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利用光纤、加速度传感器传感器打造桥梁监控系统

光纤传感器虽然具有可靠性高和精度高的特点,但因为是有线状态,铺设的人工和成本是一个问题。因此,“能够与无线结合,简单完成设置的传感器节点最近成了咨询的热门”。

已将光纤投入商业化运营的NTT数据为了实现新一代系统,也在推进无线化。该公司首先试制出了3轴加速度传感器与无线通信相结合的系统,目前正在对其进行验证实验。“如果以在现有建筑物上安装传感器为前提,那么,无线模块在成本和工期等很多方面都具有优势”(NTT数据区域商业业务本部电子社区业务部国土安全担当部长林伦章)。

利用光纤提供桥梁监控系统的NTT数据正在使用可以无线连接的加速度传感器开发监控系统。在验证实验中,NTT数据分别在桥梁上安装无线型加速度传感器和光纤传感器,对二者进行了对比。获得的数据显示,“判断桥梁状态需要的固有频率的检测结果基本一致”,这表明无线型加速度传感器可以替代光纤传感器。

不只是NTT数据,很多企业也都在致力于加速度传感器的利用。这是因为加速度传感器能够得到健康监控和本地监控等业务所需要的主要数据。

加速度传感器无需为社会基础设施监控专门开发,采用其他用途使用的通用产品即可。罗姆目前正与清华大学合作,在江苏省无锡市的桥梁上开展验证实验,实验使用的是该公司的全资子公司——美国Kionix的智能手机用3轴加速度传感器。二者通过在桥梁上配置26个加速度传感器,构筑起了无线传感器网络,“准确收集到了桥梁的振动频率等数据”。

罗姆正在与中国的清华大学合作,在江苏省无锡市的桥梁上对无线传感器网络开展验证实验。安装26个加速度传感器检测振动。

(注1)这种基于无线传感器网络的基础设施监控系统目前在欧洲也在开展验证实验,其中还融合了能量采集技术。例如,2010年4月~2013年3月实施的“GENESI(greensensornetworkforstructuralmonitoring)”在正在建设的桥梁和地铁设施上,使用通过光、振动、温差发电的元件来驱动传感器。GENESI工作人员推测说,欧洲基础设施的维护管理和更新的成本高达“至少1万亿欧元”,基于无线传感器网络的监控市场预计“将达数百亿欧元”。

村田制作所正在考虑把已经得到车载市场上的防侧滑(ESC)功能,以及飞机、建机、铁路等领域采用的加速度传感器应用到社会基础设施上。

除了加速度传感器之外,图像处理相关的研究也在进展之中。产综研生产测量技术研究中心利用在力学刺激下发光的“应力发光体”,开发出了令肉眼看不到的混凝土应变和裂缝可视化的监控系统。该系统的作用是呈现裂缝的形状分布和裂缝的进展程度,可以应用于桥梁等建筑的保养检查和维护管理。

日本产业技术综合研究所开发出受力发光的应力发光体,准备将其应用于构造物的监控。能够发现目测看不到的裂缝。

应力发光体是把力学能量转换成光能的物质。是含有粉末状陶瓷微粒的涂料。当涂抹在混凝土构造物的表面后,应力集中部位的微粒将会发光。产综研开发的系统是由应力发光体、监控发光强度分布的摄像头、根据发光强度诊断构造物的数据库,以及整合以上元素的网络系统等组成。

通过在落成约50年的桥梁的主梁上涂抹应力发光体,监控系统的有用性和有效性已经得到了证实。应力发光图像成功呈现出了目测难以发现的微小裂缝和混凝土内部的应变。目前,日本产综研正在与大型建筑公司鹿岛建设合作,在山岳地带的隧道内对应力发光体的应用开展验证实验。产综研领导应力发光体研究的徐超男(该中心应力发光技术组组长)在介绍成果时表示,“隧道现场目测检查的精度得到了提升”。

至于今后的课题,徐超男认为是如何建立评价方法,这是因为“发光强度和裂缝的大小与建筑物致命性损伤的关系很难定量判断。每栋建筑物使用的零部件和架构各异,汇总评价方法并非易事。为此,产综研徐超男表示正“准备与知识丰富的土木及建筑类企业和研究机构合作推动实用化”。