LINEAR DISPLACEMENT SENSOR FOR MONITORING ENGINEERING STRUCTURES OF BUILDINGS AND STRUCTURES
Abstract and keywords
Abstract (English):
The article provides an analysis of techniques and devices used in monitoring and evaluating the parameters of the stress-strain state of load-bearing structures of buildings and structures. The prototype and the principle of operation of converters for measuring linear displacements under dynamic loads are described. The description of a new innovative linear sensor developed on the basis of an "electro-chemical converter" is given. At the end of the article, the tasks and directions of further research are given.

Keywords:
Structural Health Monitoring, magnetic sensor, linear sensor, cracks, bridges
Text

Важным вопросом технического состояния строительных конструкций являются дефекты, возникающие в результате агрессивных техногенных и природных воздействий, эксплуатационных нагрузок и климатических явлений [1-8]. Эти негативные факторы приводят к изменению эксплуатационных характеристик конструкций и снижению их эксплуатационных свойств, в том числе несущей способности, а также снижению их остаточного ресурса [9]. В связи с этим точная и своевременная оценка различных дестабилизирующих факторов, безусловно, может способствовать безопасности и снижению экономических рисков. Для этих целей в инженерной практике используются системы мониторинга инженерных конструкций (СМИК) [10-14]. Однако такие системы далеко не всегда используются при строительстве и эксплуатации объектов гражданской инфраструктуры.

В работе [15] обратили внимание, что основным ограничением практики мониторинга мостов является отсутствие подробной информации о поврежденных участках. Существующие методы обследования, по-видимому, не совсем адекватны для точного отражения истинного состояния конструктивных элементов моста [16], а информация о состоянии, полученная в результате проверок, часто не имеет прямого отношения к общему состоянию всей конструкции [17]. Авторы работы [18] сообщают, что исследований по мониторингу и раннему предупреждению рисков при реконструкции существующих мостов мало, а точных методов оценки и прогнозирования состояния строительства все еще нет. Эта ситуация, вероятно, связана с необходимостью сбора относительно большого количества данных при мониторинге конструкций, чтобы правильно судить о техническом состоянии и повреждениях моста.

Несвоевременная работа по выявлению и устранению дефектов гидротехнических сооружений может привести к выходу из строя как конструктивного элемента, так и самого сооружения. Гидротехнические сооружения требуют особого внимания и соответствующего управления, что не всегда возможно при использовании устаревших стратегий мониторинга. [19]

Исходя из вышеизложенного, большинство методов обследования и оценки технического состояния объектов гражданской инфраструктуры до сих пор используют относительно простую инструментальную базу с ограниченными функциональными возможностями [20]. Обладая высокой достоверностью, эти методы контроля могут выполняться только в период планового осмотра, ремонта или реконструкции. Кроме того, процесс мониторинга может быть очень трудоемким и, следовательно, неэффективным при выполнении задач на технически сложных объектах.

Среди ряда аспектов мониторинга состояния конструкций в рамках данной работы авторы акцентируют внимание на измерении линейных перемещений потенциально отрицательного характера: выявление трещин и деформационных швов, изменение геометрического положения конструкций в стыках. Одним из решений существующих проблем могут стать современные разработки в области электромагнетизма. Большое количество исследований посвящено новым усовершенствованным датчикам положения [21], перемещений [22] и контроля трещин [23] на основе магнитных эффектов. Однако использование магнитных датчиков часто связывают со сферой машиностроения и автомобилестроения.

В качестве метода измерения линейных перемещений был выбран магнитный, как наиболее предпочтительный, поскольку он превосходит электрические (LVTD-датчики, потенциометры) и оптические (оптические энкодеры) по всем ключевым показателям: простота, стоимость, надежность. Как и LVDT, магнитные датчики обеспечивают бесконтактное измерение, которое решает проблему трения и требования к износу. Кроме того, высокая линейность и стойкость к вибрациям, создаваемым другими рабочими органами, делают магнитные датчики более предпочтительными [24].

Функциональная схема прототипа линейного датчика (см. рис. 1) предполагает наличие двух отдельных конструктивных элементов: измерительной части с датчиком Холла и электронной платы управления в герметичном корпусе. Измерительная часть формирует выходной сигнал при возникновении в системе входного воздействия и передает его на аналоговый вход электронной платы управления. Далее производится операционная обработка аналогового сигнала, содержащего информацию о линейном перемещении, результатом которой является передача данных по беспроводному каналу связи.
 
Рис. 1. Функциональная схема прототипа линейного датчика

Следует отметить, что в описываемой измерительной системе предусмотрена техническая возможность использования сразу двух аналоговых датчиков (датчика Холла или другого), что позволяет увеличить количество регистрируемых параметров, а также общую эффективность и надежность работы.
Измерительная часть состоит из двух линейно перемещающихся друг относительно друга рельсов с пазами, на одном из которых установлен датчик Холла, а на другом с воздушным зазором менее 1 мм расположен магнит прямо под датчиком. Соединение выполнено шарнирным, что позволяет рельсам менять свое пространственное положение сразу в двух плоскостях, параллельных поверхности объекта.

Вторым конструктивным элементом датчика является корпус, устанавливаемый в непосредственной близости с необходимым набором разъемов и гермовводов, в котором размещена электронная палат управления, соединенная с датчиком Холла проводным интерфейсом.

Электронная плата управления прототипа линейного датчика представляет собой диэлектрическую печатную плату, включающую в себя ряд электронных компонентов и измерительный блок, соединенные электронной измерительной схемой. Основная функция платы заключается в приеме, обработке и передаче сигнала, формируемого преобразователем (датчиком Холла), с информацией о линейном перемещении исследуемого объекта. Основные электронные компоненты платы:

  • ПОУ (программируемый операционный усилитель) со встроенным аналого-цифровым преобразователем сигналов;
  • микроконтроллер;
  • блок питания: аккумулятор;
  • GSM-модуль
  • датчик температуры и влажности;
  • набор резисторов, конденсаторов, диодов.

Результаты проектирования измерительной части прототипа линейного датчика для его дальнейшего изготовления методом FDM-печати (3D-печать полимером PETG) представлены на рис. 2 и 3.

 
Рис. 2. Модель МП датчика (нулевое положение)

  
Рис. 3. Модель МП датчика (крайние положения)

Дальнейшее развитие работы может быть связано с многоосевым измерением перемещений, что возможно благодаря наличию магнитных датчиков, способных решить такую задачу. В данном случае речь идет о реализации конструкции измерительной части датчика с несколькими степенями свободы и разработке развитой математической логики аппаратуры определения пространственного положения.

Также стоит отметить, что обработка, сокращение и хранение данных являются принципиальными проблемами СМИК, в частности наличием большого количества датчиков, установленных на контролируемой конструкции. Доступность процедур, способных уменьшить объем передаваемых данных, является ключевым аспектом надежности и устойчивости систем. Предложенное решение, в котором датчик выполняет еще и функции регистратора данных, объединяет сразу две подсистемы СМИК –  собирающую и передающую данные. Это может снизить необходимую мощность системы для анализа данных, затраты на развертывание и повысить надежность и оптимизацию ресурсов, что имеет решающее значение для современных систем мониторинга [25], а также продолжает ранее выполненные работы [26-29].
 

References

1. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Defects and damages of ground bases of industrial buildings // Construction and architecture (2019). Volume 7. Issue 3 (24) 2019. - pp.45-49. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2019-7-3-45-49

2. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Defects and damages of columnar foundations of buildings // Construction and architecture (2019). Volume 7. Issue 4 (25) 2019. - pp.36-40. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2019-7-4-36-40

3. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Defects and damages of reinforced concrete concrete industrial buildings // Construction and architecture (2020). Volume 8. Issue 2 (27) 2020. - pp.5-10. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-2-5-10

4. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Defects and damages of metal columns of industrial buildings // Construction and architecture (2021). Volume 9. Issue 2 (31) 2021. - pp.11-15. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-2-11-15

5. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Damage to reinforced concrete panels of industrial and water buildings // Construction and architecture (2021). Volume 9. Issue 2 (31) 2021. - pp. 66-70. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-2-66-70

6. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Defects and damages of metal tints-new beams of industrial buildings // Construction and architecture (2021). Volume 9. Issue 3 (32) 2021. - pp. 11-15. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2021-9-3-11-15

7. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Damage to the Vertical Braces of Industrial Buildings // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 1079 (2021) 052086 doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/1079/5/052086

8. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I. Typical defects and damage to the industrial buildings’ facades // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 775 (2020) 012135, doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/775/1/012135.

9. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I., Krakhmalnaya M.P. On the issue of the residual resource of long-term bridges over drainage channels // Bulletin of the Volgograd State University of Architecture and Civil Engineering. Russia: Construction and Architecture. 2014. Issue 35 (54). pp. 166-170.

10. Krakhmalny T.A., Evtushenko S.I., Krakhmalnaya M.P. New system of monitoring of a condition of cracks small reinforced concrete bridge con-structures // In the collection: Procedia Engineering. 2016. pp. 2369-2374.

11. Information technologies in the study of industrial buildings / Evtushenko S.I., Krakhmalny T.A., Krakhmalnaya M.P., Chutchenko I.A. // Construction and architecture. 2017. Volume 5. Issue 1 (14). pp. 65-71. doi:https://doi.org/10.12737/article_592eb1694d6262.73142749

12. Evtushenko S.I., Krakhmalny T.A., Krakhmalnaya M.P. System for monitoring the condition of cracks and joints of buildings and structures // Patent for invention RU 2448225 C1, 04/20/2012. Application no. 2010140257/03 dated 01.10.2010

13. Improvement of research methods for facades of industrial buildings / Evtushenko S.I., Krakhmalnaya M.P., Shapka V.E., Babets N.N. // Construction and architecture. 2017. Volume 5. Issue 2 (15). pp. 140-144. doi:https://doi.org/10.12737/article_5950d228c2ae96.86803061

14. Evtushenko S.I. New systems for monitoring and control of defects and damages of building structures / Evtushenko S.I., Krakhmalny T.A., Firsov V.V., Lepikhova V.A., Kuchumov M.A. // Construction and architecture (2020). Volume 8. Issue 1 (26) 2020. - pp. 11-18. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2020-8-1-11-18

15. McGuire B.M., Atadero R., Clevenger C., Ozbek M. Using Building Information Modeling to Track and Assess the Structural Condition of Bridges / Mountain-Plains Consortium, 2016 - p. 12

16. Zhou, G.-D.; Yi, T.-H. Recent developments on wireless sensor networks technology for bridge health monitoring. Math. Probl. Eng. 2013, p. 2

17. Rafiq M.I. Structural health monitoring for maintenance management of deteriorating structures: Current practice and state of the art / In Proceedings of the 2nd International and 6th National Conference on Earthquake & Structures, Kerman, Iran, 14-15 October 2015 - pp. 1-19

18. Meizhen Fu, Yuxiong Liang, Qingsong Feng. Research on the Application of Multi-Source Data Analysis for Bridge Safety Monitoring in the Reconstruction and Demolition Process / Buildings 2022, 12, 1195. doi:https://doi.org/10.3390/buildings12081195 - p. 2-3

19. Nowak B., Ptak M., Sojka M. Monitoring of the Technical Condition and Optimisation of the Functioning of Small Hydraulic Structures in Poland: The Case Study of the O´swiecim Weir / Buildings 2022, 12(10), 1527; doi:https://doi.org/10.3390/buildings12101527

20. Rodriguez G., Casas J.R., Villaba S. Cracking assessment in concrete structures by distributed optical fiber / 2015 Smart Mater. Struct. 24 035005

21. Vega R.C., Cubas G., Sandoval-Chileño M.A., Castañeda Briones L.A. / Position Measurements Using Magnetic Sensors for a Shape Memory Alloy Linear Actuator / Sensors 2022, 22(19), 7460; doi:https://doi.org/10.3390/s22197460

22. Zhang J., Shi Y., Huang Y. A Displacement Sensing Method Based on Permanent Magnet and Magnetic Flux Measurement / Sensors 2022, 22(12), 4326; doi:https://doi.org/10.3390/s22124326

23. Gkantou, M., Muradov, M., Kamaris, G.S., Hashim H., Atherton, W., Kot P. Novel electromagnetic sensors embedded in reinforced concrete beams for crack detection / Sensors (Switzerland) 19(23), 5175.

24. Papoutsidakis M., Drosos C., Chatzopoulos A. Position Sensors - A Brief Guide of Use of the Most Common Types / International Journal of Computer Applications - March 2018 - p. 11.

25. Nong S.-X., Yang D.-H., Yi T.-H. Pareto-Based Bi-Objective Optimization Method of Sensor Placement in Structural Health Monitoring / Buildings 2021, 11(11), 549; doi:https://doi.org/10.3390/buildings11110549

26. Evtushenko S.I., Kuchumov M.A. New Soil Stress Measurement Sensor Based on the Effect of Elastic Charging of Electrodes // Buildings 2022, 12(3), 327; doi:https://doi.org/10.3390/buildings12030327

27. Evtushenko S.I., Lepikhova V.A., Kuchumov M.A., Scibin E.G., Krachmalniy T.A. Automated monitoring systems for defects and damages of building structures and materials // (2021) IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 1083 012079. doi:https://doi.org/10.1088/1757-899X/1083/1/012079

28. Evtushenko S.I., Adamcevich L.A., Kuchumov M.A., Zheleznov E.M. Determination of dynamic stresses in railway infrastructure construction facilities // Construction and architecture (2022) Volume 10, Issue 1 (34). - pp. 16-20. doi:https://doi.org/10.29039/2308-0191-2022-10-1-16-20

29. Evtushenko S.I., Adamcevich L.A., Kuchumov M.A., Zheleznov E.M. Automated system for monitoring dynamic parameters of the stress-strain state // Information resources of Russia. - 2022. - Issue 2 (186). - pp. 27-35. doi:https://doi.org/10.52815/0204-3653_2022_02186_27


Login or Create
* Forgot password?