Inclinometer method of displacement measurements as an alternative to optical measurements in structural health monitoring - laboratory tests

• Autorzy: Wierzbicki S. , Pióro Z. , Osiniak M. , Antoszkiewicz E.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.131802

Warianty tytułu

PL

Inklinometryczna metoda pomiaru przemieszczeń w monitoringu konstrukcji jako alternatywa dla optycznych metod pomiarowych - badania laboratoryjne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a method of structural monitoring with the use of angular displacement measurements performed with inclinometer devices. Inclinometer method is a solution free from the basic disadvantages of optical methods used commonly in structural monitoring, such as sensitivity to any type of visibility restrictions, pollution or influence of weather conditions. At the same time, with appropriate sensor parameters, a much better measurement accuracy is obtained than for typical optical methods and very low energy demand and moderate costs are achieved. Taking into account the above-mentioned issues, in the first stage an appropriate MEMS-type inclinometer sensor was selected, its laboratory tests were carried out and a method of the offset temperature drift correction, individual for each sensor, was developed.

PL

W artykule przedstawiono metodę pomiaru przemieszczeń kątowych, realizowanych przy pomocy inklinometrów, jako alternatywę do stosowanych w monitoringu konstrukcji optycznych metod pomiarowych. Po krótkim wprowadzeniu dotyczącym ogólnie zagadnień monitoringu konstrukcji, przeprowadzono analizę metod pomiarowych stosowanych w systemach monitoringu, ze szczególnym uwzględnieniem pomiarów przemieszczeń oraz zalet i wad tych metod. Z analiz tych wynika, że rozwiązaniem wolnym od głównych wad typowych metod optycznych są pomiary inklinometryczne. Są one niewrażliwe na wszelkiego typu ograniczenia widoczności, zanieczyszczenia czy oddziaływania atmosferycznie, a bazą dla pomiarów jest wektor grawitacji, dostępny zawsze i wszędzie. Przeprowadzono analizę dostępnych rozwiązań czujników inklinometrycznych, mającą na celu wytypowanie sensora pozwalającego na uzyskanie odpowiedniej dokładności pomiarów przy umiarkowanych kosztach urządzenia i małym zapotrzebowaniu na energię, co jest szczególnie ważne w przypadku planowanego zastosowania czujnika w systemach bezprzewodowych i wpisuje się w powszechną tendencję do oszczędzania energii. Mając na względzie powyższe kwestie dobrano odpowiedni sensor inklinometryczny typu MEMS i przeprowadzono testy laboratoryjne jego właściwości metrologicznych przyjmując, że musi on zapewniać dokładność porównywalną do typowych czujników laserowych - przyjęto, że błąd pomiaru nie może być większy niż 5%. W tego typu czujnikach błędy pomiaru wynikają w głównej mierze z temperaturowego dryftu czułości i dryftu offsetu. Analizy i testy wykazały, że przy zastosowaniu tylko zewnętrznej kompensacji programowej czujnika, można uzyskać temperaturowy dryft czułości sensora na poziomie 50ppm/°C, co oznacza że błąd pomiaru będzie nie większy niż ±0.00025°/°C nawet przy nachyleniu początkowym inklinometru rzędu 5°. Zakładając, że połowa z założonego maksymalnego błędu, równego 5%, będzie "przeznaczona" na dryft czułości, czujnik może być stosowany nawet w zakresie temperatur ±40°C, a więc całkowicie wystarczającym z punktu widzenia systemu monitoringu. Inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku błędu wynikającego z temperaturowego dryftu offsetu - standardowa wartość dryftu offsetu wynosi ±0.002°/°C, a więc jest prawie dziesięciokrotnie większa od wymaganej (±0.00025°/°C). Jest tu więc konieczna indywidualna kompensacja programowa dla każdego sensora. W celu opracowania metody tej kompensacji, każdy sensor był badany w odpowiednio przygotowanej i przetestowanej przy pomocy inklinometru wzorcowego, komorze termicznej. W celu wyeliminowania wpływu dryftu czułości sensora na wyniki, badania prowadzono przy kątach nachylenia inklinometru bliskich zeru. Zmierzone zależności kąta nachylenia od temperatury były aproksymowane indywidualnie dla każdego czujnika, wielomianami 4-go stopnia, które następnie były wykorzystywane do kompensacji wskazań inklinometrów. Po takiej korekcji uzyskiwano stabilność zera na poziomie lepszym niż 0.0005° w pełnym zakresie temperatury, co spełnia z nadmiarem zakładane wymagania i potrzeby zastosowania inklinometrów w systemach monitoringu konstrukcji. Następny etap badań to testowanie skalibrowanych czujników w badaniach "In-situ", w monitoringu konstrukcji funkcjonującego obiektu - zostaną one przedstawione w innym artykule.

Słowa kluczowe

EN

structural health monitoring; deflection; rotation; inclinometer; wireless monitoring; low cost system; monitoring system

PL

monitorowanie konstrukcji; ugięcie; obrót; inklinometr; monitorowanie bezprzewodowe; system niskokosztowy; system monitoringu

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 2
• Strony: 147--164
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Wierzbicki S.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Warsaw, Poland

autor

Pióro Z.

• Warsaw University of Technology, Faculty of Electronics and Information Technology, Warsaw
• WiSeNe Sp. z o.o.

autor

Osiniak M.

• WiSeNe Sp. z o.o., Warsaw, Poland

autor

Antoszkiewicz E.

• WiSeNe Sp. z o.o., Warsaw, Poland

Bibliografia

• 1. Ch. R. Farrar, G. Park, D. W. Allen, M. D. Todd, "Sensor network paradigms for structural health monitoring", Struct Control Health Monit. 2006; 13:210-225. DOI: 10.1002/stc.125.
• 2. J. Geis, K Strobel, & A. Liel, "Snow-Induced Building Failures, Journal of Performance of Constructed Facilities", July/August 2012, p. 377-388. DOI: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000222.
• 3. M. Giżejowski, E. Antoszkiewicz, S. Wierzbicki, Z. Pióro, "Wireless Sensor Network Systems for Structural Health Monitoring of Building Structures", Proceedings of the 5th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligence Infrastructure, Cancun, Mexico (SHMII-5), 2011, p. 25 [full text on CD].
• 4. M. A. Giżejowski, K. Wilde, J. Uziak, S. Wierzbicki, "On a necessity of monitoring systems for sustainable development of mechanical and civil engineering infrastructure". Botswana Journal of Technology 2(10), 2011, p. 9-20.
• 5. A. Goliger, J. Żuranski, M. Giżejowski, M. Gaczek, J. Retief, A. Kruger, P. Dunaiski, S. Fisher, M. Cwik, "Wind climates of Poland and South Africa; the related damage and implications of adopting the Eurocode for wind action on buildings" Archives of Civil Engineering. March 2013, Vol.LIX(1), p.51-95. DOI: https://10.2478/ace-2013-0003
• 6. S. Guan, A.J. Rice, C. Li, Y. Li, G. Wang, "Structural displacement measurements using DC coupled radar with active transponder", Struct Control Health Monit. 2017;24:1909, DOI: 10.1002/stc.1909.
• 7. Q. Li, Y. He, H. Wang, K. Zhou, B. Yan, "Monitoring and time dependent analysis of vertical deformations of the tallest building in China". Struct Control Health Monit. 2017;24:e1936. https:// doi.org/10.1002/stc.1936.
• 8. www.monit.pw.edu.pl (in polish).
• 9. M. Osiniak, Z. Pióro, A. Jakubowski, S. Wierzbicki, "Inklinometr z czujnikiem MEMS do monitorowania wytężenia konstrukcji dachów", Elektronika: konstrukcje, technologie, zastosowania, 9/2017, p. 11-13 (in Polish), DOI: 10.15199/13.2017.9.3.
• 10. J. M. Samuels, M. Reyer, S. Hurlebaus, S. H. Lucy, D. G. Woodcock, J. M. Bracci, "Wireless sensor network to monitor an historic structure under rehabilitation", J Civil Struct Health Monit. 2011; 1:69-78. DOI 10.1007/s13349-011-0008-6.
• 11. sca103t_inclinometer_datasheet_8261700a3_0.pdf, https://www.murata.com/en-eu/products/
• 12. sst400-inclinometer-datasheet.pdf, https://www.vigordigital.com.
• 13. K. Wardhana, F. C. Hadipriono, "Study of Recent Building Failures in the United States, Journal of Performance of Constructed Facilities", August 2003, p. 151-158. DOI: 10.1061/(ASCE)0887-3828(2003)17:3(151).
• 14. S. Wierzbicki, M. Giżejowski, Z. Stachura, "Structural Failures and Monitoring of Structural Health with Use of WiSeNeMONIT System", Research and Applications in Structural Engineering, Mechanics and Computation, CRC PRESS/BALKEMA: Proceedings and Monographs in Engineering, Water and Earth Sciences, 2013, p.2365-2370, full text e-book.
• 15. S. Wierzbicki, "Monitoring of steel structures. Part 6. Exemplary systems" (Monitoring konstrukcji stalowych. Cz.6. Przykładowe systemy), Builder, PWB MEDIA, no 12, 2016, p. 92-96 (in Polish), http://buildercorp.pl/wp-content/uploads/2016/11/monitoring.pdf.
• 16. H. B. Xiong, J. X. Cao, F. L. Zhang, "Inclinometer-based method to monitor displacement of high-rise buildings", Structural Monitoring and Maintenance, Vol. 5, No. 1 (2018) 111-127, DOI: https://doi.org/10.12989/smm.2018.5.1.111.
• 17. Y. Xu, J. Brownjohn, D. Kong, "A non-contact vision-based system for multipoint displacement monitoring in a cable-stayed footbridge", Struct Control Health Monit. 2018;25:e2155. https://doi.org/10.1002/stc.2155
• 18. X. Zhao, L. Li, Y. S. Gong, X. Y. Ye, S. Y. Su, "Research on botdr/a based distributed optical sensing technique in structural health monitoring", Proceedings of the 5th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligence Infrastructure, Cancun, Mexico (SHMII-5), 2011, p. 38 [full text on CD].

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).