結構健康監測的案例
基于視覺傳感器網絡的結構健康監測新技術
為了從捕捉到的圖像中得到目標的物理位移，實際結構的坐標系與圖像像素級別的坐標系之間的關系需要建立：
上圖中就是一個完整的視覺傳感系統，以后我們再遇到類似的場景，便會想到除了拍攝橋梁美景的攝影師之外，還可能是東明兄正在海風中苦苦地搜集數據呢
視覺傳感系統在結構監測中的應用
盡管視覺傳感系統在結構健康監測中的應用算是剛剛起步，但已經有了不少可喜的嘗試：
結構模態特性識別：結構健康監測通常都是通過振動測量來進行結構模態屬性識別的，然而利用拾振器開展的測量，只能在結構上布置為數不多的測點，而視覺傳感系統則可以實現用一套攝像機設備同時監測結構上多個點的振動行為，從而在模態識別方面得到更精確、更符合實際結構情況的結果。
模型更新和損傷檢測：通過視覺傳感系統，可以采集結構的自振頻率、振型、阻尼比等參數，用于結構的有限元模型的更新，進而進行結構損傷的模擬和識別。
預測索力：對于采用拉索為主要受力構件的斜拉橋來說，索力的準確測量非常重要。傳統的索力測量方法是采用基于振動原理的索力儀，這種設備安裝繁瑣，價格昂貴，而且并不是每次測試都能達到理想的精度。然而采用視覺傳感系統，則可以顯著降低量測系統的成本。
展開 基于振動模態分析和神經網絡技術的結構損傷
結構健康監測近年來成為工程與學術界關注的熱點結構健康監測所研究的內容主要包括結構損傷辨識、損傷定位與損傷程度的標定。結構損傷診斷是結構健康監測研究的核心與難點目前有關這一關鍵問題的研究兩個熱點是利用結構振動模態分析技術和人工神經網絡技術
基于振動模態分析和神經網絡技術的結構損傷....pdf
技術 | 無損檢測新技術在航空工業中的未來的發展趨勢
3 結論
雖然從現狀看，激光散斑、激光超聲、紅外熱像、結構健康監測等無損檢測新技術在航空工業領域大規模的應用還有相當長的一段路要走，但隨著檢測技術的完善、設備性能的提高、價格的降低以及在航空工業領域應用的逐步深入，可以預見的是，激光散斑、激光超聲、紅外熱像、結構健康監測等無損檢測新技術必將獲得越來越廣泛的應用，發揮更大的作為。
本文來源于網絡，由焊接技術整理發布
心率血氧健康監測耳機的工作原理
App可將數據發送往云端，利用“云端”大數據分 析技術提供更多信息，例如血壓趨勢、呼吸頻率、心率變異性等人體健康指數。
心率和血氧飽和度作為人體健康參數的重要指標，實時監測兩者的動態變化，能夠為預防疾病的發生提供一份科學保障。集成到耳機上，心率傳感信號接收芯片可跟蹤運動時刻，運動心率監測，靜態對脈搏波進行連續監測，波形分析，數據比對，可以實現心腦血管疾病預警功能。
人體耳廓內部有著豐富的毛細血管，由頸內動脈系統垂直沿著耳道區域運行，毛細血管系統貫穿耳屏和耳垂。而且由于耳部的皮膚相對比較薄，減少了皮膚非血液組織對光束的穩定吸收，使光強度損失較低，提高了采集信號的信噪比。
另外，佩戴耳機后，心率傳感信號接收芯片會與耳廓緊密貼合。即使人們從事各種運動時，耳朵位置也保持相對穩定。因此在這個位置采集信號抗干擾性能強，穩定度高，并且方便攜帶。
這里小編推薦一款由工采網代理一款應用在監測耳機上的臺灣旺泓穿戴心率傳感器芯片，又稱心率傳感信號接收芯片 - PD-S488FM-LH12，大部分可穿戴設備采用光電容積脈搏波描記法(PPG)來測量心率及其他生物計量指標。PPG 是一種將光照進皮膚并測量因血液流動而產生的光散射的方法。該方法非常簡單，光學心率傳感器基于以下工作原理：當血流動力發生變化時，例如血脈搏率(心率)或血容積(心輸出量)發生變化時，進入人體的光會發生可預見的散射。
心率傳感信號接收芯片 - PD-S488FM-LH12使用四個主要技術元件來測量心率：
1、光發射器 — 通常至少由兩個光發射二極管(LED)構成，它們會將光波照進皮膚內部。
2、光電二極管和模擬前端(AFE) — 這些元件捕獲穿戴者折射的光，并將這些模擬信號轉換成數字信號用于計算可實際應用的心率數據。
展開 
張工聊光纖 | 基于光纖光柵的光學測量鏈的優勢
張工說
本文旨在幫助系統集成商和工程師為
多物理量光學監測解決方案
選擇正確的組件。這一點至關重要，因為所有的主要結構都暴露在導致應變和退化的因素之下，例如橋梁、建筑、管道和隧道。如未能可靠、準確地監測應變、溫度和其他物理參數，可能就無法發現故障和結構問題，從而導致災難。
在下文中，我們將為您介紹基于光纖光柵技術在結構健康監測中，所具備的優勢。
結構健康監測 - 預防故障，而非修復損壞
對于大型且造價高昂的結構，如隧道、橋梁和管道，需要對其結構完整性進行定期、具有成本效益的監測。這樣可以確保安全性和可靠性。
結構健康監測（SHM）在這里發揮了關鍵作用，因為它采取主動的維護和監測方法，而不是等發生損壞后再去修復。這種主動的方法可以節省資金并防止結構的意外故障。
但是，由于成本、不知道使用哪種傳感器和難以解釋應變數據等原因，在主要基礎設施中安裝可靠和準確的SHM需求往往被忽略。
展開 應用在心率血氧健康監測耳機中的三合一燈珠
App可將數據發送往云端，利用“云端”大數據分 析技術提供更多信息，例如血壓趨勢、呼吸頻率、心率變異性等人體健康指數。
耳朵是僅次于手指尖，毛細血管次豐富的地方，相對于手腕而言，光學式測量方案，從耳機會更容易到得到高質量的PPG信號，更有利于更高精準運動心率與血氧效果的測試。血氧飽和度（SpO2）是血液中被氧結合的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中血氧的濃度，它是呼吸循環的重要生理參數。
心率和血氧飽和度作為人體健康參數的重要指標，實時監測兩者的動態變化，能夠為預防疾病的發生提供一份科學保障。集成到耳機上，心率傳感信號接收芯片可跟蹤運動時刻，運動心率監測，靜態對脈搏波進行連續監測，波形分析，數據比對，可以實現心腦血管疾病預警功能。
信號處理電路對來自傳感器的信號進行處理，信號經過放大、濾波，得到一定幅度的信號。這個信號送入到A/D轉化電路，實現模擬到數字量的轉化，被數字化之后的信號經過單片機按照血氧算法計算后得到血氧飽和度。
人體耳廓內部有著豐富的毛細血管，由頸內動脈系統垂直沿著耳道區域運行，毛細血管系統貫穿耳屏和耳垂。而且由于耳部的皮膚相對比較薄，減少了皮膚非血液組織對光束的穩定吸收，使光強度損失較低，提高了采集信號的信噪比。
另外，佩戴耳機后，心率傳感信號接收芯片會與耳廓緊密貼合。即使人們從事各種運動時，耳朵位置也保持相對穩定。因此在這個位置采集信號抗干擾性能強，穩定度高，并且方便攜帶。
這里小編推薦一款由工采網代理一款應用在監測耳機上的臺灣旺泓心率血氧傳感芯片，又稱三合一心率血氧傳感芯片 - PE-S7018LM-WHC3IN，大部分可穿戴設備采用光電容積脈搏波描記法(PPG)來測量心率及其他生物計量指標。PPG 是一種將光照進皮膚并測量因血液流動而產生的光散射的方法。
展開 光學 | 仿真技術推動可穿戴健康監測設備領域革新
本文原刊登于Ansys.com：《Revolutionizing Wearable Health Monitors With Ansys Optics in AR/VR and Consumer Electronics》
作者：Kerry Herbert | Ansys高級產品營銷經理
編輯整理：谷晨風 | Ansys高級應用工程師
光學產品、可穿戴健康監測設備與沉浸式技術（增強現實（AR）和虛擬現實（VR）等）的交匯，正在開啟消費類電子產品創新的新時代?？纱┐?em>健康監測設備已從基本的計步器發展為能夠跟蹤心率、氧飽和度和血壓的高級設備。這些設備在我們的日常生活中越來越重要，不僅能幫助用戶掌握健康狀況，而且還可為醫療專業人員提供關鍵數據。
可穿戴健康監測設備的興起
隨著傳感器技術、微型化和人工智能（AI）集成的不斷發展，全球可穿戴健康監測設備市場預計將顯著增長。然而，這一增長，也為設計緊湊、高效且準確的設備，以及提供無縫用戶體驗帶來了挑戰，而Ansys光學產品則是應對這一挑戰的專業級解決方案。
從跟蹤關鍵健康指標到打造沉浸式醫療保健體驗，Ansys光學產品系列處于行業前沿，打造領先解決方案，將先進的仿真技術與真實應用場景相結合。
Ansys光學產品在可穿戴設備中的重要作用
光學系統是許多可穿戴健康監測設備的核心。從測量血流的光電容積描記法（PPG）傳感器到高級成像系統，光學設計的精度對于實現可靠性能至關重要。Ansys光學產品提供的強大仿真工具，可幫助工程師以卓越的精度設計，優化并驗證這些光學系統。
Ansys光學產品為可穿戴健康監測設備帶來的關鍵優勢
微型化：Ansys光學產品可幫助工程師設計緊湊型光學系統，滿足可穿戴設備流暢輕便外形的要求。
展開 健康監測VS日常應用，誰將成為智能手表未來的主旋律？
其中華米科技的新款手表是面向戶外運動群體推出的，具備多種傳感器以適應戶外環境；其余產品的定位都是時尚+健康監測。
產品價格方面，新款智能手表的價格從599元到2980元不等，兩級差價較大；佳明作為頭部品牌定價較高，新晉品牌的定價都在千元以下以吸引更廣泛的消費群體。
健康監測VS日常應用，消費者最重視誰
自從2015年蘋果上市第一代智能手表開始，智能手表市場開始沸騰，產品不斷更新，新品不斷升級，現在已經涌現出多類智能手表了。簡單來說有3類：
作為手機副屏：搭配手機使用，功能上以健康數據和運動數據收集。作為手機的衍生，主要用戶也是果粉，米粉，華為粉等。此類手表是目前市場上的主流款。
兒童智能手表：以定位，通話，視頻等，主要用戶也是小孩，老人等群體。
獨立性能較強的安卓系統智能手表：也叫安卓手表，功能上相當于一部迷你智能手機，可以安裝APP，可以插卡通話上網，同時也有運動計步、心率監測的功能。
智能手表是最具代表性的智能穿戴設備，市面上各種品牌層出不窮，無論是華為、小米還是OPPO都在陸續推出新款，搶占這個市場。但是我們在購買智能手表的時候，會關注哪一方面呢？
由于智能手表的大小限制，無論是電池續航還是性能表現方面目前來看，都還是差強人意。
展開 低成本的塑料傳感器：可用于監測人體健康狀況！
當集成到診斷設備中時，它可以快速、便宜、準確地監測健康狀況。這種新設備的設計比現有的傳感器要簡單得多，為細胞水平的健康監測提供了廣泛的新可能性。
目前，研究中采用的那些半導電塑料，正用于太陽能電池和柔性電子的開發，但是尚未廣泛應用于生物領域。
劍橋大學化學工程與生物技術系博士后研究員、論文領導作者 Anna-Maria Pappa 博士表示：“在研究中，我們已經突破了用酶作為傳感材料的傳統電化學傳感器的許多局限。在傳統生物傳感器中，傳感器電極與傳感材料之間的通信并不是很高效，所以有必要添加分子導線來‘增強’信號?！?為了開發他們的傳感器，Pappa 和她的同事們采用帝國理工大學新合成的聚合物作為分子導線，直接接收電化學反應期間產生的電子。當材料與汗液、淚液、血液產生接觸時，它會吸收離子并產生溶脹 ，變得與液體融合在一起。相比于由金屬電極制成的傳統傳感器，其靈敏度明顯高很多。
此外，當傳感器合結合更復雜的電路例如晶體管時，信號會被放大并對于代謝物濃度的微小波動作出響應，盡管設備的尺寸可以做得很小。
傳感器的初始測試是用于測量乳酸水平，這對于健康應用或者病人的術后監測很有用。然而，研究人員稱，傳感器可以經過簡單修改，包含適當的酶，來檢測其他代謝產物，例如葡萄糖或者膽固醇。而且，傳感器檢測的濃度范圍可通過改變設備的幾何形狀來調整。
價值
Pappa 表示：“這是首次采用一種接收電子的聚合物，它可以經過調整用于改善酶之間的通信，從而直接監測代謝物。在這之前，此類監測都無法直接完成。它為生物傳感領域開辟了新的方向，材料可以經過設計與特定的代謝物相互作用，帶來敏感度和選擇性都好很多的傳感器。”
因為傳感器并不是由金或鉑之類的金屬組成，所以它的制造成本相對較低，并且很容易與可拉伸的柔性基底結合到一起，從而實現可穿戴或者植入式的傳感應用。
展開 漢航Hunter Pad--基于Linux操作系統的健康狀態監測與故障診斷PHM有力工具
部分應用工況
健康狀態監測與預測及健康管理（PHM）系統已成為高端裝備、工業設備和生命支持系統“視情維修”的核心技術手段之一。通過漢航Hunter Pad對監測對象進行信號采集和數據分析，從而可實現故障的檢測、診斷、預測和管理，最終目標是實現從“計劃性維修”到“視情維修”的轉變，顯著提升各個行業的安全性、可靠性和經濟性。
1. 航空航天：
發動機健康管理：可通過Hunter Pad監測發動機的溫度、壓力、振動等關鍵參數，實時評估發動機的健康狀態，并可預測關鍵部件（如渦輪葉片）的剩余使用壽命，實現預測性維護，避免突發故障，保障飛行安全。
飛機機體健康管理：對機翼、機身等關鍵結構部位進行檢測，可判斷結構的應力、應變、裂紋和腐蝕情況。
2. 車輛交通行業：
乘用車故障診斷：采集發動機、電機、變速箱、電池（新能源汽車）、制動系統等核心部件的壓力、電壓、振動等數據，分析監測部件狀態，并提前預警。
列車運維：通過采集牽引變流系統、通風系統等關鍵核心系統的溫度、振動、電流等重要參數，實現故障預測和健康評估，能夠為故障處置提供重要依據，提升機車運行的安全性和可靠性，延長機車使用壽命。
3. 工業制造行業：
對關鍵旋轉設備開展預測性維護，能夠有效提高設備的可靠性，減少生產中斷，提高生產效率。
4. 能源電力行業
例如汽輪機、水輪機、風機、壓縮機、渦輪膨脹機、電動機和發電機、勵磁機、齒輪箱、水泵等
在能源電力等能源設施中，可使用Hunter Pad對發電機、變壓器、汽輪機、壓縮機等關鍵設備進行狀態監測和故障預測。通過監測設備的振動、溫度、電氣參數等，及時發現潛在故障隱患，提前安排維修，保障電力供應的穩定性。
5. 大型建筑設施
大型橋梁的健康監測中，由于橋梁結構復雜、監測點眾多，需要對橋梁的不同部位進行同步監測。
展開 來看看用五年的健康監測數據可以得出哪些成果
今天讀到一篇博士論文，華南理工大學李英華博士的《基于長期健康監測的連續剛構梁橋的性能分析與演化規律研究》，挺有收獲，與朋友們分享。
通過傳感器系統，對橋梁結構進行量測，在施工期間叫施工監控，包括實時監測和線形控制，目標在控制；施工完成，在運營期間通過傳感器采集數據，這就是健康監測了。碰巧的是，這兩個活兒，我都接觸過。我的體會是，施工監控因為有線形這個指標的存在，為了在合龍以及成橋驗收的時候不丟人，平時干活就不能掉鏈子。
至于健康監測嘛，我是真見過糊弄的，要么是采集數據的時間間隔太久，要么就是人到現場的時候發現傳感器的線都被剪斷了。。。
李博士的這篇論文提到，他用了肇慶西江大橋的五年健康監測數據——這是我見過文獻中數據量最大的了！
就是這座公路橋，希望我沒有找錯圖。。。
和許多同類項目一樣，健康監測是作為施工監控的延續存在的，因此傳感器的選擇和布置也具有共用的特點
這個項目中，采用的是常見的，帶有測溫功能的應變計和溫度傳感器。
量測方法分兩種，應變采用傳統的逐點測量方法進行，溫度數據則通過無線遠程傳輸方式到計算機上。
用常規設備+長時間的觀測可以得到最有益的結論是什么呢？我覺得是加深了對作用的認識。
無論是監控還是監測，一個盡可能接近橋梁實際情況的有限元計算模型都是必要的。
在常見的短期控制與檢測過程中，能夠通過現場搜集的，可以改善模型計算精度的數據，包括材料強度、彈性模量等基本屬性，以及結構尺寸偏差、施工影響因素等。但對于“作用”，尤其是橋梁在運營期間的可變作用，往往由于數據不足而只好直接使用規范規定或經驗值，這顯然是和實際情況有很大差異的。
李博士在他的論文中，給出了兩方面的參考：
溫度代表值的確定
剛構橋受溫度的影響非常顯著，由一年中的季節、一天中不同時刻日光照射造成的溫差，都會使橋梁內部產生溫度應力的重分布，甚至導致混凝土開裂。
展開 
Mater：將傳感纖維編織成電化學織物進行實時健康監測
【引言】
可穿戴傳感技術已經在生物醫學領域中獲得越來越多的關注，因為它們可以通過實時檢測各種生理信號來有效地監測健康狀況。傳感部件通常制成薄膜，以不同的傳感材料作為不同位置的功能單元，保證高度靈活性。然而，薄膜傳感器在使用過程中容易破裂，因為它不能適應柔軟或不規則的身體表面。此外，它們既不透氣也不舒適，而舒適性和透氣性是可穿戴電子產品非常需要的。上述困難在很大程度上限制了可穿戴傳感器的進一步發展。另外，織物傳感器需要長期使用而不會給使用者帶來不適，并且可以在實際應用中大規模制造。然而，目前還沒有這種集成的織物傳感器。
【成果簡介】
近日，在復旦大學彭慧勝教授（通訊作者）團隊的帶領下，展示了集成電化學織物作為一種有前途的可穿戴平臺，通過編織不同類型的傳感纖維實時健康監測。通過將活性材料涂覆到碳納米管（CNT）纖維上以形成同軸結構來構造傳感纖維。測試了幾種代表性生理信號（例如，葡萄糖、Na+、K+、Ca2+和pH）以證明新型織物傳感器的有效性。由此產生的集成織物在重復變形（包括彎曲和扭曲）下保持結構完整性和檢測能力。它們顯示了實時監測人體健康狀況的能力，具有高效性。相關成果以題為“Weaving Sensing Fibers into Electrochemical Fabric for Real-Time Health Monitoring”發表在了Adv. Funct. Mater上。
展開 西南交大周紹兵《JMCA》鹽響應,三重形狀記憶,兩性導電自愈自粘超分子水凝膠可穿戴設備監測人體健康
因此，這種多功能水凝膠可以成為精確，方便地監測人體健康的良好選擇。
【文圖解析】
3.1 聚兩性電解質水凝膠的合成
首先合成了UM的物理交聯劑，并通過FTIR和1H NMR對其進行了表征。P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM）水凝膠是通過陽離子單體DMAEA-Q，陰離子單體NaSS和UM的物理交聯劑的一步共聚反應合成的（圖1a）。在該水凝膠中，陽離子基團和陰離子基團可以形成多個離子鍵。由于無規共聚作用，水凝膠通過鏈間和鏈內復合作用而在水凝膠中存在強度不同的離子鍵。聚兩性電解質水凝膠P（NaSS-co-DMAEA-Q）的無規結構通過1H NMR反應動力學研究得到證實。該聚合過程導致網絡結構的不均勻性。因此，在透析過程中，富含NaSS的鏈段（在聚合開始時形成）和富含DMAEA-Q的鏈段（在聚合結束時形成）將形成強離子絡合物結構，而其他部分導致弱離子絡合物。此外，物理交聯劑UM可以在水凝膠中形成穩定的氫鍵（圖1e）。因此，該兩性電解質水凝膠可能具有鹽響應性的三重SME，其中穩定的氫鍵保持穩定并充當永久交聯網絡，而強和弱的離子鍵可以在各種濃度的鹽溶液中被破壞并充當可逆的交聯網絡。水凝膠在高濃度鹽溶液（I型）中顯示其原始形狀，在低濃度鹽溶液（II型）中顯示一個臨時形狀，而在去離子水中則顯示III型（圖1e）。
圖1由P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM）的多兩性電解質組成的三重SMH的示意圖。
3.2水凝膠形貌結構
在P（NaSS-co-DMAEA-Q-co-UM）水凝膠的制備過程中，總離子單體濃度為2.0 M，相對于總單體濃度，水凝膠的UM濃度為0-10 mol％。共聚后，獲得了渾濁或透明的均勻水凝膠相（圖2a）。FTIR檢測到了水凝膠的化學結構，如圖2b所示。
展開 結構變形監測與三維實時渲染技術
綜合來看，未來一定是要有自己的采集模塊、渲染模塊、求解器模塊，以提升結構試驗的整體水平。
我們團隊的技術基礎
本團隊長期從事結構試驗、復合材料力學、CAE仿真、人工智能、工業軟件（含工業軟件）開發，能夠獨立完成數據采集、數據庫、有限元求解器、材料本構、圖像識別、軟件平臺的開發。
什么是工作模態OMA？
EMA需要同時測量激勵和響應，而OMA無須測量激勵或激勵無法測量得到，因而，OMA在激勵力無法測量的情況下具有獨特的優勢，可將“振動試驗”簡化為“響應測量”，可用于機械狀態監測與結構健康監測等方面。
1.為什么要進行OMA分析
傳統的實驗模態分析EMA通常在實驗室中進行測量分析，結構處于靜止狀態，通過使用額外的激勵設備，如力錘或激勵器等，去激勵結構以便使結構產生想要的響應。但當待測結構處于實際工作狀態時，一方面傳統的激勵方式變得困難，不易實現；另一方面，結構的行為也不同于實驗狀態。
結構處于工作狀態時，可能存在以下情況：1）結構出現非線性：非線性包括幾何非線性、邊界條件非線性和材料非線性等方面；2）確定結構的非線性，如飛行器在不同的飛行條件下需確定其非線性；3）在真實載荷作用下，結構會發生變化，如引起幾何變形從而引起剛度變化等；4）葉片渦動引起剛度變化；5）結構與氣動彈性力的相互作用，如顫振；6）處于工作狀態的結構受到支撐系統預載荷的作用；7）受環境因素的影響，如溫度、濕度的變化；8）受風載的影響；9）激勵力無法測量，如土木工程結構（橋梁、運動場館、大壩等）、運轉的設備等；10）結構健康監測與損傷檢測；11）環境試驗等等。
處于運行狀態下的結構會產生相應的響應，如果這時仍采用傳統的實驗模態進行測試（假設易于激勵）：使用額外的激勵設備對結構進行激勵，那么響應將是運行下的響應與額外激勵設備產生的響應的疊加，由于響應不是當前可測量的激勵引起的，那么相干將很差。
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