توسعه سیستم حسگر بی سیم  برای نظارت مستمر تغییر شکل پل

26 مه 2023 -توسط دانشگاه درکسل -حسگرهای بی‌سیم با انرژی خورشیدی که توسط مهندسان Drexel ساخته شده‌اند، می‌توانند امکان نظارت مداوم بر پل‌ها را فراهم کنند. اعتبار: دانشگاه درکسل

محققان کالج مهندسی دانشگاه درکسل یک سیستم حسگر بی‌سیم با انرژی خورشیدی توسعه داده‌اند که می‌تواند به طور مداوم تغییر شکل پل را کنترل کند و می‌تواند برای هشدار دادن به مقامات زمانی که عملکرد پل به طور قابل توجهی بدتر می‌شود، استفاده شود. با توجه به اینکه بیش از 46000 پل در سراسر کشور در وضعیت نامناسبی قرار دارند، طبق گفته انجمن مهندسین عمران آمریکا، سیستمی مانند این می‌تواند هم یک اقدام ایمنی مهم باشد و هم به تلاش‌های تعمیر و نگهداری کمک کند.

این سیستم که تغییر شکل پل را اندازه‌گیری می‌کند و به طور مداوم بر روی برق فتوولتائیک کار می‌کند، در نسخه اخیر مجله IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics در مقاله‌ای که توسط محققین کالج مهندسی Drexel، دکتر Ivan Bartoli،، مصطفی فورکان، دکتری، فی لو، دکتری، و یائو وانگ، دانشجوی دکترا در کالج. نوشته شده است، رونمایی شد.

بارتولی، که رهبری اتحاد زیرساخت هوشمند در کالج مهندسی را بر عهده دارد، گفت: «با وجود زیرساخت های قدیمی به اندازه ای که در ایالات متحده وجود دارد، ما به راهی برای نظارت دقیق بر این دارایی های حیاتی 24 ساعته نیاز داریم. “این یک نیاز فوری است، نه فقط برای جلوگیری از خرابی های فاجعه بار و اغلب غم انگیز، بلکه برای درک اینکه کدام پل ها باید برای تعمیر و نگهداری و جایگزینی اولویت داشته باشند، تا بتوانیم به طور موثر و پایدار به حفظ و بهبود زیرساخت های خود نزدیک شویم.”

بیش از 40 درصد از 617000 پل آمریکا بیش از 50 سال قدمت دارند. به گفته بارتولی که استاد گروه مهندسی عمران، معماری و محیط زیست کالج است، در حالی که آنها برای دوام ساخته شده اند، باید به طور منظم – هر دو سال یکبار – بازرسی شوند. او گفت که رویه فعلی بازرسی بصری و در موارد نادر، نظارت بر پل هایی است که “ساختارهای مشکل ساز” تلقی می شوند.

اما بر اساس «کارت گزارش زیرساخت‌های آمریکا» ASCE، تعداد پل‌هایی که نیاز به توجه دارند در حال افزایش است. سیستمی مانند Drexel’s می‌تواند به آژانس‌های فدرال و بازرسان کمک کند تا با چالش‌ها مقابله کنند و نیاز کلی به بازرسی را با ساخت پل‌های جدید کاهش دهد.

حسگر جابجایی بی‌سیم آن‌ها شامل یک سلول فتوولتائیک خورشیدی، یک دستگاه اندازه‌گیری تغییر شکل – به نام پتانسیومتر جابجایی – و یک گیرنده واسط نظارت است. هر سه بر روی پل نصب شده اند تا تغییر شکل آن را در حین عبور ترافیک در آن اندازه گیری کنند و آن اطلاعات را به یک ایستگاه نظارت از راه دور منتقل کنند.

پتانسیومتر جابجایی یک دستگاه کوچک، قوی و سبک وزن است که به تیر پل نصب می شود. جابجایی یا حرکت تیر را اندازه گیری می کند، زیرا پل به طور موقت با عبور وسایل نقلیه از کنار آن تغییر شکل می دهد. تغییرات در این الگوی تغییر شکل می تواند نشانگر اولیه مشکلات ساختاری باشد.

از آنجایی که این سیستم از یک سلول خورشیدی و یک باتری پشتیبان انرژی می گیرد، می توان چندین پتانسیومتر را بدون سیم کشی روی پل نصب کرد. این سیستم می تواند تعدادی سنسور مختلف را در خود جای دهد که حرکات پل مانند شتاب، شیب و جابجایی و غیره را نظارت می کنند. ادغام چندین نوع حسگر در سیستم می تواند تصویر کامل تری از سلامت پل ارائه دهد.

بارتولی گفت: “مزیت اصلی این سیستم حذف صدها و گاهی هزاران فوت کابل است که گران هستند، آسیب می بینند، نیاز به مراقبت در هنگام نصب دارند و هزینه کلی سیستم سنجش را افزایش می دهند.” مزیت دیگر این است که با یک پلتفرم بی‌سیم، می‌توانیم به طور همزمان انواع مختلفی از حسگرها را بخوانیم، نه تنها جابجایی‌ها، بلکه شتاب‌سنج‌ها، شیب‌سنج‌ها و کرنش سنج‌ها را نیز می‌خوانیم.

تیمی از مهندسان برق در دپارتمان مهندسی برق و کامپیوتر Drexel منبع تغذیه سیستم را طراحی کردند و آن را برای استقامت و دوام در همه آب و هواها بهینه کردند. این شامل یک سلول فتوولتائیک 21.8 در 35 سانتی‌متر، 10 وات و یک باتری لیتیوم یونی با ظرفیت 14.8 ولت برای ذخیره و توزیع انرژی است. آنها آن را در یک آزمایشگاه و در بیرون در اواسط زمستان در پنسیلوانیا آزمایش کردند تا اطمینان حاصل کنند که می تواند در سخت ترین شرایط آب و هوایی به تامین انرژی ادامه دهد.

وانگ می‌گوید: «ما می‌خواهیم اطمینان حاصل کنیم که حسگرها می‌توانند به‌طور مداوم در طول روز اندازه‌گیری کنند و داده‌ها را منتقل کنند، بنابراین از یک باتری با ظرفیت بالا استفاده کردیم تا بتواند سیستم را در طول شب یا اگر برای مدت طولانی ابری است، تغذیه کند.» ، که توسعه سیستم قدرت را رهبری کرد. انتظار می‌رود این پیکربندی برای سال‌ها برق بی‌وقفه را تامین کند و اگر هوا ابری است یا سلول خورشیدی غیرفعال شده باشد، باتری می‌تواند به‌صورت خودبه‌خود به مدت سه هفته انرژی را تامین کند.

این تیم امیدوار است که ثابت کردن یک آرایه سنسور مقرون به صرفه و با نصب آسان، بسیار مقاوم باشد.

مقاومت در برابر عناصری که سال‌ها بدون تعمیر یا نگهداری اندک هستند، نظارت مستمر بسیاری از پل‌ها را امکان‌پذیر می‌سازد، نه فقط پل‌هایی را که در شرایط بد قرار دارند. این سطح از جمع‌آوری داده‌ها به تعیین رفتار ساختاری «عادی» برای هر پل کمک می‌کند و زمانی که آن رفتار به‌طور غیرمنتظره تغییر می‌کند، هشدار می‌دهد.

بارتولی گفت: “هدف این است که حسگر به طور نامحدود و بدون نیاز به تعمیر و نگهداری دوام بیاورد.” “نظارت مداوم و قابل اعتماد تضمین می کند که این سازه ها همانطور که در نظر گرفته شده است کار می کنند. این به ما امکان می دهد تا داده هایی را در مورد اضافه بارها و تغییر شکل ساختاری ناشی از بارهای بزرگ روی پل جمع آوری کنیم. همچنین به ما امکان می دهد ببینیم که چگونه سازه در اثر عوامل محیطی مانند تغییر شکل می دهد. باد و دما تغییر می کند، بنابراین می توانیم اطمینان حاصل کنیم که همه این تغییر شکل ها در محدوده مورد انتظار هستند.

در حالی که سیستم در حال حاضر آماده استقرار است، تیم قصد دارد به آزمایش و اصلاح آن در آزمایشگاه با افزودن انواع دیگری از سنسورها و فشار برای تعیین طول عمر کامل منبع تغذیه ادامه دهد.