【文章內(nèi)容簡介】 高、頻響寬、韌性好的壓電復(fù)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(jī)械沖擊能力弱,極限應(yīng)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(xué)量的傳感元件,它們不能夠檢測構(gòu)件中特定方向的應(yīng)變值。 若對PCM 的壓電相與基體材料相組合形式進(jìn)行設(shè)計,構(gòu)造出具有壓電正交異性的傳感元件,可用以檢測平面應(yīng)變場中任一方向的應(yīng)變之值以及e結(jié)構(gòu)表面的全場應(yīng)力分布。 土木工程中的光導(dǎo)纖維傳感元件光導(dǎo)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(gòu)件影響較小) 。 ②光纖可對任何導(dǎo)致光纖中光信號(相位、偏光性、頻率、波長及光強(qiáng)) 變化的物理量(溫度、應(yīng)變、壓力等多種參數(shù)) 進(jìn)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(jié)構(gòu)中主要用作為傳感器,主要應(yīng)用有:(1) 工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測,如傳遞工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)力、裂縫、溫度、壓力、變形腐蝕及其相關(guān)信息等以及在大型民用設(shè)施中構(gòu)造出復(fù)雜的仿人體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行實時在線監(jiān)測。(2) 建筑系統(tǒng)和輔助設(shè)施的管理和控制,如光纖網(wǎng)絡(luò)既起到傳感器的作用,又起到信息傳輸網(wǎng)絡(luò)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(shè)備、電力、照明、火警及安全控制等。光纖在工程中實際應(yīng)用及原理詳見表1。傳感原理主要被測物理量應(yīng)用領(lǐng)域OTDR 技術(shù)+ Brillouin 散射或光頻發(fā)射計構(gòu)件內(nèi)外應(yīng)變、應(yīng)力的變化能實現(xiàn)長距離連續(xù)分布式應(yīng)變測量,適用于大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力損傷測量光纖直徑、光強(qiáng)、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(gòu)件內(nèi)外應(yīng)變、應(yīng)力的變化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力監(jiān)測、損傷檢測及腐蝕檢測表1 　光纖在工程結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用及原理注:OTDR「3」是指光時域反射。Brillouin散射「4」是指由介質(zhì)中的聲學(xué)聲子引起的一種非彈性光散射。在對混凝土結(jié)構(gòu)監(jiān)測、監(jiān)控的過程中,光纖必須與宿主構(gòu)件有效地結(jié)合方可使用。埋入式光纖傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用,包括了混凝土在養(yǎng)護(hù)期的熱應(yīng)變及溫度檢測、結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)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(jié)構(gòu)智能及內(nèi)部狀態(tài)進(jìn)行實時、在線無損檢測的手段,有利于結(jié)構(gòu)的安全監(jiān)測和整體性評價及維護(hù),也有利于對結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行準(zhǔn)確評價以及結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計和相似設(shè)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(yīng)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(dá)到6 %～8 %) 以后,在一定溫度和應(yīng)力條件下變形消失,合金可以恢復(fù)到初始形狀。典型SMA 的本構(gòu)關(guān)系如圖2 ,其強(qiáng)度也較一般的鋼材強(qiáng)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(gòu)關(guān)系曲線 電阻應(yīng)變絲傳感元件「5」電阻應(yīng)變絲埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中后,隨著結(jié)構(gòu)的變形,電阻應(yīng)變絲阻值將產(chǎn)生變化。采用電阻應(yīng)變絲埋入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部,根據(jù)受力分析的情況組成傳感網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用模式識別或人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法,就可以測量結(jié)構(gòu)內(nèi)部場應(yīng)變。電阻應(yīng)變絲的傳感原理可用公式表示為ΔR/ R = Ksε ( 3 )式中ε為構(gòu)件上的應(yīng)變。 Ks 為靈敏系數(shù)。在智能材料結(jié)構(gòu)中應(yīng)用電阻應(yīng)變絲測量應(yīng)變的主要優(yōu)點是:(1) 性能穩(wěn)定,很容易研制成與結(jié)構(gòu)材料相配合的絲材,這種絲材僅受應(yīng)變影響。(2) 對宿主材料強(qiáng)度影響很小。(3) 相配合的儀表很成熟,很容易與計算機(jī)及其他設(shè)備兼容。 傳感技術(shù)小結(jié)以上介紹了目前智能建筑土木工程中極有應(yīng)用前景的多種傳感功能材料的傳感原理及相關(guān)技術(shù)。它們中的大部分都將被逐步地應(yīng)用到土木工程結(jié)構(gòu)中,其中有的已正在大型結(jié)構(gòu)中發(fā)揮作用,例如光纖已被用于三峽大壩。然而,應(yīng)該看到,這些材料和技術(shù)尚不成熟。如何將它們完備地與宿主構(gòu)件有機(jī)、優(yōu)化地集成一體,形成適用、可靠的土木工程智能材料結(jié)構(gòu),需要更多的同仁們,集材料學(xué)、光電子學(xué)、化學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)工程學(xué)、控制理論和計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多門學(xué)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(shù)。(3) 從傳感的機(jī)理研究相關(guān)的細(xì)觀力學(xué)等。土木工程智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展將極大地改變?nèi)藗儗ΜF(xiàn)有的土木工程設(shè)計和構(gòu)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(jì)的建筑主題思想。因此,智能材料結(jié)構(gòu)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(guān)的產(chǎn)業(yè)如電子、材料等的發(fā)展,對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步起到舉足輕重的作用。 綜合布線系統(tǒng)技術(shù) 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(luò)，也是智能建筑中數(shù)據(jù)、語音以及多媒體通信的基礎(chǔ)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(shè)備、信息交換設(shè)備、建筑物業(yè)管理及建筑物自動化管理設(shè)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(luò)設(shè)備與外部的通信網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)。綜合布線系統(tǒng)是為適應(yīng)綜合業(yè)務(wù)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(shè)施提供了多廠家產(chǎn)品兼容，模塊化擴(kuò)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(qiáng)化了控制與管理。綜合布線系統(tǒng)應(yīng)用高品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)材料，以非屏蔽雙絞線和光纖作為傳輸介質(zhì)，統(tǒng)一進(jìn)行規(guī)劃設(shè)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(biāo)準(zhǔn)的布線系統(tǒng)內(nèi)。依照國家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置各類系統(tǒng)的接口。綜合布線的硬件包括傳輸介質(zhì)（ 非屏蔽雙絞線、大對數(shù)電纜和光纜等）、配線架、標(biāo)準(zhǔn)信息插座、適配器、光電轉(zhuǎn)換設(shè)備、系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備等。 綜合布線技術(shù)的發(fā)展綜合布線技術(shù)進(jìn)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(shù)，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(yīng)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)傳輸速率的提升，為適應(yīng)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(zhì)得到廣泛的應(yīng)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(shù)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(yīng)用新技術(shù)的廣闊前景。 綜合布線技術(shù)的特點采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、模塊化設(shè)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(kuò)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(jié)構(gòu)，符合多種現(xiàn)行國際標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)備的更換或網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化都不會導(dǎo)致綜合布線系統(tǒng)的重新鋪設(shè)，只需進(jìn)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(yīng)用類型的靈活變化。綜合布線系統(tǒng)采用星型物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以在綜合布線系統(tǒng)管理間進(jìn)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(jié)構(gòu)，靈活地實現(xiàn)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)；當(dāng)終端設(shè)備位置需要改變時，除了進(jìn)行跳線管理外，不需要進(jìn)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(yīng)用的要求，如數(shù)據(jù)終端、模擬或數(shù)字式電話機(jī)、個人計算機(jī)、工作站、打印機(jī)和主機(jī)等，使系統(tǒng)能靈活地聯(lián)接不同應(yīng)用類型的設(shè)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(jié)構(gòu)，可以方便地進(jìn)行更換插拔，使管理、擴(kuò)展和使用變得十分簡單。⑷ 擴(kuò)展性綜合布線系統(tǒng)（包括材料、部件、通訊設(shè)備等設(shè)施）嚴(yán)格遵循國際標(biāo)準(zhǔn)，因此，無論計算機(jī)設(shè)備、通訊設(shè)備、控制設(shè)備隨技術(shù)如何發(fā)展，將來都可很方便地將這些設(shè)備連接到系統(tǒng)中去。綜合布線系統(tǒng)靈活的配置為應(yīng)用的擴(kuò)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(zhì)，為不同應(yīng)用提供了合理的選擇空間。對帶寬要求不高的應(yīng)用，采用雙絞線，而對高帶寬需求的應(yīng)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(guān)的是數(shù)據(jù)鏈路層，即網(wǎng)絡(luò)的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層與物理布線完全不相關(guān)，即網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件等與物理布線相互獨立。無論網(wǎng)絡(luò)技術(shù)如何變化，其局部網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是總線型、環(huán)型、星型、樹型或以上幾種形式的結(jié)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此采用綜合布線方式進(jìn)行物理布線時，不必過多地考慮網(wǎng)絡(luò)的邏輯結(jié)構(gòu)，更不需要考慮網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)管理軟件，也就是說綜合布線系統(tǒng)具有與應(yīng)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(shè)備間子系統(tǒng)及建筑群子系統(tǒng)。由于采用星型結(jié)構(gòu)，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(kuò)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(shè)置終端設(shè)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(shè)備的跳線以及適配器。工作區(qū)的服務(wù)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(yīng)的設(shè)計等級要求設(shè)置。工作區(qū)的每個信息插座都應(yīng)該支持電話機(jī)、數(shù)據(jù)終端、計算機(jī)及監(jiān)視器等終端