Czujniki swiatlowodowe

Czujniki światłowodowe określają dokładny moment, w którym materiał zaczyna pękać

Zgrzewane czujniki światłowodowe mierzą naprężenie konstrukcji żelbetowej
Grupa naukowców z Wyższej Szkoły Technicznej Budownictwa Politechniki w Madrycie pod kierunkiem Juliána García Díaz, Nieves Navarro Cano i Edelmiro RúÁlvarez przeprowadziła testy mające na celu wykrycie pęknięć w betonie i zmierzenie odkształcenia stali po zastosowaniu różnych stopni obciążenia. W ten sposób określili dokładny moment, w którym belka zaczęła pękać.
Problem
Grupa naukowców z Politechniki w Madrycie stanęła przed wyzwaniem pomiaru naprężeń konstrukcji od wewnątrz, nie tylko betonu, ale także stali. Aby to osiągnąć, potrzebowali najnowocześniejszych zgrzewanych czujników światłowodowych i technologii rejestracji danych.
Rozwiązanie
Zespół uniwersytecki użył rozwiązania pomiarowego składającego się ze światłowodów i czujników temperatury, przetworników przemieszczenia, systemu akwizycji danych (DAQ) QuantumX MX1615, interrogatorów FS22 i oprogramowania Catman Easy HBM (obecnie HBK). To rozwiązanie okazało się dokładne, łatwe do podłączenia i idealne do pracy w terenie.
Wynik
Testy przeprowadzone przy użyciu produktów HBK wykazały przydatność czujników światłowodowych do tego projektu, dając bardziej realistyczny obraz zachowania konstrukcji betonowej niż uzyskany przy użyciu tradycyjnych wzorów na wytrzymałość materiału.
Czujniki światłowodowe jako doskonały wybór do pomiaru naprężeń wewnątrz konstrukcji żelbetowej.
Zespół badawczy wykorzystał spawalne czujniki światłowodowe oparte na siatkach Bragg’a FBG (Fibre Bragg Grating) zamiast bardziej tradycyjnych metod, takich jak termografia w podczerwieni, emisja akustyczna, cyfrowa korelacja obrazu (DIC), czujniki ultradźwiękowe, plastikowe włókna optyczne lub czujniki nanorurek węglowych.
"Ponieważ czujniki można przyspawać do pręta zbrojeniowego, możliwe było zmierzenie naprężeń konstrukcji od wewnątrz, nie tylko betonu, ale także samej stali" - powiedział Julián García Díaz, doktorant w dziedzinie innowacji technologicznych w budownictwie.
Wybrano czujniki światłowodowe ze względu na ich właściwości, a w szczególności żywotność w porównaniu z konwencjonalnymi tensometrami oporowymi, długotrwałą stabilność sygnału w niesprzyjających warunkach, możliwość umieszczenia kilku czujników na tym samym światłowodzie (multipleksowanie) oraz odporność na zakłócenia (EMI / RFI). Ponadto długość kabla nie wpływa na proces pomiaru. Wszystko to przekłada się na korzyści redukcji kosztów oraz poprawę wydajności i dokładności.












Zdj.1 Zabetonowanie belki betonem samozagęszczalnym - czujnik pokazano z jego
zabezpieczeniem.

Dzięki dodaniu czujników światłowodowych García Díaz i jego zespół skorzystali z wielu funkcji systemu akwizycji danych QuantumX MX1615, interrogatora FS22 i oprogramowania Catman Easy, przeprowadzając testy na dwóch żelbetonowych belkach (200 mm × 300 mm i 300 mm × 500 mm i długości 3000 mm).


Zdj.2 Czujnik przyspawany do płytki













Zdj.3 Czujnik przespawany do pręta zbrojeniowego wraz z powłoką ochronną















Zdj. 4 Wzmacniacz MX1615 do którego podłączone są czujnik nacisku I przetwornik przemieszczenia










Konfiguracja systemu pomiarowego
System pomiarowy składał się z łańcuchów światłowodowych zawierających dwa czujniki tensometryczne i czujnik temperatury (w celu kompensacji czułości czujników światłowodowych), przetworników wagi podłączonych do 16-kanałowego systemu akwizycji danych QuantumX MX1615B oraz potencjometrycznego przetwornika przemieszczenia o zakresie 20 mm i dokładności 0,1%, kompatybilnego ze wzmacniaczem MX1615B. System akwizycji danych podłączono do komputera z zainstalowanym oprogramowaniem Catman Easy. Do tego komputera podłączono również interrogator FS22.
"Odkąd zacząłem badania do mojej pracy doktorskiej, polegałem na produktach HBM (teraz HBK) z dwóch powodów: możliwości stosowania czujników zgrzewanych oraz zaangażowaniu i profesjonalizmu ich zespołu. Podczas tych badań dostarczyli system, który jest dokładny, łatwy do podłączenia i ma idealne rozmiary do pracy w terenie. A gdyby tego było mało, wyniki są natychmiast odbierane przez komputer za pośrednictwem oprogramowania Catman Easy".

Pomiary z użyciem czujników światłowodowych dostarczają ważnych informacji: wykryto mikropęknięcia
Zdj.5 Pojawienie się pierwszego pęknięcia










W rezultacie niektóre mikropęknięcia, które były niewidoczne gołym okiem, można teraz wykryć za pomocą światłowodów, a co za tym idzie, powinno być możliwe przeanalizowanie zachowania betonu i określenie odkształcenia stali.
Testy wykazały, że np. odkształcenie stali jest większe niż to ustalone w obliczeniach teoretycznych i występuje na długo przed tym, jak wskazano we wcześniejszych badaniach laboratoryjnych.
García Díaz dodał:
"Wyniki spełniły moje oczekiwania, ponieważ podczas testów byliśmy w stanie osiągnąć znacznie bardziej realistyczne zachowanie konstrukcji niż to uzyskane przy użyciu tradycyjnych wzorów na wytrzymałość materiału".
Z tych wszystkich powodów grupa badawcza politechniki planuje dalsze wykorzystywanie produktów HBK w swoich przyszłych projektach pomiaru deformacji konstrukcji.