光纤传感在结构健康监测中的未来
发布时间：2024-05-20 13:55:23 阅读数： 62
随着现代基础设施的不断扩大和发展，结构健康监测（SHM）已成为确保安全、识别结构损坏和建立预警系统的关键。然而，传统的电阻应变计系统缺乏这些智能系统所需的稳定性、耐用性和测量范围。
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光纤传感器（FOS）具有体积小、耐腐蚀、易于嵌入等优点，是一种前景广阔的替代品，有助于 SHM 的快速发展和广泛应用。
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光纤传感技术利用光与光纤特性之间的相互作用，对各种物理参数进行高精度、高可靠性的测量。这一原理体现在多种类型的光纤传感器中，每种传感器都利用独特的机制来检测和量化应变、温度、振动和其他结构健康关键指标的变化。
例如，光纤布拉格光栅 (FBG) 依靠光纤纤芯折射率的周期性变化，在特定波长下起到高反射镜的作用。任何变形或温度变化都会改变这些光栅的间距，导致反射波长发生可测量的偏移。这为监测应变和温度提供了一种高度灵敏的局部方法。
分布式光纤传感器（DFOS）是对 FBG 的补充，它利用了布里渊散射和光时域反射仪（OTDR）等技术。这些传感器可捕捉光纤全长的应变和温度曲线，从而以无与伦比的空间分辨率实现远距离连续监测。这使它们在大型基础设施中具有极高的价值。
光纤传感器的主要优点
与传统传感技术相比，光纤传感器具有众多优势，包括体积小巧、抗电磁干扰以及能够承受恶劣环境。
光纤传感器的多路复用功能便于在一根光纤上集成多个传感点，从而大大降低了安装成本和复杂性。
光纤传感的技术创新
技术的不断进步进一步增强了光纤传感解决方案的能力。近期的创新主要集中在微型化、提高灵敏度和新型传感器设计方面。
微型化方面的进步
南安普顿大学的研究人员利用扁平光纤和机器学习算法开发出了一种紧凑型、高性价比的 FBG 询问器。3 这一创新缩小了询问器的尺寸，降低了成本（光纤约 25 美元/米），使 FBG 监测在实际应用中更加方便实用。
增强灵敏度
特殊点 (EP) 动态的集成大大提高了传感器的灵敏度，使微小信号的检测达到了前所未有的精度。
发表在《光电进展》（Opto-Electronic Advances）上的一项研究在光纤弯曲传感器中采用了 EP 动态技术，在 0.28 至 2.74 m-1 的曲率范围内实现了 1.32 GHz/m-1 的超灵敏度和 7.56 × 10-4 m-1 的精度。这一突破可实现结构异常的早期检测，提高重要基础设施的安全系数。
纳米材料的集成
相关故事利用响应性水凝胶革新光子学在光纤封装内实现激光到光纤和光纤到光纤连接的新设备利用兰姆波测试进行结构健康监测微/纳米纤维 (MNF) 的集成为高灵敏度和快速响应应变传感器开辟了新的途径。
Opto-Electronic Advances 的另一项研究设计了一种光学应变传感器，在聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 薄膜中使用了闪烁耦合的 MNF，应变高达 0.5 % 时的测量系数为 64.5，应变分辨率为 0.0012 %。
它的快速时间频率响应高达 30 kHz，可以进行声音检测，而 102 kPa-1 的压力灵敏度可以进行实时微位移检测，用于结构健康监测。
结构健康监测中的应用
光纤传感器的多功能性和坚固性使其在各种基础设施的结构健康监测中得到广泛应用。
桥梁监测
光纤传感器在桥梁监测中起着关键作用，它可以检测静态交通荷载下的微小弹性应变和挠度，为了解老化混凝土结构的行为提供宝贵的信息。
一组欧洲研究人员使用 DFOS 调查了静态交通荷载对阿姆斯特丹 705 号大桥轻微挠度的影响。通过在桥内集成 FOS，他们成功地识别出了约 2 μm/m 的微小弹性应变，实现了 20 厘米的出色空间分辨率。这凸显了这些传感器的超凡灵敏度。
下水道隧道维护
在下水道隧道维护中，预测和预防损坏对于避免洪水、塌方和环境污染至关重要。传统的远程检测方法因其周期性和隧道清洁的需要而受到限制，这促使人们探索使用光纤传感器进行实时结构健康监测。
在发表于《程序技术》（Procedia Technology）的一项研究中，研究人员在德国迈宁根的一个下水道隧道更新项目中安装了一套光纤健康监测系统。该系统配备了光纤湿度和倾斜传感器，被放置在管道接口处，以检测隧道的错位和出水情况。
安装后的测量结果（传感器 1 记录的相对湿度为 35.73 %，温度为 10.56 °C；传感器 2 记录的相对湿度为 45.01 %，温度为 9.36 °C）证明了系统的有效运行，为持续的长期监测铺平了道路。
挑战与解决方案
虽然光纤传感技术取得了长足的进步，但仍有一些挑战有待解决。
数据管理
主要障碍之一是管理这些传感器产生的大量数据，尤其是分布式光纤系统。例如，一个分布式声学传感器（DAS）系统的传感范围为 2 千米，采样频率为 2000 赫兹，空间分辨率为 1 米，每天产生的数据量约为 650 GB。
研究人员正在积极探索高效的数据压缩算法，并利用大数据分析技术来处理这些数据流并从中提取有价值的见解。
交叉灵敏度
准分布式 FBG 和 DFOS 系统对各种物理参数的交叉敏感性是一项挑战。这就需要开发先进的机器学习技术，以实现多参数传感和分辨。
此外，还必须解决光纤应变、脆性、温度交叉敏感性和光纤周围材料等实际问题，以确保与民用结构无缝集成。
光纤传感的未来
光纤传感在结构健康监测领域的未来将是变革性的进步，例如人工智能驱动的异常检测、微型化自供电传感器和自主监测系统。
这些进步将彻底改变土木基础设施的工程和维护，优化运营，提高抗灾能力，改善公共安全，实现更智能的城市规划。
然而，研究人员、行业领导者和基础设施利益相关者之间的合作对于应对挑战和释放这一革命性技术的全部潜力至关重要。
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参考文献和更多阅读
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