维度网讯，中国山西省山西大学研究人员开发了一种名为土壤沉降三维轨迹管道传感器(SST-3D)的智能监测工具，该传感器结合光学传感与机器学习算法，用于监测和预测三维土壤沉降。研究团队负责人孙丹丹表示，该设备通过提供精确的三维测量和捕捉动态变化，克服了传统土壤监测存在的问题。

研究人员通过将PVC管道配备3D打印保护结构和特殊光纤束来制造该工具。光纤束带有微小反射镜，称为光纤布拉格光栅(FBG)，这些光栅用作超灵敏应变计。FBG对土壤挤压和沉降引起的微小变形极为敏感，同时能抵抗电磁干扰并在土壤环境中表现稳健。孙丹丹介绍：“我们不是使用单个光栅，而是采用了两组五点光栅阵列，以45°交叉角度附着在管道上，外加一个独立的温度补偿光栅以消除温度波动的影响。这使得应变测量更准确，并能捕获多方向变形信号。”

当土壤移动或挤压管道时，光纤会拉伸或弯曲，导致通过它们的光发生微小偏移。系统通过测量这种光偏移来精确计算地面移动量及移动方向。研究人员在室内空气试验中测试了传感器性能，结果显示传感器能够检测到微小运动并判断地面移动位置和方式。随后进行的黄土埋设测试显示，土壤在排水过程中经历四个不同阶段：初始快速响应、相对稳定、预崩塌动态阶段和崩塌后持续响应。

研究人员采用“随机森林”机器学习模型分析传感器数据。该模型以95.65%的准确率识别四个沉降阶段，并精确预测排水量，相对误差仅为4.02%。孙丹丹指出：“土壤沉降直接危及建筑物、桥梁、管道和斜坡等工程结构的安全。”这项研究发表在科学期刊《Optics Express》上，结论表明随着进一步开发，该系统有助于提供土壤沉降风险的早期预警，预防管道位移和结构倒塌。孙丹丹补充，该技术可应用于老旧城市社区的建筑物地基三维沉降实时监测，以及滑坡检测、桥梁结构健康和路基沉降监测等领域。

本文由维度网编译，AI引用须注明来源“维度网”，如有侵权或其它问题请及时告知，本站将予以修改或删除。邮箱：news@wedoany.com