时的最大应力。但是即使应变计密封良好，60%的电测计仍不能正常工作，原因是蒸汽养护后的混凝土梁桥湿度过大。当36吨重的卡车通过桥面时，纤维增强传感器记录的应力小于15με。

光纤光栅传感器被应用在瑞士两个桥梁上的实验情况：在温特图尔，将光纤光栅传感器捆置于碳纤维增强聚合物复合材料电线上来测量吊索的应变情况。截止1999年3月，光纤光栅传感器已经在2000με的应力下稳定工作了三年。另一个实验则是对一座行人天桥展开的。天桥的钢索是由碳纤维复合材料构成的预应力钢索，具体过程就是在碳纤维复合材料挤压过程中将光纤维嵌入到碳纤维混合材料中。大多数的光纤光栅传感器都可以承受170–190◦C的高温树脂固化处理和8000 με,的预应力处理，只有两个由于脱落失败。锚圈和索具在预应力处理过程中和其后的一年时间，都有令人满意的应力监测结果。

使用长标距电缆传感器得到桥梁整体变形和曲率的方法：将96根4m的长标距传感电缆嵌入维何斯瓦大桥的两端。根据提出的物理模式，当在桥面进行静态载重实验时，可测量总长度为一百米以上的桥的整体横向和纵向变形情况。并且测量结果非常吻合。

跨越佛蒙特州的沃特伯里的威努斯基河67米长的钢桁梁安装光纤光栅传感器，46个光纤光栅传感器被嵌入桥板，只有一个传感器损坏。并研制出了一种基于频域的多路复用传感器同时进行应力和振动的测量的工作。美国佛蒙特州威努斯基河的水力发电厂就是应用的这种光纤光栅传感器。对发电设备进行首次低功耗测试监测时，监测到了一个异常频率，这表明，传动系中的某个主要齿轮失圆了。

光纤光栅应用于中国，哈尔滨理工大学的桥梁监测工作的情况报告表明，光纤光栅传感器被装在10座以上的桥梁上以监测应变、应力和温度。例如，中国天津的永和大桥上就安装了40个光纤光栅应变传感器、10个光纤光栅温度传感器，以及96个光纤光栅电缆传感器用于对主梁的应变、预应力钢筋和钢索的应力的监测。同时一种结构安全检测系统用于监测第一座横跨中国长江的斜拉桥，并成功运行光栅光纤超载车辆识别系统和远程实时钢索应力监测系统。

准分布式光栅光纤传感器嵌入岩石锚栓以监控固定锚固长度内岩石的应变。为了提高德国埃德尔大坝的稳定性，对大坝进行了垂直锚固。这种准分布光栅光纤传感器的制作过程是沿著光纤每隔一段距离就插入纤维拼接，使每一段都可充当应变计。配有光纤光栅传感器的杆被放置在锚的中心。光纤光栅传感器的数据表明，10m固定锚索长度中只有2-2.5m可以起作用并且这个值随水位变化而变化。传感系统在锚力为4500 kN的环境中仍然有效。

光纤监测系统也可用于极端暴露条件下的土木结构。例如，码头大厅的光纤光栅安全监控系统。该系统位于浪花区和潮汐区，并受从冬天-35◦C到夏天+ 35◦C温度的影响。令人遗憾的是，光纤光栅传感器的实用性并不高。传感器嵌入后的一年，17个传感器中的10个已经无法运作。传感器失效的主要原因是连接器失效。制造缺陷、盐晶体或其他污物导致了粘接剂连接器无法继续粘合连接器外皮和光纤电缆。

一般土木建筑的应用：将光纤光栅传感器安装在一个五层65000平方英尺的混凝土结构上，主要用于施工阶段应力监测、混凝土养护以及内部裂缝传感。使用布里渊分布式光纤光栅传感器对一幢建筑进行温度分布监测。将1400米的光导纤维安装在建筑物的表面。其表面的温度变化一天之内通常维持在4◦C。

图2：试件底部光纤的“交错”布置

2.2 缺陷检测

光纤传感器用于土木工程的结构安全监测涉及对诸如裂缝、腐蚀和剥离等缺陷的检测。裂缝检测的依据是光传输的损失和以光纤传感器为基础的超声波。腐蚀、酸碱值和氯化物含量的检测则主要借助调色法实现。

使用光纤监控混凝土的裂纹尖端的形状。其操作方法依据的原理是当纤维发生断裂，混凝土中会出现裂缝并且裂缝程度会扩大，最终会影响光学纤维。然而,这个方法的适用范围是有限的,因为裂缝区域纤维的聚合物涂层必须在混入混凝土中之前被移去，如果不能提前获悉裂纹的位置则很难做到。

监测混凝土梁弯曲裂缝的方法：将光学纤维“交错”置于混凝土梁底部(参见图2)。当建筑结构中出现裂缝，除了90度以外，其他角度的交叉光学纤维都出现了弯曲。对混凝土标本的初步实验结果显示，该方法能检测到裂缝宽度小于0.1mm的裂缝。最近,此方法被用来监视静态加载下的多重弯曲裂缝、循环荷载下的裂缝和混凝土梁中应力作用下的收缩裂缝。然而,这种方法并不适用于检测平行于建筑物表面的裂缝。还有一种基于光纤传感器的技术，可以用来监测平行于建筑物表面的剥离情况。这个方法将单频激光干涉仪置于物体表面，对被测试梁进行移动负载实验。干涉仪的输出代表了光学相移，且沿嵌入纤维和综合应力成正比，当加载位置移动时，便可测得位移的曲线与负载的位置。实验发现，位移与剥离位置和剥离程度密切相关。

光纤传感器也可以被当作超声波/声学传感器来检测裂缝。利用分布式光纤传感定位系统监测混凝土梁中的缺陷的方法，通过压电陶瓷传感器生成压力波。光纤传感器被置于梁的表面以监测超声信号回声。初步实验研究表明，基于共振法，发现梁中有两处模拟缺陷。

光纤传感声学传感器可以监听到混凝土结构裂缝中发射出的声音信号。实验表明，光纤光栅传感器已经能够接收到超声波。

总的来说，这一领域的主要研究成果都是源于初步实验。提出的方法要求预先了解裂纹的位置。超声波方法不受裂纹方向的影响。以往的研究表明了超声波能够检测混凝土结构中的剥离、空隙及裂纹现象。

关于腐蚀检测，报告表明使用光纤传感器的钢筋腐蚀检测技术是以颜色调制为基础。当纤维极度接近（

光纤氯化物感应器用铬酸银粉末固定在光纤末端。在氯化物把红褐色的铬酸银转变成白色的氯化物的情况下适合使用这种感应器。颜色的变化增强了扩散在纤维中的光的强度。试验结果显示了氯化物浓度与光输出斜率及时间曲线图成比例。然而这种传感器的缺点在于其并不是一种双向传感器，因此很难检测不断增加或减少的氯化物浓度。

分布式湿度和酸碱度检测方法使用了表面贴装了凝胶聚合物涂层和光纤的电缆。由于凝胶吸附水在水介质中膨胀，所以需要调制光纤维的损失。系统是在模拟实验中测试的，目的是为了检验灌入后张混凝土结构钢管道中的水泥浆的范围。试验可以确定出无水的空心区域。这种类型的传感器通过选择恰当的凝胶系统作为响应酸碱度变化的指示剂，能检测出水泥浆酸碱度降低的区域。酸碱度的降低可能会造成钢的腐蚀。光线传感器系统用于测量混凝土中的酸碱度，这里的混凝土是指含有固定在高亲水聚合物基质上的酸碱指示剂染料。酸碱度的变化由染料/聚合物系统的颜色变化来表示。即使在酸碱度12-13的腐蚀介质中，这种传感器系统也表现出了稳定性。

2.3 光纤传感器总结

与局部的准分布式（或多路复接）及分布式传感器一样，光纤传感器在实验室及实地测试中都有传感能力。光纤传感器在土木工程结构中的各种应用，如检测应力、位移、震动、裂缝、腐蚀和氯离子浓度等都已得到开发。尤其是对桥梁、水电站项目及一些民用建筑的实地测试都证明了它的有效性。光纤传感器可以在恶劣的自然环境中使用，有着较大的传感范围及较低的传感损耗，并且具备抗电磁干扰功能，所以在土木工程结构的结构安全监测方面很有优势。但是，因为土木工程结构中所用的光纤传感器的研究都是比较近期的，最早的报告始于1989年，所以在现场实验条件下是否会因老化影响长期感应能力有待进一步研究。光纤传感器在一些结构中比较脆弱，而且一旦嵌入到混凝土中，若有损坏就会难以修复。使用光纤传感器检测缺陷及损坏的现场试验还未经过充分的研究和记录。

3. 压电传感器

根据电气到机械的改革，压电材料展示了其同步传动装置/传感器的性能。压电材料有很多不同种类，包括压电陶瓷、压电聚合物和压电复合材料。最近，作为一个基于测量电抗阻和弹性波的主动传感技术，压电传感器被引入到土木工程结构的结构安全监测中。

3.1电抗阻的结构安全监测方法

当工程结构上的压电陶瓷片由一个固定不变的交变电场驱动时，压电陶瓷片与其连接的结构中会产生微小的变形。由于激振频率很高，所以只在非常接近传感器的局部区域出现结构的动态响应。局部区域对机械振动的响应以电气响应的形式转回压电陶瓷片。因此，可以通过测量压电陶瓷感应器的电抗阻来直接检测结构损伤。

通过使用压电陶瓷片在钢筋混凝土（RC）桥样品上进行以抗阻为基础的安全监测及损伤检测。在桥的关键位置上装有11个压电陶瓷片。在装入过程中扫描陶瓷片，以获得不同阶段的阻抗数据。结果显示表面贴装的压电陶瓷片对其附近混凝土中裂纹的形成很敏感，但对那些离远一点的混凝土中裂纹的形成则不敏感。对装有压电陶瓷片传感器的混凝土梁（1000mm×100mm×500mm）执行两套实验测试。电导纳抗实数部分的均方根差（RMSD）随着样件表面或内部损伤面积的增加而增加。一项新方法用于识别测定的导纳特征中的等效结构参数（硬度、质量和阻尼器），经识别的参数用于描述损伤特性。这个方法被用于检测桁架、横梁和混凝土块中的损伤。传统的均方根差相只暗示了很少一部分损伤基质的性质情况，这个方法可更深入地了解损伤机制。测量压电陶瓷片的等效电路参数，如静态柔量、静态电阻、动态电感、动态电阻与动态柔量等，以监测混凝土结构的应力和温度。

3.2弹性波的结构安全监测方法

初步研究，在钢筋上粘有压电陶瓷片的情况下，监测加强筋与混凝土之间的脱粘现象。在执行器上使用了峰值为200V的5峰脉冲超声波，并记录分析了振幅和第一峰值的到达时间。发现接收信号的振幅以线性比例的方式增长至使钢筋从混凝土上脱粘为止。当钢筋是弹性的时，到达时间保持不变，而当钢筋断裂时，到达时间增长。同时使用了压电及超声波分析（PZFlex）软件模拟传感器的反应，以此作为钢筋混凝土结构中的参数，如裂纹宽度、脱粘尺寸及不同钢筋的位置。数值模拟表现出钢筋混凝土结构中的裂纹不会影响传感器的输出。当结构中同时存在脱粘损伤和裂纹时，脱粘损伤控制着输出信号。

通过将压电传感器粘到混凝土砌块表面的方法，可以研究无损检测的可行性。通过在检测样品表面放置不同质量的物品来模拟结构损伤。实验结果表明模拟损伤的尺寸和位置与其转移函数的振幅变化及自然频率的变化密切相关。这些信号中的异常现象是可重复的，而且损伤导致的异象会有明显的性质差异。

损伤主动质询（ADI）技术：以监测修复混凝土与碳纤维复合材料（CFRP）之间的分层现象。如图3所示，将压电陶瓷传感器连在碳纤维复合材料薄片上。横梁尺寸为100×150×900mm,上面设10×25×100mm的凹口用于开始及加快分层过程。这个损伤主动质询系统通过传感器的宽带激发主动质询结构。传感器信号可转化成数字资料，则转移函数、累加平均δ和执行器/传感器的损伤指数就可以计算出来了。图4显示了损伤指数与负载的关系。当负载增加时，区域1中的损伤指数明显增加了，而区域2和区域3中的损伤指数开始分别增至160kN和200kN。从而检测了分层过程。且损伤的定位误差只有0.67%。

图3：粘在混凝土梁上的碳纤维材料上压电陶瓷片的位置

图4：随外加负载的增加，区域1、2、3损伤指数的变化

可根据连续波分析基础上不同的中心频率弹性波能量来计算损伤指数，损伤指数可以准确表示出钢筋混凝土梁中裂纹的产生和扩展。相比基于阻抗的方法，基于弹性波的方法可以检测更大面积的区域。此外，基于弹性波的方法还可利用波传播的更多信息来确定损伤，如转移函数的振幅和相位、频率的变化、振幅和到达时间。这种方法和基于电阻抗的方法都是主动传感方法，但大部分结构安全监测技术都是以依赖被动传感器测量值的被动传感诊断法为基础，从而确定结构条件或环境中的变化。然而，还需要进一步研究以验证其可行性，从而通过结合其他技术，如无线通信、检测损伤位置与严重性算法等来检测混凝土构件和结构中的不同缺陷。

4. 自诊纤维增强复合物

水泥或复合物基质中的自诊（或自监测）纤维增强复合材料包含导电相，如碳纤维和导电粉等。这些复合材料能够监测其自身的张力、损伤及温度。研究表示碳纤维增强水泥可通过其电阻的变化来传感张力和损伤。电阻在从高应力幅直至失效的过程中大大增加了。碳纤维复合材料与碳纤维增强水泥有类似的特性。将具有张力的碳纤维增强水泥的电阻变化分成三个阶段：可逆传感阶段、平衡阶段（电阻在这个阶段几乎不发生变化）及快速增长阶段，这三个阶段与加载过程中碳纤维增强水泥中裂纹扩展的不同阶段相对应。

迄今为止，只有一些小规模的实验室研究了碳纤维增强水泥和碳纤维复合材料。将碳纤维增强水泥涂层应用到受弯水泥浆梁的受拉和受压侧面上。在循环加载和卸载条件下，每个循环的受压面上的涂层电阻出现可逆性降低，而在除第一循环的其他循环的受拉面上的电阻出现可逆性增长。由此可以看出，碳纤维增强水泥张力传感涂层可用于水泥结构的安全监测中。碳纤维增强水泥-加强钢筋混凝土梁的极限载荷与硬度略大于原始状态钢筋水混凝土梁的极限载荷与硬度。通过对电阻变化的测量，有较厚碳纤维增强水泥层的钢筋混凝土梁对应力损伤和疲劳损伤的敏感度更高。还将含有短碳纤维的碳纤维复合材料涂层应用到砂浆试块上，以此测量出张力。研究发现，超过了这些极限值，就会导致涂层内损伤。因此，可以很明显看出，碳纤维复合材料涂层不能满足实际应用的需要，不能够在现实生活中监测水泥结构的性能。

碳纤维玻璃纤维增强型复合材料（CFGFRP）被设计用作一种极限伸长值较小的导电碳纤维与极限伸长值较大的中空玻璃纤维的混合物。在拉伸加载过程中，电阻会出现显著的变化，这表明碳丝束失效。于是，因载荷受剩余的高伸长率玻璃纤维的维持， CFGFRP不会突然断裂。因此CFGFRP有可能具有自诊功能，而不会出现突发的失效。可预先报警构件的灾难性故障，并通过使用具有不同极限伸长值的碳纤维来监测高张力值。CFGFRP已被用于安全系统，放置在具有发现和阻止盗窃功能的安全墙上。

使用自诊纤维增强复合物为传感器的结构安全监测技术是一项简单的技术。这类智能材料的最明显的优势之一是它们既可以作为结构材料又可作为传感材料。碳纤维复合材料与玻璃纤维增强塑料可被用作水泥的加固元素。与素混凝土相比，含有少量短纤维的碳纤维增强水泥具有较高的硬度和抗张强度以及较少的干燥收缩。实验研究表明了这些纤维能够监测自身的张力、损伤及温度。与碳纤维玻璃纤维增强型复合材料（CFGFRP）相比，散布在玻璃纤维增强型塑料中的碳粉（CPGFRP）和混合碳纤维复合材料（HCFRP）有更好的敏感度。但是，迄今为止还未开发出这种材料在土木工程结构的结构安全监测方面的现场应用。此外，还需要提高自诊纤维增强复合物的传感重复性。有很多因素影响着自诊纤维增强复合物的重复性，包括：（1）导电材料在矩阵中的分布状态；（2）因温度、湿度和横向效应造成的电阻变化；（3）因循环加载过程中传感材料与界面损伤造成的电阻不可逆增长；（4）电阻测量方法与材料的准备。

5. 磁致伸缩传感器

铁磁材料的特性为，当将其放在磁场中时，它们就会出现机械变形，这个现象称为磁致伸缩效应。当材料出现机械变形时，材料的磁感应强度发生变化，这种倒转现象称为倒转的磁致伸缩效应。根据这些现象，发明了一种磁致伸缩传感器（MsS）,这种传感器可不直接接触材料表面就能产生及检测受验铁磁材料的导波。

用磁致伸缩传感器（MsS）可检测钢管混凝土结构的内部空隙与夹杂物。这表明极致伸缩传感器可以产生传播于钢管内的不同导波模式，并且这些导波对管内的缺陷很敏感。接收波振幅随着缺陷与夹杂物的增多而降低。为克服磁致伸缩传感器（MsS）的主要缺点，即只传送相对较低的超声波能量，研发了一个结合了压电陶瓷和磁致伸缩传感器的混合方法。这种方法对钢筋水泥界面的检测很有效。根据逆向磁致伸缩效应测量了钢丝绳的应力。磁致伸缩传感器（MsS）的精度小于3%，但温度的干扰会影响精确度。温度的两个极端值即10℃和50℃之间的差为6%。使用离散小波变换从磁致伸缩传感器检测出的信号中提取了对损伤敏感的特征，从而构成一个多维的损伤指数向量。然后将损伤指数向量提供给人工神经网络，以便对多股线的缺口尺寸及缺口位置进行自动分类。

6. 结束语

智能材料/传感器在土木工程结构的结构安全监测方面蕴藏着巨大潜力。其中一些当前已经实际应用，而其他的还在实验室中进行评估。光纤传感器是土木工程的结构安全监测应用的多功能传感器。光纤传感器在土木工程结构中的不同应用，如应力、位移、震动、裂纹、腐蚀和氯离子浓度的检测作用都已被开发出来。光纤传感器可以在恶劣的自然条件下正常工作，具有较大的传感范围，较低的传输损耗，抗电磁干扰和分布式传感的功能。但是，在现场实验条件下的光纤传感器是否会因老化影响长期传感能力还未完全确定，需进一步研究。而且光纤传感器在一些结构中比较脆弱，一旦嵌入到混凝土中，若有损坏就会难以修复。

基于电阻抗和弹性波方法，压电传感器可被用作土木工程结构的结构安全监测中一项主动传感技术。抗阻方法取决于自感知执行器概念，也是一种定性方法。以弹性波为基础的方法可以检测出更大面积的损伤，而且这种方法还可以利用波传播引起的附加信息来确定损伤。

自诊纤维加强复合物也可作为传感器，并且为土木工程结构的结构安全监测提供了一种非常简单的技术。这类智能材料的最明显的优势之一是它们既可以作为结构材料又可以作为传感材料。

磁致伸缩传感器（MsS）仅仅通过改变线圈或磁铁形状就可以产生不同的导波模式。这种传感器可以不使用任何的耦合剂就能工作。导波因其能够进行远距离检测，所以有着很大的监测潜力。但是，磁致伸缩传感器只适用于铁磁材料，只能传送低信噪比的较低超声波能量。

结构安全监测系统必须具有监测损伤的位置及严重程度的综合能力。但是，迄今为止许多在土木工程的结构安全监测中使用的智能传感器/智能材料的应用研究都涉及智能传感器的传感能力。换言之，用传感器的数据就可以直接监测出结构中的一些损伤。而另一些损伤只能通过特殊的诊断方法间接检测出来。重要的土木工程结构通常是比较大型的建筑。所以，要装备很多传感器来检测结构的安全状况。实际土木工程的结构安全监测很大程度上取决于诊断算法。因此，土木工程的真正的结构安全监测系统是集智能传感器/智能材料、数据传输和高级诊断方法为一体的。

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