یک مرحله مهم در استراتژی پایش سلامت سازه، انتخاب مناسب حسگرهای مورد استفاده برای اندازه گیری متغیر فیزیکی مورد نیاز است. نظارت بر سلامت سازه (SHM) روشی است که هدف آن برآورد وضعیت سازه با استفاده از ارزیابی برخی از ویژگی های فیزیکی اندازه گیری شده‌است. یک SHM مبتنی بر آسیب شامل سه مرحله : نظارت بر سیگنال، پردازش، و تفسیر آن (شکل 1a) میباشد.

مرحله اول از طیف وسیعی از حسگرها برای اندازه‌گیری ویژگی‌های فیزیکی سازه استفاده می‌کند که می‌توان آن‌ها را در سه گروه طبقه‌بندی کرد: سینماتیک (تغییر مکان، سرعت و شتاب)، مکانیکی (نیروها، تغییر شکل‌ها، تنش)، و محیطی (باد). و دما). همچنین، مرحله مانیتورینگ سیگنال به یک مدار دقیق یا مدار تنظیم سیگنال و یک سیستم اکتساب اطلاعات (DAS) برای ذخیره و پردازش بعدی آنها نیاز دارد (شکل 1b). بدیهی است که خروجی سنسور ابزار دقیق مورد نیاز را تعیین می کند. علاوه بر این، بر کیفیت سیگنال اندازه گیری‌شده نیز تأثیر می گذارد.

موقعیت حسگرها

شکل 1 یک طرح SHM: یک رویکرد مبتنی بر آسیب، b مراحل مورد نیاز در مرحله دریافت سیگنال

حسگرهای مکانیکی

اندازه‌گیری ویژگی‌های مکانیکی، مانند خستگی، نیرو، کرنش، خوردگی، ترک‌ها و غیره، به یک وظیفه بسیار مهم در زیرساخت‌های عمرانی، به‌ویژه در پل‌ها تبدیل شده است، زیرا ارتباط نزدیکی با عملکرد ایمن آنها دارد: یک شکست ناگهانی ممکن است عواقب مهمی ایجاد کند. از نظر تلفات احتمالی جان انسان ها و انحرافات اقتصادی. علاوه بر این، تشخیص زودهنگام خرابی به طور بالقوه به بودجه کمتری نیاز دارد که امروزه نیز یک مورد مطلوب است. در این راستا، طی سال‌های گذشته، طرح‌های جدیدی که از فناوری‌های حسگر شناخته شده و جدید استفاده می‌کنند، پیشنهاد شده‌اند. در این بخش، رایج ترین آنها بررسی می شود.

  • تشخیص خستگی

تشخیص خستگی یکی از رایج ترین خرابی هایی است که در زیرساخت های عمرانی به ویژه پل ها یافت می شود. به طور کلی، این شکست در مناطقی شروع می‌شود که تنش‌های مهمی را تجربه می‌کنند که دارای عیوب میکروسکوپی هستند که منجر به پیدایش ترک‌های ine می‌شود که طول و عمق آن‌ها تا زمانی که دیگر یکپارچگی لازم را نداشته باشند، تغییر می‌کنند.

  • اندازه گیری نیرو

اندازه‌گیری نیروی اعمال‌شده در بخش‌های حیاتی یک سازه مدنی گاهی مورد نیاز است، زیرا این بخش‌ها برای مقابله با حداکثر مقدار طراحی شده‌اند. اگر نیروی اعمال شده از این مقدار بیشتر شود، احتمالاً چرخه های غیرضروری تنش ایجاد می شود که در نتیجه منجر به زوال تسریع می شود.

  • کرنش

 یکی از رایج ترین پیامدهای اعمال نیرو در هر جسم جامد، تغییر شکل آن است. اندازه گیری کرنش یکی از اشکال ممکن برای اندازه گیری تغییر شکل یک جسم است و معمولاً با استفاده از کرنش سنج ها، مبدل های پیزوالکتریک و کرنش سنج های ارتعاشی سیمی حس می شود.

  • خوردگی

خوردگی یکی از مهم ترین پارامترهایی است که بر عملکرد و عمر مفید زیرساخت های عمرانی مدرن، به ویژه پل ها تأثیر می گذارد. می‌تواند برای سال‌ها یا حتی دهه‌ها بدون توجه بگذرد، تا زمانی که خرابی‌های شدیدی که یکپارچگی سازه را تحت تأثیر قرار می‌دهد رخ دهد.

حسگرهای محیطی

تأثیر متغیرهای محیطی، مانند دما و باد، نقش مهمی در برآورد خواص فیزیکی در سازه‌های عمرانی ایفا می‌کند  که در اغلب موارد، نمی‌توان نادیده گرفت. به عنوان مثال، به خوبی شناخته شده‌است که افزایش دما باعث افزایش طول مواد می شود. از سوی دیگر، اندازه‌گیری سرعت باد در زیرساخت‌های عمرانی بسیار حائز اهمیت است، زیرا می‌تواند نیروی بیش از حدی را تحمیل کند که به طور بالقوه می‌تواند مناطقی با غلظت بیشتری از تنش نسبت به آنچه در ابتدا برنامه‌ریزی شده بود، ایجاد کند. در این راستا، پایش مستمر این متغیرهای محیطی می‌تواند منجر به الگوریتم‌های بهتری برای تخمین خواص مکانیکی مورد نظر شود. در این بخش سنسورهای مورد استفاده برای اندازه گیری دما و باد ارائه شده است. همچنین برخی از کاربردهایی که از این متغیرها استفاده می کنند مورد بحث قرار می گیرد.

  • باد

بادسنج دستگاهی است که سرعت باد را به صورت مطمئن و ساده اندازه گیری می کند. چهار فناوری رایج وجود دارد که به صورت تجاری در دسترس هستند. بادسنج مکانیکی معمولاً با چندین کود ساخته می شود که به بازوهای افقی که به یک میله عمودی متصل هستند متصل می شوند. بنابراین، هرچه باد شدیدتر می وزد، میله سریعتر حرکت می کند. این حرکت با استفاده از یک ژنراتور به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود که سپس به مقدار لحظه ای سرعت تبدیل می شود. سایر بادسنج‌های مکانیکی تعداد چرخش‌هایی را که در طول یک بازه زمانی خاص اتفاق می‌افتد شمارش می‌کنند و سپس رابطه‌ای را برای تخمین سرعت اعمال می‌کنند.

  • دما

دما می تواند اطلاعاتی در مورد شرایط داخلی سازه مانند خستگی، ترک خوردگی و تسلیم ارائه دهد. علاوه بر این، از آنجایی که برخی از سنسورها تحت تأثیر دما قرار می گیرند، اندازه گیری آن به منظور اعمال اصلاحات مناسب به منظور اندازه گیری های قابل اعتماد، به یک نگرانی مهم تبدیل می شود. برای این منظور از چندین سنسور از جمله ترموکوپل، آشکارساز دمای مقاومتی (RTD) و ترموگرافی و سایر فناوری ها استفاده می شود.

ویژگی‌های اصلی حسگرهای مورد استفاده در SHM

حسگرهای ارائه شده در این مقاله عمدتاً ویژگی‌های فیزیکی اولیه را اندازه‌گیری می‌کنند، که در اکثر طرح‌های SHM، می‌توان برای ارزیابی وضعیت واقعی سازه استفاده کرد. با این حال، برخی از خواص مکانیکی نیاز به اندازه گیری خواص ثانویه دارند.

استراتژی های ابزار دقیق برای رایج ترین حسگرهای مورد استفاده در SHM

یکی دیگر از ویژگی های مهم حسگرهای مورد استفاده در پایش سلامت سازه با توجه به نوع خروجی آن است، یعنی اینکه سنسور، جریان یا ولتاژی را به عنوان خروجی تولید می کند. در هر صورت می توان از مراحل زیر برای ایمن سازی ارتباط صحیح با DAS استفاده کرد:

  1. اگر سنسور مورد استفاده سیگنال خروجی جریان را تولید می کند، باید از طرح مبتنی بر تقویت کننده عملیاتی جریان به ولتاژ استفاده شود، بنابراین جریان تولید شده می تواند به یک ولتاژ متناسب تبدیل شود که می تواند توسط مراحل اضافی پردازش شود.
  2. می توان از تقویت کننده اضافی استفاده کرد تا بتوان از محدوده ورودی مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) به طور کامل استفاده کرد. این امر از از دست رفتن اطلاعات سنسور به دلیل دامنه نامناسب ولتاژ ورودی به ADC جلوگیری می کند.
  3. آگاهی از سطوح امپدانس بین مراحل مختلف شرطی سازی مهم است، بنابراین سطوح ولتاژ به دلیل سطوح مختلف امپدانس، مقدار خود را تغییر نمی دهد. بنابراین، اگر سنسور خروجی ولتاژ دارای مقدار امپدانس کمتری در مقایسه با مرحله پردازش بعدی باشد، باید از یک بافر برای جلوگیری از سست شدن دامنه در سیگنال اندازه‌گیری‌شده استفاده شود.

روندهای جدید فناوری حسگر در SHM

توسعه مداوم مواد جدید، که در بیشتر موارد کوچکتر از موارد موجود هستند، امکان معرفی حسگرهای جدیدی را فراهم کرده است که در آزمایشات اولیه نشان داده شده است که راه حل های بالقوه ای برای کاربردهای SHM هستند. در این بخش برخی از این فناوری ها ارائه می شود.

  • حسگرهای مبتنی بر بینایی

اکثر حسگرهای ارائه‌شده در بخش‌های قبل نیاز به تماس فیزیکی با ساختار در آزمون دارند تا بتوانند پاسخ‌های مورد نظر را اندازه‌گیری کنند. بعلاوه، سیستم‌های حسگر مبتنی بر سیم باید در نظر بگیرند که جمع‌آوری داده‌ها تا چه اندازه فاصله دارد، بنابراین فضا، حمل‌ونقل و طول کابل‌ها باید در نظر گرفته‌شود. حتی زمانی که استفاده از سیستم‌های بی‌سیم می‌تواند از این محاسبه جلوگیری کند، مصرف انرژی همچنان مشکل است. در این راستا، استفاده از حسگرهای مبتنی بر بینایی، استفاده از سیم را تحمیل نمی کند و نیازی به تماس فیزیکی بین سنسور و سازه ندارد.

  • حسگرهای مبتنی بر فیبر نوری

یکی دیگر از فناوری های نوظهور، استفاده از حسگرهای مبتنی بر فیبر نوری (FOS) است. به طور کلی، حسگرهای FOS با توجه به مقدار نوری که به طور کامل از فیبر نوری عبور می‌کند، عمل می‌کنند. یکی از مهمترین مزیت های FOS نسبت به سایر فناوری های سنجش این است که می توان از آنها برای اهداف سنجش و انتقال به طور همزمان استفاده کرد.

  • حسگر مبتنی بر پیزوسرامیک

این نوع سنسور یک نسخه ساخته شده توسط انسان از مواد پیزوالکتریک سنتی است، به عنوان مثال کوارتز. آنها با استفاده از یکی از دو جزء ساخته می شوند: تیتانات باریم و تیتانات زیرکونات سرب یا PZT. این ترکیبات در شکل طبیعی خود اثر پیزوالکتریک ندارند. اما با اعمال یک باند الکتریکی با دامنه معنی‌دار، اثر فوق‌الذکر را به دست می‌آورند که قوی‌تر از طبیعی است. کاربردهای این نوع حسگر برای تشخیص ترک ، بازرسی پیچ  و اندازه‌گیری شتاب و نیرو و غیره گزارش شده‌است. از آنجایی که آنها می توانند در مواد جاسازی شوند، امکان ایجاد نوعی ساختار “خود حسگر” را فراهم می کنند.

دانلود مقاله حسگرها در پایش سلامت سازه 

print