פרויקטים הנדסיים אזרחיים תלויים בהערכות מדויקות של תנאי הקרקע והמים להבטיח שלמות מבנית ארוכת טווח, בטיחות סביבתית וציות רגולטוריות. בשנים האחרונות, מכשירים אופטיים הפכו לכלים חיוניים למעקב אחר הפרמטרים הללו, המציעים מדידות מהירות, לא פולשניות, ומדוייקות מאוד כי הרבה מעבר לשיטות הדגימה המסורתיות המתעוררות.עלות של טכנולוגיות מבוססות אור, מהנדסים יכולים כעת לזהות מדבקים, לעקוב אחר תכונות, ולהעריך תכונות חומריות חסרות תקדים, תוך שימוש בטכניקות בקרה אופטיות, תוך שימוש, תוך שימוש בטכניקות בקרה אופטיות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות בטכניקות בקרה אופטיות, אשר משמשות, אשר משמשות, אשר משמשות, באמצעות חישוביות של איכות, שימוש, שימושיות, באמצעות חישוביות, שימוש.

מימון של פיקוח אופטי בהנדסה אזרחית

ניטור אופטי מסתמך על אינטראקציה של אור עם החומר.כאשר אור פוגע בדגימה אדמה או מים, זה יכול להיות נספג, משתקף, משודר או מפוזר. לכל חומר יש חתימה ספקטרלית ייחודית המחשוף את ההרכב הכימי שלו, המבנה הפיזי, ואת ריכוז של חומרים ספציפיים. Optical ללכוד את החתימות הללו ולתרגם אותם לנתונים הניתנים להפעלה.

בהנדסה אזרחית, הפרמטרים המרכזיים המנטרים כוללים תוכן לחות הקרקע, חומר אורגני, מתכות כבדות, פחמימנים, pH, זעזועים, חמצן מומס ורמות תזונתיות במים.כלי אופטיים יכולים למדוד את המשתנים האלה ישירות בתחום, להפחית את הזמן ואת העלות הקשורה לתחבורה של הדגימה ובדיקת מעבדה.היכולת לייצר נתונים מרחביים וזמניים גבוהים גם תומכת במודל מתקדם וחיזוי מהנדסים, לעזור לחזות שינויים סביבתיים לפני שהם יובילו לשינויים סביבתיים.

מכשירים אופטיים ויישומים שלהם

מגוון רחב של טכנולוגיות אופטיות מועסק כעת על פני פרויקטים הנדסיים אזרחיים.כל כלי מותאם למשימות מדידה ספציפיות, ויחד הם יוצרים ערכת כלים מקיפה למעקב סביבתי.

ספקטרום וספקטרום

Spectrometers הם בין הכלים האופטיים התכליתיים ביותר.הם מודדים עוצמת אור כתפקוד של אורכי גל, ומייצרים ספקטרום שטביעה את חומר היעד. בניתוח הקרקע, גלויה וקרוב-infrared (VIS-NIR) ספקטרום יכול להעריך תכונות מפתח כגון תוכן, פחמן אורגני, לחות, ומדמוצפי ברזל.

היבטים מודרניים שדה הם סלע, משקל, מצויד עם GPS ו יומני נתונים. הם משמשים נרחב הערכות אתר סביבתי עבור בנייה כבישית, קרנות הגשר, פרויקטים של הכרזה הקרקע.למשל, לפני הפחתת בור הלווה, מהנדסים יכולים לסרוק את הקרקע כדי לחזות את המאפיינים ההנדסה שלה לזהות את נקודות חמות, ובכך לייעל שימוש בחומרים ולמנוע התפשטות שלמזהמים.

תמונות Hyperspectral לקחת spectroscopy צעד נוסף על ידי לכידת ספקטרום מלא עבור כל פיקסל בתמונה.הר על מזל"טים או מטוסים, הם יכולים למפות אזורים גדולים עם רזולוציה מרחבית גבוהה. Hyperspectral מרוחק חישה כבר הוחל לפקח על סינדיציה במאגרים, לזהות פיסות שמן, להעריך את הבריאות של צמחייה על מאגרים - אינדיקטור טוב של אדמה ולחות.

לייזר סורק ו- LiDAR

גילוי אור ו Ranging (LiDAR) משתמש הדופק לייזר כדי למדוד מרחקים וליצור עננים מדויקים של נקודה תלת-ממדית של פני השטח. בהנדסה אזרחית, LiDAR ידוע בעיקר על מיפוי טופוגרפיים ו ניטור עיוות.עם זאת, הוא גם מספק מידע עקיף על פני הקרקע ותנאי מים.לדוגמה, סקרי LiDAR חוזרים על סכרים או נהר יכולים לחשוף שינויים מורכבים על ידי שחיקה או דחיסות גבוהה יותר מ מילימטר (לעתים קרובות יותר מ מילימטר) מאשר שינויים מ ריבועים).

Atymetric LiDAR, המשתמש דופקי לייזר ירוקים, יכול לחדור מים רדודים כדי למפות את קרקעית הנהר, קרקעית האגם, ופרופילי החוף.זה יקר למעקב אחר תחבורה של סימנט, מתפתל סביב piers גשר, ואת היכולת של ערוצי ניקוז. על ידי שילוב של ציטוגרפיה ורחצה LiDAR, מהנדסים יכולים לבנות מודלים דיגיטליים שלמים של מים וסביבתם, חיוני לסיכון לחיזוי ומודל.

סורקי לייזר טר סטריליים (TLS) משמשים על הקרקע כדי ללכוד מודלים תלת-ממדיים מפורטים של אבני גשר, כריות מנהרה, ולשמור על קירות.בעוד לא ישירות מדידת איכות המים, TLS יכול לזהות עמוד ולחות על ידי ניתוח רפלקטיביות של פני השטח (העוצמה של הדופק לייזר שב).

חיישן טיובידיות אופטית

Turbidity הוא פרמטר איכות מים מפתח המציין את נוכחותם של חלקיקים מושעה (שמדה, אצות, פסולת אורגנית) חיישנים טורדניים פועלים על העיקרון של nephelometry: הם מאירים קרן אור (לעיתים קרובות אינפרא אדום) למים ומדידים את האור מפוזר בזווית של 90 מעלות.

בהנדסה אזרחית, ניטור טורחות הוא קריטי במהלך פעולות הסרת כדור הארץ, דמעה, ופעולות מלמות כדי להבטיח עמידה באישורים של פריקה. נתונים של זעזוע בזמן אמת יכול לגרום אזעקה או חסימה אוטומטית כאשר רמות גבוהות יותר גבולות, מניעת קנסות סביבתיים.התקדמות בעיצוב אופטי הפיקה חיישנים בלתי עביר עם ציפויים נגד כוונונים הפועלים באופן אמין במשך חודשים קשים.

חיישנים אופטיים של חמצן ו- pH

הטכנולוגיה האופטית גם מהפכה בחמצן מבוזר (DO) מדידת חיישנים אלקטרוכימיים מסורתיים דורשים קליברציה תכופה ומחליפה ממין. Optical DOחיישנים להשתמש בצבע אלומיניום המוקצף על ידי חמצן; זמן הדעיכה של luminescence הוא פרופורציה הפוכה לריכוז DO.הם יציבים, נקיים מאוד, ללא סחף, ולא מושפעים על ידי זרימה, מה שהופך אותם אידיאליים לטווח ארוך תחנות מים ופריסת היטב.

בדומה, חיישני pH אופטיים משתמשים בצבע אינדיקטור שמשנים צבע עם pH. Light-emitting diodes (LEDs) ו photodetectors למדוד את הקלט באורכי גל ספציפיים, מתן קריאה pH ללא סחף על פני טווח רחב.חיישנים אלה משמשים ברטבים בנוי לטיפול במים, ניטור נחט במדבקות, ובייצור קונקרטי שבו מים pH משפיעים על ריפוי וגמישות.

טכנאי שמן-in-water Analyzers

כדי לזהות זיהום הידרופחמן במים (למשל, מדליפות דלק או מריצה תעשייתית), פלואורמטרים ניידים הם הכלי של בחירה. הם מעוררים את הדגימה עם אולטרה סגול (UV) אור ו מודדים את הפלורשן הנפלט על ידי הידרוקרבים ארומטיים. שיטה זו היא רגישה מאוד, זיהוי ריכוזים למטה לחלקים (pb) ניתוח מונעים בדיקות מהירות של מים, טיפול מיידי, או קבוע, טיפול במים.

Soil Moisture ו-Moisture Content Sensors

שיטות אופטיות למדידת לחות הקרקע הן פחות נפוצות מאשר חיישנים דיאלקטריים (למשל, זמן-דומיין רפיאומטריה), אבל יש להם יישומים נישה. Near-infrared (NIR) רפיחים יכולים להעריך לחות על ידי מדידה של מים באורכי גל ספציפיים (1.45 ו-1.94 מיקרומטר). חיישנים אלה משמשים במסגרות מעבדה עבור בקרת איכות מהירה של דגימות אדמה, אבל הם משולבים גם עבור ניטור יעיל עבור מהירות כדור הארץ, ללא יכולת ניטור רציף.

יתרונות ומגבלות של פיקוח אופטי

אימוץ נרחב של מכשירים אופטיים בהנדסה אזרחית מונע על ידי מספר יתרונות ברורים:

  • (FLT:0) אי-דה-רסיבי ומינימום הפרעות אתר:IRLT:1 ניתן לקחת את המדידות ללא מיצוי דגימות, שמירה על שלמות האתר ומאפשר מעקב חוזר באותו מקום.
  • (ב) דיוק ורגישות גבוהה: 1FLT:1 חיישנים אופטיים רבים מזהים contaminants ברמות של עקבות (pb או אפילו pt), המאפשר התראה מוקדמת ומיפוי מדויק.
  • (FLT:0Speed ויעילות: 1) מדידות In-field הם כמעט מיידיים, ומערכות אוטומטיות יכולות לאסוף נתונים ברציפות, יצירת נתונים גדולים התומכים בניתוח סטטיסטי.
  • (FLT:0) מוטיבציה ופעולה אוטונומית: FLT:1 מכשירים ניתן לפרוס על מל"טים, buoys, או תחנות קבועות, צמצום הצורך של אנשים להיכנס לאזורים מסוכנים.
  • (FLT:0) יכולות המילפרמטר: FLT:1 כמה מכשירים, כמו ספקטרום, למדוד פרמטרים מרובים מקריאה אחת, לפשט איסוף נתונים וצמצום עלויות.

עם זאת, יש מגבלות שהמהנדסים חייבים לשקול:

  • (FLT:0) השוואות ממטריקס מדגם: FLT:1 Turbidity, צבע ובועות במים יכולים לפזר אור ולעוות קריאה, הדורשים טיפול מוקדם או אלגוריתמי תיקון.
  • (FLT:0) ,Calibration and Standardization:FreaLT:1 חיישנים אופטיים רבים זקוקים ל calibration ספציפי באתר נגד שיטות התייחסות (למשל, לחות אדמה gravimetric, ניתוח כימי במעבדה).
  • (FLT:0) Cost:BuildFLT:1) מכשירים מתקדמים כמו תמונות היפר-ספקטרום ומערכות LiDAR מרחץ הם יקרים, אם כי עלויות מופחתות כמו בוגרות טכנולוגיה.
  • מורכבות פרשנות:0) הסתברות פרשנות נתונים: ההרחבה 1:1 (הכרכים הגדולים של נתונים עתירי משקל (למשל, ספקטרום מלא, עננים נקודה) דורשים עיבוד מתוחכם ומומחיות מודלים.
  • (ב) תנאים רוחניים: 1) גשם, ערפל, אבק וטמפרטורות קיצוניות יכולים להשפיע על הביצועים, במיוחד עבור חיישני אוויר או פתוחים.

תוצאות חיפוש ויישומים אמיתיים

כדי להמחיש את הערך המעשי של ניטור אופטי, הנה שתי דוגמאות מפרקטיקה להנדסה אזרחית נוכחית.

1 פיקוח על כביש החוף

כביש החוף בדרום פלורידה חווה שחיקה מואצת בשל עליית פני הים ותדירות הסערה מוגברת. מהנדסים פרסמו שילוב של לידר כדור הארץ ודמיית היפרספקטרלית על סקרים של טיס חודשי LiDAR יצרו מודלים גבוהים לגבהים דיגיטליים (DEMs) אשר חשפו שינויים עדינים בפרופיל החוף ואת הפיסול של תמונות טרמפולריות מסווגות אדמה (ורידת), אשר סוללת 40% עם סרטן, כלומר, עם מחלות, 000 שנים, וסיכון, עם , , , עם , , , , , , , , , 000 , 000 , , 000 , , , 000 , , 000 , 000 , 000 , , , 000 , 000 , 000 , , , 000 , , , 000 סוללת לחץ דם מבוסס , 000 , 000 , , , , 000 , , 000 , 000 , 000 סוללת לחץ דם מבוסס , 000 סוללת לחץ דם מבוסס , 000 , 000 , 000 , 000 סוללת, 000 סוללת סוללת סוללת , 000 , 000 סוללת ,

בדיקה אחרונה ב-3 ביולי 2008. ^ Real-Time Water Quality Monitoring at a Construction Site

במהלך בניית הפארק התעשייתי הגדול בברזיל, היתרים סביבתיים קפדניים דרשו ניטור רציף של חומר זעזוע ושמן בפריצה של מי סערות מים.קבלן התקין חיישנים טורחים אופטיים ו- fluorometric שמן במי מים פלואומטרי בנקודת השחרור, מקושר באמצעות טלמטארי ללוח נתונים מרכזי פחות.

מגמות עתידיות ופיתוח

היכולות של מכשירים אופטיים ממשיכות להתרחב, מונעות על ידי התקדמות בפוטניקה, מדעי החומרים וניתוח נתונים. מגמות מסוימות רלוונטיות במיוחד ליישומים הנדסיים אזרחיים.

שילוב עם כלי אוויר בלתי מאוישים (UAVs)

ד"רונים המצוידים במגוון רחב, היפר-ספקטרום, וחיישנים לידר הופכים לכלים סטנדרטיים עבור סקרים גדולים של דשא.הם מכסים שטח במהירות ותחומי גישה מסוכנים או בלתי נגישים ברגל. מינוף מתמשך ושיפורי סוללות יאפשרו זמני טיסה ארוכים יותר ועומסי תשלום כבדים יותר, בעוד שידור נתונים בזמן אמת מאפשר קבלת החלטות מיידיות.

אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונות

הנתונים העצומים שנוצרו על ידי מכשירים אופטיים מתאימים באופן אידיאלי לאלגוריתמים של למידת מכונה.רשתות עצביות מהפכתיות (CNN) ניתן לאמן כדי לסווג סוגי אדמה מהנתונים ספקטרליים, לחזות ריכוזים מדבקים, או לזהות אנומליות בענני נקודה LiDAR. לדוגמה, החוקרים פיתחו מודלים אשר מעריכים אדמה אורגנית מ-Alphatra עם דיוק דומה לניתוח מעבדה.

חיישן אופטי נמוך עבור רשתות IoT

ההתקדמות בטכנולוגיית LED ו photodiode הפיקה חיישנים אופטיים זולים המתאימים לאינטרנט של דברים (IoT) פריסות.חיישנים אלה יכולים למדוד זעזועים, pH, מוליכות, וממסים חמצן, והם יכולים להשתלב ברשתות אלחוטיות המכסות את כל שפיכות מים או אתרי בנייה. בעוד הדיוק שלהם נמוך יותר מאשר כלי מחקר דירוג, הם מספקים פתרון מספיק עבור ניטור ואזהרה מוקדמת.

לייזרים של קוואנטיו קסקי לזיהוי

לייזרים קוונטיים (QCLs) פולטים אור קוהרנטי באזור באמצע-האפרה, שבו הרבה מזהמים יש טביעות אצבע ספיגה חזקות.קומפקטיות QCL מבוססות חיישנים הם פרוסים עבור זיהוי של מתאן, אמוניה, וגזים אחרים. בהנדסה אזרחית, הם יכולים לשמש כדי לפקח על פליטות גז מקרקעות, מתקני טיפול פסולת, אדמה מזוהמת, לספק ממש אוויר ללא צורך בנתונים.

צוות אופטי ואקטי משותף

מערכות היברידיות המשלבות אופטיות עם שיטות אקוסטיות (למשל, LiDAR עם Sonar) מפותחות עבור יישומים תת-ימיים.לדוגמה, פלטפורמה תת-מרנית יכולה להשתמש בפלומטר כדי לזהות שמן וצליל אחד-באם כדי למפות סמדים התחתונים.שלב חיישנים משלימים משפר את העוצמה של הערכות סביבתיות ומספק תמונה מלאה יותר של מערכות מימיות.

מסקנה

(המכשירים האופטיים שינו באופן יסודי את האופן שבו מהנדסים אזרחיים לפקח על הקרקע ועל איכות המים.ממדנים ניידים שמזהים את המזהמים בתוך שניות ל- LiDAR שיוצרים מודלים טופוגרפיים מפורטים, כלים אלה מציעים מהירות, דיוק, ולא מדידה לא פולשנית ששיטות מסורתיות אינן יכולות להתאים ל-ALTS: פיתוח של טכנולוגיות קטנות יותר, זולות יותר, חכמות יותר, וחכמים יותר – שילובן לאימון הנדסי אמריקאי יספק רק טכנולוגיות אופטיות ואופטריות אלה.