勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory）開發(fā)的新型傳感器將激光束與位置敏感探測器結(jié)合在一起，可以直接測量建筑物之間的漂移，這是評估建筑物中地震破壞并認(rèn)為可以安全重新利用的重要組成部分。圖片提供：Diana Swantek /伯克利實驗室

上周在加利福尼亞州南部發(fā)生的大規(guī)模地震在整個7月4日的假期周末關(guān)閉了里奇克萊斯特地區(qū)醫(yī)院，而里奇克萊斯特小鎮(zhèn)則對損失進(jìn)行了評估。勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）開發(fā)的新型光學(xué)傳感器可以縮短評估此類重要建筑物在大地震后是否可以安全占用的時間。

該技術(shù)可自動捕獲并傳輸描述震動建筑物的兩個相鄰樓層之間的相對位移的數(shù)據(jù)，該技術(shù)能夠在地震發(fā)生后立即提供有關(guān)建筑物損壞的可靠信息，并可以加快安全評估，修復(fù)和重新安置建筑物的工作。 -地震

伯克利實驗室，勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室和內(nèi)華達(dá)州里諾大學(xué)的科學(xué)家和工程師于2015年開始致力于設(shè)計一種光學(xué)方法來測量建筑物內(nèi)層間漂移。經(jīng)過大學(xué)四年的廣泛同行評審研究和模擬測試之后，內(nèi)華達(dá)州地震工程實驗室的分立二極管位置傳感器（DDPS）將于今年夏天首次部署在伯克利實驗室的多層建筑物中，該建筑物毗鄰海沃德斷層，被認(rèn)為是海沃德斷層中最危險的斷層之一。美國。

伯克利實驗室能源地球科學(xué)部高級科學(xué)家，教授David McCallen表示：“到目前為止，還沒有辦法準(zhǔn)確，直接地測量建筑物之間的漂移，這是評估建筑物中地震需求的關(guān)鍵參數(shù)。”在內(nèi)華達(dá)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)研究合作。

DDPS的首次亮相是各級政府將震后建筑物檢查和重新安置作為響應(yīng)計劃的重點，而備受期待的下一代遠(yuǎn)程連接5G成為實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)實。麥卡倫說：“我們很高興這種傳感器技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行現(xiàn)場試驗，而此時，地震響應(yīng)策略已經(jīng)發(fā)展到可以優(yōu)先考慮安全，持續(xù)的建筑功能和重新居住，以及'生命安全'。”

光學(xué)在監(jiān)測地震結(jié)構(gòu)健康方面有所不同

一段時間以來，測量建筑物的層間漂移一直是評估建筑物是否遭受地震破壞的因素，但是找到一種可靠的方法來應(yīng)對這一問題充滿了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)上，工程師在選定的高度安裝強(qiáng)震傳感器，以確保施加在震動建筑物上的來回力和左右力的數(shù)據(jù)。但是由于傳感器的頻率限制，處理這些儀器的加速度數(shù)據(jù)以獲得建筑物漂移位移非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是當(dāng)建筑物具有與損壞相關(guān)的持續(xù)永久位移時。更加困難的是，要足夠快地接收數(shù)據(jù)，以告知有關(guān)操作連續(xù)性和乘員安全的決策。另外，由于典型的基于建筑物加速度計的儀器可能非常昂貴，

DDPS利用了一種很有前途的新選擇，可以直接測量結(jié)合激光束和光學(xué)傳感器的建筑物層間漂移。這項技術(shù)的重點是將激光投射到整個樓層高度，以檢測光線照射到位于相鄰建筑物地板上的檢測器的位置，從而直接測量結(jié)構(gòu)漂移。伯克利實驗室開發(fā)的工具依賴于利用激光源和位置敏感檢測器。利用小型，廉價的光敏光電二極管的幾何陣列，該傳感器能夠立即跟蹤入射激光束的位置。

DDPS是一種小型設(shè)備，將放置在建筑物樓層之間，以檢測層間漂移并將有關(guān)建筑物損壞的數(shù)據(jù)傳輸給響應(yīng)計劃人員。它的首次亮相是各級政府將震后建筑物檢查和重新安置作為應(yīng)急計劃的重點，并且隨著人們高度期待的下一代遠(yuǎn)程連接5G成為現(xiàn)實。圖片提供：Diana Swantek /伯克利實驗室

McCallen說：“前幾代DDPS比我們現(xiàn)在能夠部署的系統(tǒng)要大得多�！� “基于設(shè)計進(jìn)步和經(jīng)驗教訓(xùn)，該傳感器的尺寸僅為我們原始傳感器設(shè)計的四分之一，但具有92個二極管，這些二極管以矩形陣列交錯排列，因此激光束始終位于一個或多個二極管上�！�

到目前為止，DDPS已舉行了三輪嚴(yán)格的實驗搖表測試。

麥卡倫說：“對DDPS進(jìn)行的嚴(yán)格測試表明，與在經(jīng)歷地震強(qiáng)烈震動的實際全尺寸建筑物上可以實現(xiàn)的代表性漂移相比，在三個試驗臺上測得的漂移位移如何�！�

為什么DDPS對于城市而言是明智的

本月早些時候，加利福尼亞南部地震造成的人口最多的城鎮(zhèn)是里奇克萊斯特（Ridgecrest）本身，這座擁有29,000人的城市位于7月5日發(fā)生的7.1級地震的震中。盡管這是一個小人口中心，損失估計仍在1億美元左右。

如果一場大地震襲擊了微小的里奇克萊斯特（Ridgecrest）以南150英里的洛杉磯，或者說以北約400英里的舊金山，那么成百上千的建筑物將受到損害。在這種情況下，能夠在地震發(fā)生后立即測量和顯示關(guān)鍵的層間漂移信息，這將提供關(guān)鍵的新數(shù)據(jù)，以便就房屋使用情況做出明智的決策-為第一響應(yīng)者提供信息，以幫助指導(dǎo)他們撤離建筑物的努力，而市政當(dāng)局則有潛力維持醫(yī)院等重要設(shè)施的功能使用。

此外，了解建筑物的漂移情況可以快速確定建筑物的潛在損壞，讓建筑檢查人員知道在哪里尋找潛在的損壞。這將是一項重要功能，可以避免在下一次大地震后對數(shù)百棟建筑物進(jìn)行耗時且具有挑戰(zhàn)性的手動檢查。

麥卡倫指出：“上周在加利福尼亞州南部發(fā)生的大地震提醒了美國許多地區(qū)與地震活動有關(guān)的風(fēng)險。這些事件使人們更加感激，需要繼續(xù)關(guān)注地震的社會準(zhǔn)備彈性，包括提供傳感器和數(shù)據(jù)分析的能力，可以快速測量基礎(chǔ)設(shè)施的運行狀況，并在下一次大地震后提供最有效的響應(yīng)�！�