結構健康監測技術是一門涉及材料（liào）、測控、力學、機械、信息通信等多個學科的前沿研究領域，它同傳統的無（wú）損檢測技術相比具有（yǒu）能夠實（shí）時（shí）、在線監（jiān）測的優點，而且所用設備一般比較簡單，易於（yú）進行大（dà）範圍的結（jié）構（gòu）監測。

裂紋是結構中典型的（de）損傷類型之一（yī）。在一些諸（zhū）如金屬橋梁、飛行器、核反應堆等重要結構中，由於初始（shǐ）結構缺陷的存在和結構所處（chù）環境中各種因素的（de）影響，使它們在設計壽命服役期內或超期（qī）服役（yì）期間不可避免地產生了裂紋，如（rú）果不能及時準確地監測出這些裂紋的萌生及其擴展情況，可能（néng）會（huì）導致重大事故的發生。特別（bié）是，結構中許多局部損傷的初始狀態都是以微裂紋（wén）形式表現出來的，監測出這（zhè）些裂紋的產生（shēng）及其擴展情況對於提高結構安全（quán）至關重要（yào）。所以，裂紋監測（cè）已成為（wéi）結構健康監測領域中研究的熱點和難點。

這裏在以下幾個方麵對疲勞裂紋監測技術研究，特別是在航空（kōng）領域的進展狀況，做一個簡要的介（jiè）紹。
 

一、結構健康監測概述

在航空領域，隨著航（háng）空科（kē）學技術的飛速發展，飛機結構設計思想不（bú）斷（duàn）更（gèng）新，輕質、高（gāo）可靠性、高機動性、高（gāo）維護性、高生存力、超（chāo）音速巡航、隱身、大航程和短距起落的綜（zōng）合要求已成為現代軍用飛機結（jié）構設計的一項極為（wéi）重要而且必須遵循的準則。

目前常用的飛行器故障診斷和維護主要分為定（dìng）期和不定期檢測（cè）維護兩種。傳統無損檢測非常耗時，同時在無損檢測手段（duàn）中，還不具備實時在線大麵積監測的功能，且大多數設備複雜，成本高（gāo），對一些性能比較複雜的材（cái）料結構，如複合材料結（jié）構，一些小的損傷還不能（néng）很（hěn）好地（dì）檢測到（dào）。這都迫切需要（yào）發（fā）展一種在線、實時有效的方法加以（yǐ）解決。結構健康監測技術正是適應上述要求（qiú），由美國軍方（fāng）首先提出並在複合材料（liào）結構中開展研究的。

結構健康監測雖然源於航空工業的需求（qiú），但是其應用領域並不局限於航空領域。橋梁、大壩、高層建築、體（tǐ）育（yù）場館等土木工（gōng）程結構（gòu）、船舶潛艇、汽車、高速列車、工程機械、發電設備、輸油（yóu）輸氣管線等，這些結構與（yǔ）設施（shī）的安全性問題同樣日（rì）益得到關注，因此結構健康監測日益成為工程界和學術界（jiè）研究的一個熱門（mén）課題。

結構健康監測技術借鑒（jiàn）了大量無損（sǔn）檢測技術的方法和進展，但兩者之間（jiān）還是有區別的，主要的不同點表現在以下幾方麵：

結構健康（kāng）監測是利用已同結構材料集成在一起的功能元件實（shí）現結構自身狀態的監測（cè），一旦（dàn）功能材料集成到結構後，這些功（gōng）能元件就被固定，隻能被用來監測自身（shēn）結構的安全。而無（wú）損檢測方法則采用外部設備元件，實現對結構（gòu）的（de）檢測，檢測的對象可多（duō）種多（duō）樣。

結構（gòu）健康監測主要強調（diào）“監測”的概念，而無（wú）損檢測則強調“檢測”的概念；監測的含義更（gèng）多（duō）地是指對結構（gòu）進行實時、在線的檢測，而非事後的（de）檢測；大多無損檢測（cè）技術無法對結構進行實時、在線檢測。

結構健康監測係統一般設備簡單，易於實現，可進行大範（fàn）圍的結構監測，而無損檢測係統一般設備複雜，檢測區域（yù）有限（xiàn），需（xū）要人工參與，而且要求校驗較多。

結構健（jiàn）康監測技術是一門新興技術，有待進一步發（fā）展，無損檢測技術相對比較成熟。

二、結（jié）構健康監（jiān）測的研究內容

結構健康監測利用（yòng）集成在結構中的先進傳（chuán）感/驅（qū）動元件（jiàn）網絡，在線實時（shí）地獲取與結構健康狀況相（xiàng）關的信息，結合先進的信號信息處理方法，提（tí）取特征參（cān）數，識（shí）別結構的狀態，實現（xiàn）結構健康自診斷，並能夠提供結構的（de）安全性評估，預測損傷結（jié）構的（de）剩餘壽命，以保（bǎo）證結構的安全和降低維修費用。目前，結構健康監測主要研究領域包含傳（chuán）感器技術、通訊技術、結構建模技術、損傷辨識技術、信息融合技術和係統集成技術（shù）等。

1. 傳感器技術
監測結構的健康狀況需要傳感器主動或被動地感受結構的變化，為了能夠更（gèng）好地感受這些不同形式（shì）的結構變化，如（rú）靜態的（de）、動態的、小變形、大變形等，也就需要具有不同性能（néng）的傳（chuán）感（gǎn）器。結構健康監測中（zhōng）常用的傳感器有電阻應變式傳感器、壓電傳感器、光纖傳感器等。

電阻應變式（shì）傳感器的主要優點是：
性能穩定，很容易（yì）研製成與結構材料（liào）相配的絲材，這種絲材僅受（shòu）應變影響，不受（shòu）溫（wēn）度的影響。
電阻應變絲埋入材料對原材料強度影（yǐng）響很小。
相配套的儀表很成熟，很容易和計算機及其它設備兼容。

但（dàn）是（shì）存在的問題有（yǒu）：
電阻應變絲的輸出信號小，易受（shòu）幹擾。
為了提高檢測靈敏度，需要研究最佳的布置方案。

壓電（diàn）傳感器（qì）的主要特（tè）點是：
既可（kě）以作（zuò）為驅動器，又可以（yǐ）作為（wéi）傳感器（qì）。
響應速度快，動態（tài）性能好（hǎo）。
尺寸可以做得很小和很薄，既適合於（yú）安裝在結（jié）構表麵，也可以埋入（rù）結（jié）構中。

但是壓電材料製成的傳感器也存在一些問題：
激勵應變小，一般僅300微（wēi）應變。
壓電陶（táo）瓷的極限應變小，最大不超過700微應（yīng）變。
壓電材料（liào）和結構母體材料融合方法有待研（yán）究，要求埋入（rù）材料結構中既不影響強度（dù），又不成為（wéi）材料的夾雜。

光纖傳感（gǎn）器具有（yǒu）電絕緣、耐腐蝕（shí）、能在強電（diàn）磁幹擾等條件（jiàn）下工作等優點，但（dàn）其成本較高，設備也比較複雜，應用範圍可以從民用結構到航空航天結構。

傳感器技術除（chú）了傳感器的研製（zhì），還涉（shè）及傳感器集（jí）成技術，如壓電智能夾（jiá）層即是采用柔性印刷線路（lù）工藝將壓電傳感器網絡設計製作成壓電（diàn）智（zhì）能夾層以有（yǒu）效地解決壓電監測係統中常用的（de）直接將壓（yā）電片粘貼在結構上所引起的膠層厚（hòu）度（dù）不（bú）均、電（diàn）絕緣問題（tí）、傳感性能分散、竄擾大（dà）的弊（bì）端（duān）。

智能夾層的主要優點在於：
采用改進的柔性印刷技術，可以（yǐ）有效地解決壓電片同複合材料集成過程中的電絕（jué）緣問（wèn）題、引線問題並（bìng）保證多個傳感器埋入工藝的（de）一致性；
可以被預先製造、測試（shì）、儲藏和合成到結構中，使用（yòng）方便；
作為一種柔性膜，可便於根據各種應用結構的形狀，在製作時把智能夾層製成各種形狀，還可以根據三維結構（gòu）的形狀做適當的剪裁。

2．通訊（xùn）技術
結構健康監測通訊技術包（bāo）括以電（diàn）纜或電線作為基礎傳輸介質組成的數據傳（chuán）輸係（xì）統和近年來廣泛發展的（de）無（wú）線傳感網絡（luò）。無線傳感技術是傳感（gǎn）技術的一個（gè）研（yán）究熱點，在結（jié）構健康（kāng）監測係統中具有廣闊的前（qián）景，得到了（le）國內外（wài）越來越多研究機構的關注和（hé）重視。

無線傳感網絡綜（zōng）合了微型（xíng）傳感器技術、通信技術（shù）、嵌入式計算機技術、分（fèn）布式信息處理以及集成電路技術，使它能夠協同（tóng）地實時監測、感知（zhī）和采集網絡分布區（qū）域內（nèi）的各種環境或監測對（duì）象的信息，並對這些信息進行處理和傳送。相對（duì）於傳統的數據傳輸係統，無線傳感網絡具有引線少、靈（líng）活性高、可（kě）靠性高、運用範圍廣等特點。

3．結構建模分析技術
結構建模分析技術是結構健康監測的重要組成部分。首先，通過對結構模型（xíng）進行力學分析，可以獲知整個（gè）結構的力學特性，指（zhǐ）導結構健（jiàn）康監（jiān）測（cè）中（zhōng）傳感器的優化布置；其次，通過對結構建模進行仿真，可（kě）以先驗地獲知結構健康監測方法的有效性，指導實驗方法的實施；另外，還可以對結構模（mó）型進行結構物理參數分析、模態分析（xī）等，再利用實（shí）驗測得的數據（jù）進行模型修正，通過比（bǐ）較修（xiū）正（zhèng）矩陣與（yǔ）健康狀態下的相應矩陣來提供結構損傷（shāng）指標，判斷損傷產生的位置及損傷程（chéng）度。

4．損傷辨識技術
結構健康（kāng）監測的首要任務就是辨識損傷。損傷辨（biàn）識技術首先需（xū）要從傳感器接收到的信號中提取特（tè）征量，再采取相應的方（fāng）法，判（pàn）別出（chū）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、時間、頻率組分等，其中幅值可（kě）以是原始信號的幅值，也（yě）可以是特定頻率成分信號的幅值或是其它，時間信（xìn）息也是如此。從原始信號（hào）中提取出這些信息後（hòu）要進行處理，通常涉及到的信號（hào）處理方法有：濾波去噪、頻譜分析、小（xiǎo）波變換、黃氏變換等（děng）。相（xiàng）應（yīng）的損傷辨識方法則有基於時間延遲的方法、基於頻率組分的模態（tài）參數分析法、神（shén）經網（wǎng）絡辨識（shí）法等。

5．信息融合技術
結構健康監測技（jì）術（shù）的發展是為了實（shí）用化，而實際（jì）工程的結構是多樣（yàng）化的，大部分是相當複雜的。麵對複雜結構而布置的傳（chuán）感器網絡，獲得的傳感器信息（xī）也是巨大的，因（yīn）此，如何正確處理這些海量的數據是非常重要的。信（xìn）息融合技（jì）術是協同利用（yòng）多源信（xìn）息，以獲得對同一事物或目標的更客（kè）觀、更本（běn）質認識的信息綜合處理技術。這裏的融（róng）合是指采集並集成各種信息源、多媒體和多格式信息，從而（ér）生成完整、準確、及（jí）時和有效的綜合信息。它比直（zhí）接從各信息源得到的信息更簡潔、更少冗（rǒng）餘、更有用途。

融合的（de）概（gài）念始於20世紀70年代初期,當（dāng）時稱為多傳感（gǎn）器或多（duō）源（yuán）相關、多源合成、多傳感器混合（hé）和數據融合（hé）。80年代以來,信息融合技術（shù）得到迅速發展，現在多稱之為數據融合或信息融合。根據信（xìn）息和數據的含（hán）義，用信息融合比較（jiào）合適，因為更有（yǒu）概括性。信息（xī）融合的基本功能是相關、估計和識別。它涉及多方麵（miàn）理論和技術，如（rú）信號處理、估計理論、不確（què）定性理論、模式識別、最優化技術、神經網絡（luò）和人工智能等。

6．係統集成技術
結構健康監測技術起源於航空領域，而航空（kōng）結構的特殊要求使得結構健康監測係（xì）統必須（xū）具（jù）備體積小、重量輕、功能強大等特點，因此，要將結（jié）構健康監測係統應用於這些工程結構（gòu）中，係統（tǒng）集成技術的（de）研究是必不可少（shǎo）的環節。係（xì）統集成包括軟件係統和硬件係統兩（liǎng）個方（fāng）麵的（de）集成。軟件係統集成就要（yào）求軟（ruǎn）件係統同時具備信號采（cǎi）集、信號顯示、數據存儲、信號處理、界麵顯示等強大功能，並且（qiě）結構要簡單、代碼效率要高、運行速（sù）度要快。硬件係統的集成要求各（gè）硬（yìng）件之間（jiān）運作協調、整個硬件係統穩定性要高、體積要小、重（chóng）量要輕，便於機載。

三、結（jié）構健康監測的主要方法

理想的結構健（jiàn）康監測方法應該能準確地在損傷發生（shēng）的初（chū）期，發現損傷並能夠定位及確（què）定損傷的程度，進而提供結（jié）構（gòu）的安全性評估，並能預測損（sǔn）傷結構的剩餘（yú）壽命。相應的結構監（jiān）測通（tōng）常（cháng）分為如下幾個步驟：

診斷，明確結構（gòu）中是否有（yǒu）損（sǔn）傷。
定位，確定結構中損傷出現（xiàn）的（de）位置。
評估，評估損（sǔn）傷（shāng）的程（chéng）度（dù）。
預測，預測結構（gòu）的安全（quán）性，如（rú）安全壽命（mìng）。

結構健（jiàn）康監測的方法有很多，如：頻率（lǜ）變化法、模態變化法、模態曲率及應變模態變化法、動態彈性測（cè）量方法、矩陣修正法、非（fēi）線性法、基於（yú）神經（jīng）網絡的監測方法等。

結構健康監測的方法從技術角度劃分，可以分為基於振動的損傷監測方法（fǎ）和基於信號的損（sǔn）傷（shāng）監測方法。前（qián）者利用振動、壓力、聲發射、超聲波等信號，提取信號（hào）的某種特征進行損傷辨識結構的物理、模態參（cān）數或是建立非參數模型進行損傷辨識。後者利用結構（gòu）的物（wù）理、模態參數或是建立非參數模型進行（háng）損傷辨識。

1. 基於振動的損傷（shāng）監測方法。從結構的參數識別（bié）角度上，這類方法又可以分為結構物理參數分析技術、模態分析技（jì）術和非物理模型法。

結構物理（lǐ）參數分析（xī）技術（shù）是（shì）基於調（diào）整結構模型矩陣（如質量（liàng）、剛度、阻尼），使其產生與實測的靜態（tài）、動態（tài）響應非常接近的數據。因此，在結構參數識別技術中（zhōng）最常用到結構模型（xíng）是有限（xiàn）元模（mó）型。

有限（xiàn）元模型通過單元（yuán）的應力（lì）應變關係來反映結構的連接性、特征，結構參數識別技術需要經常修正矩陣，它通過由結構的運動方程、健康狀（zhuàng）態下的名（míng）義模型及實測數據而形成（chéng）的一個約束優化問題的求解來（lái）滿（mǎn）足要求。通過比（bǐ）較修正矩陣與健康狀態下的相應矩陣來提（tí）供結構損傷指標，判斷損傷產（chǎn）生的位置及損傷程度。

模態分析技術是對結構動態特性的解析分析和試驗分析，其結構動態特（tè）性用模態參數來表征。結構損（sǔn）傷將導致結構的動態特性（如固有頻率、固有振型、和模態阻（zǔ）尼等（děng））發生（shēng）變化，由固（gù）有頻率和固有（yǒu）振型可以推出（chū）結構的（de）質量矩（jǔ）陣和剛（gāng）度矩陣，於是（shì）可以根據未損（sǔn）傷結構和（hé）損傷結構的質量矩陣和剛度矩陣來確（què）定損傷位置和程度。

在數學上，模態參數是力學係統（tǒng）運動微分方程的特征值和特征矢量，而在試驗方（fāng）麵則（zé）是試驗測得的係（xì）統之極（jí）點(固有頻率和（hé）阻尼（ní）)和振型(模態向量)。模態分析有兩種求解方式：有限元法和試驗模（mó）態分析法。結構的固有頻率和固有振型可以通過試驗直接測得或由有限元模（mó）型計算得到，模態阻尼（ní）主要由（yóu）試驗（yàn）直接測得。

有限元模型與（yǔ）實際結構之間的差異，這可能造（zào）成模型的誤差而產生（shēng）的偏（piān）差與損（sǔn）傷產（chǎn）生（shēng）的效果相當（dāng），於（yú）是很難識別損傷。除了模型和實際結構的差異外，基於模態分（fèn）析的方法還將受到傳感器獲（huò）取（qǔ）數（shù）據的非完整性（xìng）以（yǐ）及測量信號中噪聲的影響。這些都可能使該方法在（zài）探測損傷時失（shī）效。

非物理模型法主要是根據結（jié）構頻響函數或傳遞函數、脈衝（chōng）響應函數，反映振動係統的特性。結構出現損傷時（shí），結構的（de）頻響函數和脈衝（chōng）響應函數（shù）則會發生相應的變化，根據這些變化，就可以辨識出一些損傷。

2. 基於信號的損傷監測方法。它不需要識別（bié）結構的動力學（xué）參數，而（ér）是通過對比所檢測結構與無損傷結構的響應信（xìn）號或信號的某種特征參數來識別損傷。

通常是針（zhēn）對結構局部構件的檢測。一般來（lái）說，直接（jiē）測試（shì）得到的（de）動態響應信號要經過處理才能提取出其特征參數，在基於試（shì）驗信號處理的損傷檢測方法中，用於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信息（xī）和追求足夠高的信（xìn）號損傷敏感度。

總的來說，該方法可分為兩（liǎng）種：一種是在時間域上進（jìn）行結構響應信號（hào）的分析；一種是求得信號的某些非時域特征值（zhí），如信（xìn）號峰值、能量（liàng）積分，然後再比較這些值來識別結構的損傷。

從信號的來源劃（huá）分，結構健（jiàn）康監測的方法又可以分為主動監測和被動監測。主動監測采用驅動器對結構（gòu）主動施加激（jī）勵（lì）信號，使（shǐ）用傳（chuán）感器接收結構的響（xiǎng）應信號，通過監測結構在主（zhǔ）動（dòng）激勵下（xià）的結構響（xiǎng）應信號實現結構健康（kāng）監測。被（bèi）動監測則通過傳（chuán）感（gǎn）器監測結構（gòu）的響應，感知外界的溫度（dù）、機（jī）械、電學或化學變化（huà）。

主動監測和被動監測主（zhǔ）要區別在（zài）於監測係統中有沒有對結構進（jìn）行主動激勵，傳感器是被動還是主動地接收結構響應信（xìn）號。被動監（jiān）測需要使傳感元件始終處於被動接收狀態（tài），隻有結構（gòu）狀態發生變化，產生相（xiàng）應的物理變化（huà）量時，傳感元件（jiàn）才起作用。

目前聲發射是一種典型的被動監測方（fāng）法（fǎ）。主動監測可以在任（rèn）意（yì）時（shí）刻對結構進（jìn）行在（zài）線監測，不需要始終保持監（jiān）測狀態，有效節省資源，降低成本，同時對環境噪聲和幹擾具有抑製（zhì）能（néng）力。基於主動Lamb波的（de）監測技術就是一種典型的、目前也是較為熱門的主動監測方法。

四、結構健康監測的研究進展

結構健康監測產生的原因也就決（jué）定了它的發（fā）展，結構健康（kāng）監測技術的誕生是信息科學（xué）與工程及材料科學相互（hù）滲透與（yǔ）融合的結果（guǒ），已在一些（xiē）重要工程結（jié）構健康監測與控製方麵展現（xiàn）了良好的應用前景。

20世（shì）紀90年代以來，隨著火星（xīng）無人探（tàn）測計劃、國際空間站計劃、大跨度（dù）橋梁等大型（xíng）工程項目的（de）實施，複雜結構體係的（de）健康監測問題迅速成為（wéi）國際學術（shù）界（jiè）和工（gōng）程界關注（zhù）的熱點。它的研究引起了美、英、法、日等發達國（guó）家的極（jí）大重視，已被列為優（yōu）先發展的研究領域和優（yōu）先培（péi）育的21世紀高新技術產業之一。

在航空航天領域，美國航天局(NASA)的Sarsvanos等人從理論上及實驗上證實了利用Lamb波（bō）檢測複合材料梁結構的分層損傷的有效性（xìng）。1999年有文獻報道，美國洛克希德-馬丁（dīng）公司針對F22的（de）機翼盒段連接件的膠合失效和隨機振動狀態下的疲勞失效進行了有限元分析和計算（suàn）機仿真。2001年（nián）還（hái）有文獻報道，該公司又將Bragg光柵光纖傳感網（wǎng）絡用於X-33箱體結構件（jiàn）的應力和溫度的準分布監測。同時美國波音公司在對研發中（zhōng）的787型客運飛機運用智能化的結構健（jiàn）康監測（cè）係統（tǒng），以（yǐ）做到自（zì）檢測和自動安（ān）全預警。美國諾斯羅普-格魯門公司在地麵實驗中利用壓電（diàn）傳感器及光纖傳感器監測具有隔段的F-18機翼結構的損傷及應變（biàn）。

英國國防與評（píng）估（gū）研究機構的Percival和Birt研究了利用兩（liǎng）種基本的Lamb波傳播模式檢測材料損傷。2000年有文獻報道，英國宇航局負責（zé）設計研製了相應的結構健康係統應用於Eurofight，布置了基於多點應變片的飛行載荷監測係統，監測了飛機在飛行時的飛行載荷。2004年有文獻報道，英國Sheffield大（dà）學針對碳纖維盒段，采用16點（diǎn）應變片及6點光柵，通過監（jiān）測結構應變響應，監測結構的低（dī）速衝擊（jī）載（zǎi）荷。同年還有文獻報道，法（fǎ）國瓦（wǎ）朗謝（xiè）訥大學針（zhēn）對（duì）某機翼單格盒段(上下壁板為碳纖維複合材料板)分別采用主動Lamb波監測和被（bèi）動聲發射監測（cè）技術，驗證其健康監測係統（tǒng）監測真實盒段構件（jiàn）的衝擊損傷和脫粘現（xiàn）象的能力。

我國自20世紀（jì）90年代中期開始在“863”航天高科技計劃中投入了一定的資金用於支持大型複雜結構體係健康自我診斷問題的探索（suǒ）性研究（jiū）。南京航空航天大學、重慶大學、華中（zhōng）理工大學、哈（hā）爾濱工業大學等（děng）單位在結（jié）構健康監測的研究中也取得了許多成果，如自適應複（fù）合材（cái）料、光纖智能結構的自診斷、自修複，利用聲發射技術和（hé）小波分析、神經網絡對（duì）損傷進行（háng）定位等。其中，南京（jīng）航空航天大學智能材料與結構研究（jiū）所（suǒ）在利用壓電元件及小波分析探索飛機表麵結冰的出現及程度研究、應用小（xiǎo）波分析及主動監（jiān）測技術對複合材料實行監測技術的研究、應用神經（jīng）網絡在複合材料主動監測技術中等各方（fāng）麵取得了若幹研究成果。

在土木工程領域，美國自20世紀80年代中後期就開始在多座橋（qiáo）梁上布設傳感器，監測環境荷（hé）載、結構振動和局部（bù）應力狀態，用以驗證設計假定、監視施工質（zhì）量（liàng）和實時評定服役安全狀態。1989年，美國Brown大學的Mendez等人首先提出把（bǎ）光纖傳感器用於混凝土結構（gòu）的健康檢測。

以後，結構健康監測技術（shù）在土木工程結構中的應（yīng）用研究就成（chéng）為一個研究的熱點。應用的（de）對象（xiàng）包括橋梁、水壩、高層建築、公路等等。美國僅在1995年（nián），就投資1.44億美元，在（zài）90座大壩配備了安全監測設備。香港青馬大橋安裝了500個加速度傳（chuán）感器、粘貼了大量的應變片和一套GPS係統，用以長期監測橋梁的服役安全性。加拿大Roctest公司研製的基於Fabry-Perot白光幹涉原理（lǐ）的一係列產品，可以對（duì）結（jié）構表麵及內部應變﹙應力﹚、溫度、位移、裂縫（féng）、孔隙壓力等狀況進行監測。

另外，英國實施了海上平台（tái）智能結構係統的研究計劃，針對航海（hǎi）目標、研（yán）究以（yǐ）全光（guāng）纖傳感為核心的複合材料海上平台係統，以（yǐ）探索在惡劣的海洋環（huán）境下海上平台（tái）的健康監測試驗等綜合技術；英國石油機構聲稱，由於采用結構健康監測係統，他（tā）們的海上石油平台得到了很好的經濟效應，平均每一個（gè）海上石油平台可以節（jiē）省五（wǔ）千萬英鎊左右。2000年Solomon等人對高180米（mǐ），重21000噸，可以支撐30000噸重量的海上平台（tái）結構進行相關研究（jiū），發現來自海浪的動（dòng）態載荷相當明顯，可以用來測量海浪的影響和結構的響應（yīng），包括撓度和加速度。該係統已經順利運行了六年，並且結構保存完好。

我國不少大型橋梁已研製或正在安裝結構健康監（jiān）測係統，如江蘇的蘇通大橋、江陰大橋等。哈爾濱工業大學也在863項目（mù）的資助下，對海洋鑽（zuàn）井（jǐng）平台的（de）結構健康監測（cè）係統進行了係統研究。

五、裂紋監測的國內外研究現狀

目前在國外的裂（liè）紋監測研究領域中，S.Grondel等人在2001年研究了（le）使（shǐ）用基於Lamb波的監測係統（tǒng）對鋁質鉚釘連接處疲勞裂（liè）紋損傷進行監測的可行性，以期（qī）降低損傷監測的費用和時間。在（zài）研究中，他們對壓電傳感信號進行了Hilbert變換和時頻分析；而且在疲勞實驗中也使用了聲發射係統對裂紋擴展過程中的聲發射情況作了研究。他們的研究結果表明, 可（kě）同時運用聲發射技術和Lamb波技術進行裂紋監測並具有較好（hǎo）的一致性。

2002年，E.L.Clezio等人（rén）研究了第一個對稱波包（bāo）模式S0與鋁板中裂紋（wén）的相互（hù）作（zuò）用。他們分別使用有限元分（fèn）析和模式（shì）分解兩種方法對裂紋引起的S0模式衍射情況進行仿真，其結果與實驗（yàn）數據（jù）進行了對比。

2003年，Fu-Kuo Chang研究了一種基於壓電的嵌入式診斷技術對（duì）金屬板中疲勞裂紋擴展（zhǎn）進行了（le）監測（cè）。該技（jì）術主要由安置於結構內部的（de）壓（yā）電激勵元件激發出診（zhěn）斷信號，然（rán）後運用該信號來檢（jiǎn）測裂紋擴（kuò）展。該技（jì）術主要包括（kuò）三個部分：診斷信號的產生，信號處理以（yǐ）及損傷評估。

在診斷信號產生部分，他選擇合適（shì）的Lamb波使傳感（gǎn）信號達到最佳。
在信號處理過（guò）程中，發展了一種可（kě）用於損傷檢測的Lamb波單模式提取方法，並能提（tí）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，該參數能反應傳感信號和裂紋擴展長度之間的關係。

為了（le）驗證上述技術，該研究者設計了相應的疲勞實驗（yàn）。實（shí）驗結果表明從傳（chuán）感信號中得到的損傷參數與實際疲勞裂紋擴展（zhǎn）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測靈（líng）敏度之間的關係有所研究，但是（shì）還不夠深入（rù），而且沒有涉及（jí）診斷信號的中心頻率對監測結果的影響。

2005年，P.S.Tua等人在實驗研（yán）究中給一（yī）個鋁管（guǎn）兩邊各貼上兩個直徑為5mm，厚為（wéi）0.5mm的圓形壓電片（piàn）作為Lamb波激勵與傳感器（qì），然後他們根據Lamb波（bō）的傳播時間（jiān）(TOF)和振幅變化來檢測和定位（wèi）裂（liè）紋，為了使實驗條件（jiàn）接近實際（jì）情況，他們把鋁管埋（mái）入沙子中，隻有激勵與傳感器部分裸露在空氣中，實驗結（jié）果證明了該方法檢測深埋結構中裂紋的可行性。

此外，美國學者Victor Giurgiutiu對該（gāi）領域也作出了很大貢獻，在1998年他把機電阻抗技術用於裂紋監測中，取得了一定進展，在2005年他同時采用機電阻抗和主動Lamb波兩種技（jì）術對（duì）鋁合金試件（jiàn）中的裂紋擴展（zhǎn）進行了研（yán）究，在相關研究中他通過試件上安（ān）置的壓電片主動傳感器(PWAS)在（zài）裂紋（wén）擴展每（měi）個階段實現相應的（de）機（jī）電（diàn）阻抗和Lamb波（bō）實驗。其機電阻抗信號的頻率範（fàn）圍為100-500KHz，試件中傳播的Lamb波信（xìn）號為一個頻率為417KHz具有3個周（zhōu）期的正弦調（diào）製脈（mò）衝，經數據分（fèn）析發現機電阻抗和Lamb波信號都隨著裂紋擴（kuò）展發生（shēng）變化。從這兩種信號中得到的損傷參數都隨著裂紋損傷的增大而遞增（zēng）。研究結果表明運用PWAS並結合（hé）機電阻抗（kàng）和Lamb波監測技術在裂紋監測方麵具有一定的潛力。在2006年，他（tā）把相控陣與主動Lamb波技術結合起（qǐ）來成功實現了鋁（lǚ）板中的裂紋監（jiān）測（cè），並用（yòng）不同形式的相控陣解決了掃查角度受限（xiàn）問題。

在國內，大部分學者在相關領域中主要采用無（wú）損檢測（cè）技術，如海軍（jun1）航空工程（chéng）學（xué）院的張鳳林等人在2000年把聲發射技（jì）術應用（yòng）於航空領域中，研究了型號為PTAE-4A的機載聲發射監（jiān）測係統並做了隨機機載（zǎi）應用研究。2003年，清華大（dà）學的李光海博士采用聲發射（shè）技術監測高頻疲勞條件下金屬材料的裂紋擴展，研究結果（guǒ）表明聲發射參數變化能夠有效地反映材（cái）料疲勞（láo）裂紋擴展過程，並能更早地發現試樣內部微小裂紋的變化。但是（shì）關於裂紋監測方（fāng）麵的研究文獻較少。這是由（yóu）於（yú）一方麵相關的裂（liè）紋監測方法還沒有完（wán）善，另一方麵對於裂紋這一類較小損傷的監測（cè）難度高。