Inclinometer method of displacement measurements as an alternative to optical measurements in structural health monitoring - laboratory tests

The paper presents a method of structural monitoring with the use of angular displacement measurements performed with inclinometer devices. Inclinometer method is a solution free from the basic disadvantages of optical methods used commonly in structural monitoring, such as sensitivity to any type of visibility restrictions, pollution or influence of weather conditions. At the same time, with appropriate sensor parameters, a much better measurement accuracy is obtained than for typical optical methods and very low energy demand and moderate costs are achieved. Taking into account the above-mentioned issues, in the first stage an appropriate MEMS-type inclinometer sensor was selected, its laboratory tests were carried out and a method of the offset temperature drift correction, individual for each sensor, was developed.

W artykule przedstawiono metodę pomiaru przemieszczeń kątowych, realizowanych przy pomocy inklinometrów, jako alternatywę do stosowanych w monitoringu konstrukcji optycznych metod pomiarowych. Po krótkim wprowadzeniu dotyczącym ogólnie zagadnień monitoringu konstrukcji, przeprowadzono analizę metod pomiarowych stosowanych w systemach monitoringu, ze szczególnym uwzględnieniem pomiarów przemieszczeń oraz zalet i wad tych metod. Z analiz tych wynika, że rozwiązaniem wolnym od głównych wad typowych metod optycznych są pomiary inklinometryczne. Są one niewrażliwe na wszelkiego typu ograniczenia widoczności, zanieczyszczenia czy oddziaływania atmosferycznie, a bazą dla pomiarów jest wektor grawitacji, dostępny zawsze i wszędzie. Przeprowadzono analizę dostępnych rozwiązań czujników inklinometrycznych, mającą na celu wytypowanie sensora pozwalającego na uzyskanie odpowiedniej dokładności pomiarów przy umiarkowanych kosztach urządzenia i małym zapotrzebowaniu na energię, co jest szczególnie ważne w przypadku planowanego zastosowania czujnika w systemach bezprzewodowych i wpisuje się w powszechną tendencję do oszczędzania energii. Mając na względzie powyższe kwestie dobrano odpowiedni sensor inklinometryczny typu MEMS i przeprowadzono testy laboratoryjne jego właściwości metrologicznych przyjmując, że musi on zapewniać dokładność porównywalną do typowych czujników laserowych - przyjęto, że błąd pomiaru nie może być większy niż 5%. W tego typu czujnikach błędy pomiaru wynikają w głównej mierze z temperaturowego dryftu czułości i dryftu offsetu. Analizy i testy wykazały, że przy zastosowaniu tylko zewnętrznej kompensacji programowej czujnika, można uzyskać temperaturowy dryft czułości sensora na poziomie 50ppm/°C, co oznacza że błąd pomiaru będzie nie większy niż ±0.00025°/°C nawet przy nachyleniu początkowym inklinometru rzędu 5°. Zakładając, że połowa z założonego maksymalnego błędu, równego 5%, będzie "przeznaczona" na dryft czułości, czujnik może być stosowany nawet w zakresie temperatur ±40°C, a więc całkowicie wystarczającym z punktu widzenia systemu monitoringu. Inaczej przedstawia się sytuacja w przypadku błędu wynikającego z temperaturowego dryftu offsetu - standardowa wartość dryftu offsetu wynosi ±0.002°/°C, a więc jest prawie dziesięciokrotnie większa od wymaganej (±0.00025°/°C). Jest tu więc konieczna indywidualna kompensacja programowa dla każdego sensora. W celu opracowania metody tej kompensacji, każdy sensor był badany w odpowiednio przygotowanej i przetestowanej przy pomocy inklinometru wzorcowego, komorze termicznej. W celu wyeliminowania wpływu dryftu czułości sensora na wyniki, badania prowadzono przy kątach nachylenia inklinometru bliskich zeru. Zmierzone zależności kąta nachylenia od temperatury były aproksymowane indywidualnie dla każdego czujnika, wielomianami 4-go stopnia, które następnie były wykorzystywane do kompensacji wskazań inklinometrów. Po takiej korekcji uzyskiwano stabilność zera na poziomie lepszym niż 0.0005° w pełnym zakresie temperatury, co spełnia z nadmiarem zakładane wymagania i potrzeby zastosowania inklinometrów w systemach monitoringu konstrukcji. Następny etap badań to testowanie skalibrowanych czujników w badaniach "In-situ", w monitoringu konstrukcji funkcjonującego obiektu - zostaną one przedstawione w innym artykule.