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新型光纤传感技术实现对故宫古建筑的监测

发明科技控中国仪表网2015年11月20日 10:33人气:9103

  【中国仪表网 发明科技控】中国航天科技物联网研究院研发了一种光纤传感技术,可用于故宫等古建筑的诊断监测。在研发过程中,研究团队还突破了“传感器无损伤安装工艺”“古建筑应变变形光纤监测技术”等关键技术。
  

 
  故宫博物院是我国最大的古文物和古建筑博物馆,历史悠久,具有极高的文物保护价值。由于年代久远,部分古建筑出现了倾斜、开裂等问题。专家迫切希望寻找一种对古建筑的健康状况进行无损、快速、有效和可靠的诊断分析手段,以便提前对古建筑进行诊断,及时发现并积极采取预防措施进行保护和修复。
  
  就在近日,一种利用光纤传感技术对故宫古建筑进行监测的手段被评审组专家一致看好,并被评定为“技术方案合理、监测效果良好”。该项目方案正是利用航天技术,由中国航天科技集团公司九院物联网研究院组织、九院13所负责项目技术方案和工程实施的。
  
  谁来为故宫做“健康体检”
  
  由于古建筑的特殊性,传统的人工巡检方式和电传感器手段都不能很好满足文物保护的要求。
  
  传统的文物保护主要是通过定期人工巡检、目测古建筑健康状况的方式开展的,目前通常采用电阻应变片等电传感器对大型建筑物的倾斜、变形和裂缝进行检测。故宫博物院的古建筑大多是木材和砖石混合结构,如果采用电传感器就会不可避免地引入弱电信号,存在火灾隐患,这是古文物保护工作中的大忌。
  
  光纤光栅传感技术是利用光纤光栅作为敏感元件,来感知被测物体的形变和温变的手段。作为建筑物结构健康监测的新型监测设备之一,光纤光栅传感器具有体积小、精度高、感知端“无源”、非介入式监测、无需现场通电和本征安全等特点,可在易燃、易爆的环境中工作。
  
  13所是国家科技部先进光电子技术示范型国际科技合作基地、集团公司宇航光电子器件可靠性检测与失效分析中心和北京市光纤传感系统工程技术研究中心。该所在光纤传感技术研发与应用方面,在国内拥有较为雄厚的实力,研发的系列光纤传感器产品不仅在航天型号上得到了应用,而且还在智能电力、石油化工、安全生产和桥梁等多个民用领域发挥了积极的作用。
  
  在该项目启动之前,13所已承担并完成了用光纤传感技术对桂林南洲大桥健康状况进行在线监测的任务,并取得了较好的效果。不同的是,这次的用户是故宫博物院,监测的对象是古建筑。文物专家要求对古建筑进行健康监测时一定要做到对文物的保护,因此对文物的无损监测就成为本项目的重中之重。
  
  13所通过与故宫博物院反复多次的研究讨论,最终确定了光纤传感技术监测古建筑结构的方案和细节。
  
  “变形量小,故宫状况相对稳定”
  
  13所自项目启动时就成立了“平安故宫”项目团队。项目团队团结协作、攻坚克难,先后完成了产品研发、工程实施、数据采集和诊断分析工作,在利用先进传感技术保护古建筑方面取得了突出的研究成果。
  
  在项目研制过程中,13所技术人员多次赴故宫现场勘察,积极请教古文物保护专家,突破了“传感器无损伤安装工艺”“古建筑应变变形光纤监测技术”等关键技术。经过一年多艰苦不懈的努力,项目团队顺利完成了技术方案设计、古建筑工程实施及数据采集监测和分析工作。
  
  光纤传感技术的采用,实现了古建筑结构形变和裂缝的高精度测量,精度达到微米级。该项目观测到古建筑结构在外界影响下发生微小形变情况。通过理论分析表明,在观测期间古建筑变形量较小,处于相对稳定状态。
  
  由于采用先进的光纤传感技术,实现了对古建筑结构健康的实时在线监测,相比人工目测巡检,有效地提高了工作效率;同时,通过在较长时间内对古建筑结构监测的数据进行采集并分析,提高了对古建筑健康诊断的科学性和准确性。
  
  该项工作得到了故宫博物院“平安故宫”基金的支持,相关研究成果也得到了故宫文物专家的肯定,故宫文物专家表示,希望双方继续合作,将这种研究工作深入推进下去,为故宫文物保护提供先进的健康诊断手段。
  
  项目的实施是故宫博物院首次将先进的光纤传感技术引入古建筑健康监测和保护领域的一次探索,同时为我国古建筑结构健康在线监测网络的建设工作提供了一种新的有效的监测手段,有力地拓展了九院物联网产业和13所光纤传感技术的应用领域,为光纤产品的后续推广提供了宝贵经验。
(本文来源:中国航天科技集团公司 转载请注明出处
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