حسگرهای فیبر نوری؛ پیشگامان عصر جدید پایش سلامت سازه

با گسترش و تکامل زیرساخت‌های مدرن، پایش سلامت سازه (SHM) برای تضمین ایمنی، شناسایی آسیب‌های سازه‌ای و ایجاد سیستم‌های هشدار سریع به امری حیاتی تبدیل شده است. با این حال، سیستم‌های سنتی اندازه‌گیری کرنش مقاومتی، ثبات، دوام و محدوده اندازه‌گیری مورد نیاز برای این سیستم‌های هوشمند را ندارند.

حسگرهای فیبر نوری (FOS) به عنوان جایگزینی امیدوارکننده با ارائه مزایایی مانند اندازه جمع و جور، مقاومت در برابر خوردگی و تعبیه آسان، توسعه سریع و پذیرش گسترده SHM را تسهیل کرده است. فناوری حسگرهای فیبر نوری (FOS) از برهمکنش نور و خواص فیبر بهره می برد و امکان سنجش بسیار دقیق و قابل اعتماد پارامترهای فیزیکی مختلف را فراهم می کند. این اصل از طریق انواع مختلف حسگرهای فیبر نوری که هر کدام از مکانیسم های منحصر به فردی برای تشخیص و کمیت سنجی تغییرات در تنش، دما، لرزش و سایر شاخص های حیاتی سلامت سازه استفاده می کنند، آشکار می شود.

اصول کار حسگرهای فیبر نوری (FOS)

به عنوان مثال، شبکه های براگ فیبر (FBG) بر تغییرات دوره ای در ضریب شکست هسته فیبر تکیه می کنند و به عنوان آینه های بسیار بازتابنده در طول موج های خاص عمل می کنند. هرگونه تغییر شکل یا دما، فاصله این شبکه ها را تغییر می دهد که منجر به تغییر قابل اندازه گیری در طول موج بازتابیده می شود. این روش، روشی بسیار حساس و موضعی برای پایش تنش و دما را فراهم می کند.

در کنار FBGها، حسگرهای توزیع شده فیبر نوری (DFOS) وجود دارند که از تکنیک‌هایی مانند پراکندگی بریلوئن و بازتاب‌سنجی دامنه زمانی نوری (OTDR) استفاده می‌کنند. این حسگرها پروفایل های تنش و دما را در کل طول فیبر ثبت می کنند و امکان پایش مداوم را در فواصل بسیار زیاد با تفکیک فضایی بی نظیر فراهم می کنند. این امر آنها را برای زیرساخت های بزرگ مقیاس ارزشمند می کند.

مزایای کلیدی حسگرهای فیبر نوری

در مقایسه با فناوری‌های حسگری سنتی، حسگرهای فیبر نوری مزایای متعددی از جمله اندازه کوچک، مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی و توانایی تحمل محیط‌های خشن را ارائه می‌دهند.

قابلیت چندگانه سازی [Multiplexing] آن‌ها، ادغام نقاط حسگر متعدد در طول یک فیبر واحد را تسهیل می کند و به طور قابل توجهی هزینه و پیچیدگی نصب را کاهش می دهد.

نوآوری‌های فناورانه در حسگرهای فیبر نوری

پیشرفت‌های مداوم در فناوری، قابلیت‌های راه‌حل‌های حسگر فیبر نوری را بیشتر ارتقا می‌دهد. نوآوری‌های اخیر بر مینیاتوری‌سازی، بهبود حساسیت و طراحی‌های نوآورانه حسگر تمرکز کرده‌اند.

پیشرفت در مینیاتوری‌سازی

محققان دانشگاه ساوتهمپتون [University of Southampton] یک بازپرس [Interrogator] FBG فشرده و مقرون به صرفه با استفاده از فیبر نوری تخت و الگوریتم‌های یادگیری ماشین توسعه داده‌اند. این نوآوری اندازه و هزینه بازپرس کننده را کاهش می دهد (تقریباً ۲۵ دلار در متر برای فیبر)، که باعث می شود نظارت FBG برای کاربردهای دنیای واقعی مقرون به صرفه تر و کاربردی تر شود.

حساسیت بهبودیافته

ادغام دینامیک نقطه استثنایی (EP) حساسیت حسگر را به طور قابل توجهی تقویت کرده است و امکان تشخیص سیگنال‌های بسیار ضعیف با دقت بی‌سابقه را فراهم می‌کند.

مطالعه‌ای که در مجله Opto-Electronic Advances منتشر شد، دینامیک EP را در یک حسگر خمشی فیبر نوری پیاده‌سازی کرد و به حساسیت استثنایی با ضریب گیژ ۱.۳۲ گیگا هرتز بر متر مربع در محدوده انحنا از ۰.۲۸ تا ۲.۷۴ متر مربع و دقتی برابر با ۷.۵۶ × ۱۰ به توان -۴ متر مربع دست یافت. این پیشرفت می تواند امکان تشخیص زودهنگام ناهنجاری های سازه ای و بهبود حاشیه ایمنی زیرساخت های حیاتی را فراهم کند.

ادغام ریز/نانوالیاف (MNFs)

ادغام ریز/نانوالیاف (MNFs) مسیرهای جدیدی را برای حسگرهای کرنش با حساسیت بالا و پاسخ سریع باز کرده است.

مطالعه دیگری در Opto-Electronic Advances یک حسگر کرنش نوری با MNF های کوپل شده evanescently در یک فیلم پلی دی متیل سیلوکسان (PDMS) طراحی کرد که به ضریب گیژ ۶۴.۵ برای کرنش تا ۰.۵٪ و رزولوشن کرنش ۰.۰۰۱۲٪ دست یافت.

پاسخ فرکانس زمانی سریع آن تا ۳۰ کیلوهرتز امکان تشخیص صدا را فراهم می کند، در حالی که حساسیت فشار ۱۰۲ کیلو پاسکال بر -۱ امکان تشخیص میکرو جابجایی در زمان واقعی را برای پایش سلامت سازه فراهم می کند.

کاربردها در پایش سلامت سازه (SHM)

قابلیت‌های گسترده و استحکام حسگرهای فیبر نوری، امکان پذیرش گسترده آنها را در SHM در زیرساخت‌های مختلف فراهم کرده است.

پایش پل

حسگرهای فیبر نوری در پایش پل نقش اساسی دارند و کرنش‌های الاستیک و تغییر شکل‌های جزئی را تحت بارهای ترافیکی ایستا تشخیص می‌دهند و بینش ارزشمندی در مورد رفتار سازه‌های بتنی در حال فرسودگی ارائه می‌دهند.

تیمی از محققان اروپایی از DFOS برای بررسی تأثیر بارهای ترافیکی ایستا بر انحراف جزئی پل آمستردام ۷۰۵ استفاده کردند. با ادغام FOS در داخل پل، آنها با موفقیت یک کرنش الاستیک کوچک در حدود ۲ میکرومتر بر متر را شناسایی کردند و به تفکیک فضایی قابل توجهی معادل ۲۰ سانتی متر دست یافتند. این امر بر حساسیت استثنایی این حسگرها تأکید می کند.

نگهداری تونل فاضلاب

در نگهداری تونل فاضلاب، پیش‌بینی و جلوگیری از خرابی برای جلوگیری از سیل، رانش زمین و آلودگی محیط زیست بسیار مهم است. روش‌های سنتی بازرسی از راه دور به دلیل ماهیت دوره‌ای و نیاز به تمیز کردن تونل محدود هستند و این امر منجر به بررسی حسگرهای فیبر نوری برای پایش سلامت سازه در زمان واقعی شده است.

در مطالعه‌ای که در Procedia Technology منتشر شد، محققان یک سیستم SHM فیبر نوری را در یک پروژه نوسازی تونل فاضلاب در ماینینگن، آلمان نصب کردند. این سیستم مجهز به حسگرهای رطوبت و شیب فیبر نوری در محل اتصال لوله‌ها برای تشخیص عدم همراستا بودن تونل و خروجی‌های آب قرار گرفت.

اندازه‌گیری‌های پس از نصب (حسگر ۱ رطوبت نسبی ۳۵.۷۳ درصد و ۱۰.۵۶ درجه سانتیگراد و حسگر ۲ رطوبت نسبی ۴۵.۰۱ درصد و ۹.۳۶ درجه سانتیگراد را ثبت کرد) عملکرد مؤثر این سیستم را نشان داد و راه را برای پایش مداوم بلندمدت هموار کرد.

چالش‌ها و راه‌حل‌ها

در حالی که فناوری حسگر فیبر نوری پیشرفت‌های قابل توجهی داشته است، همچنان چالش‌هایی وجود دارد که باید برطرف شوند.

مدیریت داده‌ها

یکی از موانع اصلی، مدیریت حجم عظیم داده‌های تولید شده توسط این سنسورها، به ویژه در مورد سیستم‌های توزیع‌شده فیبر نوری است. به عنوان مثال، یک سیستم حسگر صوتی توزیع‌شده (DAS) که محدوده حسگری ۲ کیلومتری را پوشش می‌دهد، با نمونه‌برداری ۲۰۰۰ هرتز با تفکیک فضایی ۱ متر، روزانه حدود ۶۵۰ گیگابایت داده تولید می‌کند.

محققان به‌طور فعال در حال کاوش الگوریتم‌های کارآمد فشرده‌سازی داده‌ها و استفاده از تحلیل داده‌های بزرگ برای پردازش و استخراج بینش‌های ارزشمند از این جریان‌های داده هستند.

حساسیت متقابل

حساسیت متقابل FBG های شبه توزیع شده و سیستم های DFOS به پارامترهای فیزیکی مختلف یک چالش است. این امر نیاز به توسعه تکنیک‌های پیشرفته یادگیری ماشین برای حسگری چند پارامتری و تمایز قائل شدن را ضروری می‌کند.

همچنین باید به مسائل عملی مانند کرنش فیبر، شکنندگی، حساسیت متقابل دما و مواد اطراف الیاف نوری برای اطمینان از یکپارچگی بدون درز با سازه‌های عمرانی پرداخته شود.

آینده حسگرهای فیبر نوری

آینده حسگرهای فیبر نوری در پایش سلامت سازه نوید پیشرفت‌های تحول‌آفرینی مانند تشخیص ناهنجاری مبتنی بر هوش مصنوعی، حسگرهای خود تغذیه مینیاتوری و سیستم‌های پایش خودکار را می‌دهد.

این پیشرفت‌ها مهندسی و نگهداری زیرساخت‌های عمرانی را متحول خواهد کرد، عملیات را بهینه می‌کند، تاب‌آوری را افزایش می‌دهد، ایمنی عمومی را بهبود می‌بخشد و امکان برنامه‌ریزی شهری هوشمندتر را فراهم می‌سازد.

با این حال، همکاری‌های مشترک بین محققان، رهبران صنعت و ذینفعان زیرساخت برای غلبه بر چالش‌ها و شکوفایی کامل پتانسیل این فناوری انقلابی ضروری است.