Monitorizarea podurilor, viaductelor, clădirilor și a altor structuri critice intră într-o nouă etapă.

Accelerometrele MEMS, datorită dimensiunilor reduse, consumului mic de energie și costurilor tot mai accesibile, permit dezvoltarea unor rețele de monitorizare dense și distribuite. Însă, pentru aplicațiile avansate de Structural Health Monitoring (SHM) și Operational Modal Analysis (OMA), există o caracteristică ce nu trebuie trecută cu vederea: zgomotul propriu al senzorului.

Tehnologia MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) a evoluat rapid în ultimii ani și a devenit o soluție atractivă pentru monitorizarea dinamică a infrastructurii.

Dimensiunile compacte, consumul redus de energie și posibilitatea de a utiliza un număr mare de senzori la costuri mai mici deschid perspectiva unor sisteme de monitorizare distribuite, capabile să urmărească în timp real comportarea unor structuri precum poduri, viaducte, clădiri, baraje sau alte obiective de infrastructură critică.

Dar există o distincție importantă care este uneori subestimată: faptul că un senzor este MEMS nu înseamnă automat că acesta este potrivit pentru Operational Modal Analysis (OMA) sau Structural Health Monitoring (SHM).

Nu este suficient să măsurăm vibrații puternice

În aplicațiile clasice de măsurare a mișcărilor seismice sau a vibrațiilor puternice, este important ca accelerometrul să aibă un domeniu de măsurare adecvat, o frecvență de eșantionare suficientă și o rezoluție corespunzătoare.

Pentru OMA și pentru monitorizarea structurală pe termen lung, problema este însă diferită.

Obiectivul nu este doar înregistrarea unor vibrații puternice. În multe situații, structura trebuie caracterizată în condiții normale de exploatare, atunci când excitația este produsă de factori ambientali precum vântul, traficul, activitatea umană sau microseismele.

Amplitudinea acestor vibrații poate fi foarte mică.

Tocmai din aceste semnale de nivel redus trebuie extrase informații despre comportarea dinamică a structurii: frecvențele proprii, formele modale și modificările acestora în timp.

Prin urmare, atunci când semnalul structural devine foarte mic, o întrebare fundamentală este:

Cât de mult din ceea ce măsoară senzorul provine de la structură și cât provine de la senzorul însuși?

Self-noise-ul poate face diferența

Aici intervine una dintre cele mai importante caracteristici ale unui accelerometru destinat OMA și SHM: zgomotul propriu (self-noise).

Un accelerometru poate avea un domeniu de măsurare adecvat, o rată mare de eșantionare și o rezoluție nominală ridicată și, totuși, să nu fie capabil să distingă vibrații structurale foarte slabe.

Motivul este simplu: numărul de biți al convertorului sau rezoluția declarată în fișa tehnică nu spun, de unul singur, cât de mică este accelerația pe care senzorul o poate măsura în mod util.

Pentru aplicațiile de monitorizare dinamică, trebuie analizată în special densitatea spectrală de zgomot (Noise Spectral Density – NSD) și modul în care aceasta se raportează la banda de frecvență relevantă pentru structura analizată.

Cu alte cuvinte, performanța efectivă a accelerometrului nu este definită doar de: domeniul full-scale, numărul de biți, rata de eșantionare, rezoluția nominală, ci și de nivelul de zgomot în banda de frecvență în care trebuie identificate vibrațiile structurale.

De ce contează acest lucru pentru OMA?

Operational Modal Analysis urmărește identificarea proprietăților dinamice ale unei structuri pornind, în principal, de la răspunsul acesteia la excitații ambientale, fără a fi necesară o excitație artificială controlată.

Pentru ca metodele de identificare modală să funcționeze corespunzător, semnalul înregistrat trebuie să conțină informații suficiente despre dinamica structurii.

Dacă nivelul de zgomot al senzorului este comparabil cu sau mai mare decât vibrația structurală urmărită, raportul semnal-zgomot devine insuficient. În această situație, creșterea numărului de biți sau utilizarea unei frecvențe de eșantionare mai mari nu rezolvă problema fundamentală.

Un senzor poate înregistra foarte multe date fără ca acele date să conțină informația structurală dorită.

Aceasta este una dintre diferențele esențiale dintre „a înregistra” și „a măsura”.

Senzorul este doar o componentă a sistemului

În același timp, performanța senzorului nu trebuie privită izolat.

Un sistem SHM eficient presupune o strategie de monitorizare bine definită, care începe înaintea instalării propriu-zise a senzorilor.

Printre elementele esențiale se numără:

• Caracterizarea dinamică preliminară a structurii – pentru identificarea domeniilor de frecvență și a modurilor de interes.
• Definirea obiectivelor monitorizării – de la urmărirea comportării structurale până la detectarea unor modificări pe termen lung.
• Numărul și distribuția spațială a senzorilor – amplasarea acestora trebuie să permită observarea modurilor structurale relevante.
• Sincronizarea temporală precisă – esențială atunci când semnalele provenite de la mai mulți senzori sunt corelate pentru identificarea modală.
• Procesarea adecvată a semnalelor – inclusiv filtrarea, analiza spectrală și metodele de identificare modală.
• Stabilitatea sistemului pe termen lung – deoarece SHM presupune, în multe cazuri, monitorizare continuă sau repetată pe perioade de ordinul anilor.

Așadar, un accelerometru performant este o condiție importantă, dar nu suficientă. Calitatea rezultatului final depinde de întregul lanț de măsurare și analiză.

De la MEMS pentru mișcări puternice la MEMS pentru vibrații ambientale

Experiența de teren și investigațiile experimentale desfășurate în cadrul activităților noastre au urmărit tocmai această problemă.

Au fost analizate și comparate mai multe tipuri de accelerometre, inclusiv accelerometre MEMS convenționale, accelerometre IEPE și accelerometre de tip force-balance.

Rezultatele investigațiilor indică faptul că o nouă generație de accelerometre bazate pe tehnologia Quartz MEMS (QMEMS) poate atinge niveluri suficient de reduse ale zgomotului propriu pentru a extinde semnificativ domeniul de utilizare al tehnologiei MEMS.

În cadrul studiului nostru, aceste accelerometre QMEMS au fost integrate într-un Smart Sensor Box dezvoltat special pentru această aplicație.

Conceptul urmărește o combinație importantă: păstrarea avantajelor unei arhitecturi compacte și distribuite, specifice tehnologiei MEMS, în timp ce performanța de zgomot permite măsurarea unor vibrații structurale mult mai slabe.

Această evoluție este relevantă deoarece aceeași arhitectură de monitorizare poate avea potențialul de a acoperi o plajă mult mai largă de evenimente: de la vibrații ambientale de amplitudine redusă, utilizate pentru caracterizarea dinamică și monitorizarea structurală, până la mișcări seismice puternice, precum cele produse de un cutremur.

Colaborarea dintre cercetare și industrie

Rezultatele prezentate provin din mai mulți ani de activități experimentale și dintr-o colaborare științifică și tehnică susținută cu Seiko Epson Corporation.

Un aspect important al acestei colaborări este implicarea directă a specialiștilor companiei în activitatea științifică, aceștia contribuind inclusiv în calitate de coautori la manuscrisul care prezintă rezultatele cercetării.

O astfel de colaborare este relevantă pentru dezvoltarea tehnologiilor de monitorizare deoarece pune în contact două perspective complementare: experiența experimentală și cerințele aplicațiilor de monitorizare structurală, pe de o parte, și expertiza industrială în dezvoltarea tehnologiei senzorilor, pe de altă parte.

Ce înseamnă acest lucru pentru infrastructura viitorului?

Pe măsură ce costurile și dimensiunile senzorilor permit instalarea unor rețele tot mai dense, conceptul de monitorizare structurală se poate schimba fundamental.

În locul unui număr redus de senzori foarte performanți, instalați în câteva puncte ale structurii, devine posibilă dezvoltarea unor rețele distribuite, cu un număr mult mai mare de puncte de măsurare.

Avantajul nu este doar cantitatea mai mare de date.

O distribuție spațială mai densă poate permite o observare mai bună a comportării structurii și, în combinație cu metode adecvate de identificare modală și procesare a datelor, poate contribui la detectarea unor modificări subtile ale proprietăților dinamice.

Dar această strategie funcționează numai dacă fiecare punct de măsurare furnizează informație utilă.

Iar aici revine problema fundamentală a zgomotului propriu.

Concluzie: când vibrațiile devin mici, zgomotul devine decisiv

Tehnologia MEMS are potențialul de a transforma modul în care sunt monitorizate podurile, viaductele, clădirile, barajele și alte structuri critice.

Dar evaluarea unui accelerometru pentru OMA și SHM nu ar trebui să se oprească la domeniul de măsurare, rezoluția nominală sau rata de eșantionare.

Atunci când vibrațiile structurale sunt puternice, aproape orice senzor adecvat ca domeniu de măsurare poate furniza un semnal clar.

Când vibrațiile devin mici, însă, self-noise-ul poate face diferența dintre un senzor care doar înregistrează date și un senzor care măsoară efectiv structura.

De aceea, pentru următoarea generație de sisteme distribuite de monitorizare structurală, performanța MEMS trebuie evaluată în raport cu aplicația reală și, în mod special, cu nivelul de zgomot în banda de frecvență de interes.

Investigațiile noastre asupra accelerometrelor QMEMS și integrarea acestora într-un Smart Sensor Box indică o direcție promițătoare: MEMS-ul poate depăși paradigma măsurării exclusiv a mișcărilor puternice și poate deveni o soluție relevantă și pentru monitorizarea de înaltă calitate a vibrațiilor ambientale și a structurilor.

Iar pe măsură ce infrastructura va fi monitorizată prin rețele tot mai dense și distribuite, această diferență va deveni din ce în ce mai importantă.

Citeste studiul complet aici: https://www.apmgs.ro/files/documente/sensors-26-05528-1.pdf