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感測器/MEMS  

新型無線感測器網路填補安全漏洞

上網時間: 2007年10月10日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:SHM  CVM  感測器 

在美國國內的各個國家實驗室中,工程師們正致力於使嵌入式感測器網路發展得更完善,使其能在某些具關鍵性的結構發生故之前,儘早通知維修人員進行檢測,以避免可能導致重大災難的問題發生;如不久前在美國明尼亞波利市所發生的州際高速公路(I-35W)大橋坍塌事故。

對於橋樑、建築物和飛機等安全至關重要的結構而言,‘結構健康監測系統’(SHM)是一種以感測器為基礎的主動防禦型途徑,它能夠彌補目前使用視覺檢查和後續測試的監測系統之不足。然而,目前這種SHM感測器系統卻還未能在美國進行部署,同時,由於該系統推出的時間不長,因而尚未能包括在現有的安全法規之中。

目前,包括美國加州的Material Technologies等公司們均已有能力在需要時完成現場結構測試,但由於它並不是連續性地進行監測,因此這些測試對於災難的預防能力是相當有限的。而在另一方面,一旦部署了該基於感測器的SHM系統,理論上它都能夠隨時維護結構的安全。

“結構健康監測系統的時代已經到來,”美國Sandia國家實驗室SHM可行性研究小組負責人Dennis Roach說。“嵌入式感測器可以進行連續檢測與警示,這是一般週期性的檢查所做不到的。採用SHM系統是一種可檢測到缺陷形成初期的可靠且低成本途徑。”

除了橋樑、建築物和飛機以外,SHM系統也可用於監測太空船、武器、軌道車、石油回收設備、管線、裝甲車、船艦、風力渦輪發電機、核能發電廠,甚至氫燃料汽車燃料箱的結構健康狀態。目前,只有亞洲地區已經常態性地使用SHM系統了,該地區的一些國家與政府組織導入該感測器網路以監測當地的地震活動。

“我們所能做的是把感測器網路安置於橋樑、建築物和飛機中,特別是在其建設過程中即先行將感測器置於其結構內部,”畢業於史丹佛大學電子工程學系的Jerome Lynch說,他現在已經是密西根大學的教授。“世界上最具儀控化的橋樑是跨香港灣上的青馬大橋,而在中國也至少有六座正建設中的橋樑將從一開始就嵌入了感測器陣列。但在美國卻還沒有人這樣做。”

圖說:美國各主要實驗室正致力於開發即時遠端監測系統,以避免重蹈I-35W州際高速公路橋樑坍塌的悲劇。
圖說:美國各主要實驗室正致力於開發即時遠端監測系統,以避免重蹈I-35W州際高速公路橋樑坍塌的悲劇。

需要付出多大代價?

目前美國對於橋樑的檢查幾乎完全依賴於視覺:只有當肉眼看到腐蝕或裂紋時,才會使用渦流、超音波或滲透性的染料作進一步的測試。在I-35W大橋坍塌悲劇的警示下,美國的一些實驗室建議使用無線節點把結構性健康資訊連續地傳送至維修單位。相較於使用肉眼而言,感測器能夠檢測到更微小的裂紋,我們可以利用感測器所提供的資料,在裂紋還很微小時就進行修復。

密西根大學已經開發出一種‘奈米管塗料’,它能夠把任何表面轉變成可在二維平面上描繪細微缺陷的感測器貼片。另外,Los Alamos國家實驗室目前正透過一種新穎的遙控直升機檢查系統,並使用像貼片一樣可‘發出脈衝和監聽回聲’的壓電變換器來檢測缺陷。Sandia國家實驗室表示,由於‘比較型真空監視器’(CVM)僅需花費每感測器貼片一美元的成本,即可感測出分子般大小的裂縫,即使是難以觸及的裂縫;因此,這種CVM將可為建築物和橋樑帶來更大的好處。

圖說:美國密西根大學開發出一種無線發射器節點,可連結到基於碳奈米管的噴塗式感測薄層(圖左裂縫處)。該成像技術(圖右)可辨識出結構性缺陷的位置。
圖說:美國密西根大學開發出一種無線發射器節點,可連結到基於碳奈米管的噴塗式感測薄層(圖左裂縫處)。該成像技術(圖右)可辨識出結構性缺陷的位置。

密西根大學的解決方案是一種噴塗式的感測‘薄層’。曾經為美國中情局(CIA)設計阻爆結構並在南韓利川金塘大橋(Geumdang)上建置無線SHM系統的Lynch聲稱,奈米管塗料可以把任何表面轉變成反映其內部健康狀態的二維成像器。Lynch說,噴塗塗料和安裝無線傳送器是實現遠端橋樑監控的一種低成本途徑,可用以作為針對所有新建工程或改造現有設備而佈署的標準設備。

這種方法的成本可維持較低,因為只要把監視感測器放在噴塗區域的週邊就可以了。這種方法可以取得在薄層表面任何位置的影像,包括表現出較具高阻抗的被腐蝕和有裂縫區域。Lynch說,透過調整所使用的奈米管密度和類型,該技術能夠滿足不同應用的要求。同時,密西根大學現正尋求該技術的商用化合作夥伴。

此外,根據美國Los Alamos國家實驗室報導,壓電感測器方案的建置成本約為每節點1美元。

在致動器模式下,壓電貼片將發射出一種超音波脈衝。然後,該系統將迅速切換到感測器模式,使用相同的壓電元件(把脈衝在橋樑上所引起的振動轉換成電訊號)來記錄和分析結構對該脈衝的反射。透過使用圖形辨識軟體對這個脈衝反射進行分析,可以使電腦感測到橋樑的結構的變化。

“我們的系統有點像主動式聲納,”Los Alamos國家實驗室工程師Chuck Farrar與加州大學聖地牙哥分校的團隊們一起進行了這項研究。“我們採用頻率在50到250 kHz之間的高效能彈性波作為激發該結構的訊號。然後,我們再把所聽到的回應與上次偵測的結果相互比較。”

美國新墨西哥州南部的一座大橋便是第一座安裝該壓電感測器和致動器的橋樑。這種無線感測器節點因不使用電源而使得成本大幅降低;相對地,這些感測器是透過“由小型遙控直升機所發出的微波束而提供能量。這種微波束向感測器電路板上的一個電容器充電,使得它有足夠的能量來取得讀數,並以無線方式把結果發送回直升機,結果再由單板電腦記錄下來,”Lynch說。

Sandia實驗室方面正在開發一種‘比較型真空監視器’(CVM)的超低成本但靈敏度超高的感測器。CVM感測器包含一種可黏接到被監測結構上的溝紋帶,在空氣被泵出帶上的溝槽之後,這種帶子變成一種非常敏感的監視設備。即使在所依附表面上出現分子級的裂縫,其真空狀態也會被破壞。這種自黏接型薄膠貼片約為硬幣到信用卡的大小範圍之間,每一只的成本約一美元;而且,可以用一條真空線來監視任意多個CVM。

“一旦出現裂縫時便會破壞真空密封,因而可以被檢測到,”Roach說。“這是第一種可以監測疲勞且非常便宜的現場感測器,因而可以將其嵌入於結構中並留在原處,以實現連續監測。”

Structural Monitoring Systems公司製造的一款CVM感測器從幾年前開始就已經用以作為技術測試,應用在一些商業航線上。美國波音公司(Boeing)最近已證實這種方法的有效性。

Sandia實驗室也正試驗一種基於強化型複合材料的橋樑修復系統。該公司最近採用一種新型複合材料修復了新墨西哥州一座橋樑上的一個疲勞裂縫,並安裝了一種內建無線感測器的渦流監測感測器,可以對維修後的結構健康狀況進行遠端監測。

圖說:Sandia國家實驗的Roach手持一款CVM感測器。透過蝕刻出的帶狀溝紋在真空狀態被破壞後,便會顯現出細微的裂縫。
圖說:Sandia國家實驗的Roach手持一款CVM感測器。透過蝕刻出的帶狀溝紋在真空狀態被破壞後,便會顯現出細微的裂縫。

作者:羅克鈴




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