حسگرهای فیبر نوری (1)

از بسیاری از جهات، حسگرهای فیبر نوری ایده‌آل‌ترین مبدل برای پایش سلامت سازه‌های عمرانی است. دوام، پایداری و بی تأثیر بودن اختلالات خارجی آن‌ها را به عنوان بهترین گزینه برای پایش‌های طولانی مدت در سازه‌های عمرانی ساخته است. ولی از طرف دیگر، اندازه‌ی کوچک و ظریف بودن فیبرها، این حسگرها را نسبت به شرایط محیطی سخت که عموم سازه‌های عمرانی با آن روبه‌رو هستند، آسیب‌پذیر می‌کند. این مشکلات با دقت در روش طراحی شبکه‌ی حسگرها و قرار دادن آن‌ها در جای مناسب تا حدی قابل حل شدن هستند. همان طور که قبلاٌ نیز اشاره شد، اولین قدم برای پایش سلامت سازه، طراحی و نصب شبکه‌ی حسگرها برای اندازه‌گیری پارامترهای مورد نیاز از سازه و محیط اطراف آن می‌باشد. این حسگرها نسبت به دیگر حسگرهای معمول، دارای کیفیت بهتر اندازه‌گیری، قابلیت اطمینان بیشتر، امکان حذف اثر نیروی انسانی در اندازه‌گیری‌ها، نصب آسان و هزینه‌ی نگهداری کمتر هستند. انواع متنوعی از این حسگرها هم برای کارهای آکادمیک و آزمایشگاهی و هم برای استفاده‌های عملی و واقعی وجود دارد.

از آن‌جایی که نحوه‌ی عملکرد انواع این حسگرها و سازه‌هایی که این حسگرها بر روی آن نصب می‌شوند، متنوع بوده، هرکدام نیازمند نوع خاصی از نصب بر روی سازه هستند. به طور مثال برای سازه‌های بتنی می‌توان این حسگرها را هم بر روی سطح و هم در درون اعضا نصب کرد، در حالی که در سازه‌های چوبی و فلزی، نصب تنها بر روی سطح صورت می‌گیرد.

انتقال داده ها بدون سیم (شبکه‌ی بی‌سیم)

شبکه‌ی حسگرهای هوشمند یک جایگزین مطمئن برای شبکه‌ی حسگرهای کابلی هستند. تعدادی از تکنولوژی‌ها دست به دست هم دادند که فرصتی برای پیشرفت سیستم‌های پایشی با خصوصیات جدید تولید کنند. این تکنولوژی‌ها موجب طراحی و عرضه‌ی حسگر‌های هوشمند با هزینه‌ی کمتر و توانایی برقراری ارتباط بی‌سیم، پردازش داده‌های اندازه‌گیری شده و حتی کاستن هزینه‌های اجرایی پس از تولید و نصب انبوه در سازه شده است؛ اما هنوز مشکلاتی از قبیل مصرف برق و اعتبار دراز مدت این سیستم‌ها وجود دارد که نیازمند تحقیق و بررسی بیشتری است تا بتوان با اطمینان کامل در سیستم‌های پایشی استفاده کرد. این سیستم متشکل از ارتباط بی‌سیم، قدرت پردازش داخلی و حسگرهای MEMS می‌باشد. قسمت ارتباط بی‌سیم مشکل سیم‌های ارتباطی و انتقالی را در سیستم‌های پایشی متداول حل کرده است. میکروپردازشگرها و میکروکنترلرها این امکان را ایجاد کرده‌اند که مشکل نابرابری توزیع قدرت پردازش و محاسبات به کلی حذف گردد. استفاده از حسگرهای MEMS نیز همان‌طور که قبلاً نیز اشاره شد، می‌تواند دقت و کارایی قابل توجهی را با هزینه‌ی به مراتب کمتر از دیگر حسگرها ایجاد کنند. با ترکیب این سه قابلیت، یعنی ارتباط بدون سیم، قدرت پردازش داخلی و حسگرهای MEMS، می‌توان مرحله‌ی جمع‌آوری داده و پردازش آن‌ها را از مراکز تجمیع داده به خود حسگرها برد و تنها داده‌های آماده و مفید را برای محاسبات اصلی جمع‌آوری کرد. با این کار حجم داده‌های انتقال یافته به مراتب کم حجم‌تر بوده و در پی آن مشکلات کمتری را در دسته‌بندی و ذخیره‌ی داده‌ها دارد.

 

انتقال داده ها باسیم (شبکه‌ی باسیم)

در سیستم‌های پایشی متداول امروزی، روش به این صورت است که داده‌های حاصل از یک مجموعه حسگر به نقاط جمع‌آوری وارد شده و ذخیره می‌گردد. سپس داده‌ها از این مجموعه‌ها توسط رشته کابل‌ها به مرکز اصلی جمع‌آوری و پردازش داده منتقل می‌گردد. اگر داده‌های به دست آمده از حسگرها به صورت آنالوگ باشد، یک مرحله‌ی میانی به مراحل ذکر شده اضافه می‌گردد و آن تبدیل این داده‌ها به داده‌های دیجیتالی (باینری) است. فاصله‌ی معمول بین حسگرها و مرکز جمع‌آوری داده، می‌تواند بین 10 تا 300 متر، بسته به نوع تجهیزات متغییر باشد. وقتی که سیگنال یک مسیری را طی می‌کند، طول آن بیشتر شده، همچنین در سیگنال‌های آنالوگ، طی فاصله و احتمال وجود منابع اختلالگر خارجی نزدیک به کابل‌ها، باعث ایجاد نویز در آن و همچنین تنزل کیفیت آن می‌گردد. شکل شماره مراحل تبدیل سیگنال آنالوگ را نشان می‌دهد.

با افزایش تعداد تجهیزات مورد استفاده در سیستم پایشی، درجه‌ی پیچیدگی در نصب و همچنین محاسبات و پردازش داده بیشتر می‌شود. یکی از این مشکلات، نصب و سیم‌کشی تجهیزات است. Straser و همکارانش در سال 1998 طی گزارشی اعلام کردند که هزینه‌ی نصب در سیستم پایشی بر پایه سیم بالغ بر 25% کل هزینه‌ی پایش سازه می‌شود. همچنین میزان زمان صرف شده در سازه‌های مقیاس بزرگ برای این کار در حدود 75% کل زمانی است که برای نصب سیستم پایشی صرف می‌شود. به طور مثال در پل گلدن گیت  کیلومترها کابل برای برقراری ارتباط حسگرها با پایگاه مرکزی لازم است. حتی پس از نصب تجهیزات بر روی سازه، نگرانی‌ها از نصب به نگرانی‌ها از تعمیر و نگهداری تغییر می‌یابد. در سایت، تغییرات متعدد در میزان دما و رطوبت، قرار گرفتن در برابر باران و تابش مستقیم خورشید به سرعت بر روی عملکرد حسگرها و کابل‌ها تأثیر می‌گذارد.

انتقال داده‌های به دست آمده از حسگرها

هدف اصلی از نصب تجهیزات حسگر بر روی سازه، به دست آوردن داده‌های پاسخ سازه است و هدف از سیستم ارتباطی، انتقال این داده‌های خام به مرکز ذخیره یا محاسبات برای تبدیل آن‌ها به داده‌های مفید می‌باشد. این انتقال داده به دو روش صورت می‌گیرد.

1-  روش قدیمی‌تر و جا افتاده‌تر یعنی انتقال توسط کابل‌ها

 2-  روش جدیدتر و کاراتر یعنی انتقال توسط شبکه‌ی بی‌سیم هوشمند

استفاده از تکنولوژی MEMS در پایش سلامت سازه‌ها

سیستم‌های میکروالکترومکانیک Microelectromechanical Systems (MEMS) حسگرها و فعال‌کننده‌ها بسیار کوچک و مینیاتوری هستند که با استفاده از تکنولوژی سیستم‌های انتگرالی بسیار بزرگ Very Large System Integration (VLSI) به وجود آمده‌اند. پیشرفت‌های حاصل شده در تکنولوژی MEMS باعث کاهش شدید در اندازه، مصرف انرژی، و هزینه‌ی شبکه‌های بی سیم شده است. اندازه‌ی کوچک آن‌ها این اجازه را داده که در جاهایی که حسگرها و فعال کننده‌های معمول قابلیت استفاده نداشته باشند، جایگزین شده و در کاربری‌ها استفاده شوند. همچنین به علت تفاوت در تولید نسبت به چیپ‌های معمول، توانایی تولید انبوه را داشته؛ بنابراین هزینه را تا حد بسیار زیادی کاهش داده است. دلیل دیگر اقتصادی شدن استفاده از این تکنولوژی، به کار گیری آن در صنعت خودرو سازی و صنایع هوایی و دیگر رشته‌ها مانند پزشکی است که با افزایش مصرف، هزینه‌ی تولید کاهش یافته است. مزیت قابل توجه دیگر این تکنولوژی، مصرف انرژِی بسیار اندک آن‌ها است و چیزی در حدود 40μW تا 500μW می‌باشد. مصالح سازنده‌ی این حسگرها، سیلیکن، پلیمرها، فلزات و کاغذ می‌باشد. سیلیسیوم یک ماده‌ی مناسب برای ساخت MEMS  است، زیرا این ماده دارای خواص فیزیکی و مکانیکی خوب برای ماشین‌کاری است. همچنین سیلیکن ارزان قیمت و به وفور در معادن یافت می‌شود. مشخصات مفید این وسیله‌ها باعث شده است که MEMS یک تکنولوژی پیروز در حوزه‌های کاربردی شامل شتاب سنج‌ها، حسگرهای فشار، میکرواپتیک و غیره باشد. هم اکنون در سال 2014، ارزش معاملات صورت گرفته در این زمینه، بالغ بر 550 میلیون دلار می‌باشد.

MEMSها دارای سه قسمت اصلی هستند. حسگر (وظیفه‌ی اندازه‌گیری کمیت)، مبدل سیگنال (تبدیل سیگنال اندازه‌گیری شده به انواع دیگر)، و فعال کننده (اعمال تحریک از طریق تبدیل سیگنال الکتریکی به نیرو در صورت نیاز یا حالت فعال).

بایستی به این نکته اشاره کرد که قابلیت اطمینان و دقت اندازه‌گیری این حسگرها، مشکلی است که باید در پروژه‌های پایش سلامت سازه، مورد توجه قرار گیرند. با وجود این‌که تکنولوژی MEMS برای پایش سلامت در اعضا و قسمت‌های محدودی از سازه برای تشخیص آغاز ترک و یا گسترش آن، و یا خوردگی بسیار کاربردی و مؤثر است، استفاده از آن در تعداد زیاد برای کل سازه و در عین حال اقتصادی شدن آن، مسأله‌ای پیچیده است؛ با این وجود تکنولوژی MEMS هنوز بهترین گزینه برای عملیاتی ساختن این پروژه‌ها است.