包括建筑物和橋梁在內的土木基礎設施的完整性對于公共安全和經濟穩定至關重要。這些結構面臨著多種威脅，從環境因素到動態載荷，均可能導致裂縫、沉降和滑移等損傷現象。因此，對這些結構的關鍵參數進行實時監測與評估，對于判斷其健康狀態并預防事故發生具有重要意義。結構健康監測（SHM）系統已成為實現這一目標的關鍵工具，能夠檢測結構退化的早期跡象，并量化其對外界各類激勵的響應。
先進傳感器技術的發展，尤其是微機電系統（MEMS）技術——例如柔性敏感材料、電容式傳感器以及磁力計——標志著結構健康監測領域的重大進步。其中，與MEMS工藝兼容的磁敏材料，包括各向異性磁阻（AMR）、巨磁阻（GMR）和隧道磁阻（TMR）材料，具備低成本、微型化、非侵入式的位移、形變和姿態測量能力，并具有在不顯著影響結構正常運行情況下實現大規模部署的潛力。在過去二十年中，這類傳感器已被廣泛應用于無損結構健康監測、生物醫學、機器人以及航空航天等領域。
據麥姆斯咨詢報道，近日，由清華大學、中南大學的研究人員組成的團隊提出了一種基于TMR效應的高精度無線位移監測微系統（圖1），用于結構健康監測。該系統克服了傳統結構健康監測方法的局限性，實現了高精度、智能化和輕量化的測量。研究團隊建立了磁場-位移解析模型，并對其線性量程進行了優化。針對磁場衰減引起的測量誤差，設計了一種自適應靈敏度校正方法，從而避免了繁瑣的磁場數值擬合處理。通過與激光測距結果對比驗證了系統的精度與穩定性：在±7.5?mm測量范圍內具有高精度，分辨率達到0.4?μm，長期工作精度優于2.25?μm。核心系統體積小于3.84?cm3，制造成本低，適合在各類基礎設施中大規模部署。與該領域現有先進方法相比，該技術在精度、成本、尺寸和功耗方面均具有優勢。在混凝土變形監測、裂縫寬度變化監測以及橋梁端部滑移變形監測等實際應用中，該系統均展現出良好的多功能性和有效性。在為期39天的實際橋梁測試中也驗證了其長期自主運行的穩定性能，使其成為提升基礎設施維護與安全性的有力工具。上述研究成果以“High-precision wireless displacement monitoring microsystem based on TMR effect for structural health monitoring”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
圖1 基于TMR磁傳感器的無線位移監測微系統
理論模型與優化
本文所提出的測量方法的基本原理如圖2所示。首先，研究人員建立了完整的磁場解析模型。在永磁體中心軸附近，某一方向上的磁場強度與該方向上的位移呈線性關系。利用這一特性，可以根據傳感器測得的磁場強度來計算TMR磁傳感器相對于永磁體的位移。
圖2 測量方法的基本原理
接著，研究人員利用有限元模擬（FES）軟件COMSOL，驗證了所建立的基于分子電流環模型的磁場解析模型的正確性。
為測量并減小線性化帶來的誤差，研究人員將磁場解析結果對傳感系統參數進一步優化，包括永磁體的長度a、寬度b和高度h，以及TMR磁傳感器與永磁體端面之間的間隙g。
系統配置與集成
根據中國建筑與橋梁結構位移監測國家標準及現有結構健康監測研究，本研究設計的位移監測系統應具有15?mm的量程以及優于0.1?mm的分辨率。經過上述分析，最終確定了永磁體的參數。在1%最大誤差準則（MEC）和0.5%平均誤差準則（AEC）的控制條件下，當間隙g為19.35?mm時，可獲得最大允許線性區間（ALR）為25.35?mm。在所有商用TMR器件中，博世（Bosch）BMM350由于其低功耗和高分辨率而成為有力候選器件，并且具有優異的溫度特性和極低的溫度系數。BMM350的分辨率為0.1?μT，所提出的位移測量方法的最高分辨率可達到0.4?μm，且零點漂移不超過±8?μm。
為實現無人值守條件下位移的長期、自主和智能化監測，研究人員將所選的TMR磁傳感器與處理、通信和供電等功能模塊集成到一個微系統中（圖3a）。此外，他們還設計了一款移動應用程序，可無線接收并實時可視化位移數據（圖3b）。
圖3 系統的整體配置
盡管通過理論計算已獲得磁場強度與位移之間的轉換靈敏度，但在實際應用中，永磁體的磁化強度會受到制造工藝、環境溫度以及磁性能衰減等因素的影響，因此難以保持恒定。另一方面，永磁體與TMR磁傳感器之間的間距g在安裝過程中也會存在誤差，因此需要對靈敏度進行自適應調整（圖3d）。所設計的導軌帶有用于確定系統線性工作區間的槽結構。在系統安裝固定之前，可進入靈敏度標定環節：將永磁體基座滑塊移動至槽的兩端位置（圖3e），記錄磁場強度的極值，并根據該極值計算校正后的靈敏度。最終得到的靈敏度為249.7?±?0.9?μT/mm。
性能表征與應用
研究人員將所提出的基于TMR的高精度位移測量系統與公認具有優異位移測量性能的激光測距方法進行了對比，如圖4所示。當將激光測距結果作為真實位移時，本系統位移測量結果的誤差如圖4b所示。在相同的條件下，對所提出的系統與配備霍爾效應傳感器和AMR傳感器的位移監測系統進行了測試，并分析了其長期工作穩定性及漂移速度。結果表明，在功耗、噪聲標準偏差、位移漂移速度以及最大位移偏差方面，TMR磁傳感器均優于其它類型的磁力計（圖4c）。
圖4 高精度位移監測微系統的性能表征
該系統已被成功應用于多種結構健康監測場景，包括混凝土結構變形監測、裂縫寬度變化跟蹤以及橋梁端部滑移檢測，如圖5所示。
圖5 高精度位移監測微系統的應用演示
此外，在鄭州新鄉黃河大橋為期39天的現場部署中，該系統在惡劣環境條件下實現了自主運行，持續跟蹤由熱引起的每日位移波動，并識別出異常結構響應（圖6）。結果表明，該系統能夠區分環境因素與動態載荷效應，從而提升可解釋性和可操作的維護決策。
圖6 位移監測微系統在實際橋梁中的應用
小結
基于TMR傳感效應，本研究完成了磁場-位移關系線性區間的建模與優化，設計了一種垂直堆疊集成的微系統，并在高精度結構位移監測方面取得了突破性進展。
通過性能表征驗證了所設計系統的分辨率達到0.4?μm，誤差小于1%，測量精度為2.25?μm。將本研究與其他結構位移監測領域的先進技術進行對比，可以發現所提出的系統在實現最佳測量性能的同時，其成本、尺寸和功耗均顯著低于其它解決方案。
綜上，本研究為一種可擴展的、高精度的基于TMR磁傳感器的位移監測系統提供了理論基礎與實驗依據，適用于長期結構健康監測。該系統將緊湊的微型化結構、魯棒的信號校準方法與可靠的無線通信相結合，使其能夠高度適配多種基礎設施應用場景。未來工作將進一步探索多軸位移監測，并與其他結構健康監測技術手段集成，以進一步提升結構診斷能力。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-025-01090-3
《TMR磁傳感器技術與成本對比分析》
《MEMS產業現狀-2025版》
《下一代MEMS技術及市場-2025版》
《量子傳感器技術及市場-2026版》
《傳感器技術及市場-2026版》
《電流傳感器產品對比分析》
