【文章內(nèi)容簡介】 高、頻響寬、韌性好的壓電復合材料( Piezoelectric Composite Material ,簡稱PCM) 。它們克服了單一壓電陶瓷具有脆性大,抗機械沖擊能力弱,極限應變小的缺點。單一壓電陶瓷還具有橫觀各向同性之特點,作為檢測力學量的傳感元件,它們不能夠檢測構件中特定方向的應變值。 若對PCM 的壓電相與基體材料相組合形式進行設計,構造出具有壓電正交異性的傳感元件,可用以檢測平面應變場中任一方向的應變之值以及e結構表面的全場應力分布。 土木工程中的光導纖維傳感元件光導纖維(簡稱光纖) 一般用來傳輸通迅信息且具有以下的特點: ①尺寸小,重量輕(對被測構件影響較小) 。 ②光纖可對任何導致光纖中光信號(相位、偏光性、頻率、波長及光強) 變化的物理量(溫度、應變、壓力等多種參數(shù)) 進行測量。 ③頻帶寬(從靜態(tài)到高頻) 。 ④不受電磁干擾等優(yōu)點。光纖在土木工程智能結構中主要用作為傳感器,主要應用有:(1) 工程結構健康監(jiān)測,如傳遞工程結構中應力、裂縫、溫度、壓力、變形腐蝕及其相關信息等以及在大型民用設施中構造出復雜的仿人體的神經(jīng)網(wǎng)絡對整體結構進行實時在線監(jiān)測。(2) 建筑系統(tǒng)和輔助設施的管理和控制,如光纖網(wǎng)絡既起到傳感器的作用,又起到信息傳輸網(wǎng)絡的作用。針對建筑的一些基本物業(yè)管理,光纖可被用于參與管理建筑的空調(diào)、下水道設備、電力、照明、火警及安全控制等。光纖在工程中實際應用及原理詳見表1。傳感原理主要被測物理量應用領域OTDR 技術+ Brillouin 散射或光頻發(fā)射計構件內(nèi)外應變、應力的變化能實現(xiàn)長距離連續(xù)分布式應變測量,適用于大型結構的應力損傷測量光纖直徑、光強、光密度或折射率的變化位移及溫度的變化探測裂紋大小及位置。大壩的位移測量。對工作過程中的溫度變化實行實時監(jiān)控兩束偏振光之間的干涉構件內(nèi)外應變、應力的變化實現(xiàn)結構的內(nèi)力監(jiān)測、損傷檢測及腐蝕檢測表1 　光纖在工程結構中的應用及原理注:OTDR「3」是指光時域反射。Brillouin散射「4」是指由介質中的聲學聲子引起的一種非彈性光散射。在對混凝土結構監(jiān)測、監(jiān)控的過程中,光纖必須與宿主構件有效地結合方可使用。埋入式光纖傳感器在混凝土結構中的應用,包括了混凝土在養(yǎng)護期的熱應變及溫度檢測、結構內(nèi)部應變檢測和振動測量以及裂縫檢測等方面。它提供了對土建結構智能及內(nèi)部狀態(tài)進行實時、在線無損檢測的手段,有利于結構的安全監(jiān)測和整體性評價及維護,也有利于對結構設計進行準確評價以及結構的重新設計和相似設計。 形狀記憶合金傳感元件「4」形狀記憶合金SMA(Sharp Memory Alloy) 就是指具有形狀記憶效應的合金。典型的材料為NiTi合金,除此之外還有銅基、鐵基SMA。SMA在經(jīng)受較大變形(一般最大可達到6 %～8 %) 以后,在一定溫度和應力條件下變形消失,合金可以恢復到初始形狀。典型SMA 的本構關系如圖2 ,其強度也較一般的鋼材強度高(σb鋼= 373 ～ 461 MPa ,σb鎳鈦= 686 ～981 MPa ,δ鋼= 25～27 ,δ鎳鈦= 20～60) .加熱缷載tδ加載圖2 　SMA 本構關系曲線 電阻應變絲傳感元件「5」電阻應變絲埋入復合材料結構中后,隨著結構的變形,電阻應變絲阻值將產(chǎn)生變化。采用電阻應變絲埋入復合材料結構內(nèi)部,根據(jù)受力分析的情況組成傳感網(wǎng)絡陣列,由于絲和宿主材料膠合,性能較穩(wěn)定,而且形狀、面積可以根據(jù)需要確定。應用模式識別或人工神經(jīng)網(wǎng)絡的方法,就可以測量結構內(nèi)部場應變。電阻應變絲的傳感原理可用公式表示為ΔR/ R = Ksε ( 3 )式中ε為構件上的應變。 Ks 為靈敏系數(shù)。在智能材料結構中應用電阻應變絲測量應變的主要優(yōu)點是:(1) 性能穩(wěn)定,很容易研制成與結構材料相配合的絲材,這種絲材僅受應變影響。(2) 對宿主材料強度影響很小。(3) 相配合的儀表很成熟,很容易與計算機及其他設備兼容。 傳感技術小結以上介紹了目前智能建筑土木工程中極有應用前景的多種傳感功能材料的傳感原理及相關技術。它們中的大部分都將被逐步地應用到土木工程結構中,其中有的已正在大型結構中發(fā)揮作用,例如光纖已被用于三峽大壩。然而,應該看到,這些材料和技術尚不成熟。如何將它們完備地與宿主構件有機、優(yōu)化地集成一體,形成適用、可靠的土木工程智能材料結構,需要更多的同仁們,集材料學、光電子學、化學、結構力學、結構工程學、控制理論和計算機技術、網(wǎng)絡技術等多門學科的知識,努力做好以下幾方面的工作:(1) 探索和研究新的功能材料。(2) 探索和形成智能化元件與基體材料的優(yōu)化匹配及其集成化技術。(3) 從傳感的機理研究相關的細觀力學等。土木工程智能結構的發(fā)展將極大地改變?nèi)藗儗ΜF(xiàn)有的土木工程設計和構造思想。同時極大地改善人們的居住條件和工作環(huán)境,充分體現(xiàn)“以人為本”的廿一世紀的建筑主題思想。因此,智能材料結構的發(fā)展和成熟必將要推動新的產(chǎn)業(yè)的形成,帶動相關的產(chǎn)業(yè)如電子、材料等的發(fā)展,對國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學進步起到舉足輕重的作用。 綜合布線系統(tǒng)技術 綜合布線系統(tǒng)概述綜合布線系統(tǒng)GCS（Generic Cabling System）是建筑物內(nèi)部或建筑群之間的傳輸網(wǎng)絡，也是智能建筑中數(shù)據(jù)、語音以及多媒體通信的基礎平臺。它能使建筑物內(nèi)部的語音、數(shù)據(jù)、圖文、圖像及多媒體通信設備、信息交換設備、建筑物業(yè)管理及建筑物自動化管理設備等系統(tǒng)之間彼此相聯(lián)，也能使建筑物內(nèi)通信網(wǎng)絡設備與外部的通信網(wǎng)絡相聯(lián)。綜合布線系統(tǒng)是為適應綜合業(yè)務數(shù)字化的需求而發(fā)展起來的一種布線方式，它為智能大廈和智能建筑群中的信息設施提供了多廠家產(chǎn)品兼容，模塊化擴展、更新與系統(tǒng)靈活重組的可能性；為用戶創(chuàng)造了現(xiàn)代信息系統(tǒng)環(huán)境，強化了控制與管理。綜合布線系統(tǒng)應用高品質的標準材料，以非屏蔽雙絞線和光纖作為傳輸介質，統(tǒng)一進行規(guī)劃設計，組成一套完整而開放的布線系統(tǒng)。該系統(tǒng)將語音、數(shù)據(jù)、圖像信號的布線與建筑物安全報警、監(jiān)控管理信號的布線綜合在一個標準的布線系統(tǒng)內(nèi)。依照國家統(tǒng)一標準設置各類系統(tǒng)的接口。綜合布線的硬件包括傳輸介質（ 非屏蔽雙絞線、大對數(shù)電纜和光纜等）、配線架、標準信息插座、適配器、光電轉換設備、系統(tǒng)保護設備等。 綜合布線技術的發(fā)展綜合布線技術進入我國市場以來，由于其優(yōu)異的性能，給國內(nèi)的智能建筑市場帶來了一種新理念、新技術，并立即在建筑行業(yè)引起了巨大的反響，被各類智能建筑所廣泛采用。為了適應網(wǎng)絡傳輸帶寬和速率的發(fā)展，綜合布線新產(chǎn)品相繼問世，從最初的3類線、5類線到6類線，甚至出現(xiàn)了超前于標準的7類布線系統(tǒng)產(chǎn)品，以滿足千兆網(wǎng)的需求。隨著網(wǎng)絡傳輸速率的提升，為適應其發(fā)展的萬兆光纖網(wǎng)也已投入市場，新型的多模和單模光纖將作為良好的傳輸介質得到廣泛的應用。銅纜從三類到五類、超五類、六類甚至更高類別，從銅纜發(fā)展到光纜，技術和產(chǎn)品不斷更新，充分體現(xiàn)了其發(fā)展的迅速以及智能建筑應用新技術的廣闊前景。 綜合布線技術的特點采用星型拓撲結構、模塊化設計的綜合布線系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的布線相比有許多特點，主要表現(xiàn)在系統(tǒng)具有開放性、靈活性、模塊化、擴展性及獨立性等特點。⑴ 開放性綜合布線系統(tǒng)采用開放式體系結構，符合多種現(xiàn)行國際標準，它幾乎對所有著名廠商的產(chǎn)品都是開放的，并支持所有的通信協(xié)議。這種開放性的特點使得設備的更換或網(wǎng)絡結構的變化都不會導致綜合布線系統(tǒng)的重新鋪設，只需進行簡單的跳線管理即可。⑵ 靈活性綜合布線系統(tǒng)的靈活性主要表現(xiàn)在三個方面：靈活組網(wǎng)、靈活變位和應用類型的靈活變化。綜合布線系統(tǒng)采用星型物理拓撲結構。為了適應不同的網(wǎng)絡結構，可以在綜合布線系統(tǒng)管理間進行跳線管理，使系統(tǒng)連接成為星型、環(huán)型、總線型等不同的邏輯結構，靈活地實現(xiàn)不同拓撲結構網(wǎng)絡的組網(wǎng)；當終端設備位置需要改變時，除了進行跳線管理外，不需要進行更多的布線改變，使工位移動變得十分靈活；同時，綜合布線系統(tǒng)還能夠滿足多種應用的要求，如數(shù)據(jù)終端、模擬或數(shù)字式電話機、個人計算機、工作站、打印機和主機等，使系統(tǒng)能靈活地聯(lián)接不同應用類型的設備。⑶ 模塊化綜合布線系統(tǒng)的接插元件，如配線架、終端模塊等采用積木式結構，可以方便地進行更換插拔，使管理、擴展和使用變得十分簡單。⑷ 擴展性綜合布線系統(tǒng)（包括材料、部件、通訊設備等設施）嚴格遵循國際標準，因此，無論計算機設備、通訊設備、控制設備隨技術如何發(fā)展，將來都可很方便地將這些設備連接到系統(tǒng)中去。綜合布線系統(tǒng)靈活的配置為應用的擴展提供了較高的容量。系統(tǒng)采用光纖和雙絞線作為傳輸介質，為不同應用提供了合理的選擇空間。對帶寬要求不高的應用，采用雙絞線，而對高帶寬需求的應用采用光纖到桌面的方式。語音主干系統(tǒng)采用大對數(shù)電纜，既可作為話音的主干，也可作為數(shù)據(jù)主干的備份；數(shù)據(jù)主干采用光纜，光纜帶寬為多路實時多媒體信息傳輸留有足夠容量。⑸ 獨立性綜合布線系統(tǒng)的最根本的特點是獨立性。最底層是物理布線，與物理布線直接相關的是數(shù)據(jù)鏈路層，即網(wǎng)絡的邏輯拓撲結構。而網(wǎng)絡層和應用層與物理布線完全不相關，即網(wǎng)絡傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理軟件及網(wǎng)絡應用軟件等與物理布線相互獨立。無論網(wǎng)絡技術如何變化，其局部網(wǎng)絡邏輯拓撲結構都是總線型、環(huán)型、星型、樹型或以上幾種形式的結合。而星型的綜合布線系統(tǒng)，通過在管理間內(nèi)跳線的靈活變換，可以實現(xiàn)上述總線(Ethernet/)、環(huán)型(， TPDDI/FDDI)、星型(StarLAN)或混合型(含有環(huán)、總線等形式)的拓撲結構，因此采用綜合布線方式進行物理布線時，不必過多地考慮網(wǎng)絡的邏輯結構，更不需要考慮網(wǎng)絡服務和網(wǎng)絡管理軟件，也就是說綜合布線系統(tǒng)具有與應用的獨立性。 綜合布線系統(tǒng)的組成綜合布線系統(tǒng)由六個子系統(tǒng)組成，包括工作區(qū)子系統(tǒng)、水平區(qū)子系統(tǒng)、管理間子系統(tǒng)、垂直干線子系統(tǒng)、設備間子系統(tǒng)及建筑群子系統(tǒng)。由于采用星型結構，任何一個子系統(tǒng)都可獨立地接入綜合布線中。因此，系統(tǒng)易于擴充，布線易于重新組合，也便于查找和排除故障。⑴ 工作區(qū)子系統(tǒng)工作區(qū)子系統(tǒng)是一個可以獨立設置終端設備的區(qū)域。它包括水平配線系統(tǒng)的信息插座、連接信息插座和終端設備的跳線以及適配器。工作區(qū)的服務面積一般可按5~10 平方米估算，工作區(qū)內(nèi)信息點的數(shù)量根據(jù)相應的設計等級要求設置。工作區(qū)的每個信息插座都應該支持電話機、數(shù)據(jù)終端、計算機及監(jiān)視器等終端