光学传感器的开拓性研究和开发是持续的和多方向的。尖端技术的创新每年都会带来新的传感设备和方法的出现。在低成本和易于部署的传感器产品以越来越快的速度进入市场的同时，光学传感的新应用名单也在继续增长。本文重点介绍了光学传感器的一些关键的最新发展。

发现侵蚀的早期迹象的光学传感器原型
2022年，一个新的原型光学传感装置在现场接受了首次测试。该装置由英国北爱尔兰贝尔法斯特女王大学（QUB）的研究人员开发，可以提供桥梁可能坍塌的早期警告，并使工程师能够进行预防性维修。

该传感器旨在检测冲刷的迹象，这是一种特殊的侵蚀，由河流中的流水将材料从河床和河岸移走而造成。在全球范围内，冲刷导致的桥梁倒塌比任何其他因素都要多，因此预先处理它将产生重大影响。

该设备将在北爱尔兰的一座真正的桥梁上进行实地测试。其支持者打算在测试成功后尽快推出生产。目前，专利申请正在进行中，该设备的确切设计将不会被披露，直到基础知识产权得到保护。

该测试点过去曾发现过冲刷侵蚀，但还没有进行任何工程来补救它。研究人员选择了这座桥，因为它更有可能在测试期间发生可探测的冲刷侵蚀。

该设备是由昆士兰大学的工程研究员Myra Lydon博士开发的。Lydon说，由于桥梁关闭造成的平均820万乘客行程损失，英国每年的桥梁冲刷成本估计达6000万英镑。

即使桥梁得到定期和适当的检查，突然的冲刷失败也会产生严重的后果。

在爱尔兰都柏林附近的马拉海德，2009年的一次突然冲刷事件导致一座铁路桥倒塌。该结构在倒塌前不到一个月接受了检查，但冲刷可以在显示任何肉眼可见的应变迹象之前就开始破坏结构。

该桥在一列客运列车驶过后倒塌，但幸运的是，没有人受到伤害。

爱尔兰铁路事故调查组发现，该桥的一个支撑墩上出现了一个小缺口。它周围的水压导致它扩大并最终被冲入河中。

光纤布拉格光栅技术
Lydon的新光学传感器使用光纤布拉格光栅技术，为冲刷侵蚀造成的潜在结构性故障提供一个早期预警系统。

光纤布拉格光栅是一个短的光纤段，被调整为反射某些波长的光，并传输任何其他波长的光。它们的工作原理是周期性地改变光纤芯的折射率，以创建调谐到特定波长的电介质镜。

光纤布拉格光栅可以在光纤中成行应用，以阻挡某些波长，这在传感方面有应用。光通信系统是该技术的主要应用领域，光纤布拉格光栅被应用于陷波滤波器和光复用器。

由于光纤布拉格光栅对应变和温度高度敏感（它们的波长随着力和热的变化而发生可预测的变化），它们也是光纤传感器中检测应变和温度的良好传感元件。

光纤布拉格光栅在地震学仪器、极端环境下的坚固压力传感器、以及石油和天然气开采中都有传感应用。传统上在这些领域采用的电子传感器比较精细，因此不像基于光纤布拉格光栅的光学传感器那样可靠。

光学传感器在结构健康监测中的应用
结构健康监测（SHM）系统捕捉和量化结构随时间变化的恶化事件。该领域正越来越多地转向计算机视觉技术和光学传感器，以非破坏性、非接触的操作模式收集位移数据。

光学传感还提供了远距离工作的优势，使安装和维护监测系统更加简单和有效，特别是在偏远或难以到达的地方。

基于计算机的光学传感也为结构监测提供了一个相对便宜的、可快速实施的技术应用。它不需要干扰它所监测的结构（如桥梁、挡土墙等）的正常运行。

大多数像这样的系统都部署了多个摄像头，以阵列的方式工作，大大增加了安装成本。新设备预计将使用一个巡回摄像机的方法，捕捉整个桥梁对活体负荷的反应，以检测损坏的迹象。

参考资料

Lydon, D., et al. (2021). Bridge Damage Detection Approach Using a Roving Camera Technique. Sensors. https://www.mdpi.com/1424-8220/21/4/1246

Ferraro, P., and G. De Natale (2002). On the possible use of optical fiber Bragg gratings as strain sensors for geodynamical monitoring. Optics and Lasers in Engineering.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816601001415

Optical sensor could provide early warning of bridge collapses. (2022). Optical sensor could provide early warning of bridge collapses. [Online] Optics. Available at: https://optics.org/news/13/6/36 (Accessed on 22 July 2022).

Written by

Ben Pilkington