Η δομική παρακολούθηση υγείας (SHM) είναι η διαδικασία παρακολούθησης της υγείας μιας δομής με την πάροδο του χρόνου για να διασφαλιστεί ότι παραμένει ασφαλής και λειτουργική. Αυτή η διαδικασία περιλαμβάνει τη χρήση διαφόρων αισθητήρων για τη μέτρηση παραμέτρων όπως η τάση, η παραμόρφωση, η θερμοκρασία, η υγρασία, οι κραδασμοί και η ακουστική υπογραφή. Ένας τύπος αισθητήρα που έχει κερδίσει δημοτικότητα τα τελευταία χρόνια για το SHM είναι ο αισθητήρας οπτικών ινών.
Οι αισθητήρες οπτικών ινών είναι ένας τύπος αισθητήρα που χρησιμοποιεί το φως για να μετρήσει μια ποικιλία φυσικών και χημικών παραμέτρων. Η ίνα είναι ικανή να μεταδίδει φωτεινά σήματα σε μεγάλες αποστάσεις με πολύ μικρή απώλεια ισχύος σήματος, καθιστώντας την ιδανικό μέσο για εφαρμογές ανίχνευσης. Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα των αισθητήρων οπτικών ινών είναι η υψηλή ευαισθησία τους. Αυτοί οι αισθητήρες μπορούν να ανιχνεύσουν αλλαγές σε φυσικές παραμέτρους που είναι πολύ μικρές για να ανιχνευθούν από άλλους τύπους αισθητήρων. Για παράδειγμα, οι αισθητήρες οπτικών ινών μπορούν να ανιχνεύσουν παραμορφώσεις τάξης μεγέθους μικρό-κλίμακας (micro-strain), κάτι που είναι απαραίτητο για την παρακολούθηση των μικρών αλλαγών στην τάση που συμβαίνουν σε κατασκευές λόγω διακυμάνσεων της θερμοκρασίας ή μεταβολών στο φορτίο. Ένα άλλο πλεονέκτημα των αισθητήρων οπτικών ινών είναι η αξιοπιστία τους. Σε αντίθεση με άλλους τύπους αισθητήρων, οι αισθητήρες οπτικών ινών είναι ανθεκτικοί σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, καθιστώντας τους κατάλληλους για χρήση σε σκληρά περιβάλλοντα. Είναι επίσης ανθεκτικά στη διάβρωση και μπορούν να αντέξουν τις υψηλές θερμοκρασίες, καθιστώντας τα ιδανικά για χρήση σε κατασκευές όπως γέφυρες, αγωγούς και αεροσκάφη.
Οι αισθητήρες οπτικών ινών εγκαθίστανται επίσης εύκολα και μπορούν να ενσωματωθούν σε κατασκευές κατά την κατασκευή ή τη μετασκευή. Αυτό τα καθιστά μια οικονομικά αποδοτική λύση για το SHM, καθώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της υγείας μιας δομής καθ ‘όλη τη διάρκεια ζωής της. Η χρήση αισθητήρων οπτικών ινών στο SHM έχει αρκετές σημαντικές εφαρμογές. Ένα από τα πιο σημαντικά είναι η ανίχνευση ρωγμών και άλλων μορφών ζημιών σε κατασκευές. Ρωγμές μπορεί να εμφανιστούν σε κατασκευές λόγω ποικίλων παραγόντων, όπως η κόπωση, η διάβρωση και η καταπόνηση. Παρακολουθώντας τις αλλαγές στην καταπόνηση και την παραμόρφωση χρησιμοποιώντας αισθητήρες οπτικών ινών, οι μηχανικοί μπορούν να ανιχνεύσουν την έναρξη της ρωγμής και να αναλάβουν δράση για να επισκευάσουν τη δομή προτού αποτύχει. Οι αισθητήρες οπτικών ινών μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της θερμοκρασίας και της υγρασίας των κατασκευών. Οι αλλαγές θερμοκρασίας μπορούν να προκαλέσουν διαστολή και συστολή στα υλικά, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν σε καταπόνηση και παραμόρφωση στις κατασκευές. Παρακολουθώντας τις αλλαγές στη θερμοκρασία και την υγρασία, οι μηχανικοί μπορούν να εντοπίσουν πιθανές περιοχές αδυναμίας σε μια κατασκευή και να λάβουν μέτρα για την αποφυγή ζημιών.
Μια άλλη εφαρμογή των αισθητήρων οπτικών ινών στο SHM είναι η παρακολούθηση των κραδασμών και της ακουστικής υπογραφής. Δονήσεις μπορεί να συμβούν σε κατασκευές
λόγω ανέμου, κυκλοφορίας ή άλλων περιβαλλοντικών παραγόντων. Παρακολουθώντας τις αλλαγές στους κραδασμούς, οι μηχανικοί μπορούν να ανιχνεύσουν πιθανές περιοχές αδυναμίας σε μια κατασκευή και να λάβουν μέτρα για την πρόληψη ζημιών. Η παρακολούθηση ακουστικής υπογραφής περιλαμβάνει την ανίχνευση αλλαγών στον ήχο που εκπέμπεται από μια δομή. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση ρωγμών ή άλλων μορφών βλάβης σε μια κατασκευή, καθώς και για την παρακολούθηση της συνολικής υγείας της κατασκευής με την πάροδο του χρόνου.
Συνοψίζοντας, οι αισθητήρες οπτικών ινών αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο για το SHM. Προσφέρουν υψηλή ευαισθησία, αξιοπιστία και ανθεκτικότητα, καθιστώντας τα ιδανικά για χρήση σε σκληρά περιβάλλοντα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση ρωγμών και άλλων μορφών βλάβης σε κατασκευές, την παρακολούθηση της θερμοκρασίας και της υγρασίας και την ανίχνευση αλλαγών στους κραδασμούς και την ακουστική υπογραφή. Καθώς ο τομέας του SHM συνεχίζει να αναπτύσσεται, η χρήση αισθητήρων οπτικών ινών είναι πιθανό να γίνει ακόμη πιο διαδεδομένη, καθώς οι μηχανικοί επιδιώκουν να αναπτύξουν νέους και καινοτόμους τρόπους παρακολούθησης της υγείας των κατασκευών με την πάροδο του χρόνου.
Δρ. Αντρέας Θεοδοσίου
Ηλεκτρολόγος Μηχανικός
Photonics Research Center (PRC), Lumoscribe LTD