結構健康監測技術是一門涉及材料、測控、力學、機械、信息通信等多個學科的前沿研究領域，它同傳統的無損檢測技術相比具有能夠實時、在線監測的優點，而且所用設備一般比較簡單，易于進行大范圍的結構監測。

    裂紋是結構中典型的損傷類型之一。在一些諸如金屬橋梁、飛行器、核反應堆等重要結構中，由于初始結構缺陷的存在和結構所處環境中各種因素的影響，使它們在設計壽命服役期內或超期服役期間不可避免地產生了裂紋，如果不能及時準確地監測出這些裂紋的萌生及其擴展情況，可能會導致重大事故的發生。特別是，結構中許多局部損傷的初始狀態都是以微裂紋形式表現出來的，監測出這些裂紋的產生及其擴展情況對于提高結構安全至關重要。所以，裂紋監測已成為結構健康監測領域中研究的熱點和難點。

    這里在以下幾個方面對疲勞裂紋監測技術研究，特別是在航空領域的進展狀況，做一個簡要的介紹。

     在航空領域，隨著航空科學技術的飛速發展，飛機結構設計思想不斷更新，輕質、高可靠性、高機動性、高維護性、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代軍用飛機結構設計的一項極為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期和不定期檢測維護兩種。傳統無損檢測非常耗時，同時在無損檢測手段中，還不具備實時在線大面積監測的功能，且大多數設備復雜，成本高，對一些性能比較復雜的材料結構，如復合材料結構，一些小的損傷還不能很好地檢測到。這都迫切需要發展一種在線、實時有效的方法加以解決。結構健康監測技術正是適應上述要求，由美國軍方首先提出并在復合材料結構中開展研究的。

     結構健康監測雖然源于航空工業的需求，但是其應用領域并不局限于航空領域。橋梁、大壩、高層建筑、體育場館等土木工程結構、船舶潛艇、汽車、高速列車、工程機械、發電設備、輸油輸氣管線等，這些結構與設施的安全性問題同樣日益得到關注，因此結構健康監測日益成為工程界和學術界研究的一個熱門課題。

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

    1、結構健康監測是利用已同結構材料集成在一起的功能元件實現結構自身狀態的監測，一旦功能材料集成到結構后，這些功能元件就被固定，只能被用來監測自身結構的安全。而無損檢測方法則采用外部設備元件，實現對結構的檢測，檢測的對象可多種多樣。

     2、結構健康監測主要強調“監測”的概念，而無損檢測則強調“檢測”的概念；監測的含義更多地是指對結構進行實時、在線的檢測，而非事后的檢測；大多無損檢測技術無法對結構進行實時、在線檢測。

     3、結構健康監測系統一般設備簡單，易于實現，可進行大范圍的結構監測，而無損檢測系統一般設備復雜，檢測區域有限，需要人工參與，而且要求校驗較多。

     4、結構健康監測技術是一門新興技術，有待進一步發展，無損檢測技術相對比較成熟。

     結構健康監測利用集成在結構中的先進傳感/驅動元件網絡，在線實時地獲取與結構健康狀況相關的信息，結合先進的信號信息處理方法，提取特征參數，識別結構的狀態，實現結構健康自診斷，并能夠提供結構的安全性評估，預測損傷結構的剩余壽命，以保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、信息融合技術和系統集成技術等。

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，為了能夠更好地感受這些不同形式的結構變化，如靜態的、動態的、小變形、大變形等，也就需要具有不同性能的傳感器。結構健康監測中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。

     電阻應變式傳感器的主要優點是：

• 性能穩定，很容易研制成與結構材料相配的絲材，這種絲材僅受應變影響，不受溫度的影響。

• 電阻應變絲埋入材料對原材料強度影響很小。

• 相配套的儀表很成熟，很容易和計算機及其它設備兼容。

     但是存在的問題有：

• 電阻應變絲的輸出信號小，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是：

• 既可以作為驅動器，又可以作為傳感器。

• 響應速度快，動態性能好。

• 尺寸可以做得很小和很薄，既適合于安裝在結構表面，也可以埋入結構中。

     但是壓電材料制成的傳感器也存在一些問題：

• 激勵應變小，一般僅300微應變。

• 壓電陶瓷的極限應變小，最大不超過700微應變。

• 壓電材料和結構母體材料融合方法有待研究，要求埋入材料結構中既不影響強度，又不成為材料的夾雜。

     光纖傳感器具有電絕緣、耐腐蝕、能在強電磁干擾等條件下工作等優點，但其成本較高，設備也比較復雜，應用范圍可以從民用結構到航空航天結構。

      傳感器技術除了傳感器的研制，還涉及傳感器集成技術，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絡設計制作成壓電智能夾層以有效地解決壓電監測系統中常用的直接將壓電片粘貼在結構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。

     智能夾層的主要優點在于：

• 采用改進的柔性印刷技術，可以有效地解決壓電片同復合材料集成過程中的電絕緣問題、引線問題并保證多個傳感器埋入工藝的一致性；

• 可以被預先制造、測試、儲藏和合成到結構中，使用方便；

• 作為一種柔性膜，可便于根據各種應用結構的形狀，在制作時把智能夾層制成各種形狀，還可以根據三維結構的形狀做適當的剪裁。

2．通訊技術

     結構健康監測通訊技術包括以電纜或電線作為基礎傳輸介質組成的數據傳輸系統和近年來廣泛發展的無線傳感網絡。無線傳感技術是傳感技術的一個研究熱點，在結構健康監測系統中具有廣闊的前景，得到了國內外越來越多研究機構的關注和重視。

     無線傳感網絡綜合了微型傳感器技術、通信技術、嵌入式計算機技術、分布式信息處理以及集成電路技術，使它能夠協同地實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理和傳送。相對于傳統的數據傳輸系統，無線傳感網絡具有引線少、靈活性高、可靠性高、運用范圍廣等特點。

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，通過對結構模型進行力學分析，可以獲知整個結構的力學特性，指導結構健康監測中傳感器的優化布置；其次，通過對結構建模進行仿真，可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，還可以對結構模型進行結構物理參數分析、模態分析等，再利用實驗測得的數據進行模型修正，通過比較修正矩陣與健康狀態下的相應矩陣來提供結構損傷指標，判斷損傷產生的位置及損傷程度。

4．損傷辨識技術

    結構健康監測的首要任務就是辨識損傷。損傷辨識技術首先需要從傳感器接收到的信號中提取特征量，再采取相應的方法，判別出結構有無損傷、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，時間信息也是如此。從原始信號中提取出這些信息后要進行處理，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。相應的損傷辨識方法則有基于時間延遲的方法、基于頻率組分的模態參數分析法、神經網絡辨識法等。

5．信息融合技術

      結構健康監測技術的發展是為了實用化，而實際工程的結構是多樣化的，大部分是相當復雜的。面對復雜結構而布置的傳感器網絡，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據是非常重要的。信息融合技術是協同利用多源信息，以獲得對同一事物或目標的更客觀、更本質認識的信息綜合處理技術。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、準確、及時和有效的綜合信息。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70年代初期,當時稱為多傳感器或多源相關、多源合成、多傳感器混合和數據融合。80年代以來,信息融合技術得到迅速發展，現在多稱之為數據融合或信息融合。根據信息和數據的含義，用信息融合比較合適，因為更有概括性。信息融合的基本功能是相關、估計和識別。它涉及多方面理論和技術，如信號處理、估計理論、不確定性理論、模式識別、最優化技術、神經網絡和人工智能等。

6．系統集成技術

     結構健康監測技術起源于航空領域，而航空結構的特殊要求使得結構健康監測系統必須具備體積小、重量輕、功能強大等特點，因此，要將結構健康監測系統應用于這些工程結構中，系統集成技術的研究是必不可少的環節。系統集成包括軟件系統和硬件系統兩個方面的集成。軟件系統集成就要求軟件系統同時具備信號采集、信號顯示、數據存儲、信號處理、界面顯示等強大功能，并且結構要簡單、代碼效率要高、運行速度要快。硬件系統的集成要求各硬件之間運作協調、整個硬件系統穩定性要高、體積要小、重量要輕，便于機載。

     理想的結構健康監測方法應該能準確地在損傷發生的初期，發現損傷并能夠定位及確定損傷的程度，進而提供結構的安全性評估，并能預測損傷結構的剩余壽命。相應的結構監測通常分為如下幾個步驟：

A.診斷，明確結構中是否有損傷。

B.定位，確定結構中損傷出現的位置。

C.評估，評估損傷的程度。

D.預測，預測結構的安全性，如安全壽命。

     結構健康監測的方法有很多，如：頻率變化法、模態變化法、模態曲率及應變模態變化法、動態彈性測量方法、矩陣修正法、非線性法、基于神經網絡的監測方法等。

     結構健康監測的方法從技術角度劃分，可以分為基于振動的損傷監測方法和基于信號的損傷監測方法。前者利用振動、壓力、聲發射、超聲波等信號，提取信號的某種特征進行損傷辨識結構的物理、模態參數或是建立非參數模型進行損傷辨識。后者利用結構的物理、模態參數或是建立非參數模型進行損傷辨識。

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

     結構物理參數分析技術是基于調整結構模型矩陣（如質量、剛度、阻尼），使其產生與實測的靜態、動態響應非常接近的數據。因此，在結構參數識別技術中最常用到結構模型是有限元模型。

      有限元模型通過單元的應力應變關系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、健康狀態下的名義模型及實測數據而形成的一個約束優化問題的求解來滿足要求。通過比較修正矩陣與健康狀態下的相應矩陣來提供結構損傷指標，判斷損傷產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，其結構動態特性用模態參數來表征。結構損傷將導致結構的動態特性（如固有頻率、固有振型、和模態阻尼等）發生變化，由固有頻率和固有振型可以推出結構的質量矩陣和剛度矩陣，于是可以根據未損傷結構和損傷結構的質量矩陣和剛度矩陣來確定損傷位置和程度。

     在數學上，模態參數是力學系統運動微分方程的特征值和特征矢量，而在試驗方面則是試驗測得的系統之極點(固有頻率和阻尼)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型計算得到，模態阻尼主要由試驗直接測得。

     有限元模型與實際結構之間的差異，這可能造成模型的誤差而產生的偏差與損傷產生的效果相當，于是很難識別損傷。除了模型和實際結構的差異外，基于模態分析的方法還將受到傳感器獲取數據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失效。

     非物理模型法主要是根據結構頻響函數或傳遞函數、脈沖響應函數，反映振動系統的特性。結構出現損傷時，結構的頻響函數和脈沖響應函數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. 基于信號的損傷監測方法。它不需要識別結構的動力學參數，而是通過對比所檢測結構與無損傷結構的響應信號或信號的某種特征參數來識別損傷。

     通常是針對結構局部構件的檢測。一般來說，直接測試得到的動態響應信號要經過處理才能提取出其特征參數，在基于試驗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：一種是在時間域上進行結構響應信號的分析；一種是求得信號的某些非時域特征值，如信號峰值、能量積分，然后再比較這些值來識別結構的損傷。

     從信號的來源劃分，結構健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主動施加激勵信號，使用傳感器接收結構的響應信號，通過監測結構在主動激勵下的結構響應信號實現結構健康監測。被動監測則通過傳感器監測結構的響應，感知外界的溫度、機械、電學或化學變化。

     主動監測和被動監測主要區別在于監測系統中有沒有對結構進行主動激勵，傳感器是被動還是主動地接收結構響應信號。被動監測需要使傳感元件始終處于被動接收狀態，只有結構狀態發生變化，產生相應的物理變化量時，傳感元件才起作用。

     目前聲發射是一種典型的被動監測方法。主動監測可以在任意時刻對結構進行在線監測，不需要始終保持監測狀態，有效節省資源，降低成本，同時對環境噪聲和干擾具有抑制能力。基于主動Lamb波的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。

     結構健康監測產生的原因也就決定了它的發展，結構健康監測技術的誕生是信息科學與工程及材料科學相互滲透與融合的結果，已在一些重要工程結構健康監測與控制方面展現了良好的應用前景。

     20世紀90年代以來，隨著火星無人探測計劃、國際空間站計劃、大跨度橋梁等大型工程項目的實施，復雜結構體系的健康監測問題迅速成為國際學術界和工程界關注的熱點。它的研究引起了美、英、法、日等發達國家的極大重視，已被列為優先發展的研究領域和優先培育的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波檢測復合材料梁結構的分層損傷的有效性。1999年有文獻報道，美國洛克希德-馬丁公司針對F22的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機仿真。2001年還有文獻報道，該公司又將Bragg光柵光纖傳感網絡用于X-33箱體結構件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的787型客運飛機運用智能化的結構健康監測系統，以做到自檢測和自動安全預警。美國諾斯羅普-格魯門公司在地面實驗中利用壓電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。

     英國國防與評估研究機構的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年有文獻報道，英國宇航局負責設計研制了相應的結構健康系統應用于Eurofight，布置了基于多點應變片的飛行載荷監測系統，監測了飛機在飛行時的飛行載荷。2004年有文獻報道，英國Sheffield大學針對碳纖維盒段，采用16點應變片及6點光柵，通過監測結構應變響應，監測結構的低速沖擊載荷。同年還有文獻報道，法國瓦朗謝訥大學針對某機翼單格盒段(上下壁板為碳纖維復合材料板)分別采用主動Lamb波監測和被動聲發射監測技術，驗證其健康監測系統監測真實盒段構件的沖擊損傷和脫粘現象的能力。

     我國自20世紀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于支持大型復雜結構體系健康自我診斷問題的探索性研究。南京航空航天大學、重慶大學、華中理工大學、哈爾濱工業大學等單位在結構健康監測的研究中也取得了許多成果，如自適應復合材料、光纖智能結構的自診斷、自修復，利用聲發射技術和小波分析、神經網絡對損傷進行定位等。其中，南京航空航天大學智能材料與結構研究所在利用壓電元件及小波分析探索飛機表面結冰的出現及程度研究、應用小波分析及主動監測技術對復合材料實行監測技術的研究、應用神經網絡在復合材料主動監測技術中等各方面取得了若干研究成果。

     在土木工程領域，美國自20世紀80年代中后期就開始在多座橋梁上布設傳感器，監測環境荷載、結構振動和局部應力狀態，用以驗證設計假定、監視施工質量和實時評定服役安全狀態。1989年，美國Brown大學的Mendez等人首先提出把光纖傳感器用于混凝土結構的健康檢測。

     以后，結構健康監測技術在土木工程結構中的應用研究就成為一個研究的熱點。應用的對象包括橋梁、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測設備。香港青馬大橋安裝了500個加速度傳感器、粘貼了大量的應變片和一套GPS系統，用以長期監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品，可以對結構表面及內部應變(應力)、溫度、位移、裂縫、孔隙壓力等狀況進行監測。

     另外，英國實施了海上平臺智能結構系統的研究計劃，針對航海目標、研究以全光纖傳感為核心的復合材料海上平臺系統，以探索在惡劣的海洋環境下海上平臺的健康監測試驗等綜合技術；英國石油機構聲稱，由于采用結構健康監測系統，他們的海上石油平臺得到了很好的經濟效應，平均每一個海上石油平臺可以節省五千萬英鎊左右。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構進行相關研究，發現來自海浪的動態載荷相當明顯，可以用來測量海浪的影響和結構的響應，包括撓度和加速度。該系統已經順利運行了六年，并且結構保存完好。

     我國不少大型橋梁已研制或正在安裝結構健康監測系統，如江蘇的蘇通大橋、江陰大橋等。哈爾濱工業大學也在863項目的資助下，對海洋鉆井平臺的結構健康監測系統進行了系統研究。

     目前在國外的裂紋監測研究領域中，S.Grondel等人在2001年研究了使用基于Lamb波的監測系統對鋁質鉚釘連接處疲勞裂紋損傷進行監測的可行性，以期降低損傷監測的費用和時間。在研究中，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系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, 可同時運用聲發射技術和Lamb波技術進行裂紋監測并具有較好的一致性。

    2002年，E.L.Clezio等人研究了第一個對稱波包模式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模式衍射情況進行仿真，其結果與實驗數據進行了對比。

    2003年，Fu-Kuo Chang研究了一種基于壓電的嵌入式診斷技術對金屬板中疲勞裂紋擴展進行了監測。該技術主要由安置于結構內部的壓電激勵元件激發出診斷信號，然后運用該信號來檢測裂紋擴展。該技術主要包括三個部分：診斷信號的產生，信號處理以及損傷評估。

• 在診斷信號產生部分，他選擇合適的Lamb波使傳感信號達到最佳。

• 在信號處理過程中，發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的概念，該參數能反應傳感信號和裂紋擴展長度之間的關系。

     為了驗證上述技術，該研究者設計了相應的疲勞實驗。實驗結果表明從傳感信號中得到的損傷參數與實際疲勞裂紋擴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測靈敏度之間的關系有所研究，但是還不夠深入，而且沒有涉及診斷信號的中心頻率對監測結果的影響。

     2005年，P.S.Tua等人在實驗研究中給一個鋁管兩邊各貼上兩個直徑為5mm，厚為0.5mm的圓形壓電片作為Lamb波激勵與傳感器，然后他們根據Lamb波的傳播時間(TOF)和振幅變化來檢測和定位裂紋，為了使實驗條件接近實際情況，他們把鋁管埋入沙子中，只有激勵與傳感器部分裸露在空氣中，實驗結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對該領域也作出了很大貢獻，在1998年他把機電阻抗技術用于裂紋監測中，取得了一定進展，在2005年他同時采用機電阻抗和主動Lamb波兩種技術對鋁合金試件中的裂紋擴展進行了研究，在相關研究中他通過試件上安置的壓電片主動傳感器(PWAS)在裂紋擴展每個階段實現相應的機電阻抗和Lamb波實驗。其機電阻抗信號的頻率范圍為100-500KHz，試件中傳播的Lamb波信號為一個頻率為417KHz具有3個周期的正弦調制脈沖，經數據分析發現機電阻抗和Lamb波信號都隨著裂紋擴展發生變化。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。研究結果表明運用PWAS并結合機電阻抗和Lamb波監測技術在裂紋監測方面具有一定的潛力。在2006年，他把相控陣與主動Lamb波技術結合起來成功實現了鋁板中的裂紋監測，并用不同形式的相控陣解決了掃查角度受限問題。

     在國內，大部分學者在相關領域中主要采用無損檢測技術，如海軍航空工程學院的張鳳林等人在2000年把聲發射技術應用于航空領域中，研究了型號為PTAE-4A的機載聲發射監測系統并做了隨機機載應用研究。2003年，清華大學的李光海博士采用聲發射技術監測高頻疲勞條件下金屬材料的裂紋擴展，研究結果表明聲發射參數變化能夠有效地反映材料疲勞裂紋擴展過程，并能更早地發現試樣內部微小裂紋的變化。但是關于裂紋監測方面的研究文獻較少。這是由于一方面相關的裂紋監測方法還沒有完善，另一方面對于裂紋這一類較小損傷的監測難度高。