ThS. Đỗ Hồng Phúc
Đặng Minh Anh
Phòng Công Nghệ Tích Hợp – VKIST
Mở đầu
Trên thế giới, trong những năm gần đây, cảm biến sợi quang cách tử Bragg (FBG) được biết đến như một công nghệ cảm biến tiềm năng thay thế cho các công nghệ cảm biến cơ và cảm biến điện truyền thống do các ưu điểm độc đáo như kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, khả năng chống nhiễu điện từ (EMI) và ăn mòn [1]–[5]. Đặc biệt, công nghệ này có khả năng “nhúng” trong vật - cho phép tích hợp vào ngay trong cấu trúc, bất kể vật liệu đó là kim loại, bê tông hay vật liệu composite. Trong đánh giá thử nghiệm tính chất cơ học, cảm biến FBG có thể đo hầu hết các thông số biến dạng cần thiết như độ lệch, độ võng, độ rung cơ học của cấu trúc. Trong các công trình di sản lịch sử, cảm biến FBG có thể được sử dụng để đánh giá thiệt hại sau địa chấn, phân tích vết nứt, khả năng phục hồi của cấu trúc. Tương tự như vậy trong các đập, cảm biến FBG có thể phát hiện và giám sát hiện tượng rò rỉ, mức độ rung lắc dưới áp lực nước hoặc độ lún. Do đó, cảm biến FBG đã và đang được nghiên cứu để ứng dụng vào trong rất nhiều lĩnh vực như lĩnh vực dầu mỏ để theo dõi địa chấn [6][7], tình trạng giếng khoan [8] và ống dẫn [9][10] dầu mỏ; trong lĩnh vực năng lượng ứng dụng để theo dõi tua bin gió [11], địa nhiệt [12]; trong lĩnh vực y sinh ứng dụng để theo dõi nhịp tim, nhịp hô hấp [13], sự chuyển động của hệ hô hấp [14] và trong kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) [13][14]; trong lĩnh vực hàng không ứng dụng trong theo dõi tình trạng cánh máy bay [15][16]; trong lĩnh vực công nghiệp ứng dụng trong kiểm soát quy trình sản xuất [17] và máy móc [18]; trong lĩnh vực vận chuyển ứng dụng để theo dõi đường ray [19][20]. Đặc biệt trong lĩnh vực xây dựng, cảm biến FBG được ứng dụng rất nhiều trong đo độ biến dạng một chiều [21], hai chiều [22] và đo độ rung 23] để theo dõi tình trạng của các công trình [24][25].
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu ngắn gọn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến FBG cùng với các kết quả nghiên cứu nổi bật trong việc ứng dụng và xây dựng hệ thống mảng cảm biến FBG theo dõi mức độ rung lắc của mô hình cầu dây văng tại VKIST.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến FBG
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống giám sát sử dụng cảm biến FBG.
Trên hình 1 trình bày mô hình hệ thống giám sát sử dụng mảng cảm biến FBG. Cách tử sợi quang Bragg (FBG) được tạo ra bằng phương pháp mặt nạ pha (phase mask). Phase mask có chu kỳ vân cố định. Khi chiếu ánh sáng laser cường độ cao qua phase mask thì tại vị trí lõi sợi quang tiếp xúc với ánh sáng sẽ bị thay đổi chiết suất, tạo thành cách tử Bragg. Do đó, khi truyền ánh sáng trong lõi sợi quang gặp cách tử Bragg sẽ bị phản xạ một phần với bước sóng trung tâm tương ứng với chu kỳ cách tử, gọi là bước sóng phản xạ Bragg. Tín hiệu ánh sáng ở các bước sóng khác với bước sóng Bragg sẽ không bị phản xạ. Điều này có nghĩa là nếu ánh sáng từ nguồn băng thông rộng được đưa vào sợi quang, thì chỉ ánh sáng trong độ rộng phổ rất hẹp có tâm ở bước sóng Bragg mới bị cách tử phản xạ ngược. Ánh sáng còn lại sẽ tiếp tục đi qua sợi quang đến cách tử Bragg tiếp theo mà không bị suy hao. Bước sóng Bragg được xác định bởi chu kỳ của cách tử và chỉ số khúc xạ của lõi sợi quang theo công thức 
Trong đó, 
là bước sóng Bragg, n là hệ số chiết suất hiệu dụng của lõi sợi quang, và L là chu kỳ cách tử.
Do FBG luôn được chế tạo ở cấu trúc đối xứng nên nó sẽ luôn phản xạ ánh sáng ở bước sóng Bragg bất kể ánh sáng phát ra từ phía nào. Như vậy, FBG có các đặc điểm riêng để hoạt động như một cảm biến. Ví dụ, khi sợi quang chứa FBG bị kéo căng hoặc nén, FBG sẽ được sử dụng để đo độ căng cơ học của sợi. Ở hình trình bày đáp ứng tín hiệu của cảm biến FBG khi có tác dụng của ứng suất. Khi chịu tác dụng của ứng suất, chu kỳ cách tử Bragg bị thay đổi dẫn tới làm thay đổi bước sóng phản xạ Bragg và được ghi lại bằng máy quang phổ kế.
Hình 2. Đáp ứng tín hiệu của cảm FBG khi có tác dụng của ứng suất.
Như vậy, để sử dụng FBG như một cảm biến, chỉ cần chiếu sáng FBG bằng một nguồn sáng có quang phổ rộng, tín hiệu phản xạ sẽ được quan sát trên một máy phân tích phổ quang. Cảm biến này được đưa vào môi trường cần đo đạc thông số đặc trưng và được nối với máy tính điều khiển giám sát qua một hệ thống dẫn truyền. Khi có bất kỳ một sự thay đổi nào của môi trường làm cho cách tử trên sợi quang co giãn tức chu kỳ cách tử thay đổi dẫn tới bước sóng Bragg bị dịch đi. Hướng với việc tăng cường khả năng theo dõi độ rung ở tần số cao của các cấu trúc công trình bằng hệ thống mảng cảm biến FBG, hệ thống đo cần có khả năng lấy mẫu và xử lý dữ liệu chính xác với tốc độ cao. Các kỹ thuật ghép kênh phân chia theo bước sóng (wavelength-division multiplexing-WDM), ghép kênh phân chia theo thời gian (time-division multiplexing-TDM) và thuật toán xử lý tín hiệu sẽ được tiến hành nghiên cứu để tăng độ tốc độ lấy mẫu.
Phát triển hệ thống mảng cảm biến FBG trên mô hình cầu dây văng tại VKIST
Vào tháng 4 năm 2022, một dự án nghiên cứu chung giữa Viện VKIST và Viện KIST của Hàn Quốc đã được Bộ Khoa học và Công nghệ phê duyệt thực hiện. Mục tiêu của dự án là phát triển được hệ đo quang sử dụng mảng cảm biến FBG kết hợp nền tảng IoT (Internet of Things) kết nối internet không dây tiến hành thu thập, lưu trữ và phân tích dữ liệu đưa ra cảnh báo sớm về tình trạng của kết cấu công trình.
Trên cơ sở kế thừa những thành tựu nghiên cứu nổi bật của Tiến sỹ Lee Sang Bae và Tiến sỹ Kwanil Lee thuộc Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Quang tử - KIST (Hàn Quốc), nhóm nghiên VKIST đã tiếp thu và làm chủ công nghệ chế tạo cách tử Bragg trong sợi quang bằng phương pháp mặt nạ pha (phase). Các cảm biến FBG chế tạo theo quy trình tiếp thu từ KIST có chất lượng tốt với các thông số như bước sóng trung tâm có giá trị từ 1510 nm đến 1580 với sai số cỡ ± 0,5 nm, độ rộng phổ đạt 0,20 nm ±0,05 nm và hệ số phản xạ lớn hơn 30%.
VKIST cũng đã sử dụng phần mềm OPTISYSTEM và ANSYS để mô phỏng hoạt động của cảm biến FBG trên các mô hình 1D và 2D để từ đó xây dựng mô hình thực nghiệm khảo sát hoạt động của cảm biến/mảng cảm biến FBG trong đo độ lệch của cấu trúc 1D, độ võng và độ uốn lồi/lõm của cấu trúc 2D và độ rung với tần số lấy mẫu cao > 1kHz và 10 kHz của cấu trúc mặt cầu dây văng ở điều kiện tác động của tải trọng động và tải trọng tĩnh. Hệ thống giám sát từ xa dựa trên nền tảng IoT (internet of things) để lưu trữ, xử lý và phân tích tín hiệu cũng đã được VKIST xây dựng và đang đưa vào thử nghiệm trên mô hình cầu dây văng.
Dưới đây là một số kết quả, hình ảnh và video giới thiệu về hệ cảm biến FBG ứng dụng theo dõi sức khỏe cấu trúc dân dụng.
Khảo sát hoạt động của cảm biến FBG trên mô hình thanh dầm (1D)
Một trong những mô hình đầu tiên được sử dụng là mô hình thanh dầm để đo sự ảnh hưởng của độ uốn (lồi/lõm) lên bước sóng cảm biến FBG trong môi trường 1D (xem hình 3). Trong thử nghiệm này, thanh dầm được cố định ở một đầu. Cảm biến FBG được gắn lên thanh dầm, và thanh dầm được uốn cong bằng cách treo quả nặng lên đầu tự do của thanh, sau đó tiến hành đo độ dịch chuyển của bước sóng Bragg khi khối lượng quả nặng được tăng dần.
Hình 3. Mô hình thử nghiệm cảm biến FBG với thanh dầm.
Hình 4. Ảnh hưởng của việc uốn thanh dầm lên bước sóng cảm biến FBG.
Mối quan hệ giữa độ dịch chuyển của bước sóng Bragg và độ uốn của thanh dầm (góc cong tạo ra bởi quả nặng giữa thanh dầm ở vị trí uốn và thanh dầm ở vị trí ban đầu) được trình bày trên hình 4 và nó có dạng tuyến tính. Khi góc đo tăng, bước sóng trung tâm Bragg dịch sang trái.
Khảo sát hoạt động của cảm biến trên mô hình cây cầu dây văng
Sau thử nghiệm với thanh dầm, chúng tôi tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ uốn/võng/rung đến bước sóng phản xạ Bragg trong các trường hợp phức tạp hơn. Video dưới đây mô tả hình ảnh tín hiệu của các cảm biến FBG được gắn trên mặt cầu dây văng và hai trụ cầu khi nó bị tác động của tải trọng động (tức là khi ô tô di chuyển trên mặt cầu). Có thể nhận thấy tín hiệu của các cảm biến FBG thay đổi tức thời (real-time) theo độ rung của mặt cầu cũng như khi có áp lực tác dụng lên trụ cầu.
Video 1. Video mô hình cầu xây dựng ở VKIST kèm với ô tô cho thấy máy đo độ rung của cầu khi ô tô chạy.
Xây dựng hệ thống datalogger
Hệ thống giám sát từ xa cũng đang được xây dựng tại VKIST để phục vụ quá trình ghi và xử lý dữ liệu thu thập được từ cảm biến FBG. Trên hình 6 là giao diện phần mềm của hệ thống giám sát hoạt động của một số cây cầu có gắn mảng cảm biến FBG. Chi tiết về hệ thống này có thể tham khảo tại đường link: https://fbg.bfd.vn/login.
Hình 6. Hệ thống giám sát từ xa kết nối với các FBG để lưu và xử lý dữ liệu trực tiếp.
Với tiềm năng lớn của cảm biến FBG, VKIST đang nỗ lực nghiên cứu để hoàn thiện hệ thống giám sát chất lượng cấu trúc dân dụng sử dụng mảng cảm biến FBG giúp bảo trì và gia tăng tuổi thọ các cấu trúc này tại Việt Nam.
Bên cạnh đó, việc ứng dụng Trí tuệ nhân tạo (AI) vào hệ thống giám sát cũng được chúng tôi đề xuất nhằm nâng cao khả năng phát hiện sớm các giá trị bất thường của các tham số, từ đó dự báo chính xác nguy cơ hư hỏng tiềm ẩn trong cấu trúc cầu. Để tìm hiểu thêm về ứng dụng AI trong lĩnh vực này, vui lòng tham khảo bài viết chi tiết qua đường link dưới đây.
Tài liệu tham khảo:
[1] J. M. Nichols, S. T. Trickey, M. Seaver, and L. Moniz, “Use of Fiber-optic Strain Sensors and Holder Exponents for Detecting and Localizing Damage in an Experimental Plate Structure,” J. Intell. Mater. Syst. Struct., vol. 18, no. 1, pp. 51–67, Oct. 2006.
[2] H. Murayama, K. Kageyama, K. Uzawa, K. Ohara, and H. Igawa, “Strain monitoring of a single-lap joint with embedded fiber-optic distributed sensors,” Struct. Heal. Monit., vol. 11, no. 3, pp. 325–344, Sep. 2011.
[3] R. A. Silva-Muñoz and R. A. Lopez-Anido, “Structural health monitoring of marine composite structural joints using embedded fiber Bragg grating strain sensors,” Compos. Struct., vol. 89, no. 2, pp. 224–234, 2009.
[4] C. Pang, M. Yu, A. Gupta, and K. Bryden, “Investigation of smart multifunctional optical sensor platform and its application in optical sensor networks,” Smart Struct. Syst., vol. 12, pp. 23–39, 2013.
[5] A. Khiat, F. Lamarque, C. Prelle, P. Pouille, M. Leester-Schädel, and S. Büttgenbach, “Two-dimension fiber optic sensor for high-resolution and long-range linear measurements,” Sensors Actuators A Phys., vol. 158, no. 1, pp. 43–50, 2010.
[6] W. Zhang, W. Huang, L. Li, W. Liu, and F. Li, “High resolution FBG sensor and its applications in Geophysics,” in 2017 16th International Conference on Optical Communications and Networks (ICOCN), 2017, pp. 1–3.
[7] B. Hu, G. Song, H. Zhang, and T. Liu, “A precision edge filter interrogation system for mine Fiber Bragg Grating micro-seismic sensors,” in 2017 16th International Conference on Optical Communications and Networks (ICOCN), 2017, pp. 1–3.
[8] R. C. Kamikawachi, I. Abe, H. J. Kalinowski, J. L. Fabris, and J. L. Pinto, “Thermal characterization of etched FBG for applications in oil and gas sector,” in 2007 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference, 2007, pp. 280–283.
[9] Hou Qingmin, Jiao Wenling, Zhan Shuhui, Ren Liang, and Jia Ziguang, “Natural Gas Pipeline Leakage Detection Based on FBG Strain Sensor,” in 2013 Fifth International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, 2013, pp. 712–715.
[10] B. Han, L. Li, Z. Wu, and H. Jing, “Applications of FBG and ZigBee in telemetering of vortex-induced vibration for pipelines,” in 2013 22nd Wireless and Optical Communication Conference, 2013, pp. 595–600.
[11] C.-H. Kim, I. Paek, and N. Yoo, “Monitoring of small wind turbine blade using FBG sensors,” in ICCAS 2010, 2010, pp. 1059–1061.
[12] K. Bremer et al., “Fibre optic pressure and temperature sensor for geothermal wells,” in 2010 IEEE Sensors, 2010, pp. 538–541.
[13] L. Dziuda, M. Krej, and F. W. Skibniewski, “Fiber Bragg Grating Strain Sensor Incorporated to Monitor Patient Vital Signs During MRI,” IEEE Sens. J., vol. 13, no. 12, pp. 4986–4991, Dec. 2013.
[14] J. Witt et al., “Medical Textiles With Embedded Fiber Optic Sensors for Monitoring of Respiratory Movement,” IEEE Sens. J., vol. 12, no. 1, pp. 246–254, Jan. 2012.
[15] J.-R. Lee, C.-Y. Ryu, B.-Y. Koo, S.-G. Kang, C.-S. Hong, and C.-G. Kim, “In-flight health monitoring of a subscale wing using a fiber Bragg grating sensor system,” Smart Mater. Struct., vol. 12, no. 1, pp. 147–155, Feb. 2003.
[16] R. Di Sante, “Fibre Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Aircraft Composite Structures: Recent Advances and Applications,” Sensors, vol. 15, no. 8, pp. 18666–18713, Jul. 2015.
[17] G. Allwood, G. Wild, and S. Hinckley, “Fiber Bragg Grating Sensors for Mainstream Industrial Proceses,” Electronics, vol. 6, no. 4, p. 92, Oct. 2017.
[18] Z. Zhou, “Intelligent monitoring technology for machine tools based on FBG sensing,” in Proceedings of the 2014 International Conference on Innovative Design and Manufacturing (ICIDM), 2014, pp. 3–3.
[19] M. L. Filograno et al., “Real-Time Monitoring of Railway Traffic Using Fiber Bragg Grating Sensors,” IEEE Sens. J., vol. 12, no. 1, pp. 85–92, Jan. 2012.
[20] F. Mennella et al., “Railway monitoring and train tracking by fiber Bragg grating sensors,” 2007, p. 66193H.
[21] P. Lu, L. Men, and Q. Chen, “Fiber Bragg grating deflection sensor,” Photonics North 2008, vol. 7099, no. June, p. 709929, 2008.
[22] Palma et al., “Bi-Dimensional Deflection Estimation by Embedded Fiber Bragg Gratings Sensors,” Proceedings, vol. 15, no. 1, p. 3, 2019.
[23] C. S. Hong, C. G. Kim, H. K. Kang, and C. Y. Ryu, “Strain monitoring of smart composite structures using fiber Bragg grating sensor system,” AIAA Sp. 2001 Conf. Expo., 2001.
[24] B. W. Jo, R. M. A. Khan, Y. S. Lee, J. H. Jo, and N. Saleem, “A fiber Bragg grating-based condition monitoring and early damage detection system for the structural safety of underground coal mines using the Internet of things,” J. Sensors, vol. 2018, 2018.
[25] K. S. C. Kuang and W. J. Cantwell, “Use of conventional optical fibers and fiber Bragg gratings for damage detection in advanced composite structures: A review,” Appl. Mech. Rev., vol. 56, no. 5, pp. 493–513, 2003.
