سیستم نظارت بر سلامت ساختاری هوشمند

نظارت بر سلامت ساختاری روشی برای ثبت ، پردازش و ارزیابی داده های اندازه گیری برای تشخیص تغییرات ساختاری ، آسیب و تنش های حیاتی در مراحل اولیه است. این هدف برای اطمینان از قابلیت عملکردی ، ایمنی و عملکرد روان و در عین حال کاهش هزینه های فنی و مالی طراحی شده است. سیستم نظارت بر سلامت ساختاری متشکل از سنسورهایی است که در موقعیت هایی با دقت انتخاب شده در سراسر ساختمان ، تجهیزات انتقال داده و یک سرور برای جمع آوری و کنترل داده ها قرار دارند. در داخل نرم افزار تجزیه و تحلیل سرور حاوی یک مدل ریاضی خاص وجود دارد. سرور به یک برنامه دسک تاپ اپراتور محلی متصل می شود و می تواند از راه دور مشاهده و به روز شود. اپراتور می تواند ساختمان را در زمان واقعی کنترل کرده و بلافاصله وضعیت ساختمان را مشاهده کند. طراحی ، ساخت ، و ساخت سازه های هوشمند یکی از چالش های نهایی محققان مهندسی امروز است. از آنجا که آنها ذات هوش سیستم را تشکیل می دهند ، یکی از هسته های مراکز فناوری ساختارهای هوشمند در اطراف سنسورها و سیستم های حسگر ابتکاری است. نظارت بر سلامت ساختاری یکی از اصلی ترین کاربردها برای فن آوری های جدید حسگر است.

نظارت بر بهداشت ساختاری پیش از آنکه فرصتی برای آسیب رساندن واقعی داشته باشند ، مشکلات احتمالی را پیش بینی می کند. این همه به لطف حسگرهای هوشمند است که حتی کوچکترین تغییرات در ساختمان یا ساختار ماشین را تشخیص می دهد. این موارد بیش از افزایش ایمنی قابل اطمینان را تضمین می کند ، زیرا همچنین به شما امکان می دهد هزینه های نگهداری را به شدت کاهش دهید – به عنوان مثال ، با جایگزینی اجزای خاص و منفردی که احتمالاً در معرض آسیب هستند ، قبل از اینکه بتوانند روی سایر اجزا تأثیر بگذارند.

فرآیند توسعه سیستم شامل سه مرحله است: طراحی ، ساخت و نگهداری: 

• در تهدیدهای مرحله طراحی ، مدل سازی می شود ، پارامترهای نظارت مورد نیاز شناسایی می شوند و مدل های ریاضی و رایانه ای تولید می شوند. در این مرحله قوانین اولیه تنظیم می شود که نوع و محل سنسور را تعیین می کند. بسته به پارامتر مورد نیاز ، سنسورها را می توان در بتن تعبیه شده ، روی آرماتور یا در محفظه های مخصوص نصب کرد. 
• با نظارت بر ساختمان برای یک دوره زمانی و ارزیابی نتایج ، مدلهای ریاضی و رایانه ای توسعه یافته در مرحله طراحی در صورت لزوم در نرم افزار نظارت تأیید و اصلاح می شوند. 
• مرحله تعمیر و نگهداری جایی است که اپراتورهای ساختمان کنترل سیستم نظارت را به دست می گیرند و از نرم افزار مخصوص توسعه یافته برای بهره برداری و نگهداری ساختمان استفاده می کنند. این نرم افزار به اپراتورها اجازه می دهد تا بلافاصله وضعیت ساختمان را مشاهده کنند.

یک بسته نرم افزاری ویژه نظارت بر سازه ، SODIS Building M ، توسط NPO SODIS تهیه و به بازار عرضه شده است. این نرم افزار به سیستم نظارت ساختاری اجازه می دهد تا تجزیه و تحلیل پیچیده ای از اندازه گیری های مختلف را انجام دهد و نتایج نظارت شده را در زمان واقعی نمایش دهد. بسته نرم افزاری برای تعریف قوانین پیچیده به دست آوردن وضعیت ساختمان استفاده می شود. پس از این تعریف ، با تصمیم گیری در مورد وضعیت یا زمان واقعی ساختمان ، از این نرم افزار در عملکرد سیستم نظارت بر سازه استفاده می شود. هر ساختمان به مدل ریاضی خاص خود ، مجموعه قوانین خاص خود نیاز دارد و بنابراین نرم افزار متناسب با هر ساختمان ساخته شده است. برای مجری ساختمان ، این نرم افزار می تواند با مدل های 2D و 3D ساختمانها و سازه ها کار کند.

انواع مختلف سنسورها برای نظارت بر سلامت ساختاری

پیشرفت سریع در سنسورها ، ارتباطات بی سیم ، سیستم های ریز الکترومکانیکی (MEMS) و فناوری های اطلاعاتی می توانند تأثیر قابل توجهی بر SHM داشته باشند. برای کمک به مقابله با مقدار زیادی از داده های تولید شده توسط یک سیستم نظارت ، پردازش روی صفحه در سنسور اجازه می دهد بخشی از محاسبات به صورت محلی بر روی ریز پردازنده تعبیه شده سنسور انجام شود. چنین رویکردی یک سنسور هوشمند سازگار ، با قابلیت تشخیص خود و کالیبراسیون خود را فراهم می کند ، بنابراین مقدار اطلاعاتی را که باید از طریق شبکه منتقل شوند کاهش می دهد.

سنسور فیبر نوری

سنسور فیبر نوری حسگری است که از فیبر نوری یا به عنوان عنصر سنجش (“سنسورهای ذاتی”) یا به عنوان وسیله ای برای انتقال مجدد سیگنال ها از یک سنسور از راه دور به الکترونیکی که سیگنال ها را پردازش می کنند (“حسگرهای خارجی”) استفاده می کند. الیاف کاربرد زیادی در سنجش از دور دارند. بسته به نوع کاربرد ، ممکن است از فیبر به دلیل اندازه کوچک استفاده شود ، یا اینکه به برق در مکان از راه دور نیازی نیست ، یا اینکه می توان حسگرهای زیادی را در طول فیبر با استفاده از تغییر طول موج نور برای هر سنسور مالتی پلکس کرد ، یا با احساس تأخیر زمانی که نور از طریق فیبر از طریق هر سنسور عبور می کند. تاخیر زمان را می توان با استفاده از دستگاهی مانند بازتاب سنج حوزه زمانی نوری و تغییر طول موج را می توان با استفاده از ابزاری که بازتاب سنجی حوزه فرکانس نوری را محاسبه می کند ، تعیین کرد. سنسورهای فیبر نوری نیز در برابر تداخل الکترومغناطیسی مصون هستند و برق را هدایت نمی کنند بنابراین می توان از آنها در مکانهایی که برق فشار قوی یا مواد قابل اشتعال مانند سوخت جت وجود دارد استفاده کرد. سنسورهای فیبر نوری می توانند برای مقاومت در برابر دماهای بالا نیز طراحی شوند.

شتاب سنج

شتاب سنج های خازنی MEMS (سیستم های میکروالکترومکانیکی) یکی از فناوری هایی است که نیازهای SHM را برطرف می کند. به دلیل دامنه مسطح و پاسخ فاز در یک پهنای باند بزرگ ، ناهمواری و ویژگی های جذاب SWAP فناوری MEMS امکان استفاده روزافزون از لرزش سنجی را برای SHM فراهم می کند. شتاب سنج های MEMS از کوپلینگ خازنی برای تشخیص حرکت جرم ضد معلق در پاسخ به شتاب خارجی استفاده می کنند. یک فرآیند ساخت که ما از آن “پخت” MEMS را در دماهای بسیار بالا استفاده می کنیم. این طراحی ساخت ، تکرار عملکرد بسیار خوب را هم در دما و هم در زمان تضمین می کند. دستگاههای MEMS خازنی بدست آمده از فرکانسهای بسیار پایین (<< 1 هرتز) تا فرکانسهای بالا اندازه گیری خواهند شد.

سیم ویبره

یک سنسور سیم ویبره دهانه اتصالی را از کشش سیم ساخته شده برای لرزش در فرکانس صوتی اندازه گیری می کند. از آنجا که سیم از فلز الاستیک ساخته شده است ، می توان از این نوع سنسورها برای اندازه گیری نیروهای کششی در محدوده خاصی نیز استفاده کرد. نیروی خارجی اعمال شده باعث تغییر کشش روی سیم می شود ، این فرکانس را تغییر می دهد. فرکانس اندازه گیری می شود و میزان نیروی وارد شده بر حسگر را نشان می دهد. سنسور بار دارای یک سیستم الکترونیکی یکپارچه برای فعال کردن سیم ارتعاشی و همچنین خواندن فرکانس است. این را می توان با گیتار مقایسه کرد: متحرک سازی سیم ها ، ایجاد لرزش و صدا. صدا به کشش رشته ها بستگی خواهد داشت.

ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر خطی

ترانسفورماتور دیفرانسیل متغیر Linear یک نوع متداول مبدل الکترومکانیکی است که می تواند حرکت مستقیم خطی جسمی را که به صورت مکانیکی به آن متصل می شود ، به یک سیگنال الکتریکی متناظر تبدیل کند. سنسورهای موقعیت خطی LVDT به راحتی در دسترس هستند که می توانند حرکاتی به اندازه چند میلیونیم اینچ تا چندین اینچ را اندازه گیری کنند. عنصر متحرک LVDT یک آرماتور لوله ای جداگانه از مواد نفوذپذیر مغناطیسی است. به این هسته هسته گفته می شود که حرکت محوری در داخل سوراخ توخالی سیم پیچ دارد و به صورت مکانیکی با جسمی که موقعیت آن اندازه گیری می شود ، جفت می شود. این سوراخ به طور معمول به اندازه کافی بزرگ است که می تواند فاصله شعاعی قابل توجهی بین هسته و سوراخ ایجاد کند ، و هیچ تماس فیزیکی بین آن و سیم پیچ وجود ندارد. در عملیات، سیم پیچ اولیه LVDT با جریان متناوب با دامنه و فرکانس مناسب ، که به عنوان تحریک اولیه شناخته می شود ، انرژی می گیرد. سیگنال خروجی الکتریکی LVDT ولتاژ متناوب AC بین دو سیم پیچ ثانویه است که با موقعیت محوری هسته درون سیم پیچ LVDT تغییر می کند. معمولاً این ولتاژ خروجی AC توسط مدار الکترونیکی مناسب به ولتاژ یا جریان DC سطح بالا تبدیل می شود که استفاده از آن راحت تر است.

لود سلول فشار سنج

لودسل های فشار سنج از مواردی هستند که بیشتر در محیط های صنعتی یافت می شوند. از آنجا که بسیار دقیق ، متنوع و مقرون به صرفه است بسیار ایده آل است. از نظر ساختاری ، یک لودسل دارای بدنه ای فلزی است که فشار سنجها به آن محکم شده اند. بدنه معمولاً از آلومینیوم ، فولاد آلیاژی یا فولاد ضد زنگ ساخته شده است که آن را بسیار محکم و در عین حال دارای کشش کمی نیز می کند. این خاصیت کشسانی اصطلاح “عنصر فنر” را نشان می دهد که به بدنه لودسل اشاره دارد. وقتی نیرویی به سلول بار وارد می شود ، عنصر فنر کمی تغییر شکل می دهد و مگر اینکه بیش از حد بار شود ، همیشه به شکل اصلی خود برمی گردد. با تغییر شکل عنصر فنر ، فشار سنجها نیز تغییر شکل می دهند. تغییر حاصل در مقاومت در کرنش سنج ها را می توان به عنوان ولتاژ اندازه گیری کرد. تغییر ولتاژ متناسب با مقدار وارد شده به سلول است ، بنابراین می توان مقدار نیرو را از خروجی لودسل محاسبه کرد. یک فشار سنج از سیم بسیار ریز یا فویل ساخته شده است که به صورت شبکه ای تنظیم شده و به پشتی انعطاف پذیر متصل شده است. هنگامی که شکل فشار سنج تغییر می کند ، تغییری در مقاومت الکتریکی آن ایجاد می شود. سیم یا فویل در کرنش سنج به شکلی تنظیم شده است که وقتی نیرو در یک جهت اعمال شود ، یک تغییر خطی در مقاومت ایجاد می شود. نیروی کششی فشار سنج را کشیده و باعث نازک تر و طولانی تر شدن آن می شود و در نتیجه مقاومت افزایش می یابد. نیروی فشرده سازی برعکس عمل می کند. فشار سنج فشار می یابد ، ضخیم تر و کوتاهتر می شود و مقاومت کاهش می یابد. کرنش سنج به پشتی انعطاف پذیر متصل است و امکان استفاده آسان از آن را روی یک لودسل فراهم می کند و تغییرات کوچک اندازه گیری شده را منعکس می کند. از آنجا که تغییر مقاومت اندازه گیری شده توسط یک فشار سنج بسیار کوچک است ، اندازه گیری دقیق تغییرات دشوار است. افزایش تعداد کرنش سنج های اعمال شده به طور کلی ، این تغییرات کوچک را به چیزی قابل اندازه گیری تبدیل می کند. به مجموعه ای از 4 کرنش سنج که در یک مدار خاص تنظیم شده اند ، Wheatstone Bridge گفته می شود.

شیب سنج

شیب سنج برای نظارت بر حرکات و تغییر شکلهای سطح زیرین استفاده می شود. برنامه های معمول برای شیب سنج ها عبارتند از: شناسایی مناطق حرکت و ثابت بودن حرکت ، تسریع یا پاسخ دادن به اقدامات درمانی ، بررسی اینکه آیا تغییر شکل ها در محدوده طراحی قرار دارند ، آیا پایه ها و لنگرها مطابق انتظار عمل می کنند و ساختمان های مجاور تحت تأثیر زمین قرار نمی گیرند. حرکات ، بررسی پایداری سدها ، تکیه گاه های سد ، و دامنه های بالادست در حین و پس از توقیف و نظارت بر مشخصات اسکان خاکریزها ، پایه ها و سایر سازه ها (شیب سنج افقی). یک سیستم شیب سنج دارای دو جز: است: (1) پوشش شیب سنج و (2) یک سیستم اندازه گیری شیب سنج.

طول سنج

شیب سنج یک شیب سنج حساس است که برای اندازه گیری تغییرات بسیار کوچک از سطح عمودی ، چه روی زمین و چه در سازه ها طراحی شده است. شیب سنج ها به طور گسترده ای برای نظارت بر آتشفشان ها ، واکنش سدها به پر شدن ، حرکات کوچک زمین لغزش های احتمالی ، جهت گیری و حجم شکستگی های هیدرولیکی و پاسخ سازه ها به تأثیرات مختلف مانند بارگیری و ته نشینی فونداسیون استفاده می شوند. شیب سنج ها ممکن است کاملا مکانیکی باشند یا دارای سنسورهای سیم ویبره یا الکترولیتی برای اندازه گیری الکترونیکی باشند. یک ابزار حساس می تواند تغییرات قوس یک ثانیه را تشخیص دهد.

سنسورهای انتشار صوتی

سنسورهای AE (سنسورهای انتشار صوتی) سیگنال های انرژی با فرکانس بالا را که در هنگام حذف مواد از قطعه کار و عناصر دستگاه درگیر در فرآیند تولید می شوند ، اندازه گیری می کنند. انتشارهای صوتی (بسته به محیطی که در آن انتشار می یابد) به عنوان نویز ساختاری نیز شناخته می شود ، سیگنالهای فراصوت نامفهوم هستند. سیگنال های الکتریکی اندازه گیری شده به این روش از فرکانسهای مشخصه و دامنه صدا تشکیل شده اند که مخصوص فرآیندهای برش هستند و بنابراین می توانند برای نظارت بر فرآیند استفاده شوند. سیگنال های حسگر توسط سیستم های نظارت متصل ارزیابی و تجسم می شوند. از آنجا که حتی کوچکترین انحراف سیگنال نیز تشخیص داده می شود ، برای برنامه هایی که در آنها سطح بسیار کمی تولید می شود ، نیروهای برش بسیار کمی ایجاد می کنند ، بهترین حالت را دارند. بنابراین ، سنسورها عمدتا برای تشخیص شکستگی و سایش ابزارهای کوچک استفاده می شوند ، و همچنین برای تماس با مواد ، پانسمان و سنگ زنی فرآیندهای. اغلب ادغام به صورت اختیاری همراه با حسگرهای دیگر یا راه حل های بدون سنسور برای ابزار Artis و نظارت بر فرآیند انجام می شود.

حسگر دما

سنسور دما وسیله ای الکترونیکی است که دمای محیط خود را اندازه گیری می کند و داده های ورودی را به داده های الکترونیکی تبدیل می کند تا تغییرات دمایی را ضبط ، مانیتور یا سیگنال کند. انواع مختلفی از سنسورهای دما وجود دارد. برخی از سنسورهای دما به تماس مستقیم نیاز دارندبا جسم فیزیکی که در حال کنترل است (سنسورهای دمای تماس) ، در حالی که دیگران به طور غیر مستقیم دمای یک جسم را اندازه می گیرند (سنسورهای دمای غیر تماسی). یک سنسور دما از دو نوع اساسی فیزیکی تشکیل شده است – سنسور دما و سنسور دما بدون تماس. انواع سنسور دما – این نوع سنسور دما لازم است در تماس فیزیکی با جسم مورد نظر باشند و از هدایت برای نظارت بر تغییرات دما استفاده می کنند. می توان از آنها برای شناسایی جامدات ، مایعات یا گازها در دامنه وسیعی از دما استفاده کرد. انواع سنسور دما بدون تماس – این نوع سنسور دما از همرفت و تابش برای نظارت بر تغییرات دما استفاده می کنند.

نتیجه

نظارت هوشمند بر ساختار ساختاری قبل از اینکه فرصتی برای آسیب رساندن واقعی داشته باشند ، مشکلات احتمالی را پیش بینی می کند. این همه به لطف حسگرهای هوشمند است که حتی کوچکترین تغییرات در ساختمان یا ساختار ماشین را تشخیص می دهد. این موارد بیش از افزایش ایمنی قابل اطمینان را تضمین می کند ، زیرا همچنین به شما امکان می دهد هزینه های نگهداری را به شدت کاهش دهید – به عنوان مثال ، با جایگزینی اجزای خاص و منفردی که احتمالاً در معرض آسیب هستند ، قبل از اینکه بتوانند روی سایر اجزا تأثیر بگذارند.

منابع – ndt.net، iitk.ac، first.sensor، hbm.com، colibrys.com، te.com، durhamgeo.com، marposs.com، monodaq.com، fprimec.com،
informinfrastructure.com، spectotechnology.com، researchgate.net، medium.com، semioticlabs.com