航天科技光纖傳感技術(shù)監(jiān)測故宮古建筑
故宮博物院是我國最大的古文物和古建筑博物館，歷史悠久，具有極高的文物保護(hù)價值。由于年代久遠(yuǎn)，部分古建筑出現(xiàn)了傾斜、開裂等問題。專家迫切希望尋找一種對古建筑的健康狀況進(jìn)行無損、快速、有效和可靠的診斷分析手段，以便提前對古建筑進(jìn)行診斷，及時發(fā)現(xiàn)并積極采取預(yù)防措施進(jìn)行保護(hù)和修復(fù)。
就在近日，一種利用光纖傳感技術(shù)對故宮古建筑進(jìn)行監(jiān)測的手段被評審組專家一致看好，并被評定為“技術(shù)方案合理、監(jiān)測效果良好”。該項目方案正是利用航天技術(shù)，由中國航天科技集團(tuán)公司九院物聯(lián)網(wǎng)研究院組織、九院13所負(fù)責(zé)項目技術(shù)方案和工程實(shí)施的。
誰來為故宮做“健康體檢”
由于古建筑的特殊性，傳統(tǒng)的人工巡檢方式和電傳感器手段都不能很好滿足文物保護(hù)的要求。
傳統(tǒng)的文物保護(hù)主要是通過定期人工巡檢、目測古建筑健康狀況的方式開展的，目前通常采用電阻應(yīng)變片等電傳感器對大型建筑物的傾斜、變形和裂縫進(jìn)行檢測。故宮博物院的古建筑大多是木材和磚石混合結(jié)構(gòu)，如果采用電傳感器就會不可避免地引入弱電信號，存在火災(zāi)隱患，這是古文物保護(hù)工作中的大忌。
光纖光柵傳感技術(shù)是利用光纖光柵作為敏感元件，來感知被測物體的形變和溫變的手段。作為建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的新型監(jiān)測設(shè)備之一，光纖光柵傳感器具有體積小、精度高、感知端“無源”、非介入式監(jiān)測、無需現(xiàn)場通電和本征安全等特點(diǎn)，可在易燃、易爆的環(huán)境中工作。
13所是國家科技部先進(jìn)光電子技術(shù)示范型國際科技合作基地、集團(tuán)公司宇航光電子器件可靠性檢測與失效分析中心和北京市光纖傳感系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心。該所在光纖傳感技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用方面，在國內(nèi)擁有較為雄厚的實(shí)力，研發(fā)的系列光纖傳感器產(chǎn)品不僅在航天型號上得到了應(yīng)用，而且還在智能電力、石油化工、安全生產(chǎn)和橋梁等多個民用領(lǐng)域發(fā)揮了積極的作用。
在該項目啟動之前，13所已承擔(dān)并完成了用光纖傳感技術(shù)對桂林南洲大橋健康狀況進(jìn)行在線監(jiān)測的任務(wù)，并取得了較好的效果。不同的是，這次的用戶是故宮博物院，監(jiān)測的對象是古建筑。文物專家要求對古建筑進(jìn)行健康監(jiān)測時一定要做到對文物的保護(hù)，因此對文物的無損監(jiān)測就成為本項目的重中之重。
13所通過與故宮博物院反復(fù)多次的研究討論，最終確定了光纖傳感技術(shù)監(jiān)測古建筑結(jié)構(gòu)的方案和細(xì)節(jié)。
“變形量小，故宮狀況相對穩(wěn)定”
13所自項目啟動時就成立了“平安故宮”項目團(tuán)隊。項目團(tuán)隊團(tuán)結(jié)協(xié)作、攻堅克難，先后完成了產(chǎn)品研發(fā)、工程實(shí)施、數(shù)據(jù)采集和診斷分析工作，在利用先進(jìn)傳感技術(shù)保護(hù)古建筑方面取得了突出的研究成果。
在項目研制過程中，13所技術(shù)人員多次赴故宮現(xiàn)場勘察，積極請教古文物保護(hù)專家，突破了“傳感器無損傷安裝工藝”“古建筑應(yīng)變變形光纖監(jiān)測技術(shù)”等關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)過一年多艱苦不懈的努力，項目團(tuán)隊順利完成了技術(shù)方案設(shè)計、古建筑工程實(shí)施及數(shù)據(jù)采集監(jiān)測和分析工作。
光纖傳感技術(shù)的采用，實(shí)現(xiàn)了古建筑結(jié)構(gòu)形變和裂縫的高精度測量，精度達(dá)到微米級。該項目觀測到古建筑結(jié)構(gòu)在外界影響下發(fā)生微小形變情況。通過理論分析表明，在觀測期間古建筑變形量較小，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)。
由于采用先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對古建筑結(jié)構(gòu)健康的實(shí)時在線監(jiān)測，相比人工目測巡檢，有效地提高了工作效率；同時，通過在較長時間內(nèi)對古建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并分析，提高了對古建筑健康診斷的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。
該項工作得到了故宮博物院“平安故宮”基金的支持，相關(guān)研究成果也得到了故宮文物專家的肯定，故宮文物專家表示，希望雙方繼續(xù)合作，將這種研究工作深入推進(jìn)下去，為故宮文物保護(hù)提供先進(jìn)的健康診斷手段。
項目的實(shí)施是故宮博物院首次將先進(jìn)的光纖傳感技術(shù)引入古建筑健康監(jiān)測和保護(hù)領(lǐng)域的一次探索，同時為我國古建筑結(jié)構(gòu)健康在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)工作提供了一種新的有效的監(jiān)測手段，有力地拓展了九院物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和13所光纖傳感技術(shù)的應(yīng)領(lǐng)域，為光纖產(chǎn)品的后續(xù)推廣提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。
