1土木工程智能结构中传感器运用的意义传统的土木结构缺乏对结构本身状态的实时监测和反馈，难以进行准确的评估和维护。智能结构可以通过传感器等技术手段获取结构的实时状态，通过数据分析和处理实现结构的自适应控制和维护[1-2]。在智能结构中，传感器是关键的组成部分，可以测量和记录结构的物理量、环境参数等信息，并将信息传输至数据采集系统。传感器的选择和设计直接影响结构的监测效果和数据分析结果。传感器可用于监测土木工程结构的应变、振动、温度、压力、流量、湿度等各种物理量和环境参数。通过对传感器所测量的数据进行分析和处理，可以实现对结构的状态诊断、预警和预测[3]。2传感器的主要原理传感器是一种将物理量转换为电信号的装置，可以实时感知和记录结构物内部和外部环境的变化，通过数据采集和分析，辅助工程师对结构物进行全面的安全性和健康状况评估。应变传感器：应变传感器根据材料的弹性变形特性将物理量转化为电信号，其原理是应变引起电阻变化。当结构物受到外部作用力时，应变传感器会感知变化情况，将信号发送至数据采集设备。加速度传感器：加速度传感器是用来检测结构物振动和震动的装置，其原理是基于牛顿第二定律，利用惯性质量感知结构物加速度的变化，并将信号转换成电信号。压力传感器：压力传感器是用来检测结构物承载能力和载荷分布情况的装置，其原理是基于变阻原理或压电效应原理，将压力转换为电信号输出。温度传感器：温度传感器是用来监测结构物温度变化的装置，其原理是基于热传导、热电效应或者红外辐射原理，将温度变化转换为电信号输出。3压电材料元件传感原理及应用压电材料是指在外界施加机械应力时，会发生电荷分布和电势变化的一类材料。压电效应是压电材料传感器工作的基本原理，利用该效应可将机械信号转换为电信号。压电材料元件作为传感器的敏感元件，广泛应用于土木工程领域中结构的振动、应力等参数的测量。当压电材料受到机械应力时，会发生晶格畸变，引起材料内部的电荷分布发生变化，导致电势变化。通过电极连接电路，可以将压电材料内部的电势变化转换成电信号输出。由于压电材料本身的结构和物理性质，使得传感器具有高灵敏度、宽频带、快速响应和耐腐蚀等特点，能够满足土木工程领域中对高精度、长寿命、低成本的传感器要求。利用正压电效应，其原理矩阵方程为：D=εεE+eε （1）式中：e——压电材料的压电应力常数矩阵；εε——应变为零时的介电常数矩阵。在压电陶瓷的基础上开发新的、强度高、频响宽、韧性好的压电复合材料（Piezoelectric Composite Material，PCM）。PCM的复合结构使其具有较好的耐久性和可靠性，能够在长时间和高频率的使用中保持高性能；具有较好的机械和电学性能，能够在较小的应变和电压下产生更大的电荷和变形，实现更高的灵敏度和效率。正交异性（Orthotropic）PCM传感器（简称OPCM）采用PCM研制而成。OPCM可用于测定土木工程结构内外部应力场，在工程结构的健康监测中具有广阔的应用前景。OPCM应变传感器力、电耦合方程如下：σx=EAQ1e33P-μe31PΔ-EAQ2e31P-μe33PΔσy=EAQ2e33P-μe31PΔ-EAQ1e31P-μe33PΔ （2）式中：Δ=（e33P-μe31P）2-（e31P-μe33P）2，反映OPCM应变元件粘贴构件表面对平面应变场的传递机理，且e31P与e33P差异越大，OPCM的压电特性正交异性就明显。压电材料元件传感器在土木工程中的应用较为广泛。可以利用压电材料传感器实时监测桥梁、隧道等结构的振动和应力变化以及检测地震震动等自然灾害的影响。压电材料元件可以应用于结构健康监测、风力发电设备振动监测等领域。4土木工程中的光导纤维传感元件光导纤维传感元件是一种用于土木工程中的新型传感器，基于光纤通信技术，利用光信号进行信号的采集和传输。其原理是将光信号通过光纤传输到受测物体，受测物体的应变或温度等参数的变化会导致光纤中的信号发生改变[4-5]。土木工程中的光导纤维传感元件主要分为分布式光纤传感元件和局域光纤传感元件。分布式光纤传感元件是将一根长达几千米的光纤直接嵌入或贴附于结构中，通过光信号的反射和散射来测量结构物的应变、温度等参数的变化情况，能够实现长距离分布式监测，适用于大范围结构的监测，如桥梁、隧道、油气管道等。局域光纤传感元件是将短光纤嵌入结构物内部的关键部位进行测量，可以测量结构物的位移、振动等参数，适用于结构物局部部位的精确监测和诊断，如墙体、梁柱、基础等。特殊类型的光导纤维传感元件包括光纤水准仪、光纤应变计等，均利用了光导纤维的优异性能，通过光信号实现对土木工程结构的精确监测和诊断，为工程的设计和维护提供了新的手段和思路。光纤在工程结构中的应用及原理如表1所示。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.007.T001表1光纤在工程结构中的应用及原理传感原理主要被测物理量应用领域OTDR技术+Bril louin散射或光频发射计结构内外应变、应力的变化能实现长距离连续分布式应变测量，适用于大型结构的应力损伤测试光纤直径、光强、光密度或折射率的变化位移及温度的变化探测裂纹大小及位置；坝体的位移测量；实时监控工作过程中的温度变化两束偏振光之间的干涉结构内外应变、应力的变化实现结构的内力监测、损伤检测及腐蚀检测5形状记忆合金传感元件形状记忆合金（SMA）是一类具有特殊形状记忆效应和超弹性行为的金属合金材料，通常由镍钛、铝等合金组成，在经受较大变形（一般最大可达到6％~8％）后在一定温度和应力条件下产生形状记忆效应和超弹性行为。形状记忆合金（SMA）传感元件是一种新型的土木工程结构健康监测传感器，可以实现对结构的应变、位移等参数的测量。根据其工作原理和结构特点，可以将SMA传感元件分为应变型SMA传感元件和位移型SMA传感元件。应变型SMA传感元件是将SMA材料加工成弯曲或扭转的形状，当受到应变时，SMA材料会通过相变产生内应力，导致材料发生形状变化，实现对应变测量。位移型SMA传感元件是将SMA材料加工成直线形状，将其一端固定，另一端与被测结构相连。当被测结构发生位移时，SMA材料受应力影响产生形状变化，实现对位移的测量。典型SMA的本构关系曲线如图1所示。SMA除了记忆和热恢复功能外，其强度高于一般钢材强度。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.007.F001图1典型SMA的本构关系曲线常温下呈现马氏体状态SMA的电阻对应变的变化比较敏感，拉伸时SMA的应变-应力曲线如图2所示。在0~a段表现为线性（ε1％）；a~b段为平台（1％ε3.42％）；当相对应变超过3.42％时，b~c段应力与应变呈近似线性。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.007.F002图2拉伸时SMA的应变-应力曲线6电阻应变丝传感元件电阻应变丝传感元件（Strain Gauge）是一种用来测量物体受力后形变的传感器。在应变作用下，电阻应变丝的长度和截面积会发生微小的变化，导致电阻值改变。通过测量电阻值的变化，可以确定物体所受的应变量。电阻应变丝的传感原理公式：ΔR/R=Ksε （3）式中：ε——构件上的应变；Ks——灵敏系数。根据电阻应变丝的材料、结构和应变方式的不同，电阻应变丝传感元件可分为多种类型，常见类型包括：金属应变片（Metal Strain Gauge），由金属箔片制成，常用材料为金属如铜、铬、钼等，特殊材料如柔性薄膜、织物等；半导体应变片（Semiconductor Strain Gauge），采用半导体材料制成的电阻应变丝，灵敏度高于金属应变片；晶体管应变片（Transistor Strain Gauge），采用晶体管作为电阻应变丝的材料，具有高灵敏度、线性度好等优点；光纤应变传感器（Fiber Optic Strain Gauge），采用光纤作为传感元件，通过测量光纤受力后光传输的变化调控信号传递。7碳纤维传感原理及应用碳纤维是一种高强度、轻质的复合材料，广泛应用于结构加固和修复中。碳纤维传感技术是一种基于碳纤维材料制作的传感器，可用于实时监测结构应变、振动等物理量，为结构的安全性评估和维护提供重要的数据支持。碳纤维传感的原理是基于碳纤维材料的电阻变化与物理量之间的关系。当碳纤维材料受到应变或振动等物理量的影响时，电阻值会发生变化，这种变化可以通过电路进行测量，并转化为相应的物理量信号。7.1应用于应力、应变的测量在结构中嵌入碳纤维传感器，可以实现对结构的应力分布进行实时监测。传感器的电阻值与应力值之间存在一定的线性关系，可以通过测量传感器的电阻值反推应力值，得到结构中各部位应力分布情况，判断结构是否存在应力集中和疲劳等问题。7.2应用于温度的测量埋入连续聚丙烯腈基碳纤维束的混凝土具有Seebeck效应，温差与电动势呈线性关系，如图3所示。聚丙烯腈基碳纤维束与混凝土结构相容性良好，且不易导致结构强度削弱，具有抗腐蚀、寿命长的特点，可以有效屏蔽电磁干扰，能够直接输出电压信号，线性好、灵敏度较高，易于实现信号的检测，可沿纤维走向设置多个温度检测基点。10.19301/j.cnki.zncs.2023.04.007.F003图3测温点温差与电动势的关系8结语随着科技的不断发展，智能结构在土木工程中的应用愈发广泛。传感器作为智能结构的重要组成部分，为其提供了实时监测和反馈的能力，实现了对结构状态和性能的全面掌控。传感器的原理是基于物理量与电信号之间的相互转换，通过测量物理量变化将其转化为电信号，将信号传递至数据采集设备进行处理分析。在土木工程中，传感器可以用于监测结构的变形、振动、温度、湿度等物理量，从而实现对结构安全性、舒适性、耐久性等方面的监测和评估。