استراتژی مانیتورینگ اغلب بوسیله بودجه در دسترس محدود می‌شود. بر اثر تحقیق ارائه شده روش‌های پیشنهادی برای تخمین بودجه مانیتورینگ سازه‌های جدید بین تا از هزینه کل سازه می‌باشد.

نتیجه‌گیری و جمع‌بندی
مانیتورینگ در سطح مواد، اطلاعات مربوط به رفتار موضعی مواد را فراهم کرده، اما اطلاعات درباب رفتار سراسری سازه را کاهش می‌دهد.
بهترین نوع سیستم مانیتورینگ, مانیتورینگ سراسری و دائمی می‌باشد.
بهترین نوع مدیریت داده برای سازه‌های پیچیده, مدیریت داده پیشرفته, خودکار و دائمی است.
فصل سوم
حسگرهای فیبرنوری
حسگرهای فیبرنوری
مقدمه‌ای بر حسگرهای فیبرنوری
سیستم مانیتورینگ سلامت از یک شبکه حسگری که پارامترهای مربوط به رفتار سازه و محیط آن را اندازه‌گیری می‌کند، تشکیل شده است. حسگرهای مرسوم با بهره گرفتن از مبدل‌های الکتریکی یا مکانیکی قادر به اندازه‌گیری این پارامترها می‌باشند. در چند سال اخیر حسگرهای فیبرنوری با سرعت چشمگیری از حسگرهای رایج پیشی گرفته‌اند. این تکنولوژی و روش‌های پیشنهادی آن در مقایسه با حسگرهای رایج عملکرد بسیار مناسبی دارند. موارد برتری این سیستم شامل اندازه‌گیری با کیفیت بالاتر، قابلیت اطمینان بهتر، قابلیت جایگذاری دستی، واحدهای قرائت، اجرای اعمال اپراتور بوسیله اندازه‌گیری‌های خودکار، نصب آسان و هزینه پایین تعمیر و نگه‌داری و طول عمر با کارایی بالا و… می‌باشند. [۳۰,۴۲]
در تقریبا تمام موارد استفاده، فیبرنوری یک فیبر شیشه‌ای نازک بوده که بطور مکانیکی توسط یک پوشش پلی‌مری یا یک پوشش فلزی(در موارد بی نهایت بلند) محافظت می‌شود. از آن جایی که شیشه یک ماده بی اثر و خنثی و در برابر عوامل شیمیایی و درجه‌حرارت بالا مقاوم بوده، برای استعمال در محیط‌های شیمیایی، بتنی و کامپوزیتی(نظیر نفت و گاز و اسپارک پلاگ^[۸۵](موتوری با محفظه احتراق داخلی که برای اشتعال گازها تولید جرقه می‌کند)) ایده‌آل می‌باشد. همچنین از آنجایی که شیشه به هوازدگی^[۸۶] مقاوم بوده، سبب خوردگی^[۸۷] نمی‌شود. خاصیت اخیر یک دستاورد مهم برای مانیتورینگ سلامت با قابلیت اطمینان بالا در سازه‌های عمرانی و هوایی می‌باشد.
نور مورد استفاده در فیبرهای نوری توسط هیچ میدان الکترومغناطیس^[۸۸](EM) جذب نمی‌شود و این عامل سبب می‌شود که سیستم‌های فیبرنوری بطور ذاتی نسبت به هرگونه تداخل امواج الکترومغناطیسی(EMI)^[89] مصون ‌باشند. یک مزیت منحصر به فرد فیبرنوری در مقایسه با همتاهای الکتریکی خود، قابلیت حس ایده‌آل در زمان وجود میدان الکترومغناطیسی، فرکانس‌های رادیویی(RF)^[90] و امواج مایکروویو(MW)^[91] می‌باشد. در این حالت حسگرهای فیبرنوری تحت تاثیر میدان‌های الکترومغناطیسی تولیدی قرار نمی‌گیرند، مگر اینکه فیبرها در اثر درجه‌حرارت بالا آسیب دیده باشند. همچنین حسگرهای فیبرنوری تحت تاثیر ماشین‌های الکتریکی مجاور نظیر لوکوموتیو، خطوط تولید قدرت و… نمی‌باشند. مصونیتEMI یک خاصیت منحصر به فرد برای مانیتورینگ مکان‌های داغ و در مجاورت انتقال دهنده‌های الکتریکی می‌باشد. حسگرهای فیبرنوری ذاتا ایمن و بطور ذاتی دارای پوشش ضد انفجار می‌باشند، که این ویژگی نیز آنها را برای کاربردهای هوافضایی، عمران، خطوط لوله و ماشین‌های شیمیایی مناسب می سازد. [۸,۹,۱۳,۳۰,۴۲]
با این‌حال هنوز بزگترین مزیت حسگرهای فیبرنوری ابعاد کوچک آنها می‌باشد. در اغلب حالت‌ها قطر حسگرهای فیبرنوری بدون روکش(لخت) در حدود ۱۲۵تا۵۰۰ میکرومتر بوده که برای فضاهای کوچک بویژه سازه‌های کامپوزیتی بسیار مناسب می‌باشند(همچنین برای پیچ‌ها^[۹۲] و دیگر تجهیزات استوانه‌ای(سیلندری)). توانایی اندازه‌گیری پارامتر از فواصل بسیار دور(بیش از چند ده کیلومتر) بدون نیاز به هرگونه عامل الکتریکی, یک مزیت بسیار خوب در صنعت ارتباطات از راه دور می‌باشد. در زمانی که سر و کار با سازه‌های بزرگ نظیر خطوط لوله، هواپیماهای مسافربری و پل‌های چند منظوره است، این مورد یک ویژگی مهم به حساب می‌آید. حسگرهای فیبرنوری تنوع پارامتری زیادی دارند تا حدی که پارامترهای چندگانه بتوانند با شبکه‌های مشابه مخلوط شده و اندازه‌گیری‌ها نیز به درستی انجام شوند.
با توسعه چشمگیر تجارت ارتباطات از راه دور، هزینه‌ها بطور قابل توجهی کاهش یافته و سبب افزایش عملکرد سیستم فیبرنوری و مولفه‌های نوری مرتبط با آن(در مجموع عملکرد مانیتورینگ) می‌شود. [۳۰,۴۲]
قطعا کاربردهای حجم‌های بالا و امکان کار در محیط‌های پیچیده حسگرهای فیبرنوری از اهداف این تجارت می‌باشد. برای کار در محل‌های طاقت فرسا که امکان استفاده از حسگرهای رایج نمی‌باشد، بهترین گزینه استفاده از حسگرهای فیبرنوری است. اولین موفقیت در استعمال صنعتی حسگرهای فیبرنوری برای مانتیتورینگ سازه‌های عمرانی، ثابت کرد که این حسگرها نسبت به حسگرهای رایج دارای برتری‌های فراوانی می‌باشند. یک سیستم مانیتورینگ از چندین بخش مهم تشکیل شده است که همگی به یک اندازه مهم می‌باشند(شکل(۱-۱)).
حسگرها: این مبدل‌ها پارامترهای اندازه‌گیری شده را به کمیت‌های قابل قرائت تبدیل می‌کنند. سیستم حس به منظور هماهنگی با تغییرات خواص هدایت شده بوسیله فیبرنوری، تغییراتی در پارامترهای مانیتورینگ اعمال می‌کند. این تغییرات شامل شدت، مباحث طیفی، حالت پلاریزاسیون^[۹۳] یا ترکیب این حالت‌ها می‌باشند.
شبکه کابلی: این وسیله به منظور اتصال سیستم به سیستم اکتساب داده(DAQ)^[94] استفاده می‌شود. حسگرهای فیبرنوری یک شبکه کاملا کابلی و خنثی^[۹۵] که از تمام فیبرهای نوری سیستم تشکیل شده است را توصیه می‌کنند. همچنین قابلیت ترکیب انواع سیگنال‌ حسگرهای چند حالته با حسگرهای تک حالته^[۹۶] بوسیله یک کابل فیبری چند حالته نیز فراهم شده است.
سیستم DAQ: برای هر نوع حسگر، یک واحد DAQ متناظر که تغییر در اطلاعات سیگنال‌های نوری را مشاهده و ذخیره می‌کند، وجود دارد. در این بخش داده‌ها در فرمت‌های دیجیتال در دسترس می‌باشند.
سیستم مدیریت داده: داده‌ها برای آنالیز توسط یک روش سازمان یافته ذخیره می‌شوند. امروز بهترین روش‌ ذخیره داده‌ با هدف مانیتورینگ ترم‌های طولانی، استفاده از پایگاه داده^[۹۷] مناسب می‌باشد. به هرحال مهم است که از ذخیره داده‌ها(به منظور ایمنی بیشتر یک نسخه کپی یا المثنی^[۹۸] از آن تهیه شود) بطور قطعی اطمینان حاصل شود. [۵۴]
آنالیز داده: این نوع آنالیز لایه‌ای داده‌ها به منظور تبدیل داده‌ها به اطلاعاتی که برای تصمیم‌گیری ساخت و تعیین اهداف مفید می‌باشند، انجام می‌شوند.
در این فصل در ابتدا به بررسی مکانیزم عملکرد حسگرهای فیبرنوری که اساس کار این پروژه بر روی آنها است, پرداخته می‌شود. درادامه تکنولوژِی حس حسگرهای فیبرنوری تشریح شده و انواع حسگرهای فیبرنوری, مکانیزم عملکرد و کاربرد آنها شناسایی می‌شوند. در نهایت با شناسایی مشکلات نصب حسگرها به بررسی رفع مشکلات و پیشنهاداتی برای نصب در سازه‌های کامپوزیتی پرداخته می‌شود.
تکنولوژی حس فیبرنوری
تعداد زیادی حسگرهای فیبرنوری برای مانیتورینگ سلامت وجود دارند که در هر دو سازمان آکادمیک و صنعتی توسعه یافته‌اند. تحقیقات صنعتی و دانشگاهی نیز در این زمینه در حال توسعه است که تعداد متنوعی از حسگرها را به منظور اندازه‌گیری و… تولید می‌کند. هدف این بخش به هیچ وجه توضیح مفصل در باب هرکدام از تکنولوژی‌ها نبوده, بلکه ارائه تحقیق کلی برای تکنولوژی‌های اصلی و پیاده‌سازی اهداف می‌باشد.
حسگرهای فیبر نوری
FBG
فابری پروت
رامان
SOFO
حسگرهای نقطه‌ای
حسگرهای گیج بلند
حسگرهای توزیع شده
بریلویین
شکل ‏۳‑۱: طبقه‌بندی تکنولوژی‌های حس فیبرنوری.[۴۵]
شکل(۳-۱) تکنولوژی‌های اصلی حس فیبرنوری را به موجب اندازه‌گیری طبقه‌بندی کرده است.
حسگرهای تداخل‌سنج SOFO
سیستم SOFO(مخفف بدست آمده از زبان فرانسوی درباب مانیتورینگ سازه‌ به روش فیبرهای نوری می‌باشد)^[۹۹]، یک حسگر تغییر شکل فیبرنوری با گیج بلند و دارای رزولوشن در محدوده مایکرومکانیک و دارای عدم حساسیت به درجه‌حرارت و محدوده پایداری ترمیک بالا می‌باشد. این سیستم در انیسیتو صنعتی فدرال سوییس در لاوسان(EPFL)^[100] توسعه یافته است و اکنون بوسیله راک تست^[۱۰۱] و اسمارتک^[۱۰۲] تجاری‌سازی شده است. اصول کلی SOFO بطور شماتیک در شکل(۳-۲) ارائه شده است.
حسگر شامل یک جفت فیبر تک حالته^[۱۰۳] تعبیه شده در سازه‌ای که مانیتوره می‌شود، می‌باشد. یکی از فیبرها، فیبر اندازه‌گیری نام دارد که با سازه میزبان^[۱۰۴] بطور مکانیکی در تماس است و در دو انتهای خود به صورت پیش فشرده به سازه میزبان متصل می‌باشد. دیگر فیبر مرجع بطور سرگردان در لوله مشابه جایگذاری شده است. همه تغییر شکل‌های سازه‌ای نتایج تغییر اختلاف طول بین این دو فیبر می‌باشند. [۴۵]
برای اندازه‌گیری کامل این مسیر ناموزون، از تداخل‌سنجی با اتصال چسبی دولایه مایکلسن^[۱۰۵] استفاده شده است. اولین تداخل‌سنج^[۱۰۶] اندازه‌گیری مرجع را فراهم کرده و دومی حامل واحد قرائت دستی و قابل حمل^[۱۰۷] می‌باشد. بدلیل چسبندگی بین منبع استفاده شده( شعاع دیود^[۱۰۸] تابش نور)، لبه‌های تداخل‌سنج فقط زمانی که مولفه‌های تداخل‌سنج قرائت کننده بطور کامل تفاوت طولی داشته باشند، کشف می‌شوند.
اگر این اندازه‌گیری در زمان‌های پی‌درپی تکرار شود، ارزیابی تغییر شکل‌ها در سازه بدون نیاز به مانیتورینگ پیوسته مجاز می‌شوند. این وسیله که یک واحد قرائت تک حالته می‌باشد, می‌تواند برای مانیتورینگ چندین جفت فیبر در سازه‌های چندگانه استفاده شود. میزان دقت و پایداری این عملیات چندین مرتبه در آزمایشگاه‌ها و محیط‌های آزمایشگاهی (با )، کیفیت‌سنجی شده است.
شکل ‏۳‑۲: ستاپ سیستم حسگر تداخل‌سنج SOFO.[69]
شکل ‏۳‑۳: واحد قرائت SOFO پرتابل و نصب پایدار.[۶۵]
واحد قرائت شامل یک پرتابل ضدآب و باطری قوی بوده که برای استفاده در محیط‌های گرد و غباری و رطوبتی نظیر اغلب ساختمان‌ها(شکل(۳-۳)) مناسب می‌باشد. هرکدام از اندازه‌گیری‌ها در حدود ۱۰ثانیه طول کشیده و بطور خودکار آنالیز شده و نیز برای تفسیر بهتر بوسیله کامپیوتر سیار خارجی ذخیره می‌شوند.
اندازه‌گیری‌ها می‌توانند بطور دستی بوسیله اتصال حسگرهای مختلف یا بطور خودکار با بهره گرفتن از وسایل تعویض نوری انجام شوند. ار آنجایی که اندازه‌گیری از طول بین فیبرها کاملا مستقل است، هیچ نیازی به نگه‌داری اتصال پایدار بین واحد قرائت و حسگر نمی‌باشد. [۴۵]
سیستم SOFO بطور موفقیت آمیز برای مانیتورینگ بیش از۴۰۰ سازه شامل پل، سد، ساختمان، تونل، ستون، کشتی، دیواره و بناهای تاریخی و… استفاده شده است و مدل‌های آزمایشی آن سیستم یکی از هماهنگ شده‌ترین تکنولوژری‌های فیبرنوری برای کاربردهای مهندسی هوافضا و عمران می‌باشد.
حسگرهای تداخل‌سنجی فابری پروت
تداخل‌سنج‌های خارجی فابری پروت(EFPI)^[109] از یک تیوپ سیلیکایی مویین^[۱۱۰] شامل دو فیبرنوری شکافته شده(شکل(۳-۴)) تشکیل شده‌اند. اما یک شکاف هوایی^[۱۱۱] در محدوده بین آنها گذاشته شده است[۳۰,۳۵,۴۲]. زمانی که نور به داخل یکی از فیبرها تابیده شود، یک سیگنال تداخلی منعکس شده، صادر می‌شود. این امر ناشی از انعکاس نور ورودی از شیشه به هوا و تداخل هوا به شیشه می‌باشد. این تداخل می‌تواند با بهره گرفتن از تکنیک‌های چسبندگی به منظور تجدید ساخت در فضاهای فیبرها مخابره^[۱۱۲] شود. از آنجایی که دو فیبر با یک تیوپ نازک در مجاورت دو انتهای آن(بطور مثال ۱۰ میلی‌متر) متصل شده‌اند، تغییر شکاف با نوسانات کرنش متوسط بین دو نقطه اتصال متناظر خواهد بود.
شکل ‏۳‑۴: قواعد اصلی حسگرهای فابری پروت.[۳۵]
شکل ‏۳‑۵: تفکیک کننده^[۱۱۳]برای تداخل های فابری پروت برای کانال‌های چندتایی و گره ها.[۶۹]
در شکل(۳-۵) نمونه‌ای از تفکیک‌کننده‌های حسگرهای فابری پروت ارائه شده است.
حسگرهای FBG
براگ گریتینگ‌ها^[۱۱۴] بطور یکی درمیان در ضریب شکست هسته فیبر پریودیک می‌باشند. گریتینگ‌های تولیدی بطور نمونه طول‌هایی در حدود ۱۰ میلی‌متر دارند. از آنجایی که پریود گریتینگ مستقل از کرنش و درجه‌حرارت است، می‌توان این دو پارامتر را بوسیله آنالیز حساسیت نور منعکس شده و طول‌موج‌ آن, اندازه‌گیری کرد. رزولوشن در حدود با بهره گرفتن از بهترین تفکیک‌کننده‌ها بدست می‌آید. اگر حس نوسانات کرنش و درجه‌حرارت مورد انتظار باشد، باید از یک منبع گریتینگ آزاد که درجه‌حرارت تنها را اندازه‌گیری می‌کند, استفاده کرد.
دلیل اصلی استفاده از FBG ها، پتانسیل چندگانه آنها می‌باشد. تعدادی گریتینگ در فیبر مشابه به منظور انعکاس طول‌موج‌های متفاوت در محل‌های متفاوت قرار می‌گیرند. این امر امکان اندازه‌گیری کرنش را در محل‌های متفاوت و در زمان استفاده از فیبر و کابل تک نفره فراهم می‌کند(شکل(۳-۶)). بطور نمونه ۴ تا ۱۶ عدد گریتینگ می‌توانند در یک فیبر تک حالته استفاده شوند. امروزه تکنیک و ابزار تفکیک زیادی برایFBG در دسترس بوده که تفاوت آنها در دقت طول‌موج‌ و خواص سیستم حس می‌باشد[۱۳]. تفکیک‌کننده‌های تجاری از SMARTEC، و کشورهای آمریکا، سوییس و … تهیه می‌شوند. [۳۰,۴۲]
شکل ‏۳‑۶: حسگرهای چندگانه FBG. [69]