Применение преобразователей для растяжения волокон Брэгга в структурной инженерии

Поскольку каждый FBG может быть изготовлен с уникальным периодом решетки, несколько датчиков могут быть вписаны вдоль одного оптического волокна, каждый из которых отражает отдельную длину волны. Эта возможность мультиплексирования с разделением длины волны (WDM) позволяет контролировать десятки точек измерения через один волоконный кабель, что значительно упрощает кабели и сбор данных по сравнению с дискретными электрическими датчиками. Типичные системы опроса могут сканировать сотни датчиков FBG в секунду, что позволяет динамически контролировать быстрые события, такие как загрузка транспортного средства на мосту или вибрации, вызванные ветром на высоком здании.

Основные преимущества преобразователей FBG перед обычными датчиками

Принятие технологии FBG в структурной инженерии обусловлено несколькими преимуществами:

• Электромагнитный иммунитет:] Поскольку датчики FBG являются диэлектрическими и полагаются исключительно на свет, они полностью не подвержены электромагнитным помехам (EMI) от линий электропередачи, радиопередатчиков, молний или близлежащего электрооборудования. Это делает их идеальными для мониторинга на подстанциях, железнодорожных коридорах и промышленных средах, где электрический шум будет скомпрометировать обычные датчики.
• Высокая чувствительность и точность: Коммерческие FBG-вопросники обычно достигают разрешения деформации 1 мкЕ или лучше, с разрешением температуры ниже 0,1 °C. Эта точность позволяет обнаруживать тонкие структурные изменения, которые могут предшествовать сбою.
• Долгосрочная стабильность и долговечность: Волокно кремнезема по своей природе устойчиво к коррозии и химической атаке.Датчики FBG продемонстрировали стабильную работу в течение десятилетий в суровых условиях, включая подводные, подземные и высокотемпературные применения.
• Многоплексирование и распределенное зондирование: Одно оптическое волокно может нести десятки и сотни датчиков FBG, каждый в известном месте, что снижает сложность проводки и сбора данных. Для действительно распределенных измерений (непрерывное зондирование по всей длине волокна) такие методы, как рассеяние Бриллюэна или Рэлея, могут быть объединены с зондированием точек FBG.
• Малый размер и легкий вес: Диаметр волокна обычно составляет 125-250 мкм, что позволяет встраивать датчики FBG в состав композитных материалов, бетона или стальных компонентов без значительного изменения структурного поведения.
• Пассивная эксплуатация и безопасность: В месте расположения датчика не требуется электрическая мощность, что делает FBG по своей сути безопасным для использования во взрывоопасных средах (например, на нефтегазовых объектах, угольных шахтах).

Применение в структурной инженерии

Мониторинг мостов

Мосты являются одними из наиболее тщательно изученных структур в гражданском строительстве, а датчики FBG были развернуты в сотнях проектов по всему миру. Типичные установки включают в себя прикрепление или встраивание тензодатчиков FBG на балках, кабели, арочные ребра и сегменты палубы. Датчики измеряют живые нагрузки от трафика, тепловые напряжения от суточных и сезонных температурных циклов и долгосрочное ползание или расслабление в предварительно напряженном бетоне. Сравнивая измеренные напряжения с проектными порогами или исходными показаниями, инженеры могут обнаружить перегрузку, повреждение усталости или опорное поселение.

Например, мост Сент-Энтони-Фолс I-35W в Миннеаполисе (перестроенный после обрушения 2007 года) включает в себя обширную систему мониторинга FBG. Более 500 датчиков FBG встроены в бетонные балки и постнатяжные сухожилия, предоставляя данные о структурном отклике в режиме реального времени. Система успешно определила необычные модели нагрузки и включила упреждающее обслуживание. Аналогично, в подвесных мостах длительного пролета, таких как мост Акаши Кайкё в Японии, используются акселерометры FBG для мониторинга вибраций кабеля и аэродинамической стабильности.

Помимо деформации, FBG может измерять смещение косвенно через совместимые механизмы. Тилтметры и экстенсомеры на основе технологии FBG позволяют контролировать вращение мостов и их совместные движения. Сочетание нескольких типов датчиков обеспечивает полную картину здоровья моста.

Мониторинг структурного здоровья

В высотных зданиях датчики FBG устанавливаются при строительстве для отслеживания нагрузок на колонны, стенки ядра и сваи фундамента. В течение срока службы конструкции они контролируют населенные пункты, бетонный ползунок и дифференциальное движение между структурными элементами. В сейсмических зонах массивы FBG могут регистрировать реакцию зданий во время землетрясений, помогая оценивать повреждения и направлять проверки после событий. Землетрясение 2008 года в Сычуани ускорило принятие мониторинга FBG в строительных нормах; многие новые небоскребы теперь интегрируют волоконно-оптические датчики в качестве стандартной практики.

Исторические здания также извлекают выгоду из технологии FBG. Поскольку датчики минимально инвазивны, их можно приклеивать к каменным, каменным или деревянным поверхностям для мониторинга распространения трещин и расширения, вызванного влагой. Например, Пизанская башня была оснащена датчиками деформации FBG во время своего проекта стабилизации, чтобы проверить, что корректирующие меры не вызывали вредных напряжений.

Дамбы и гидротехнические сооружения

Дамбы представляют уникальные проблемы мониторинга из-за их массивных размеров, нагрузки на давление воды и длительного срока эксплуатации. Датчики FBG встроены в бетонные гравитационные плотины и арочные плотины для измерения внутреннего напряжения, градиентов температуры и давления подъема. Они могут быть установлены в скважинах для мониторинга деформации фундамента. Способность мультиплексировать многие датчики вдоль одного волокна особенно ценна в плотинах, где кабельное соединение затруднено, а трубопроводные пробеги длинны. Дамба Three Gorges в Китае имеет обширную сеть FBG для непрерывного мониторинга структурной целостности.

Туннели и подземные сооружения

Датчики FBG используются для мониторинга накладок туннелей при раскопках и эксплуатации. Они обнаруживают конвергенцию, изгибы и изменения давления на грунт. В щитовых туннелях тензодатчики FBG часто отлиты в сегментные накладки. Например, в Готардском базовом тоннеле в Швейцарии использовались датчики FBG для мониторинга поведения накладки дроссельной плиты и окружающей горной массы при строительстве. Датчики обеспечивали раннее предупреждение о чрезмерной деформации, позволяя инженерам оперативно корректировать меры поддержки.

В подземных шахтах датчики FBG контролируют устойчивость крыши и поддерживают нагрузки. Их внутренняя безопасность (без риска электрической искры) делает их идеальными для угольных шахт, где может присутствовать метан.

Морские и морские структуры

Нефтегазовые платформы, фундаменты ветровых турбин и береговая оборона подвергаются циклической волновой нагрузке, коррозии и усталости. Для измерения напряжения на ножках куртки, стояках, швартовочных линиях и бетонных гравитационных базах развернуты датчики FBG. Их иммунитет к коррозии соленой воды и электромагнитным помехам от верхних электрических систем является основным преимуществом. Несколько плавучих производственных хранилищ и разгрузочных (FPSO) судов теперь оснащены структурными системами мониторинга на основе FBG, которые предоставляют данные в режиме реального времени в береговые центры управления.

Соображения и методы установки

Правильная установка имеет решающее значение для получения надежных измерений FBG. Основными подходами являются:

• Надповерхностное крепление: Датчики FBG прикреплены к конструкции с использованием высокопрочных клеев (например, цианоакрилата или эпоксидной кислоты). Необходимо соблюдать осторожность, чтобы обеспечить хорошую подготовку поверхности и выравнивание с основным направлением деформации. Защитные покрытия или металлическая упаковка часто используются для защиты FBG от влаги и механической истирания.
• Встраивание:] В бетонных конструкциях датчики FBG могут быть отлиты непосредственно в материал, прикрепив их к армирующим решёткам или поместив в опалубку перед заливкой.В композитах из полимера с армированием волокнами (FRP) датчики FBG встраиваются между слоями во время наложения.Встраивание обеспечивает отличную механическую связь и защищает датчик от повреждения окружающей среды.
• Интеграция в структурные компоненты: Некоторые производители производят предварительно оборудованные структурные элементы, такие как умные арматуры, умные сухожилия или композитные ламинаты со встроенными массивами FBG. Эти готовые к установке компоненты упрощают полевую установку и уменьшают рабочую силу на месте.

Независимо от метода, важно защитить волоконно-оптические кабельные соединения и управлять сбросом напряжения в точках входа в кабель. Компенсация температуры также требуется, потому что напряжение и температура сдвигают длину волны Брэгга. Стандартный подход заключается в использовании совместно расположенного, но без напряжения FBG (в капиллярной трубке или рыхлой трубке) в качестве температурного эталона или использовать математическую коррекцию на основе известных температурных коэффициентов.

Интерпретация данных и структурная оценка

Необработанный выход FBG-опрашивающего представляет собой набор сдвигов длины волны по сравнению со временем для каждого датчика. Преобразование этих сдвигов в значения инженерного деформирования требует калибровочных коэффициентов (обычно предоставляемых производителем) и компенсации температурных эффектов. После получения данных о деформации инженеры могут вычислять напряжения с использованием закона Гука, если известен упругий модуль материала, или могут сравнивать измеренные деформации с предсказаниями модели конечных элементов.

Для долгосрочного мониторинга важен анализ тренда. Данные о компенсируемом температурой деформации часто фильтруют для удаления сезонных циклов, выявляя постепенные изменения из-за ползучести, расслабления или прогрессирования повреждения. Анализ скорости изменения может идентифицировать внезапные события, такие как щелчок кабеля или движение фундамента. Динамические данные (от трафика, ветра или землетрясений) обрабатываются с использованием преобразований Фурье или вейвлета для извлечения естественных частот и коэффициентов демпфирования, которые являются чувствительными показателями структурного состояния.

Многие современные системы SHM включают алгоритмы машинного обучения для автоматической классификации аномалий и прогнозирования оставшегося срока службы усталости. Например, нейронная сеть, обученная на сигнатурах штамма FBG, может различать нормальную загрузку трафика и перегруженные грузовики или может обнаруживать начало трещины бетона до того, как она станет видимой.

Проблемы и существующие ограничения

Несмотря на свои многочисленные преимущества, преобразователи FBG не являются универсальным решением.

• Начальная стоимость: Высококачественные FBG-опросники стоят десятки тысяч долларов, а сенсорные массивы со специальной упаковкой также могут быть дорогими.Однако при умножении на множество точек измерения стоимость на датчик часто ниже, чем у обычных альтернатив.
• Бриттлность оптического волокна: Баре кремнеземное волокно является хрупким и может ломаться при чрезмерном изгибе или ударе. Надежная упаковка (например, трубки из нержавеющей стали или усиленные кабели) требуется для суровых условий, что увеличивает стоимость и сложность.
• Температурная перекрестная чувствительность:] Датчики FBG реагируют как на напряжение, так и на температуру.Хотя существуют методы компенсации температуры, они добавляют неопределенность, особенно в средах с сильными тепловыми градиентами или быстрыми температурными изменениями.
• Ограниченный динамический диапазон: Максимальный измеримый штамм от одного FBG обычно ограничивается несколькими тысячами микроштаммов (0,3-0,5%) до того, как решетка ухудшается или сдвиг длины волны становится слишком большим для следователя. Для приложений с большим напряжением (например, сейсмическая, пластическая деформация) альтернативные датчики волокна, такие как интерферометры Фабри-Перо или распределенные системы Бриллюэна, могут быть более подходящими.
• Требуются специальные навыки: Проектирование, установка и интерпретация систем мониторинга FBG требуют опыта как в оптике, так и в структурной инженерии.Многим организациям по-прежнему не хватает собственных возможностей, что приводит к зависимости от внешних консультантов.

Будущие направления и новые технологии

Исследования и разработки в области волоконно-оптического зондирования продолжают расширять возможности преобразователей FBG. Следующие тенденции, вероятно, будут способствовать более широкому внедрению в структурную инженерию:

• Распределенное волоконно-оптическое зондирование (DFOS): Такие методы, как Бриллюэновский оптический анализ временных доменов (BOTDA) и рефлектория оптических частот на основе Рэлея (OFDR), позволяют непрерывно измерять напряжение и температуру по всей длине волокна, а не только в дискретных точках FBG. Гибридные системы, которые объединяют датчики точек FBG с DFOS, становятся коммерчески доступными, предлагая как точечные данные высокого разрешения, так и полностью распределенное покрытие.
• Миниатюризация и усовершенствованная упаковка: Микро-FBG (длины сцепления < 1 мм) позволяют использовать сенсорные массивы с пространственным разрешением в несколько миллиметров, что полезно для мониторинга инициирования трещин в бетонных или композитных материалах. Гибкие и встраиваемые методы упаковки также улучшаются, снижая инвазивность установки.
• Беспроводные и автономные допросы:] Для станций дистанционного мониторинга с батарейным питанием или на солнечных батареях разрабатываются компактные допрашивающие устройства. Некоторые системы теперь интегрируются с сетями IoT, позволяя передавать данные на облачные платформы для централизованного анализа и автоматических оповещений.
• Цифровая интеграция двойников: Файлы данных FBG в реальном времени все чаще используются для обновления цифровых моделей двойников структур, обеспечивая постоянно текущее представление структурного состояния. Это позволяет прогнозировать техническое обслуживание и моделирование сценариев (например, «что, если 100-летний шторм ударит?»).
• Оптоволоконные датчики для новых материалов: Поскольку гражданское строительство использует больше армированных волоконами полимеров, сверхвысокопроизводительных бетонных и 3D-печатных структур, датчики FBG встраиваются непосредственно в эти материалы для проверки производительности и проверки проектных предположений.

Заключение

Преобразователи Fiber Bragg Grating коренным образом изменили способ контроля инженерами-строителями здоровья и производительности критической инфраструктуры. Их сочетание высокой чувствительности, электромагнитного иммунитета, возможности мультиплексирования и долгосрочной стабильности делает их незаменимыми для мостов, зданий, плотин, туннелей и морских сооружений. В то время как такие проблемы, как первоначальная стоимость и сложность установки, сохраняются, текущие достижения в области распределенного зондирования, миниатюризации и анализа данных быстро преодолевают эти барьеры. По мере старения глобальной инфраструктуры и роста спроса на устойчивые, устойчивые структуры, мониторинг на основе FBG станет еще более неотъемлемой частью практики гражданского строительства. Инженеры и управляющие активами, которые инвестируют в эту технологию сегодня, будут лучше оснащены для обеспечения безопасности, надежности и долговечности своих структур на десятилетия вперед.

Для дальнейшего чтения по конкретным тематическим исследованиям, SPIE Digital Library предлагает обширные исследования по приложениям FBG SHM. Практические рекомендации по установке можно найти в fib Bulletin 104. Для более широкого обзора, специальный выпуск журнала датчиков на FBG предоставляет статьи с открытым доступом.