Faseroptische Sensoranwendungen für die Überwachung des strukturellen Zustands
Glasfaserkabel werden in verschiedenen Instrumentierungsanwendungen verwendet, um Sensoren für verschiedene Arten von Messungen zu erstellen. Eine dieser Anwendungen ist die Überwachung des strukturellen Zustands verschiedener Ingenieurbauwerke wie Gebäude, Brücken, Tunnel usw. Der strukturelle Zustand einer Infrastruktur kann sein beschrieben als sein körperlicher Zustand und Zustand, der seine effektive Funktion und Ausdauer beeinflusst. Die Überwachung des strukturellen Zustands ermöglicht es, geeignete Vorkehrungen und Maßnahmen zu treffen, um die Sicherheit des Bauwerks zu gewährleisten und es ihm zu ermöglichen, über einen langen Zeitraum Bestand zu haben. Die faseroptische Sensorik übertrumpft andere mögliche Technologien, da die Glasfaser nicht nur robust ist, um rauen Umgebungen standzuhalten, sondern die optische Faser auch von möglichen externen elektromagnetischen Interferenzen unbeeinflusst bleibt, wodurch faseroptische Sensoren mehr Präzision und Genauigkeit in ihren Ergebnissen und eine lange Lebensdauer bieten für den Sensor.
Bei den meisten Baukonstruktionen auf Betonbasis sind die Hauptfaktoren, die bei der Überwachung des strukturellen Zustands im Gebäude selbst zu berücksichtigen sind, die Bildung von Rissen und angesammelte Feuchtigkeit im Beton. Diese führen zu aufgebrachter Spannung und Dehnung, die Dehnung und Kompression oder Schwankungen von Neigungs- und Verdrehungsdrücken verursachen, die die molekulare Integrität der Struktur beeinträchtigen. Glasfaserbasierte Sensoren helfen, diese Risse und Feuchtigkeit zu erkennen, um den strukturellen Zustand dieser Gebäudestrukturen zu überwachen. Das Vorhandensein übermäßiger Feuchtigkeit kann im Laufe der Zeit molekularen Raum innerhalb von Betonplatten schaffen, der Luft einschließt. Diese Luftansammlung schwächt die integrale Festigkeit der Gebäudestruktur. In ähnlicher Weise wirkt sich das Vorhandensein von Rissen zusammen mit den Wirkungen anhaltender Feuchtigkeit nachteilig auf die molekulare Integrität der Struktur aus, wodurch sie anfällig für Zusammenbruch und Zusammenbruch wird. Durch die Verwendung von faseroptischen Sensoren können solch drastische Einsturzfolgen durch konsistente und genaue Beobachtungen von Feuchtigkeit und Rissen in der Gebäudestruktur vermieden werden.
Feuchtigkeitssensoren zum Erfassen von Feuchtigkeitsniveaus können unter Verwendung von Polymerfasern auf der Basis von Polyvinylalkohol-Hydrogelstäben konstruiert werden. Hydrogel dehnt sich in Gegenwart von Wasser aus, was zu Mikrobiegungseffekten am Stab führen kann. Dadurch wird das Senderlicht gedämpft und kann mittels optischer Zeitbereichsreflektometrie analysiert und verarbeitet werden. Sie können auch unter Verwendung von mit Polyimid beschichteten Faser-Bragg-Gittern konstruiert werden. FBG-Sensoren basieren auf Gittern im Kabel, die bestimmte Lichtwellenlängen bei bestimmten „Bragg“-Wellenlängen reflektieren. Diese Kabel sind mit einem ähnlichen hygroskopischen Material beschichtet, schwellen und verbiegen sich in Gegenwart von Wasser und werden zur Erkennung von Feuchtigkeit verwendet. Ersteres hat Anwendungen in der verteilten Erkennung, während letzteres für die Einzelpunkt-Feuchtigkeitserkennung verwendet wird.
Reference: Photonic Humidity Sensor 1 and FBG Based Humidity Sensor 2
Faseroptische Risssensoren können auf zahlreichen Technologien basieren, wie z. B. der Integration von Singlemode-Glasfaserkabeln in eine textile Netzstruktur oder auf FBG-Sensoren auf mechanischer Spurweite. Bei ersterem überträgt die Struktur Dehnung und Stauchung entlang sich selbst, damit das Kabel Messungen durchführen kann, während bei letzterem ein Glasfaserkabel zusammen mit einem FBG-Sensor verwendet werden kann, um Änderungen in verschobenen Strukturbausteinen zu bestimmen. Verschiedene Spannungen und Vibrationen, die Risse in der Struktur verursachen, können eine Dämpfung des Lichts verursachen, die gemessen und analysiert werden kann.
Reference: Fiber Optic Crack Sensor 3 and FBG Based Mechanical Crack Sensor 4
Auf Glasfasern basierende Sensoren für die Zustandsüberwachung von Bauwerken haben viele Vorteile gegenüber anderen herkömmlichen Methoden zur Überwachung von Ingenieurbauwerken. Feuchtigkeit und Risse sind neben der Messung von Spannung, Dehnung und Druck häufigere Beobachtungsmerkmale. Es kann zahlreiche Möglichkeiten geben, faseroptische Technologien für diese Anwendungen einzusetzen, während neue Arten von Sensoren mit verbesserter Genauigkeit und Präzision bei Messungen oder neuere Modelle mit anderen Technologiemodi entwickelt werden, die insgesamt andere Möglichkeiten zur Überwachung des strukturellen Zustands finden.
Der Himmel ist das Limit. Und Licht ist das Schnellste, was dorthin gelangen kann!
Muhammad Bin Sanaullah