حسگرهای شتاب سنج (Accelerometers) در پایش سلامت سازه‌ها

حسگرهای شتاب سنج (Accelerometers) در پایش سلامت سازه‌ها به منظور اندازه‌گیری ارتعاشات و حرکات سازه‌ها به کار می‌روند. انواع مختلفی از حسگرهای شتاب سنج وجود دارد که هر یک مزایا و معایب خاص خود را دارند. در ادامه به بررسی چند نوع رایج این حسگرها می‌پردازیم:

1. حسگرهای شتاب سنج پیزوالکتریک (Piezoelectric Accelerometers):
- مزایا:
- دقت بالا و حساسیت خوب به ارتعاشات.
- قابلیت کار در دامنه دمایی وسیع.
- طول عمر طولانی و پایداری بالا.
- معایب:
- هزینه نسبتا بالا.
- حساسیت کمتر به فرکانس‌های پایین.

2. حسگرهای شتاب سنج MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems):
- مزایا:
- اندازه کوچک و وزن کم.
- مصرف انرژی پایین.
- قیمت پایین و قابلیت تولید انبوه.
- معایب:
- حساسیت کمتر نسبت به حسگرهای پیزوالکتریک.
- حساسیت به نویز الکتریکی و محیطی.

3. حسگرهای شتاب سنج خازنی (Capacitive Accelerometers):
- مزایا:
- دقت بالا در اندازه‌گیری ارتعاشات با فرکانس پایین.
- قیمت مناسب و پایداری خوب.
- معایب:
- حساسیت کمتر به فرکانس‌های بالا.
- نیاز به کالیبراسیون دقیق.

4. حسگرهای شتاب سنج فیبر نوری (Fiber Optic Accelerometers):
- مزایا:
- مقاوم در برابر تداخل الکترومغناطیسی.
- قابلیت کار در شرایط محیطی سخت.
- معایب:
- هزینه بالا.
- پیچیدگی نصب و نگهداری.

5. حسگرهای شتاب سنج لرزشی (Vibrational Accelerometers):
- مزایا:
- دقت بالا در تشخیص ارتعاشات.
- پایداری خوب و عمر طولانی.
- معایب:
- قیمت نسبتا بالا.
- نیاز به نصب دقیق و نگهداری مداوم.

هر یک از این حسگرها بر اساس نیازهای خاص پروژه و شرایط محیطی باید انتخاب شوند. انتخاب مناسب حسگر می‌تواند به بهبود دقت و کارایی سیستم پایش سلامت سازه‌ها کمک کند.

حسگر بی سیم و یا با سیم

حسگرهای پایش سلامت سازه به دو دسته اصلی با سیم (Wired) و بی سیم (Wireless) تقسیم می‌شوند. هر کدام از این دسته‌ها دارای مزایا و معایب خاص خود هستند که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم.

حسگرهای با سیم (Wired Sensors)
مزایا:
1. پایداری سیگنال بالا: این حسگرها به دلیل استفاده از کابل‌های فیزیکی، پایداری و دقت بالاتری در انتقال داده دارند.
2. عدم نیاز به باتری: این حسگرها معمولاً به منبع برق متصل می‌شوند و نیازی به تعویض یا شارژ باتری ندارند.
3. مقاومت در برابر تداخلات الکترومغناطیسی: سیگنال‌های انتقال داده شده از طریق کابل‌ها کمتر در معرض تداخلات الکترومغناطیسی قرار می‌گیرند.
4. قابلیت انتقال داده‌های حجیم: توانایی انتقال داده‌های بیشتر و با سرعت بالاتر نسبت به حسگرهای بدون سیم.
معایب:
1. هزینه نصب بالا: نصب و راه‌اندازی این حسگرها به دلیل نیاز به کابل‌کشی و تجهیزات مرتبط، هزینه‌بر است.
2. محدودیت در انعطاف‌پذیری: تغییر مکان حسگرها یا گسترش سیستم پایش سلامت سازه نیاز به تغییرات فیزیکی و نصب مجدد کابل‌ها دارد.
3. نیاز به نگهداری مداوم: کابل‌ها و اتصالات ممکن است نیاز به نگهداری و تعمیرات دوره‌ای داشته باشند.

حسگرهای بی سیم (Wireless Sensors)
مزایا:
1. نصب آسان: این حسگرها به دلیل عدم نیاز به کابل‌کشی، نصب و راه‌اندازی ساده‌تری دارند.
2. انعطاف‌پذیری بالا: امکان تغییر مکان حسگرها بدون نیاز به کابل‌کشی مجدد.
3. هزینه نصب کمتر: به دلیل عدم نیاز به کابل‌کشی، هزینه‌های نصب کاهش می‌یابد.
4. قابلیت گسترش آسان: افزودن حسگرهای جدید به سیستم بدون نیاز به تغییرات گسترده در ساختار موجود.
معایب:
1. عمر محدود باتری: این حسگرها نیاز به باتری دارند که باید به صورت دوره‌ای تعویض یا شارژ شود.
2. تداخلات الکترومغناطیسی: سیگنال‌های بی‌سیم ممکن است تحت تأثیر تداخلات الکترومغناطیسی قرار گیرند و دقت داده‌ها کاهش یابد.
3. محدودیت در پهنای باند: انتقال داده‌های حجیم ممکن است با سرعت پایین‌تر و محدودیت پهنای باند مواجه شود.
4. امنیت داده‌ها: داده‌های بی‌سیم ممکن است در معرض خطرات امنیتی مانند نفوذ و هک قرار گیرند.

انتخاب بین حسگرهای با سیم و بی سیم بستگی به نیازها و محدودیت‌های پروژه دارد. برای پروژه‌هایی که دقت و پایداری داده‌ها اهمیت بالایی دارد و هزینه‌های نصب و نگهداری کمتر مهم باشد، حسگرهای با سیم مناسب‌تر هستند. در مقابل، برای پروژه‌هایی که نیاز به نصب سریع و انعطاف‌پذیری بالا دارند، حسگرهای بی سیم گزینه بهتری هستند.

انواع حسگر قابل استفاده در پایش سلامت سازه

حسگرهای پایش سلامت سازه (SHM) به دسته‌بندی‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که هر کدام برای تشخیص و پایش ویژگی‌های خاصی از سازه‌ها طراحی شده‌اند. برخی از انواع حسگرهای پایش سلامت سازه عبارتند از:

1. حسگرهای کرنش (Strain Sensors):
- حسگرهای فویل مقاومت کرنش (Strain Gauge): از این حسگرها برای اندازه‌گیری کرنش‌های مکانیکی در سازه استفاده می‌شود.
- حسگرهای فیبر نوری کرنش (Fiber Optic Strain Sensors): این حسگرها حساسیت بالا و مقاومت خوبی در برابر شرایط محیطی دارند.

2. حسگرهای جابجایی و تغییرمکان (Displacement Sensors):
- حسگرهای جابجایی خطی (Linear Displacement Sensors): برای اندازه‌گیری جابجایی‌های خطی استفاده می‌شوند.
- حسگرهای جابجایی دوار (Rotary Displacement Sensors): برای اندازه‌گیری جابجایی‌های زاویه‌ای مناسب هستند.

3. حسگرهای شتاب (Accelerometers):
- این حسگرها برای اندازه‌گیری شتاب‌های وارد بر سازه‌ها و تحلیل دینامیک سازه به کار می‌روند.

4. حسگرهای فیبر نوری (Fiber Optic Sensors):
- حسگرهای براگ فیبر نوری (Fiber Bragg Grating - FBG): برای اندازه‌گیری کرنش، دما و سایر پارامترهای فیزیکی استفاده می‌شوند.
- حسگرهای اینترفرومتری فیبر نوری (Fiber Optic Interferometric Sensors): دقت بالایی در اندازه‌گیری دارند.

5. حسگرهای دما (Temperature Sensors):
- برای اندازه‌گیری و مانیتورینگ دمای سازه‌ها استفاده می‌شوند.

6. حسگرهای رطوبت (Humidity Sensors):
- این حسگرها میزان رطوبت محیط اطراف سازه را اندازه‌گیری می‌کنند.

7. حسگرهای آکوستیک (Acoustic Emission Sensors):
- برای تشخیص ترک‌ها و عیوب داخلی سازه‌ها از طریق امواج صوتی ایجاد شده استفاده می‌شوند.

8. حسگرهای راداری (Radar Sensors):
- این حسگرها برای مانیتورینگ تغییرات سطحی و داخلی سازه‌ها از طریق امواج رادار استفاده می‌شوند.

9. حسگرهای فراصوتی (Ultrasonic Sensors):
- این حسگرها برای بررسی ترک‌ها و خرابی‌های داخلی سازه‌ها با استفاده از امواج فراصوت به کار می‌روند.

صفحه پایش سلامت سازه در اینستاگرام

لطفا از صفحه پایش سلامت سازه در اینستاگرام به آدرس:

shm.solutions@

https://www.instagram.com/invites/contact/?i=7klozlv0y8ny&utm_content=l9cupdk

بازدید بعمل آورید.

پایش سلامت سازه بر مبناء ارتعاش

یکی از روش های معمول پایش سلامت ، روش برمبناء ارتعاش (Vibration Based) می باشد. در این روش نخست ارتعاش سازه ناشی از هر گونه ارتعاش مانند  زلزله و یا باد توسط حسگر های نصب شده برروی سازه ثبت شده و پارامتر های ارتعاشی سازه استخراج می گردند. سپس با مقایسه این پارامتر ها با پارامترهای حالت سلامت سازه و همچنین با بروز رسانی مدل تحلیلی سازه می توان از وضعیت سلامت آن آگاه شد.  فلوچارت زیر فرایند و مراحل انجام کار را نشان می دهد.

هر سیستم پایش سلامت بر مبناء ارتعاش، با نصب حسگر(شتاب، تغییر مکان و...)  در نقاط مختلف سازه و اندازه گیری ارتعاش سازه تحت بارهای دینامیکی شروع می شود. برای این منظور لازم است سیستم امکان ذخیره سازی داده ها و همچنین انتقال آن به سرورها مربوطه را داشته باشد.(مرحله 1). با ثبت این سیگنال های ناشی ارتعاش سازه، نخست باید آنها را پردازش کرد و سپس با استفاده از روش های تحلیل سیگنال ،  خصوصیات دینامیکی سازه (بیشینه شتاب ، بیشنه تغییر مکان ، فرکانس های ارتعاشی، نسبت میرایی ارتعاشی ومود های ارتعاشی و ....) برای حالت سالم سازه  بدست آورد. در این مرحله مدل تحلیلی تهیه شده سازه با نتایج بدست آمده از اندازه گیری اولیه مقایسه شده و نسبت به برروز کردن این مدل با رفتار واقعی سازه اقدام می گردد (مرحله 2). حال با داشتن سیستم دائمی پایش سلامت و با ثبت ارتعاش سازه در طول مدت بهره برداری آن، پارامتر های ارتعاشی سازه (  بیشینه شتاب ،  بیشنه تغییر مکان ، فرکانس های ارتعاشی، نسبت میرایی ارتعاشی و...) بدست می آید (مرحله 3). با مقایسه این اطلاعات با مقادیر اولیه و نتایج موجود از مدل بروز شده سازه سالم بدست آمده در مرحله 2، می توان از وجود آسیب و یا احتمال وقوع آن مطلع شد. (مرحله 4) . در صورت وجود هر گونه نتایج غیر متعارف، نسبت به بروز کردن مدل تحلیلی اقدام شده و احتمال آسیب، محل و مقدار آن برآورد اولیه می گردد(مرحله 5). در این مرحله تیم بازرسی  می تواند به محل سازه اعزام شده و با استفاده از اطلاعات  مرحله 5 ، برآورد دقیقتر از نوع و مقدار آسیب ارائه خواهد نمود (مرحله 6). این عمل معمولا با بازرسی چشمی آغاز و در صورت نیاز با استفاده از روش های بازرسی غیر مخرب شرایط آسیب به طور دقیق بررسی و گزارش می شود.

مراحل 3 تا 6 در طول عمر سازه تکرار شده  در صورت رسیدن سازه به سطح پایین تر از ظرفیت طراحی ، می بایست نسبت به اصلاح سازه و یا جایگزین کردن آن تصمیم گرفت.