勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Lawrence Berkeley National Laboratory）開(kāi)發(fā)的新型傳感器將激光束與位置敏感探測(cè)器結(jié)合在一起，可以直接測(cè)量建筑物之間的漂移，這是評(píng)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(duì)損失進(jìn)行了評(píng)估。勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）開(kāi)發(fā)的新型光學(xué)傳感器可以縮短評(píng)估此類(lèi)重要建筑物在大地震后是否可以安全占用的時(shí)間。

該技術(shù)可自動(dòng)捕獲并傳輸描述震動(dòng)建筑物的兩個(gè)相鄰樓層之間的相對(duì)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(píng)估，修復(fù)和重新安置建筑物的工作。 -地震

伯克利實(shí)驗(yàn)室，勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(kāi)始致力于設(shè)計(jì)一種光學(xué)方法來(lái)測(cè)量建筑物內(nèi)層間漂移。經(jīng)過(guò)大學(xué)四年的廣泛同行評(píng)審研究和模擬測(cè)試之后，內(nèi)華達(dá)州地震工程實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(xiǎn)的斷層之一。美國(guó)。

伯克利實(shí)驗(yàn)室能源地球科學(xué)部高級(jí)科學(xué)家，教授David McCallen表示：“到目前為止，還沒(méi)有辦法準(zhǔn)確，直接地測(cè)量建筑物之間的漂移，這是評(píng)估建筑物中地震需求的關(guān)鍵參數(shù)�！痹趦�(nèi)華達(dá)大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)研究合作。

DDPS的首次亮相是各級(jí)政府將震后建筑物檢查和重新安置作為響應(yīng)計(jì)劃的重點(diǎn)，而備受期待的下一代遠(yuǎn)程連接5G成為實(shí)現(xiàn)快速數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)實(shí)。麥卡倫說(shuō)：“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(chǎng)試驗(yàn)，而此時(shí)，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(cè)地震結(jié)構(gòu)健康方面有所不同

一段時(shí)間以來(lái)，測(cè)量建筑物的層間漂移一直是評(píng)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(lái)應(yīng)對(duì)這一問(wèn)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(dòng)建筑物上的來(lái)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(shí)。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(jì)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(cè)量結(jié)合激光束和光學(xué)傳感器的建筑物層間漂移。這項(xiàng)技術(shù)的重點(diǎn)是將激光投射到整個(gè)樓層高度，以檢測(cè)光線照射到位于相鄰建筑物地板上的檢測(cè)器的位置，從而直接測(cè)量結(jié)構(gòu)漂移。伯克利實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的工具依賴于利用激光源和位置敏感檢測(cè)器。利用小型，廉價(jià)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(cè)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(jì)劃人員。它的首次亮相是各級(jí)政府將震后建筑物檢查和重新安置作為應(yīng)急計(jì)劃的重點(diǎn)，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(shí)。圖片提供：Diana Swantek /伯克利實(shí)驗(yàn)室

McCallen說(shuō)：“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(jì)進(jìn)步和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，該傳感器的尺寸僅為我們?cè)�始傳感器設(shè)計(jì)的四分之一，但具有92個(gè)二極管，這些二極管以矩形陣列交錯(cuò)排列，因此激光束始終位于一個(gè)或多個(gè)二極管上�！�

到目前為止，DDPS已舉行了三輪嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)搖表測(cè)試。

麥卡倫說(shuō)：“對(duì)DDPS進(jìn)行的嚴(yán)格測(cè)試表明，與在經(jīng)歷地震強(qiáng)烈震動(dòng)的實(shí)際全尺寸建筑物上可以實(shí)現(xiàn)的代表性漂移相比，在三個(gè)試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)得的漂移位移如何�！�

為什么DDPS對(duì)于城市而言是明智的

本月早些時(shí)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(jí)地震的震中。盡管這是一個(gè)小人口中心，損失估計(jì)仍在1億美元左右。

如果一場(chǎng)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(shuō)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(cè)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(xiàng)重要功能，可以避免在下一次大地震后對(duì)數(shù)百棟建筑物進(jìn)行耗時(shí)且具有挑戰(zhàn)性的手動(dòng)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(guó)許多地區(qū)與地震活動(dòng)有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。這些事件使人們更加感激，需要繼續(xù)關(guān)注地震的社會(huì)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(cè)量基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)行狀況，并在下一次大地震后提供最有效的響應(yīng)。”