基于光子晶体的力致变色传感器在混凝土、砌体与木构件上的附着与视觉观测：初步试验评价

《Buildings》：Attachment and Visual Observation of a Photonic Crystal-Based Mechanochromic Sensor on Concrete, Masonry, and Timber Components: A Preliminary Experimental Evaluation

　　

建筑构件的裂缝监测需要能够适应不同表面条件并保持一致观测条件的传感方法。这项初步研究考察了一种基于光子晶体的力致变色传感器在混凝土、砌体及木构件视觉裂缝监测中的应用。结合表面条件和裂缝行为，研究了附着与观测特性。在混凝土T形梁中，随着裂缝发展，传感器颜色趋于由蓝色向绿色色调变化，并在剪切破坏阶段发生脱离。对于砌体，考虑砖与砂浆接缝之间的表面不平整，选择了附着位置和方法，并通过安装在传感器附近的裂缝计观测裂缝发展。对于木材，观察到不规则的裂缝路径和直接附着的困难，采用夹紧框架约束传感器的位移和转动。开发了一种测量装置，以在重复成像过程中保持传感器、相机和光源的相对位置。基于这些观测，提出了用于重复视觉裂缝监测的附着和图像采集程序。初步实现了远程图像采集功能，并提出了一种集成长期演进（Long-Term Evolution，LTE）和独立电源的架构，以支持未来向实际应用扩展。

建筑结构构件中的裂缝可能源于材料体积变化、外荷载变形和长期劣化；在钢筋混凝土中，裂缝会促进氯离子、水分和氧气渗入，加速钢筋锈蚀并降低耐久性。因此，除了检测裂缝，还需要在同一位置重复监测其发展。现有技术包括应变片、位移计、电容式传感器、分布式光纤传感器和基于图像的方法等，但已有研究对结构构件应用中的表面条件、裂缝扩展、传感器附着和观测条件考虑仍不充分。力致变色传感器（mechanochromic sensor）能将机械变形转换为可见颜色变化，但要应用于实际构件，附着方法需既保持稳定，又将裂缝引起的变形有效传递到传感器。为此，研究人员将基于光子晶体（photonic crystal）的力致变色传感器应用于混凝土、砌体与木构件，考察不同表面条件和裂缝行为下的附着与观测特性，提出了安装和图像采集注意事项，并研制了保持观测条件的测量装置；这些工作为不同材料表面条件下的裂缝重复视觉监测提供了初步依据。

主要技术方法包括：在混凝土T形梁、砌体墙、木梁以及木材单轴拉伸试件上开展试验；传感器两端固定、中部为自由感应区，混凝土采用胶粘附着，砌体在砖表面胶粘并辅以机械夹紧，木材采用框架夹紧以约束位移和转动。为维持重复成像条件，研究人员用固定夹具和遮光外壳制作测量装置，设定成像距离75 mm、视角40°–50°、光源角度40°。还提出集成图像采集、长期演进（Long-Term Evolution，LTE）通信和太阳能独立供电的远程监测架构，并在预开裂混凝土试件上进行了约两个月的初步室外观测。

3.1 不同材料中的传感器附着与颜色变化
通过对混凝土T形梁的加载试验观察到，安装在初始剪切裂缝处的传感器在后续裂缝发展中颜色由蓝趋向绿色，并在剪切破坏阶段从混凝土表面脱离。对砌体墙的试验中，研究人员考虑砖与砂浆接缝之间的表面高差，将传感器跨过接缝并固定在相邻砖面上，同时安装裂缝计（crack gauge），获得了裂缝发展过程的图像。对木材的单轴拉伸和梁弯曲试验显示，裂缝路径受木纹方向影响但在局部不规则；表面粗糙、隆起木纤维以及测试中产生的碎屑和树脂导致附着不稳定，即使采用夹紧框架，传感器颜色变化仍难以一致识别。

3.2 应用注意事项与测量装置
不同材料的应用需考虑各自的表面与裂缝特征以及一致成像条件。研究人员用固定夹具和遮光外壳制成测量装置，保持传感器、光源和相机相对位置。在此基础上提出远程监测概念架构：手机拍摄的图像经LTE路由器传输至远程服务器，太阳能电池板通过最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制器为电池充电，再经直流–直流（DC–DC）转换器为发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）光源、手机和LTE路由器供电。初步室外约两个月观测中，预开裂混凝土试件上的传感器出现逐渐的颜色变化和形状变化；初始远程相机控制和图像传输功能已实现。

讨论部分指出，传感器颜色变化反映跨越裂缝传递到传感器的变形。传感器长度变化近似由裂缝开口、切向滑移、传感器相对裂缝法线的夹角以及附着区滑移决定；对相同的长度变化，平均传感器应变随有效标距（L_g）增大而减小，因此附着方式必须考虑变形传递。混凝土在临近破坏时的大变形可导致传感器脱离，砌体接缝表面高差影响附着，木材表面不规则和裂缝路径变化使稳定附着困难。测量方面，光子晶体结构色受变形、光照条件和观测几何影响，需保持传感器、相机和光源的相对位置，并在将颜色变化与裂缝变形关联前确认传感器位置和附着状态。该方法主要适用于可接近的表面裂缝；传感器与相机功能互补，但相对纯相机方法的比较精度尚未建立。未来需通过重复试验评估灵敏度、分辨率、量程、可重复性和不确定性等。

研究结论为：本研究将基于光子晶体的力致变色传感器应用于混凝土、砌体与木构件，考察了不同表面和裂缝条件下的附着与观测。记录的案例识别出混凝土中的附着与脱离、砌体接缝周围的安装考量、木材中基于框架的定位和不规则裂缝路径。据此提出了附着与图像采集注意事项，并开发了保持传感器、相机和光源相对位置的测量装置。主要发现包括：传感器附着应适应各材料表面条件；混凝土梁中传感器随裂缝发展由蓝变绿，并在剪切破坏时脱离；砌体中传感器与裂缝计安装在砂浆接缝附近；木材中不规则裂缝路径限制了断裂时颜色变化的清晰识别。颜色变化与裂缝变形的关系取决于传递到传感器的变形，传感器长度变化受裂缝开口、传感器相对裂缝取向、切向滑移和附着滑移影响。一致测量需要保持相对位置，并确认传感器位置和附着状态。所提程序主要适用于可接近的表面裂缝；对既有裂缝，可记录安装时的裂缝宽度和传感器图像作为基线。此外，提出了集成图像采集、LTE通信和太阳能供电的远程监测概念架构；初步室外观测显示逐渐的颜色和形状变化，并实现了初始远程相机控制和图像传输功能。