Fiber Bragg Breaker'a Giriş Yapı Mühendisliğinde Cümle

Fiber Bragg Cottage (FBG) transdüserler, ışık miktarını azaltmak için temel bir teknoloji haline geldi (SHM), mühendislere gerçek zamanlı olarak kritik altyapı durumunu takip etme yeteneği kazandırıyor. Geleneksel elektriksel gerginlik ölçümlerinden veya pastazoelektrik sensörlerinden farklı olarak FBG transducers, yüksek binalarda dağıtım için saf bir şekilde çalışır ve açık hava platformları.

Bu makale FBG transducers'in yapısal mühendislikte nasıl uygulandığına dair kapsamlı bir genel bakış sunar. Altta yatan fizik, tipik yükleme yöntemleri, anahtar avantajları ve sınırlamaları ve gerçek dünya vaka çalışmaları da ortaya çıkan eğilimleri, dağıtılmış fiber optik algılar ve dijital ikiz platformlarla entegrasyon gibi tartışıyoruz.

Fiber Bragg Izgara Transducers Work

Bir FBG sensörü, geniş çaplı bir lazer veya süpersantrik bir diyotun içine yerleştirilen optik fiber segmentinden oluşur, FBG, Bragg dalgalarında hafif bir ışık grubu yansıtır.The Bragg Waves is given by: when a wide-spectrum light source (tiply from a sübvanse lazer veya süpersan ışık diyot)

[0] ⁇ B = 2 n eff ⁇ ).

[FONT=0]N eff[[Dönetici:0)) [Dönetici:0))) · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

Her FBG eşsiz bir granülasyon süresi ile kumaşlanabilir, birden çok sensör tek bir optik fiber boyunca tanımlanabilir, her biri farklı bir dalga dalga dalga dalga dalga dalga dalgalı bir şekilde görüntülenebilir.Bu özellik, uzun bir binada onlarca ölçüm noktasının izleyebileceği gibi hızlı olayların dinamik izlemesine olanak sağlar.

FBG Transducers Over Conventional Sensörs'in temel avantajları

FBG teknolojisinin yapısal mühendisliğindeki benimsenmesi birkaç farklı fayda tarafından yönlendirilir:

  • [FONT:0)Electromantik bağışıklık: [Dönetici: [Dönetici: 0,4] Çünkü FBG sensörlerinin sadece ışıkta olması ve elektrik gürültüsünün geleneksel sensörlerin (EMI) tamamen etkilenmemesi için ideal hale geliyor.
  • [FONT=0) Yüksek hassasiyet ve doğruluk: [DFLT:1] Ticari FBG sorgulayıcıları rutin olarak 1 ⁇ veya daha iyi, sıcaklık kararlarının 0.1 °C altında belirlenmesine izin verir.
  • [FONT:0] Uzun vadeli istikrar ve dayanıklılık: [Dönetici: [Dönetici: 1) Silica fiber, yeraltı, yüksek sıcaklık uygulamaları da dahil olmak üzere onlarca yıldır istikrarlı bir operasyon göstermiştir.
  • [FONT:0) Çok karmaşık ve dağıtılmış algılama: Tek bir optik fiber, FBG sensörlerinin her biri bilinen bir yerde, kablo ve veri satın alma karmaşıklığının azaltılması ve gerçek olarak dağıtık ölçümler için (bütün fiber uzunluğu boyunca çok fazla algılayıcı), Brillouin veya Rayleigh saç telleri gibi teknikler FBG noktası algılama ile birleştirilebilir.
  • [FONT:0)Küçük boyut ve ışık ağırlığı:[Dönetici: [Dönetici: 0,2) Fiber çapındaki kablolar genellikle 125-250 μm, FBG sensörlerinin kompozit malzemeler, beton veya çelik bileşenleri, yapısal davranışı önemli ölçüde değiştirmeden izin veriyor.
  • [FONT:0] Pasif operasyon ve güvenlik: [Dönetici: [Dönetici: 0] Elektrik gücü sensör yerinde gerekli değildir, FBG'yi patlayıcı atmosferlerde (örneğin, petrol ve gaz tesisleri, kömür madenleri).

Yapısal Mühendislik Uygulamaları

Bridge İzleme

Köprüler, sivil mühendislikteki en ince yapılar arasındadır ve FBG sensörleri dünya çapında yüzlerce projede dağıtıldı.SeksG sualtı hatları, kablolar ve bazil okumalar ile karşılaştırılırken, mühendisler trafikten, ısıtımı azaltılabilir veya uzun süreli veya uzun süreli betonlarda veya rahatlamaya destek verebilirler.

Örneğin, Minneapolis'teki I-35W St. Anthony Falls Bridge (2007 çöküşünden sonra inşa edilmiştir) geniş bir FBG izleme sistemi içerir. 500 FBG sensörleri, kablo uçları ve aerodinamik istikrar sağlamak için beton kutulu sistemlerde yer almaktadır.

Kuvvetin ötesinde FBG, uyumlu mekanizmalar yoluyla dolaylı olarak yerleşebilir. FBG teknolojisine dayanan Tiltmeters ve extensometreler köprü rotasyonlarını ve ortak hareketlerini izlemesine izin verir. Birden çok sensör türün kombinasyonu köprü sağlığının kapsamlı bir resmini sunar.

Yapı Yapılı Sağlık İzleme

Yüksek binalarda FBG sensörleri, sütunlar, temel duvarlar ve temel hacizleri takip etmek için inşaat sırasında kurulmuştur. Yapı kodlarında FBG izleme, beton sürüp, ve yapısal elementler arasındaki farklar.Sorijinal bölgelerde FBG serisi, hasar ve kılavuzluk denetimlerini değerlendirmeye yardımcı olabilir. 2008 Siyasal depremler inşa kodlarında FBG izlemenin kabul edilmesini hızlandırdı; birçok yeni gökler artık fiber optik sensörleri standart uygulama olarak entegre eder.

Tarihi binalar FBG teknolojisinden de faydalanıyor. Çünkü sensörler en az invaziftir, bu doğrulayıcı önlemleri doğrulamak için taş, Masonluk veya timber yüzeylere bağlı olabilirler. Örneğin, Pisa Kulesi, FBG güçlendirici önlemlerinin doğrulanması için stabilizasyon projesiyle donatıldı.

Dams ve Hidrolik Yapıları

Dams, büyük büyüklüğü, su basıncı yükleri ve uzun operasyonel yaşamlar nedeniyle eşsiz izleme zorlukları sunuyor. FBG sensörleri beton yerçekimi barajlarında ve diz barajlarını iç su, sıcaklık gradyanları ölçmek için özel bir izleme zorluktur. Çin'deki üç Gorges, yapısal bütünlüğün sürekli izlenmesi için geniş bir FBG ağına sahiptir.

Tüneller ve Yeraltı Yapıları

FBG sensörleri, kazı ve operasyon sırasında tünel astarlarını izlemek için kullanılır. Yakınlık, bükme suları ve zemin basıncı değişiklikleri tespit ederler.Depresif tüneller, FBG su hatları genellikle segmental astarlara yerleştirilir. Örneğin, İsviçre'deki Gotthard Base Tüneli, FBG sensörlerinin çekimcrete ve çevredeki kaya kütlenin inşaat sırasındaki uyarılarını tespit eder.

Yeraltı madenlerinde FBG sensörleri çatı stabilitesini ve destek yüklerini izler.Intrinsic güvenlikleri (enerji kıvılcım riski yoktur) onları meta gazın mevcut olabileceği kömür madenleri için ideal kılar.

Offshore ve Marine Structures

Petrol ve gaz platformları, rüzgar türbinleri temelleri ve kıyı savunmaları, döngüsel dalga yükleme, korozyon ve yorgunluk ile donatılmıştır. FBG sensörleri şimdi FBG tabanlı kontrol merkezlerine gerçek zamanlı veriler sağlayan yapısal izleme sistemleri ile donatılmıştır.

Kurulum ve Teknikleri

Proper installation güvenilir FBG ölçümlerini elde etmek için kritiktir. ana yaklaşımlar şunlardır:

  • [FONT:0]Surface montajı: FBG sensörleri yüksek güçlü yapıştırıcılar kullanarak yapıya bağlanır (örneğin, cyanoacrylate veya epoxy). Bakım, temel su basıncı ile iyi yüzey hazırlığı ve hizalama sağlamak için alınmalıdır.
  • [[Dönetici:0) CEVAP: [FONTS:0) CEVAP: CES:0) CEVAP'ta bulunan ve fikre bağlı olarak, fikre sahip olan polimerler (FRP) kompozitler için, FBG sensörleri, çevre hasarlarından gelen sensöre doğrudan monte edilebilir ve koruma sağlar.
  • [FONT:0) Yapısal bileşenlere giriş:) Bazı üreticiler, akıllı yenidenbarlar, akıllı tendonlar veya gömülü FBG serisine sahip kompozit laminatlar gibi önceden belirlenmiş yapısal elementler üretirler.

Yöntem ne olursa olsun, fiber optik kablo bağlantılarını korumak ve kablo girişi noktalarında susmayı yönetmek önemlidir. Sıcaklık tazminatı da gereklidir, çünkü Bragg dalgasını iki katına çıkarmak için standart yaklaşım bir ortaktır, ancak susuz FBG (bir kapillary tüpü veya gevşek tüpün) bir sıcaklık referansı olarak veya bilinen sıcaklık katsalarına dayanan matematiksel bir düzeltme kullanmaktır.

Data Interpretation and Structural Assessment

Bir FBG sorgulayıcısının ham çıkışı, her sensör için zaman aralığına karşı bir dizi dalga geçişidir. Bu değişimleri mühendislik suskunma değerlerine dönüştürmek, kalibrasyon katorum katlarını (tipik olarak, üretici tarafından sağlanan) ve sıcaklık etkilerini telafi etmek için tazminat elde edilir.Bir kez susa, mühendisler Hooke'un yasasını kullanarak stresler hesaplayabilir veya sayısal modları sonlu element model tahminlere kıyasla karşılaştırabilirler.

Uzun vadeli izleme için, trend analizi önemlidir. Sıcaklık destekli su kaynakları genellikle mevsimsel döngüleri kaldırmak için filtrelenir, ürpertici veya rahatlama oranları nedeniyle kademeli değişiklikleri ortaya çıkarır, bu da yapısal durumun hassas göstergeleridir.

Birçok modern SHM sistemleri, anomalileri otomatik olarak sınıflandırmak ve kalan yorgunluk hayatını tahmin etmek için makine öğrenme algoritmaları içerir. Örneğin, FBG'de eğitilmiş bir sinir ağı normal trafik yükleme ve aşırı yüklenmiş kamyonlar arasında ayırt edebilir veya görünür hale gelmeden önce beton çatlaklarını tespit edebilir.

Meydanlar ve Güncel Sınırlar

Birçok avantajlarına rağmen FBG transducers evrensel bir çözüm değildir. Anahtar zorluklar şunları içerir:

  • DÖRT:0)İzmir maliyet:[Dönetici:[Dönetici:0)Yüksek kaliteli FBG sorgulayıcıları on binlerce dolara mal olur ve özel ambalajla sensör dizileri de pahalı olabilir. Ancak, birçok ölçüm noktası üzerinden çoğaldığında, per-sensor maliyeti genellikle geleneksel alternatiflerden daha düşük.
  • [FONT:0) Optik fiberlerin Brittleness of optik elyaf: Bare silik fiber kırılgandır ve aşırı bükme veya etkisi altında kırılabilir. Robust paketleme (örneğin, paslanmaz çelik tüpler veya takviye kablolar) sert ortamlar için gereklidir, maliyet ve karmaşıklığı ekliyor.
  • [FONT:0]Temperyatür çapraz-sensitivite: FBG sensörleri hem de ısıtımı yöntemleri var, özellikle güçlü termal gradyan veya hızlı sıcaklık değişiklikleri ile ortamlarda belirsizlikler ekliyorlar.
  • [FONT=0]Dönemli dinamik aralığı:[Döntilmiş:[Dönemli bir FBG'den maksimum ölçülebilir bir suskunma genellikle birkaç bin mikroböçme ile sınırlıdır (yüzde 0,0) Sertleşme veya dalga geçmeden önce, yüksek çözünürlükte geçişler için çok büyük olabilir.
  • [FONT:0) Özelleştirilmiş beceriler gerekli:[Dönetici: Tasarım, yükleme ve FBG izleme sistemlerinin yorumlanması, hem optik hem de yapısal mühendisliğin uzmanlık gerektirir. Birçok kuruluş hala dış danışmanlara güvenmeye yol açıyor.

Future rotası ve Gelişen Teknolojiler

Fiber optik algılamadaki araştırma ve geliştirme FBG transdüserlerinin yeteneklerini genişletmeye devam ediyor. Aşağıdaki eğilimler yapısal mühendislikte daha geniş bir şekilde benimsenmesi muhtemel:

  • [FONT:0)Distributed fiber optik algılama (DFOS): [DWT:1], Brillouin optik zaman alan analizi (BOTDA) ve Rayleigh tabanlı optik frekans domaini (OFDR) ile kombine edilen yüksek çözünürlükte, FBG puanlarını birleştiren ayrı ayrı olarak ölçülme ve sıcaklıkların tamamının ölçülmesine izin verir.
  • Miniaturization and advanced package: Mikro-FBGs (grating talls < 1 mm) sensör dizilerini birkaç milimetrenin uzaysal çözümü ile sağlar, beton veya kompozit malzemelerdeki çatlakları izlemek için kullanışlı ve gömülebilir paketleme teknikleri de geliştirir, yüklemenin invazivliğini azaltır.
  • [FONT:0]Wireless ve otonom sorgulama: Low-power, kompakt sorgulayıcılar, batarya destekli veya güneş destekli uzaktan izleme istasyonları için geliştiriliyor. Bazı sistemler şimdi IoT ağları ile entegre oluyor, merkezi analiz ve otomatik uyarılar için bulut platformlarına aktarılmasına izin veriyor.
  • [FONT:0) Dijital ikiz entegrasyon:[Dönetici:[Dönetici:0) Gerçek zamanlı FBG verileri, dijital ikiz yapıları güncellemek için giderek daha fazla kullanılır, yapısal devletin her zaman eş zamanlı gösterimi sağlar. Bu, tahmin edici bakım ve senaryo simülasyonu sağlar (örneğin 100 yıllık bir fırtına isabet ederse?
  • [FONT:0]Yeni malzemeler için süper optik sensörler: Sivil mühendislik daha fazla fiber-reinforced polimerler, ultra yüksek performanslı beton ve 3D-printed yapılar, FBG sensörleri doğrudan performans doğrulamak ve tasarım varsayımlarını doğrulamak için bu malzemelere gömülüdür.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Fiber Bragg Cottage transducers temel olarak yapısal mühendislerin kritik altyapının sağlığını ve performansını izleme şeklini değiştirdi. Yüksek hassasiyet, elektromanyetik bağışıklık, çokluxing kapasiteleri ve uzun vadeli istikrar, köprüler, barajlar, tüneller ve deniz yapıları için vazgeçilmez hale getirirken, sivil mühendislik uygulamaları için başlangıç maliyeti ve yükleme karmaşıklığı gibi zorluklar, bugün yapılan güven seviyelerindeki ilerlemeler ve veriler hızla bu engelleri aşacaktır. Küresel altyapı stokları ve dayanıklı binalar için talepler ve talepler, sürdürülebilir yapılar için talepler, FBG tabanlı izleme, sivil mühendislik uygulamaları için daha da integral bir rol haline gelecektir.

Belirli vaka çalışmaları hakkında daha fazla okuma için, [[0)SPIE Digital Library) FBG SHM uygulamaları üzerinde kapsamlı bir araştırma sunar. Pratik kurulum yönergeleri açık erişimli makaleler sunar.