Последние разработки передовых технологий мониторинга в области инженерной геологии

Введение. Возрастающий спрос на экологичную и «умную» гражданскую инфраструктуру требует высокоточных систем мониторинга Интернета вещей (IoT). Учитывая важность вопросов деформаций грунта для инженерной геологии, необходимо разработать методы измерения, способные точно фиксировать деформации грунта, начиная от микродеформаций и заканчивая существенными деформациями. В последние годы достижения в сфере волоконно-оптических технологий зондирования позволили проводить точные измерения в области инженерной геологии. Однако по-прежнему имеется необходимость усовершенствовать подходы к измерениям с использованием технологий волоконно-оптического зондирования различных деформаций. Рассматриваются несколько технологий волоконно-оптического зондирования, в том числе точечно-распределенные, массивные и распределенные волоконно-оптические датчики.

Материалы и методы. Приведен полный обзор последних достижений в области волоконно-оптических датчиков для целей инженерной геологии. Подробно описаны инновационные методы и устройства высокоточного измерения малых деформаций с помощью волоконно-оптических датчиков.

Результаты. Показан новый интегрированный волоконно-оптический датчик, способный измерять давление воды и общее давление грунта с помощью преобразователя сигнала. Проанализировано использование технологии 3D-печати для изготовления таких преобразователей.

Выводы. Представлен метод волоконно-оптического мониторинга трещин, включающий физическое изготовление, калибровочные испытания и верификацию в полевых инженерных условиях. Предложенные методы волоконно-оптического мониторинга основаны на эффективных способах точных измерений в области инженерной геологии для различных экологических и аварийных условий.

1. Wu T.G., Liu G.W., Fu S.G., Xing F. Recent Progress of Fibre-Optic Sensors for the Structural Health Monitoring of Civil Infrastructure. Sensors. 2020; 20(16):4505-4525.

2. Soman R., Wee J., Peters K. Optical Fibre Sensors for Ultrasonic Structural Health Monitoring : а Review. Sensors. 2021; 21(21):6571-6592.

3. Chen S.M., Wang J.H., Zhang C., Li M.Q., Li N., Wu H.J. et al. Marine Structural Health Monitoring with Optical Fibre Sensors : а Review. Sensors. 2023; 23(4):1085-1105.

4. Wild G., Hinckley S. Distributed Optical Fibre Smart Sensors for Structural Health Monitoring. Structural Health Monitoring 2011: Condition-Based Maintenance and Intelligent Structures. 2013; 2:2050-2057.

5. Xu D.S., Zhao Y.M., Liu H.B., Zhu H.H. Deformation Monitoring of Metro Tunnel with a New Ultrasonic-Based System. Sensors. 2017; 17(8):1739-1753.

6. Xu D.S., Zhu F.B., Lalit B., Fan X.C., Liu Q.B. Construction Solid Waste Landfills: Risk Assessment and Monitoring by Fibre Optic Sensing Technique. Geomatics Natural Hazards & Risk. 2021; 12(1):63-83.

7. Tian H.M., Li D.Q., Cao Z.J., Xu D.S., Fu X.Y. Reliability-Based Monitoring Sensitivity Analysis for Reinforced Slopes Using BUS and Subset Simulation Methods. Engineering Geology. 2021; 293:105792-105792.

8. Xu Z.D., Liu M., Li A.Q., Yuan F., Li Z. Application of Fibre Optic Sensors for Health Monitoring of Civil Engineering. Proceedings of International Conference on Health Monitoring of Structure, Materials and Environment. 2007; 464-471.

9. Kirkendall C.K., Dandridge A. Overview of High Performance Fibre-Optic Sensing. Journal Of Physics D-Applied Physics. 2004; 37(18):R197-R216.

10. Kumari C.R.U., Samiappan D., Kumar R., Sudhakar T. Fibre Optic Sensors in Ocean Observation : a Comprehensive Review. Optik. 2019; 179:351-360.

11. Li T.L., Wu D.J., Khyam M.O., Wu D.J., Guo J.X., Tan Y.G. et al. Recent Advances and Tendencies Regarding Fibre Optic Sensors for Deformation Measurement : а Review. IEEE Sensors Journal. 2022; 22(4):2962-2973.

12. Hsiao T.C., Hsieh T.S., Chen Y.C., Huang S.C., Chiang C.C. Metal-Coated Fibre Bragg Grating for Dynamic Temperature Sensor. Optik. 2016; 127(22):10740-10745.

13. Liu Y.C., Fang J., Jia D.Y., Li W.L. Temperature Characteristics of FBG Sensors with Different Coatings for High Temperature Superconductor Application. Proceedings of 2019 IEEE 3rd International Electrical and Energy Conference (CIEEC). 2019; 1546-1550.

14. Li Q., Liu Y.M., Hong C.Y., Xiong L., Guo Y.X. A Comparative Investigation on Performance of Fibre Bragg Grating Soil Pressure Sensors With Different Configurations. IEEE Sensors Journal. 2023; 23(22):27397-27405.

15. Yang J., Zhao Y., Peng B.J., Wan X. Temperature-Compensated High Pressure FBG Sensor with a Bulk-Modulus and Self-Demodulation Method. Sensors And Actuators A-Physical. 2005; 118(2):254-258.

16. Shi Y., Wang C.X., Cai J.X., Gao Z.T., Zhang Y.Z. FBG Displacement Sensor with Hyperbolic Flexible Hinge Structure. Measurement Science and Technology. 2023; 34(12).

17. Ng J.H., Zhou X.Q., Yang X.F., Hao J.Z. A Simple Temperature-Insensitive Fibre Bragg Grating Displacement Sensor. Optics Communications. 2007; 273(2):398-401.

18. Gao L., Wang X. Acta Materiae Compositae Sinica. 2016; 33(11):2485-2492.

19. Kesavan K., Ravisankar K., Parivallal S., Sreeshylam P., Sridhar S. Experimental Studies on Fibre Optic Sensors Embedded in Concrete. Measurement. 2010; 43(2):157-163.

20. Fajkus M., Nedoma J., Mec P., Jargus J., Svobodova L., Skapa J. FBG Strain Sensor Mounted on Plastic Carrier. Fibre Optic Sensors and Applications XV. 2018.

21. Xu D.S., Su Z.Q., Lalit B., Qin Y. A Hybrid FBG-Based Load and Vibration Transducer with a 3D Fused Deposition Modelling Approach. Measurement Science and Technology. 2022; 33(6).

22. Bas J., Dutta T., Llamas Garro I., Velázquez-González J.S., Dubey R., Mishra S.K. Embedded Sensors with 3D Printing Technology : а Review. Sensors. 2024; 24(6).

23. Ahn S.H., Baek C., Lee S., Ahn I.S. Anisotropic Tensile Failure Model of Rapid Prototyping Parts — Fused Deposition Modeling (FDM). International Journal of Modern Physics B. 2003; 17(8-9):1510-1516.

24. Hong C.Y., Yuan Y., Yang Y.Y., Zhang Y.F., Abro Z.A. A Simple FBG Pressure Sensor Fabricated Using Fused Deposition Modelling Process. Sensors and Actuators A-Physical. 2019; 285:269-274.

25. Hassan M.S., Zaman S., Dantzler J.Z.R., Leyva D.H., Mahmud M.S., Ramirez J.M. 3D Printed Integrated Sensors: From Fabrication to Applications : а Review. Nanomaterials. 2023; 13(24).

26. Feng F., Qin L. Research Progress of Distributed and Quasi Distributed Optical Fibre Sensors. Optical Communication Technology. 2021; 45(3):10-16.

27. Kuang Y., Wu H., Zhang J. et al. Advances of Key Technologies on Distributed Fibre System for Multi-Parameter Sensing. Opto-Electronic Engineering. 2018; 45(9):170678-170678.

28. Quinn M.C., Baxter C.D.P., Winters K.E., Picucci J.R. Geotechnical Effects on Fibre Optic Distributed Acoustic Sensing Performance. Geo-Congress 2022: Advances in Monitoring and Sensing; Embankments, Slopes, and Dams; Pavements; and Geo-Education. 2022; 53-62.

29. Li C., Tang J., Cheng C., Cai L., Yang M. FBG Arrays for Quasi-Distributed Sensing : a Review. Photonic Sensors. 2021; 11(1):91-108.

30. Du Y., Si J., Chen T., Li S., Cui W., Li C. et al. Quasi-Distributed High Temperature Sensor Based on Fibre Bragg Grating. Laser & Optoelectronics Progress. 2016; 53(10):100606-100606.

31. Pei H., Cui P., Yin J., Zhu H., Chen X., Pei L. Monitoring and Warning of Landslides and Debris Flows Using Optical Fibre Sensor Technology. Journal of Mountain Science. 2011; 8(5):728-738.

32. Xu D.S., Dong L.J., Borana L., Liu H.B. Early-Warning System with Quasi-Distributed Fibre Optic Sensor Networks and Cloud Computing for Soil Slopes. IEEE Access. 2017; 5:25437-25444.

33. Luo Z.H., Zhang Y., Cheng W.S., Yang X.B., Zeng S.G. Fibre-End Antireflection Method for Ultra-Weak Fibre Bragg Grating Sensing Systems. Measurement Science and Technology. 2021; 32(5):055501.

34. Wang J., Hu D., Wang D.Y., Wang A.B. Fully-Distributed Fibre-Optic High-Temperature Sensing Based on Stimulated Brillouin Scattering. Fibre Optic Sensors and Applications X. 2013; 87150Q-87150Q.

35. Ahmad E.J., Wang C., Feng D.J., Yan Z.J., Zhang L. Ultrafast Interrogation of Fully Distributed Chirped Fibre Bragg Grating Strain Sensor. 2016 IEEE Photonics Conference (IPC). 2016; 482-483.

36. Wang C.J., Li Z.Y., Gui X., Fu X.L., Wang F., Wang H.H. et al. Micro-Cavity Array with High Accuracy for Fully Distributed Optical Fibre Sensing. Journal of Lightwave Technology. 2019; 37(3):927-932.

37. Li J.Z., Shen B.H., Wang J.J. A Combined Positioning Method Used for Identification of Concrete Cracks. Micromachines. 2021; 12(12):1388.

38. Wang L., Zhou B., Shu C., He S.L. Distributed Temperature Sensing Using Stimulated-Brillouin-Scattering-Based Slow Light. IEEE Photonics Journal. 2013; 5(6):16011.

39. Ravet F., Briffod F., Goy A., Rochat E. Mitigation of Geohazard Risk Along Transportation Infrastructures with Optical Fibre Distributed Sensing. Journal of Civil Structural Health Monitoring. 2021; 11(4):967-988.

40. Chaube P., Colpitts B.G., Jagannathan D., Brown A.W. Distributed Fibre-Optic Sensor for Dynamic Strain Measurement. IEEE Sensors Journal. 2008; 8(7-8):1067-1072.