מבוא ל-Samig Grating Sensing in Structural Engineering

סיבי Bragg Grating (FBG) טרנסנפורמטיבי הפכו לטכנולוגיה אבן הפינה ניטור בריאות מבני (SHM), המציעה למהנדסים יכולת חסרת תקדים לעקוב אחר מצב תשתיות קריטיות בזמן אמת, בניגוד לאמדנים חשמליים קונבנציונליים או חיישנים אדזואלקטריים, FBG Transducers לפעול באופן אופטי בלבד, תוך שימוש במשמרת הגל של אור משתקף למדידה, טמפרטורה, לחץ, פרמטרים מכניים אחרים, אשר אינם חדירים להפרעות אלקטרומגנטיות, ומתפתחים, ומתפתחים את רמת יכולת גבוהה של פעילות גופנית, ומתפתחים, ומתפתחים, ומתפתחים, ל-FB, ומתפתחים, ומתפתחים, מגבירים את רמת רגישות גבוהה, מגבירים, ומתפתחים, מגבירים את רמת אבטחה גבוהה, ממשיכה את רמת אבטחה גבוהה, ומתפתחים את רמת יכולת פיתוח גבוהה, ומתפתחים, ומתפתחים את רמת אבטחה גבוהה, ומתפתחים, ומתפתחים את רמת יכולת פיתוח של כוח המשיכה את רמת יכולת פיתוח של כוח המשיכה את רמת הבטיחות של כוח המשיכה את רמת יכולת פיתוח גבוהה של כוח האדם, ומתפתחת משאבי FBG, ומתפתחת פונקציות אבטחה גבוהה של אנרגיה גלובלית, ומתפתחת משאבי FB, ממשיכה להפחית את רמת יכולת פיתוח גבוהה,

מאמר זה מספק סקירה מקיפה של איך FBG transducers מוחל בהנדסה מבנית.אנחנו לבחון את הפיזיקה הבסיסית, שיטות התקנה טיפוסיות, יתרונות מפתח ומגבלות, ומחקרי מקרה בעולם האמיתי.We גם לדון מגמות מתפתחות כגון חישה וסיבים אופטיים מבוזרים ואינטגרציה עם פלטפורמות תאום דיגיטליות, המציעים פרספקטיבה צופה קדימה על המגרש.

כיצד סיבים Bragg Grating Transducers Work

חיישן FBG מורכב מקטע קצר של סיבים אופטיים שטופלו באור אולטרה סגול כדי ליצור וריאציות תקופתיות באינדקס השביר של הליבה.מבנה זה פועל כמו מראה אורכי גל באורך גל: כאשר מקור אור רחב-ספקטרום רחב (בדרך כלל מדלקת לייזר סחף או superluminecent diode) הושק לתוך הסיבים, FBG משקף אור רחב של גל רחב-כחול ניתן על ידי Bragg אור בהיר.

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) כאשר ה-FLT:0) ,(ה) ,(ה) ,(ה) הוא מדד השבירה היעיל של הליבה הסיבים ו- 0.1:2 ⁇ FLT 3: הוא התקופה המחוספסת.כאשר הסיבים נמצאים בזנים אקסקליים או שינוי טמפרטורה, הן יכולות להיות ממושכות של 1DV-FLT:5 ו-FLT 7, ו-FLT, ו-FLT 7, ו-S, אשר ניתן להבחין ברזולוציה גבוהה עם שינוי בטמפרטורה גבוהה יותר (אומטיל-C).

מכיוון שכל FBG יכול להיות מוטבע עם תקופה ייחודית של סיפוק, חיישנים מרובים ניתן לייחס לאורך סיבים אופטיים יחיד, כל אחד מהם משקף אורך גל ייחודי.זה מספר רב של מולטימדיה (WDM) יכולות לאפשר עשרות נקודות מדידה להיות במעקב באמצעות כבל יחיד, מפשט באופן דרמטי קלינג ונתונים בהשוואה לחיישנים חשמליים דיסקרטיים.

יתרונות מרכזיים של FBG Transducers Over Conventional Sensors

אימוץ טכנולוגיית FBG בהנדסה מבנית מונע על ידי מספר יתרונות נפרדים:

  • (FLT:0) חסינות אלקטרונית: FLT:1 כי חיישני FBG הם דיאלקטרי להסתמך רק על אור, הם לחלוטין לא מושפעים מהתערבות אלקטרומגנטית (EMI) מקווי חשמל, משדרי רדיו, ברק או ציוד חשמלי סמוך.זה הופך אותם אידיאליים לניטור בתת-תתתתתתת, מסדרונות רכבת, וסביבות תעשייתיות שבהן רעש חשמל קונבנציונאלי חיישנים קונבנציונליים.
  • (FLT:0) רגישות ודיוק: 1FLT:1 חוקרי FBG מסחריים באופן שגרתי להשיג החלטות מתוחות של 1 ⁇ או טוב יותר, עם החלטות טמפרטורה מתחת 0.1 מעלות צלזיוס.
  • (FLT:0) יציבות לטווח ארוך ויציבות: סיבי סיליקה 1 (Syllica) עמידים בפני קורוזיה והתקפה כימית. חיישנים FBG הפגינו פעולה יציבה במשך עשרות שנים בסביבה קשה, כולל תת-קרקעית, תת-קרקעית ויישומים עתירי-טמפרטורה גבוהים.
  • (FLT:0)Multiplexing and divided ensing:FLT 1:1 סיבים אופטיים יחיד יכול לשאת עשרות עד מאות חיישנים FBG, כל אחד במיקום ידוע, צמצום המורכבות של חיפוש ורכישת נתונים.עבור המדידות מבוזרות באמת (מעקב עקבי לאורך כל אורך הסיבים), טכניקות כגון Brillouin או Rayleighing יכול להיות משולב עם נקודות FBG.
  • גודל קטן ומשקל אור: FLT:1 קוטר הסיבים הוא בדרך כלל 125-250 מיקרומטר, המאפשר חיישני FBG להיות מוטבע בתוך חומרים מורכבים, בטון או פלדה מבלי לשנות באופן משמעותי את ההתנהגות המבנית.
  • (FLT:0) תפעול ובטיחות: FLT:1ir לא נדרש חשמל במיקום החיישן, מה שהופך את FBG בטוח באופן מהותי לשימוש באטמוספירה נפץ (למשל, מתקני נפט וגז, מכרות פחם).

יישומים בהנדסת מבנים

גשר

גשרים הם בין המבנים המבודקים ביותר בהנדסה אזרחית, וחיישנים FBG כבר פרוסים במאות פרויקטים ברחבי העולם.מתקנים אופייניים כרוכים הצמדה או הטמעת מדדי FBG על גורדינים, כבלים, קשת צלעות, ופערים.החיישנים מודדים עומסי חיים מתנועה, מתחמי חום ממחזורי טמפרטורה דיאוראליים ועונה, וארוכים לטווח ארוך או מזהים רגיעה על ידי ריצוף, יכולים להשוות בין מתחמיים קונקרטיים או לזהות התנחלויות.

לדוגמה, גשר I-35W St. Anthony Falls במיניאפוליס (שנבנה לאחר קריסת 2007) משלב מערכת ניטור מקיפה FBG. מעל 500 חיישני FBG מוטבעים בגימי הקופסאות הבטון וטרונים לאחר חתונות, המספקים נתונים בזמן אמת על תגובה מבנית.המערכת זיהתה בהצלחה דפוסי עומס יוצאי דופן והפעלה.

מעבר לזן, FBG יכול למדוד עקירה בעקיפין באמצעות מנגנונים מקבילים. Tiltmeters ו extensometers המבוססים על טכנולוגיית FBG לאפשר ניטור של סיבובי גשר ותנועות משותפות.שילוב של סוגי חיישן מרובים מספק תמונה מקיפה של בריאות גשר.

בניית מעקב בריאותי

בבניינים גבוהים, חיישני FBG מותקנים במהלך הבנייה כדי לעקוב אחר עומסים על עמודות, קירות ליבה וערימות יסוד. במהלך החיים של המבנה, הם לפקח על התיישבות, מצמרר בטון, ותנועה שונה בין אלמנטים מבניים. באזורי סיסמי, FBG מערך יכול להקליט תגובה בנייה במהלך רעידות אדמה, עוזר להעריך נזק ופוסט-אפילו בדיקות. 2008 Sian in the Seaan in the skyters in the חיישנים חדשים של פיקוח FBG.

מבנים היסטוריים גם נהנים מטכנולוגיית FBG. כי החיישנים הם פולשניים מינימלית, הם יכולים לדבוק באבן, מנדרי או משטחי עץ כדי לפקח על ההרחבה הפצירה והלחות המושרה. לדוגמה, מגדל הליטנינג של פיזה היה מוכל עם זנים FBG במהלך פרויקט הייצוב שלה כדי לאמת כי אמצעים נכונים לא גרמו ללחץ מזיק.

דמים ומבנה הידרוקולי

דמים מציגים אתגרים ייחודיים למעקב בשל גודלם העצום, עומסי לחץ מים, וחיי חיים תפעוליים ארוכים. חיישני FBG מוטבעים בסכרי כבידה קונקרטיים וסכרי קשת כדי למדוד זנים פנימיים, ⁇ טמפרטורה, ולחצים מרומם. הם יכולים להיות מותקנים במשמטים כדי לפקח על עיוות הבסיס.היכולת לחיישנים רבים לאורך סיבים בודדים היא בעלת ערך במיוחד בסכרים, שם כבלה קשה ופרקט הם עוקבים של שלוש פעימות לב של רשת עיגולים רציפה של כדור הארץ.

מנהרות ומבנה המחתרת

חיישני FBG משמשים לפקח על כריות מנהרה במהלך החפירה ומבצע.הם מזהים התכנסות, מתחים מתפתלים, ושינויים בלחץ הקרקע.במנהרות המונעות על ידי מגן, מדדי FBG לעתים קרובות מחולקים לציפויים פלח. לדוגמה, מנהרת הבסיס של גוטהרד בשווייץ הפעילה חיישנים FBG כדי לפקח על התנהגות הציפוי והמסה הסובבת במהלך הבנייה.

במכרות תת-קרקעיות, חיישני FBG עוקבים אחר יציבות הגג ועומסי תמיכה.בטיחות הפנימית שלהם (ללא סיכון ניצוץ חשמלי) הופכת אותם אידיאליים עבור מכרות פחם שבו גז מתאן עשוי להיות נוכח.

Offshore and Marine Structures

פלטפורמות נפט וגז, קרנות טורבינות רוח, והגנה על החוף כפופים לעומס גל מחזורי, קורוזיה ועייפות. חיישנים FBG הם פרוסים כדי למדוד על רגליים של מעילים, עלייה, קווי מחוספס, ובסיסים של כבידה קונקרטית.החסינות שלהם ל-Frosion מים מלוחים והתערבות אלקטרומגנטית ממערכות חשמל אחוריות היא יתרון מרכזי.

שיקולים וטכניקות

התקנה נכונה היא קריטית להשגת מדידות FBG אמינות.הגישות העיקריות הן:

  • (FLT:0Surface עולה:FLT:1 חיישנים FBG קשורים למבנה באמצעות דבקים גבוהים (למשל, cyanoacrylate או epoxy) Care חייב להיות נלקח כדי להבטיח הכנה על פני השטח טוב והיערכות עם הכיוון העיקרי של זנים או אריזה מתכתית משמשים לעתים קרובות כדי להגן על FBG מפני לחות מכנית ושחיקה.
  • (FLT:0) Embedding:FLT:1 במבנים קונקרטיים, חיישני FBG יכולים להיות מוצפים ישירות לתוך החומר על ידי הצמדת אותם כדי לחזק ברים או הצבתם בצורת לפני לשפוך.ב סיבים-reinforced פולימר פולימר (FRP) מורכב, חיישני FBG מוטבעים בין שכבות במהלך השכבות.
  • (FLT:0) אינטגרציה לרכיבים מבניים:FreaLT:1 ), כמה יצרנים מייצרים אלמנטים מבניים pre-intrumented, כגון ריבים חכמים, נבונים חכמים, או מדומים מורכבים עם מערך FBG משובצ. אלה רכיבים מוכנים-to-lock לפשט את ההתקנה ולהפחית את העבודה באתר.

ללא קשר לשיטת, חיוני להגן על הקשרים הכבלים הסיבים האופטיים ולניהול הקלה בנקודות כניסה בכבלים.התג הטמפרטורה נדרשת גם משום שמתח וטמפרטורה משנים את אורך הגל של הראג.הגישה הסטנדרטית היא להשתמש ב-FBG משותף אך נטול מאמץ (בשחפת קפילרי או צינור רופף) כטיפול טמפרטורה, או להשתמש בתיקון מתמטי המבוסס על טמפרטורה ידועה.

הערכה והערכה סטרקטיבית

הפלט הגולמי של חוקר FBG הוא קבוצה של אורכי גל לעומת הזמן עבור כל חיישן. המרת שינויים אלה לערכי הנדסה זנים דורש coefficients (בדרך כלל מסופק על ידי היצרן) ותגמול על השפעות טמפרטורה. לאחר שהנתונים מתקבלים, מהנדסים יכולים לחדד מדגישים באמצעות חוק הוק אם המתודולוגיה של החומרית ידועה או נמדדת לחיזוי מודלים סופיים.

עבור ניטור ארוך טווח, ניתוח מגמה הוא חיוני.מדפי מתח מותאמת טמפרטורה לעתים קרובות מסונן להסיר מחזורים עונתיים, חושף שינויים הדרגתיים עקב זחילה, הרפיה, או התקדמות נזק ניתוח ניתוח יכול לזהות אירועים פתאומיים כגון מצגת כבל או תנועת בסיס. נתונים דינמיים (מתנועה, רוח, או רעידות אדמה) מעובדים באמצעות ארבעהier או גלים כדי לחלץ תדרים טבעיים ולחים, אשר הם אינדיקטורים רגישים של מזגנים.

מערכות SHM מודרניות רבות משלבות אלגוריתמי למידת מכונה כדי לסווג באופן אוטומטי את האנומליות ולחזות חיי עייפות שנותרו.לדוגמה, רשת עצבית המוכשרת על חתימות הזן FBG יכולה להבחין בין עומס תנועה רגיל לבין משאיות מוגזמות, או יכולה לזהות את תחילת הסדקים הבטניים לפני שהוא הופך גלוי.

אתגרים והגבלות נוכחיות

למרות היתרונות הרבים שלהם, FBG Transducers הם לא פתרון אוניברסלי.אתגרי מפתח כוללים:

  • (FLT:0) עלות אינטיבית: 1FLT:1 באיכות גבוהה FBG חוקר עולה עשרות אלפי דולרים, ומערך החיישן עם אריזה מיוחדת יכול גם להיות יקר.
  • (FLT:0)ביליטר של סיבים אופטיים:FreaLT:1 , סיבי סיבי סיביה בשבטיים הוא שברירי ויכול לפרוץ תחת עומס מופרז או השפעה. אריזות Robust (למשל, צינורות פלדה אל-חלד או כבלים חזקים) נדרשים לסביבות קשות, הוספת עלות ומורכבות.
  • (FLT:0) חיישנים של טמפרל מעבר לרגישות: 1FreaLT:1 חיישנים FBG מגיבים הן למתח והן לטמפרטורה. בעוד שיטות פיצוי טמפרטורה קיימות, הם מוסיפים אי ודאות, במיוחד בסביבות עם תנודות תרמיות חזקות או שינויים מהירים בטמפרטורה.
  • (FLT:0) טווח דינמי: FLT:1; הזן המרבי מ FBG יחיד הוא בדרך כלל מוגבל כמה אלפי מיקרו-אימון (0.3-0.5%) לפני הפחתות המחוספסות או משמרת גל הופכת גדולה מדי עבור ה-Frogator. עבור יישומים גדולים של אימונים (למשל, סיסמיטי, מפלסטיק), חלופות כגון חיישנים מתאימים עשויים להיות מבוזרים או למערכות פרפורים יותר.
  • מיומנויות מיוחדות הנדרשות:0 (FLT:1 עיצוב, התקנה ופרש מערכות ניטור FBG דורש מומחיות הן אופטיקה והן הנדסה מבנית. ארגונים רבים עדיין חסרים יכולת בתוך בית, מה שמוביל להסתמכות על יועצים חיצוניים.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

מחקר ופיתוח בסיבים אופטיים ממשיכים להרחיב את היכולות של טרנסנפורמטים FBG.המגמות הבאות צפויות להוביל אימוץ רחב יותר בהנדסה מבנית:

  • (FLT:0Distributed סיבים אופטיים חישה (DFOS): FIRLT:1 טכניקות כגון Brillouin אופטי ניתוח זמן-דומיין (BOTDA) ו-Rayleigh-אופטי מבוסס ספקטרום אופטית רפאומטריה (OFDR) מאפשרות למתח וטמפרטורה להיות נמדדת ברציפות לאורך כל אורך הסיבים, לא רק בנקודות FBG היברידית.
  • <חזק>Miniaturization ואריזות מתקדמות: Micro-FBGs (הרחבה של אורך < 1 מ"מ) מאפשרת מערך חיישן עם פתרון מרחבי של כמה מ"מ, שימושי עבור ניטור סדקים בחומרים קונקרטיים או מורכבים.
  • חקירה ללא תשלום ואוטונומי: FLT:1 כוח נמוך, חוקרי קומפקטי מפותחים עבור תחנות ניטור המופעלות על ידי סוללות או סולאריות מרחוק. חלק מהמערכות עכשיו משתלבות עם רשתות IoT, ומאפשרות לנתונים לזרום לפלטפורמות ענן לניתוח מרכזי ואזהרות אוטומטיות.
  • (FLT:0) אינטגרציה תאומה:FLT:1 בזמן אמת הזנת נתונים FBG משמשים יותר ויותר לעדכן מודלים תאום דיגיטליים של מבנים, מתן ייצוג קבוע של מדינה מבנית.זה מאפשר סימולציה של תחזוקה ותסריטאי (למשל, "מה אם סופת 100 שנים?").
  • (FLT:0 חיישנים אופטיים של חומרים חדשים:ראהFLT:1 ; כמו הנדסה אזרחית לאמץ יותר פולימרים עמידים בסיבים, בטון ביצועים גבוהים, מבנים מודפסים 3D, חיישני FBG מוטבעים ישירות לתוך חומרים אלה כדי לאמת ביצועים והערכה עיצובית.

מסקנה

סיבי Bragg Grating טרנסידוקרס שינו באופן יסודי את הדרך בה מהנדסים מבניים לפקח על הבריאות וביצועים של תשתיות קריטיות.שילובן של רגישות גבוהה, חסינות אלקטרומגנטית, יכולת מרובות-הנעה ויציבות ארוכת טווח הופך אותם הכרחיים עבור גשרים, מבנים, סכרים, מנהרות ומבנים בחו"ל, בעוד אתגרים כגון עלות ראשונית ומורכבות ההתקנה נשארים, התקדמות מתמשכת במגוון רחב של חישה, צמצום, נתונים והנתונים הם במהירות על פני מבנים משפטיים אלה, כמו אלה, כמו אלה, כמו גם על בסיס קבוע, כמו מבנים משפטיים, צמיחה ארגוניים יותר, כמו מבנים משפטיים, צמיחה של צמיחה ארגונית של צמיחה של צמיחה של הנדסה גבוהה יותר, צמיחה של מבנים גלובליים של צמיחה של מבנים משפטיים, צמיחה ארגונית של צמיחה גבוהה יותר, פיתוח נכסים, צמיחה גבוהה יותר, צמיחה של מבנים משפטיים, צמיחה של מבנים משפטיים, פיתוח נכסים בטווח הארוך, צמיחה של מבנים משפטיים, פיתוח נכסים, צמיחה של צמיחה של צמיחה של מבנים משפטיים, פיתוח נכסים בטווח הארוך, פיתוח נכסים, צמיחה גבוהה יותר, צמיחה של צמיחה של צמיחה של מבנים משפטיים, פיתוח נכסים, פיתוח נכסים בטווח הארוך, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח, פיתוח,

(ב) לקריאה נוספת על מחקרים ספציפיים, ניתן למצוא את ההנחיות של FBG SHM: .0SPIE Digital Library (FLT:0SPIE Digital Library) 1 מציע מחקר מקיף על יישומי FBG SHM.