多隧道温室相对结构响应监测中非调零应变片传感工作流的现场验证

《Computers and Electronics in Agriculture》：Field validation of a strain-gauge sensing workflow for relative structural-response monitoring in a multi-tunnel greenhouse

　　

非调零应变片提供了可解释的温室相对响应。传感器位置强烈影响框架内的应变响应模式。热效应和辐射效应主导了许多温室应变信号。夜间风速下降引发了局部外墙杆件的响应。该工作流支持长期温室传感器数据监测。

保护地作物生产依赖于刻意轻量化的温室结构，这些结构在最大化透光和跨距的同时，也使其对风、雪、温度等环境作用高度敏感。既有的温室工程研究和欧洲设计规范均强调，需要结合实际结构类型和局地气候作用来评估温室性能。然而，传统数值模拟、计算流体动力学和风洞试验不可避免地简化了现场因素，如半刚性节点、支撑条件、局部构件相互作用以及热-力耦合。因此，同步获取结构和环境实测数据对于解释温室在真实运行条件下的响应至关重要。

结构监测能够直接测量结构响应，但将应变片安装在没有已知无载参考条件的既有温室时，信号只能被解释为相对变化。现有研究在监测时长、结构类型、传感器布局和环境同步方面仍有局限。该研究的目的不是推断绝对应力、疲劳损伤或剩余承载力，而是建立一种可复现的工作流，将高频应变记录和环境传感器数据转换为可解释的相对应变指标。研究人员在西班牙Almeria大学-ANECOOP基金会实验农场的U11温室（三跨，每跨8 m宽、45 m长，总覆盖面积1080 m2）进行现场验证，监测周期为5天（2024年3月27日至31日）。研究结论显示，传感器位置强烈影响应变响应模式；热和辐射效应主导了多数应变信号；一次夜间风速下降在两个外墙竖向杆件上产生了方向相反的局部响应；该工作流支持长期监测。论文发表在《Computers and Electronics in Agriculture》。

关键技术方法方面：研究人员在U11温室一个中间结构框架上部署了0°/45°/90°矩形应变花、90°T型应变花、±45°剪切/扭转应变片和线性应变片，以20 Hz采集应变信号；邻近气象站记录风速、风向、外部及内部空气温度、相对湿度（RH）和太阳辐射。数据处理包括：将20 Hz数据重采样为1分钟均值，按UTC时间与环境数据同步；以初始监测状态前10分钟的中位数作为基线，生成初始状态参考的相对应变；通过数据完整度、稳健动态范围（P95–P5）以及与太阳辐射、内部气温和风速平方（v²）的Pearson相关分析进行信号筛选和描述。整个流程未进行绝对应变或应力计算。

结果部分：
3.1 验证活动与环境条件：验证期覆盖了变化的风、热、辐射和湿度条件，风速最高达19.1 m s^?1，主导风向为西风。同步后每个测点保留7124条1分钟记录，覆盖率99.8%。
3.2 位置相关的相对应变响应：共分析22个应变信号，包括4个支柱、6个水平构件、8个竖向杆件和4个拱。结果显示构件响应并不形成单一均匀模式，例如南东外侧竖杆V1与西北外侧竖杆V9呈现相反的相对应变历史；拱和水平构件也表现出类似的位置依赖性。
3.3 热与风相关应变关联：将每个应变信号与太阳辐射、内部气温和v²计算Pearson相关。发现多数信号与热指标（内部气温、太阳辐射）关联较强，内部气温与太阳辐射本身高度相关（r=+0.93），表明二者为耦合热作用。如H11与内部气温r=+0.97，而P3、H10、V3则呈强负相关（r=-0.96、-0.95、-0.96）。
3.4 选定结构构件的内部温度相关响应：选取支柱（P3、P1）、水平构件（H11、H10）、竖向杆件（V3、V2）和拱（A4、A2）各两个测点，与内部气温对比。结果显示温度相关分量强但符号因位置而异：H11、V2、A4随温度上升而增大，P3、P1、H10、V3、A2则减小，排除了统一共模偏移的可能性。由于没有直接测量构件温度，无法区分结构热变形与应变片温度效应。
3.5 夜间事件相关的应变变化：选择3月27-28日夜间，该时段太阳辐射为零，内部气温中位数在事件前后仅变化0.1 °C，风速中位数从13.20 m s^?1降至9.55 m s^?1，风向均为西风。对比事件前后，V1增加315 μm m^?1，V9减少176 μm m^?1，其余测点变化远小于此（H8 +21 μm m^?1、H11 +14 μm m^?1、H3 +12 μm m^?1、P1 +9 μm m^?1）。这表明局部外墙竖杆对风速下降有响应，但单一事件不能确立因果联系。
3.6 对基于传感器的温室结构监测的意义：该工作流将非调零应变测量转化为可解释的相对响应证据，并强调传感器位置、基线和环境作用必须显式处理。分布式监测可作为未来温室结构模型的现场验证层，但受初始状态参考限制，不能直接用于绝对应力或承载力评估。

讨论部分总结了主要局限：5天验证期较短、仅监测单个框架、夜间事件唯一、主导风向范围窄、缺乏已知无载零应变状态、无冗余测点和构件温度测量。未来需要延长监测、纳入更多风向、实施热补偿，并将测量结果与结构模型、构件温度测量和数据驱动决策支持工具集成。

结论部分翻译：该研究展示了基于应变片的传感器数据工作流在全尺寸多隧道温室中进行相对结构响应监测的现场验证。主要贡献不是应变片的部署，而是演示了一种可复现的工作流，将非调零现场测量解释为环境关联的相对结构响应指标。系统结合了高频应变采集与环境记录，使不同构件在真实条件下的响应得以比较。由于应变片未在已知无载状态下调零，分析限于以初始状态为参考的相对应变变化。五天的验证表明，传感器位置与信号模式密切相关，多个竖向杆件和拱测点出现相反的相对应变历史；若干测点表现出与内部气温和太阳辐射相关的强慢变分量。持续应变监测能够提供有用的现场证据，但必须明确考虑基线定义、传感器位置和环境耦合。未来需要更长的监测周期、更多风向、热补偿以及结构模型集成，才能从相对解释转向结构利用率或安全评估。