Беспроводные датчики открывают новые возможности мониторинга мостов

Исследователи из Инженерного колледжа Университета Дрекселя разработали беспроводную сенсорную систему на солнечной энергии, которая может постоянно отслеживать деформацию моста и может использоваться для оповещения властей, когда характеристики моста значительно ухудшаются. По данным Американского общества инженеров-строителей, поскольку более 46 000 мостов по всей стране находятся в плохом состоянии, подобная система может быть как важной мерой безопасности, так и помогать в сортировке работ по ремонту и техническому обслуживанию.

Система, которая измеряет деформацию моста и постоянно работает на фотоэлектрической энергии, была представлена ​​в недавнем выпуске журнала IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Industrial Electronics в статье, автором которой являются исследователи Дрексельского инженерного колледжа, Иван Бартоли, доктор философии, Мустафа Фуркан. , PhD, Фэй Лу, доктор философии, и Яо Ван, докторант колледжа.

«При такой стареющей инфраструктуре, как в США, нам нужен способ внимательно следить за этими критически важными активами 24 часа в сутки, 7 дней в неделю», — сказал Бартоли, который возглавляет Альянс интеллектуальной инфраструктуры в Инженерном колледже. «Это насущная необходимость не только предотвратить катастрофические и зачастую трагические аварии, но и понять, какие мосты должны быть приоритетными для обслуживания и замены, чтобы мы могли эффективно и устойчиво подходить к сохранению и улучшению нашей инфраструктуры».

Более 40% из 617 000 мостов Америки старше 50 лет. Хотя они рассчитаны на длительный срок службы, их также необходимо регулярно проверять – каждые два года, по словам Бартоли, профессора кафедры гражданского, архитектурного и экологического проектирования колледжа. По его словам, нынешняя практика заключается в визуальном осмотре и, в редких случаях, мониторинге только тех мостов, которые считаются "проблемными конструкциями".

Но число мостов, требующих внимания, растет, согласно «Табель успеваемости по инфраструктуре Америки» ASCE. Система, подобная системе Дрекселя, могла бы помочь федеральным агентствам и инспекторам справиться с этой проблемой и снизить общую потребность в проверках при строительстве новых мостов.

Их беспроводной датчик смещения состоит из солнечного фотоэлектрического элемента, устройства измерения деформации, называемого потенциометром смещения, и приемопередатчика интерфейса мониторинга. Все три установлены на мосту для непрерывного измерения его деформации при движении по нему транспорта и передачи этой информации на удаленную станцию ​​мониторинга.

Потенциометр смещения — это небольшое, прочное и легкое устройство, которое крепится к балке моста. Он измеряет смещение или перемещение балки, поскольку мост временно деформируется, когда по нему проезжают транспортные средства. Изменения в этом характере деформации могут быть ранним индикатором структурных проблем.

Поскольку система получает энергию от солнечной батареи и резервной батареи, на мосту можно установить несколько потенциометров без проводов. Система может включать в себя ряд различных датчиков, которые отслеживают движения моста, такие как, среди прочего, ускорение, наклон и смещение. Интеграция нескольких типов датчиков в систему может дать более полную картину состояния моста.

«Основное преимущество этой системы заключается в удалении сотен, а иногда и тысяч футов кабелей, которые являются дорогостоящими, могут быть повреждены, требуют осторожности во время установки и увеличивают общую стоимость сенсорной системы», — сказал Бартоли. «Другое преимущество заключается в том, что с помощью одной беспроводной платформы мы можем одновременно считывать данные с множества различных типов датчиков, не только датчиков смещения, но также акселерометров, наклономеров и тензодатчиков».

Команда инженеров-электриков из отдела электротехники и вычислительной техники компании Drexel спроектировала источник питания для системы и оптимизировала его для обеспечения надежности и долговечности в любых климатических условиях. Он включает в себя 10-ваттный фотоэлектрический элемент размером 21,8 на 35 см и литий-ионную батарею большой емкости на 14,8 В для хранения и распределения собираемой энергии. Они протестировали его в лаборатории и на улице в середине зимы в Пенсильвании, чтобы убедиться, что он сможет продолжать обеспечивать электроэнергию в самых сложных погодных условиях.