Laser-inclinometric method for displacement measurements in structural health monitoring

• Autorzy: Wierzbicki Stanisław , Pióro Zbigniew , Osiniak Marcin

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.143057

Warianty tytułu

PL

Laserowo-inklinometryczna metoda pomiaru przemieszczeń w monitoringu konstrukcji

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents a method of structural monitoring using measurement of vertical displacements realized optically by horizontally directed laser beam. A measuring device with an integrated rangefinder and inclinometer sensor was developed. Inclinometer sensor are used to correct measurement results of the rangefinder in order to eliminate errors resulting from spatial position changes of the laser beam. Such a solution was adopted as an alternative to a more complex and demanding method, which is the stabilization of the laser beam orientation. The proposed inclinometric correction method allows in a simple and clear way to eliminate a serious problem of the displacement measurement method with a perpendicularly directed laser beam, which is inevitable in practice the lack of permanent stability of the measuring device position. The developed measuring device is wireless, both in terms of power supply and communication with other elements of the monitoring system. In order to verify the correctness of measurements carried out by the developed device, on site tests were carried out in two industrial-warehouse buildings with functioning monitoring systems using other measurement methods, earlier verified. The tests confirmed compliance with the indications of the existing system at a level completely sufficient for structural monitoring system purposes. The conducted research show that the proposed method of displacements measurement with inclinometric correction of errors, provides accurate and reliable results, allowing also to obtain additional information about the behaviour of the structure in the place of installation of the measuring device.

PL

W artykule przedstawiono metodę monitoringu konstrukcji z wykorzystaniem pomiaru przemieszczeń pionowych realizowanych optycznie, poziomo skierowaną wiązką lasera. Po przeglądzie literatury przedmiotu oraz analizie uwarunkowań stosowania typowych metod pomiaru przemieszczeń, ze szczególnym uwzględnieniem pomiaru prostopadłego do kierunku przemieszczenia, zaproponowano praktyczną aplikację metody w systemie monitoringu. Opracowano urządzenie pomiarowe ze zintegrowanym dalmierzem i czujnikiem inklinometrycznym służącym do korekcji wyników pomiarów dalmierzem w celu eliminacji błędów wynikających ze zmian przestrzennego położenia wiązki lasera. Rozwiązanie takie przyjęto jako alternatywne do bardziej złożonej i wymagającej metody, jaką jest stabilizacja położenia wiązki. Opracowana inklinometryczna metoda korekcji pozwala w prosty i czytelny sposób wyeliminować poważny problem metody pomiaru przemieszczenia prostopadle skierowaną wiązką lasera, jakim jest nieunikniony w praktyce brak trwałej stabilności położenia urządzenia pomiarowego. Opracowane urządzenie pomiarowe jest bezprzewodowe, zarówno w kwestii zasilania jak i komunikacji z pozostałymi elementami systemu monitoringu. Zastosowane czujniki inklinometryczne MEMS są indywidualnie kalibrowane, co pozwala na uzyskanie odpowiedniej dokładności pomiaru kąta obrotu wiązki lasera, zapewniającej precyzję korekcji wyników pomiaru ugięcia na poziomie poniżej 1 mm. W celu sprawdzenia poprawności pomiarów realizowanych przez opracowane urządzenie, przeprowadzono badania testowe w dwóch obiektach przemysłowo-magazynowych z funkcjonującymi systemami monitoringu wykorzystującymi inne metody pomiaru. W jednym przypadku istniejący system monitoringu bazował na pomiarach kątów obrotu, w drugim zaś na bezpośrednich pomiarach ugięć pionowo skierowaną wiązką lasera. Testowane urządzenia zainstalowano w taki sposób, aby możliwe było bezpośrednie porównanie ich wskazań z pomiarami realizowanymi przez istniejące, wcześniej sprawdzone czujniki pomiarowe. Z przeprowadzonych badań wynika, że uzyskanie prawidłowych wyników pomiarów ugięć, skierowaną poziomo wiązką lasera wymaga wprowadzenia korekcji uwzględniającej przestrzenne zmiany położenia tej wiązki. Po odpowiedniej korekcji uzyskano zgodność ze wskazaniami istniejącego systemu na poziomie typowej dokładności systemu monitoringu konstrukcji, bazującego na przemieszczeniach. Badania potwierdziły, że zaproponowana metoda pomiaru przemieszczeń z inklinometryczną korekcją błędów wynikających z odchylania wiązki lasera od początkowego położenia, zapewnia dokładne i wiarygodne wyniki, pozwalając jednocześnie na uzyskanie dodatkowych informacji o zachowaniu się konstrukcji w miejscu instalacji urządzenia pomiarowego.

Słowa kluczowe

EN

inclinometer; laser-inclinometric method; measurement method; deflection; rotation; structural health monitoring; wireless monitoring

PL

monitorowanie bezprzewodowe; inklinometr; metoda laserowo-inklinometryczna; metoda pomiaru; monitorowanie konstrukcji; ugięcie; obrót

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 4
• Strony: 607--616
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Wierzbicki Stanisław

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

• https://orcid.org/0000-0002-7076-0641

autor

Pióro Zbigniew

• Warsaw University of Technology, Faculty of Electronics and Information Technology, Warsaw (emerytowany profesor)
• WiSeNe Sp. z o.o.,

autor

Osiniak Marcin

• WiSeNe Sp. z o.o., Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] J. Geis, K. Strobel, A. Liel, “Snow-Induced Building Failures”, Journal of Performance of Constructed Facilities, 2012, vol. 26, no. 4, pp. 377-388; DOI: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000222.
• [2] M. Giżejowski, E. Antoszkiewicz, S. Wierzbicki, Z. Pióro, “Wireless Sensor Network Systems for Structural Health Monitoring of Building Structures”, in 5th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligence Infrastructure (SHMII-5). Cancun, Mexico, 2011, pp. 1-25.
• [3] S. Wierzbicki, M. Giżejowski, Z. Stachura, “Structural Failures and Monitoring of Structural Health with Use of WiSeNeMONIT System”, in Research and Applications in Structural Engineering, Mechanics and Computation: Proceedings and Monographs in Engineering, Water and Earth Sciences. CRC PRESS/BALKEMA, 2013, pp. 2365-2370.
• [4] M. 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, 2011, vol. 19, pp. 9-20.
• [5] J.C. Moore, S.S. Mahini, R. Glencross-Grant, R. Patterson, “Recording Timber Bridge Girder Deflections Using a Laser Reference Source and a High Speed Camera”, in 5th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligence Infrastructure (SHMII-5). Cancun, Mexico, 2011, p. 59.
• [6] H.B. Xiong, J.X. Cao, F.L. Zhang, “Inclinometer-based method to monitor displacement of high-rise buildings”, Structural Monitoring and Maintenance, 2018, vol. 5, no. 1, pp. 111-127; DOI: 10.12989/smm.2018.5.1.111.
• [7] S. Wierzbicki, Z. Pióro, M. Osiniak, E. Antoszkiewicz, “Inclinometer Method of Displacement Measurements as an Alternative to Optical Measurements in Structural Health Monitoring - Laboratory Tests”, Archives of Civil Engineering, 2020, vol. 66, no. 2, pp. 147-164; DOI: 10.24425/ace.2020.131802.
• [8] S. Wierzbicki, Z. Pióro, M. Osiniak, E. Antoszkiewicz, “Inclinometer Method of Displacement Measurements as an Alternative to Optical Measurements in Structural Health Monitoring - On Site Tests”, Archives of Civil Engineering, 2020, vol. 66, no. 3, pp. 109-124; DOI: 10.24425/ace.2020.134387.
• [9] S. Guan, A.J. Rice, C. Li, Y. Li, G. Wang, “Structural Displacement Measurements Using DC Coupled Radar with Active Transponder”, Structural Control Health Monitoring, 2017, vol. 24, art. ID 1909; DOI: 10.1002/stc.1909.
• [10] C.H.H. Carpizo, D.M. Vila, “Implementation of Camcorders to Measure Displacements in Structures”, in 5th International Conference on Structural Health Monitoring of Intelligence Infrastructure (SHMII-5). Cancun, Mexico, 2011, p. 147.
• [11] Q. Li, Y. He, H. Wang, K. Zhou, B.Yan, “Monitoring and Time Dependent Analysis of Vertical Deformations of the Tallest Building in China”, Structural Control Health Monitoring, 2017, vol. 24, no. 7, art. ID e1936; DOI: 10.1002/stc.1936.
• [12] Y. Oshima, “Displacement Measuring Method, Displacement Measuring Instrument, Displacement Measuring Target and Civil Structure”, Japan. US7535554B2.
• [13] Z. Pióro, M. Osiniak, E. Antoszkiewicz, S. Wierzbicki, “Sposób pomiaru przemieszczenia pionowego elementów konstrukcji budowlanych”, Poland. PL 239382, 08.09.2021.