ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

1. ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ
ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ
ΤΟΜΕΑΣ:
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ
Διπλωματική Εργασία
του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και
Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του
Πανεπιστημίου Πατρών
ΙΩΑΝΝΗΣ ΑΓΓΕΛΟΠΟΥΛΟΣ ΤΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΥ
Αριθμός Μητρώου: 6199
Θέμα
«ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΘΟΡΥΒΟΥ ΚΑΙ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ
ΣΥΜΒΑΝΤΩΝ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ»
Επιβλέπων
ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΔΕΡΜΑΤΑΣ
ΑΝΑΠΛΗΡΩΤΗΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ
Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:
Πάτρα, Φεβρουάριος 2015

2. ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ
Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα
«Αφαίρεση θορύβου και εντοπισμός συμβάντων
ακουστικής εκπομπής»
Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και
Τεχνολογίας Υπολογιστών
ΙΩΑΝΝΗ ΑΓΓΕΛΟΠΟΥΛΟΥ ΤΟΥ ΝΙΚΟΛΑΟΥ
Αριθμός Μητρώου:6199
Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα
Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις
…….../……../………
Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα
Ευάγγελος Δερματάς
Αναπληρωτής Καθηγητής

3. Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας:
Θέμα: «ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΘΟΡΥΒΟΥ ΚΑΙ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ
ΣΥΜΒΑΝΤΩΝ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ»
Φοιτητής:ΙΩΑΝΝΗΣ ΑΓΓΕΛΟΠΟΥΛΟΣ
Επιβλέπων:ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΔΕΡΜΑΤΑΣ
Περίληψη
Οι ακουστικές εκπομπές χρησιμοποιούνται για την παρακολούθηση της
υγείας σε διάφορες κατασκευές και υλικά, καθώς εντοπίζουν συμβάντα ΑΕ,τα
οποία συνήθως προκαλούνται από διάφορους τύπους ζημιάς, και με την
αφαίρεση του ανεπιθύμητου θορύβου έχουμε χρήσιμα δεδομένα για το προς
εξέταση αντικείμενο. Η παρακολούθηση μέσω ακουστικών εκπομπών είναι
ένας μη καταστροφικός τρόπος ελέγχου (NDT) και έτσι δεν επηρεάζει τις
κατασκευές σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς τρόπους ελέγχου.
Οι ΑΕ διακρίνονται σε δυο τύπους τα συνεχή σήματα ΑΕ και τα εκρηκτικά
σήματα ΑΕ. Η συνεχής ΑΕ παρουσιάζει σχεδόν σταθερά χαρακτηριστικά
γνωρίσματα καθ' όλη τη διάρκεια του σήματος ενώ στην εκρηκτική ΑΕ είναι
σαφής ο διαχωρισμός της φάσης ανύψωσης και πτώσης του πλάτους του.
Στη παρούσα μελέτη εξετάζονται πολλές εφαρμογές της παρακολούθησης
ΑΕ. Οι γέφυρες είναι το πιο συχνό πεδίο εφαρμογής της παρακολούθησης ΑΕ
εξαιτίας της ανάγκης τους για συνεχή και αξιόπιστη μέτρηση της δομικής
υγείας τους λόγω και της κρισιμότητας της ακεραιότητάς τους. Η ΑΕ φαντάζει
η ιδανική επιλογή για γέφυρες λόγω της μη αναστολής της λειτουργίας αυτών
για την διεξαγωγή των διάφορων δοκιμών.
Η δημιουργία ασύρματων κόμβων ΑΕ είναι ένα πεδίο που χρήζει περαιτέρω
μελέτης και διερεύνησης. Η ασύρματη παρακολούθηση έχει πολλά
πλεονεκτήματα όπως οικονομία,αποδοτικότητα,συνεχής παρακολούθηση σε
σχέση με την ενσύρματη παρακολούθηση και σίγουρα θα είναι ένα
απαραίτητο στοιχείο των συστημάτων ΑΕ στο μέλλον. Παρόλα τα
προβλήματα σχετικά με την επάρκεια ενέργειας σε αυτά τα συστήματα.
Επίσης οι ΑΕ έχουν την δυνατότητα της χρησιμοποίησης ευφυών
συστημάτων για την επεξεργασία δεδομένων κάτι που βοηθάει στην καλύτερη
αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των δοκιμών. Ιδιαίτερη αναφορά γίνεται στο
αυτό-οργανωμένο νευρωνικό δίκτυο Kohonen.Τέλος μελετάται και η χρήση
ΑΕ στην παρακολούθηση φθοράς εργαλείων και σε σύνθετα υλικά με φυσικές
ίνες.

4. ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Αρχική ανάπτυξη ασύρματου αισθητήρα κόμβου (Motes) ακουστικής
εκπομπής για την επίβλεψη αστικών υποδομών.............................................................
1.1 Γενικά........................................................................................................................
1.2 Εισαγωγή...................................................................................................................
1.3 Λόγοι για ασύρματη παρακολούθηση.......................................................................
1.4 Mote clustering και δικτύωση αισθητήρων...............................................................
1.5 Ανάπτυξη ασυρμάτου δικτύου αισθητήρα ακουστικών εκπομπών..........................
1.6 Επεξεργασία πίνακα..................................................................................................
1.7 Αισθητήρες................................................................................................................
1.8 Τοποθέτηση αισθητήρων εντός και μεταξύ των Motes............................................
1.9 Δοκιμές και εφαρμογές.............................................................................................
1.10 Συμπεράσματα.........................................................................................................
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Χρήση ακουστικών εκπομπών για επίβλεψη σε γέφυρες: Κριτική και
μελέτες περιπτώσεων......................................................................................................
2.1 Εισαγωγή...................................................................................................................
2.2 Μεθοδολογία της ακουστικής εκπομπής..................................................................
2.2.1 Βασικά στοιχεία ακουστικής εκπομπής.................................................................
2.2.2 Ερμηνεία των σημάτων ΑΕ...................................................................................
2.3 Η τελευταία λέξη της τεχνολογίας στην επίβλεψη γεφυρών μέσω ΑΕ.....................
2.3.1 Παρακολούθηση ρωγμών.......................................................................................
2.3.2 Εφαρμογές επίβλεψης γεφυρών............................................................................
2.3.4 Εξελίξεις στην τεχνολογία του εξοπλισμού ΑΕ....................................................
2.4 Μελέτη εργασίας σε προεντεταμένου σκυροδέματος γέφυρα..................................
2.4.1 Πρόγραμμα φόρτισης και εγκατάσταση εξοπλισμού............................................
2.4.2 Ποιοτικά αποτελέσματα........................................................................................
2.4.3 Ποσοτικοποιήση ζημιάς........................................................................................
2.5 Υπόθεση εργασίας για χαλύβδινη γέφυρα................................................................
2.5.1 Πρόγραμμα φόρτισης και εγκατάσταση εξοπλισμού...........................................
2.5.2 Ποιοτικά αποτελέσματα.......................................................................................
2.5.3 Ποσοτικοποιήση ζημιάς........................................................................................
2.6 Συμπεράσματα και σχόλια........................................................................................
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ανάλυση των σημάτων ακουστικής εκπομπής από ελάσματα CFRP..
3.1 Εισαγωγή...................................................................................................................
3.2 Αρχές της θεωρίας πλάκας κύματος plate wave και της modal acoustic emission.
3.3 Υλικό και πειραματικές τεχνικές..............................................................................
3.4 Πειραματικά αποτελέσματα......................................................................................
3.4.1 Αναγνώριση και διάκριση ζημιάς.........................................................................
3.5 Εξάλειψη θορύβου....................................................................................................
3.6 Εντοπισμός πηγής.....................................................................................................
3.7 Προσανατολισμός πηγής..........................................................................................
3.8 Συμπεράσματα..........................................................................................................
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Χρήση της ακουστικής εκπομπής για τον εντοπισμό ζημιάς σε ίνες
γυαλιού ενισχυμένες με πολυεστέρα...............................................................................
4.1 Εισαγωγή...................................................................................................................
4.2 Πειραματική διαδικασία............................................................................................
4.2.1 Υλικά και δείγματα................................................................................................
4.2.2 Μηχανικές δοκιμές................................................................................................

5. 4.2.3 Ακουστική εκπομπή..............................................................................................
4.3 Αυτό-οργανωμένο νευρωνικό δίκτυο Kohonen........................................................
4.3.1 Αρχιτεκτονική νευρωνικού δικτύου και φάση εκμάθησης..................................
4.3.2 Mια μη-γραμμική προσέγγιση με βάση τον αυτό-οργανωμένο χάρτη Kohonen.
4.4 Αποτελέσματα και παρατηρήσεις..............................................................................
4.4.1 Συμβατική ανάλυση των σημάτων ακουστικής εκπομπής....................................
4.5 Στατιστική ανάλυση..................................................................................................
4.5.1 Αυτό-οργανωμένος χάρτης Kohonen:φάση εκμάθησης.......................................
4.5.2 Φάση εκμάθησης.................................................................................................
4.5.3 Ενεργοποίηση του χάρτη για διάφορες δοκιμές εφελκυσμού...............................
4.5.4 Χρονολογική εξέλιξη των διαφόρων μηχανισμών................................................
4.6 Συμπέρασμα..............................................................................................................
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ασύρματο δίκτυο αισθητήρων ακουστικών εκπομπών για
παρακολούθηση κατασκευών.........................................................................................
5.1 Γενικά.......................................................................................................................
5.2 Απαιτήσεις κόμβου αισθητήρα.................................................................................
5.3 Αρχιτεκτονική κόμβου αισθητήρα...........................................................................
5.4 Επεξεργασία σήματος ΑΕ.......................................................................................
5.5 Αρχιτεκτονική συστήματος και λειτουργία.............................................................
5.5.1 Χαμηλής κατανάλωσης ακρόαση.........................................................................
5.5.2 Άλλες συσκευές δικτύου......................................................................................
5.5.3 Αξιολόγηση..........................................................................................................
5.6 Αρχικές δοκιμές.......................................................................................................
5.7 Συμπεράσματα..........................................................................................................
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Μέθοδος ακουστικών εκπομπών για παρακολούθηση φθοράς
εργαλείων........................................................................................................................
6.1 Εισαγωγικά...............................................................................................................
6.2 Πηγή σήματος ΑΕ....................................................................................................
6.3 Υπολογισμός φθοράς εργαλείου..............................................................................
6.3.1 Fuzzy ταξινομητής...............................................................................................
6.3.2 Νευρωνικά δίκτυα................................................................................................
6.3.3 Αισθητήρας και μεθοδολογία σύντηξης δεδομένων............................................
6.4 Συμπεράσματα.........................................................................................................
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ακουστική εκπομπή για την παρακολούθηση της μηχανικής
συμπεριφοράς των σύνθετων υλικών φυσικής ίνας......................................................
7.1 Εισαγωγικά..............................................................................................................
7.2 Εφαρμογή της ακουστικής εκπομπής σε μελέτες διασύνδεσης σε δοκιμές για
μόνης ίνας σύνθετα (SFC)...............................................................................................
7.2.1 Συμπεράσματα........................................................................................................
7.3 Ακουστική εκπομπή για την ανάλυση της συμπεριφοράς των υλικών....................
7.4 Ακουστική εκπομπή από τα σύνθετα υλικά.............................................................
7.4.1 Περιγραφή της τεχνικής δοκιμών ακουστικής εκπομπής....................................
7.5 Μονοτονική φόρτιση εφελκυσμού σταυρωτής διάταξης APC-2 με διαφορετικούς
βαθμούς κρυσταλλικότητας μήτρας...............................................................................
7.6 Κόπωση πίεσης φόρτωσης CFRE σταυρωτής διάταξης με διαφορετικές ίνας
/μήτρας ιδιότητες διεπαφής.............................................................................................
7.7 Μονοτονική δοκιμή εφελκυσμού σε μερικώς ισοτροπικό CFRE έλασμα..............
7.8 Κόπωση πίεσης φόρτωσης των σύνθετων αλουμινίου ενισχυμένων με SiC
σωματίδιo........................................................................................................................
7.9 Συμπεράσματα...........................................................................................................

6. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1
Αρχική ανάπτυξη ασύρματου αισθητήρα κόμβου
(Motes) ακουστικής εκπομπής για την επίβλεψη
αστικών υποδομών.
1.1 Γενικά
Η δομική κατάσταση των γεφυρών εξετάζεται είτε μέσω οπτικής επιθεώρησης είτε
μέσω τεχνικών ενσύρματων αισθητήρων ,οι οποίες είναι σχετικά ακριβές ,ευάλωτες
σε δυσμενής συνθήκες και χρονοβόρες. Σε αντίθεση με όλα αυτά τα δίκτυα
ασύρματων αισθητήρων είναι εύκολα στην ανάπτυξη και ευέλικτα στην εφαρμογή
έτσι ώστε το κάθε δίκτυο να προσαρμόζεται σε κάθε κατασκευή. Έχουν χρησιμοποιη-
θεί διαφορές τεχνικές ανίχνευσης σε τέτοια δίκτυα αλλά η τεχνική ακουστική εκ-
πομπής σπάνια υλοποιείται. Με την χρήση τεχνικών ακουστικής εκπομπής (AE) είναι
δυνατό να ανιχνεύσουμε εσωτερική δομική ζημιά, εξαιτίας της διάδοσης ρωγμών κα-
τά τη διάρκεια της συνήθης χρήσης της κατασκευής π.χ. θραύση καλωδίων προ-
έντασης. Μέχρι τώρα οι τεχνικές ανάλυσης δεδομένων ΑΕ δεν είναι κατάλληλες για
τις απαιτήσεις των ασύρματων δικτύων εξαιτίας της ανάγκης για συγχρονισμό
μεγάλης ακρίβειας μεταξύ των πολλαπλών αισθητήρων και των θεμάτων
κατανάλωσης ενέργειας. Για να μειωθεί η καταναλισκόμενη ενέργεια της τεχνικής
ακουστικών εκπομπών σε μεγάλες, εκτενείς κατασκευές ,οι τεχνικές καταγραφής και
ανάλυσης δεδομένων χρειάζονται καλύτερους αλγορίθμους για να διαχειριστούν και
να μειώσουν τον τεράστιο όγκο δεδομένων που παράγεται. Προκαταρκτικά
αποτελέσματα χρησιμοποιώντας μια καινούργια ιδέα την ακουστική επεξεργασία
σήματος εκπομπής για την τοπική μείωση δεδομένων σε πληροφορίες έδειξαν ότι: η
αζιμουθιακή θέση της σεισμικής πηγής μπορεί επιτυχώς να αναγνωριστεί
χρησιμοποιώντας ,μια διάταξη 6-8 κακής ποιότητας ΑΕ αισθητήρων τοποθετημένα
σε κυκλική διάταξη με διάμετρο περίπου 200 mm. Η διαμόρφωση δέσμης ΑΕ απαιτεί
μόνο πολύ ακριβές συγχρονισμό των αισθητήρων μέσα σε μια διάταξη, σχετικός
χρονισμός μεταξύ των αισθητήρων της τάξης του 1μs μπορεί εύκολα να επιτευχθεί με
1 αισθητήρα κόμβου (mote) σε μια διάταξη. Η μέθοδος συμπυκνώνει την ουσία 6 με
8 εκτεταμένων κυματομορφών σε μία τιμή η οποία θα στέλνεται μέσω του
ασύρματου δικτύου με αποτέλεσμα να έχουμε εξοικονόμηση ενέργειας αποφεύγοντας
εκτεταμένες μεταδόσεις.
1.2 Εισαγωγή.
Η συνεχής παρακολούθηση της δομικής συμπεριφοράς και της υγείας της
κατασκευής μπορούν να παρέχουν στοιχεία τα οποία επιτρέπουν την καλύτερη
κατανόηση των κατασκευαστικών επιδόσεων της και με τη σειρά της να επιτρέπει
την πρόβλεψη της αντοχής της και του υπολειπόμενου χρόνου ζωής. Στην Ευρώπη,
πολλές κατασκευές προέρχονται από τα μέσα του εικοστού αιώνα, χτισμένα
να αντικαταστήσουν τις κατασκευές που καταστράφηκαν κατά τη διάρκεια του

7. Δευτέρου Παγκοσμίου Πολέμου. Οι κατασκευές από σκυρόδεμα, οι πιο κοινές
είναι συνήθως σχεδιασμένες για 50 - 100 χρόνια διάρκεια ζωής, γι αυτό πολλές από
τις σημερινές κατασκευές πλησιάζουν γρήγορα το τέλος της σχεδιαζόμενης ζωής
τους. Αυτό το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα σοβαρό για τις σιδηροδρομικές γέφυρες που
έρχονται αντιμέτωπες με αυξανόμενα φορτία στον άξονα τους και υψηλότερες
ταχύτητες τρένων, οι οποίες πολύ συχνά υπερβαίνουν τα σχεδιασμένα
κατασκευαστικά φορτία. Στο πλαίσιο αυτό, ένα ευρωπαϊκό ερευνητικό έργο
εγκρίθηκε στο έκτο πρόγραμμα πλαίσιο (Sustainable Bridges 2007). Ένας από τους
στόχους του έργου ήταν να παρέχει τεχνικές παρακολούθησης που
θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους διαχειριστές γεφυρών να ποσοτικοποιήσουν επί
τόπου την δομική συμπεριφορά των γεφυρών τους.
Για να λειτουργήσει σωστά, μια διαδικασία παρακολούθησης και ελέγχου πρέπει να
είναι αξιόπιστη, φθηνή και απλή στην εφαρμογή της. Οι τεχνικές που
χρησιμοποιούνται πρέπει να είναι εύκολο να προσαρμοστούν σε διαφορετικά είδη
κατασκευών και κατασκευαστικών στοιχείων, επειδή μια μεγάλη ποικιλία υφίσταται
και η προσαρμογή είναι χρονοβόρα. Με αυτά τα δεδομένα, η ανάπτυξη
και την εφαρμογή των ασύρματων αισθητήρων pods (που συχνά αναφέρονται ως
Motes), ενσωματώνοντας μικρο-ηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS) - με βάση
microsensors, είναι μια πολύ καλή λύση στα προβλήματά μας. Τα ασύρματα
συστήματα παρακολούθησης τα οποία είναι εξοπλισμένα με ακριβή αλλά χαμηλού
κόστους αισθητήρες μπορεί να μειώσουν δραματικά το κόστος της παρακολούθησης
κατασκευών.
Ένας στόχος της παρακολούθησης κατασκευών είναι να ανιχνεύσουμε ζημία σε
δομικά μέρη που μπορεί να μειώσει την υποστηρικτική ικανότητα και την υπόλοιπη
διάρκεια ζωής. Η ανίχνευση και ο εντοπισμός της αποτυχίας χάλυβα τένοντα ή οι
ρωγμές στο σκυρόδεμα στις δομές μιας γέφυρας είναι παραδείγματα μιας τέτοιας
διεργασίας παρακολούθησης. Ένα άλλο παράδειγμα είναι ο προσδιορισμός των
δυνάμεων καλωδίων χάλυβα με δυναμικές μετρήσεις.
Η διαδικασία της παρακολούθηση της υγείας των κατασκευών μπορεί να επεκταθεί
για να συμπεριλάβει τη διαδικασία κατασκευής. Παλαιότερα ο ανάδοχος απλά
εφάρμοζε ένα συγκεκριμένο σχέδιο που του είχε παραγγείλει ο ιδιοκτήτης, αλλά η
σημερινή τάση είναι οι πελάτες να αναθέσουν ορισμένες απαιτήσεις απόδοσης που
πρέπει να πληρούνται από το τελικό προϊόν (απόδοση με βάση το σχεδιασμό). Η
διαδικασία της ανάθεσης γίνεται ο προσδιορισμός των κριτηρίων επιδόσεων, και η
παράδοση γίνεται μια μακροπρόθεσμη εκπλήρωση αυτών των κριτηρίων. Η ρύθμιση
αυτή μπορεί γίνει μόνο εάν οι επιδόσεις μπορούν να μετρηθούν και να
ποσοτικοποιηθούν, και η μέτρηση χρησιμοποιείται στην διαδικασία λήψης
αποφάσεων. Οι διαδικασίες που απαιτούνται για την αξιολόγηση της
κατάστασης της κατασκευής κατά την παράδοση και κατά τη λειτουργία εξαρτώνται
ολοένα και περισσότερο από δεδομένα αισθητήρων και έγκυρα
μοντέλα που μετατρέπουν τα δεδομένα σε δείκτες της φυσικής συμπεριφοράς, και
εργαλεία λήψης αποφάσεων για να καθορίσουμε εάν πληρούνται οι απαιτήσεις
επιδόσεων που απαιτήθηκαν.
1.3 Λόγοι για ασύρματη παρακολούθηση.
Τα περισσότερα υπάρχοντα συστήματα παρακολούθησης χρησιμοποιούν την
τεχνολογία των παραδοσιακών ενσύρματών αισθητήρών, χρησιμοποιώντας συνήθως
ένα μεγάλο αριθμό αισθητήρων (π.χ. πάνω από 10), οι οποίοι συνδέονται μέσω
δαπανηρών μακριών καλωδίων και συνεπώς θα εγκατασταθούν σε λίγες μόνο

8. κατασκευές. Ένα ασύρματο σύστημα παρακολούθησης βασισμένο σε MEMS
αισθητήρες (microsensors) θα μπορούσε να μειώσει το κόστος σημαντικά (Εικ. 1).
Η εξοικονόμηση κόστους είναι σε μεγάλο βαθμό συνάρτηση της έλλειψης
καλωδίωσης, εγκατάστασης, συντήρησης και τα οφέλη αυτά αυξάνουν επίσης το
εύρος πεδίου των εφαρμογών. Η εκτενής δορυφορική και όχι μόνο παρακολούθηση
έκανε εφικτό φυσικά και οικονομικά να έχουμε πολύ λεπτομερείς πληροφορίες
σχετικά με την κατάσταση της κατασκευής, επιτρέποντας έτσι το καλύτερο και πιο
αποδοτικό από άποψη κόστους χρονοδιάγραμμα συντήρησης. Μόνο αφού ορισμένες
αλλαγές στη δομική συμπεριφορά έχουν εντοπιστεί με φυσικό έλεγχο (είτε μέσω
μη καταστροφικών δοκιμών ή οπτικών μεθόδων) είναι αναγκαία να γίνει σωστή
επισκευή αμέσως μετά τον εντοπισμό της ζημιάς. Αυτό μειώνει τον κίνδυνο της
περαιτέρω ζημιάς. Στην πραγματικότητα, τέτοια συστήματα παρακολούθησης, που
συνδέονται με τα κατάλληλα μοντέλα συστήματος επιτρέπουν τον διαγνωστικό
προγραμματισμό συντήρησης, έτσι ώστε το πραγματικό μακροσκοπικό σφάλμα να
μην συμβαίνει ποτέ.
Εικόνα 1
Ένα σύστημα παρακολούθησης της υγείας μιας κατασκευής μπορεί να απαιτήσει τα
δεδομένα να πρέπει να μεταδίδονται συνεχώς (π.χ., χρησιμοποιώντας το
διαδικτύου ή SMS πρωτόκολλα) στον επιβλέποντα. Κάθε κόμβος του αισθητήρα, ο
οποία είναι ο ίδιος ένα πλήρες μικρό σύστημα μέτρησης και επικοινωνίας, θα πρέπει
να τροφοδοτείται και το κόστος της ενέργειας να βελτιστοποιηθεί. Περαιτέρω,
υποομαδοποίηση των δεδομένων σε μερικές ουσιαστικές τιμές είναι απαραίτητη για
την πρόληψη της υπερφόρτωσης του συστήματος και της απώλεια πολύτιμης
ενέργειας λόγω υπερβολικής ραδιομετάδοσης.
Ολόκληρο το σύστημα παρακολούθησης πρέπει να αντέχει σε σκληρές συνθήκες
περιβάλλοντος. Για παράδειγμα, θα πρέπει να είναι ανθεκτικό σε πετρέλαιο, καύσιμα,
αλάτι, αλκάλια και άλλες χημικές ουσίες. Οι πίνακες που αναπτύχθηκαν για τραχύ
περιβάλλον, τοποθετούνται σε σφραγισμένα περιβλήματα ακολουθώντας τα IP64/65
πρότυπα υδατοπροστασίας.Οι αισθητήρες πρέπει να είναι ισχυροί και ανθεκτικοί,
ώστε τα μετρούμενα δεδομένα τους να αναπαράγονται και να είναι αξιόπιστα κατά
τη διάρκεια της παρακολούθησης. Επιπλέον, η σταθερότητα του συστήματος, το
οποίο περιλαμβάνει την ασύρματη μεταφορά δεδομένων προς και από τους κόμβους
αισθητήρων, πρέπει να είναι υψηλή.

9. 1.4 Mote clustering και δικτύωση αισθητήρων.
Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούνται από μια διάταξη από πολλούς
κόμβους (Motes), καθένα ένας έχει ένα ή περισσότερους διαφορετικούς αισθητήρες
ενσωματωμένους. Μετά την καταγραφή και την προκαταρκτική ανάλυση των
δεδομένων από τον Mote, τα δεδομένα πρέπει να μεταδίδονται χρησιμοποιώντας, για
παράδειγμα, ένα δικτυωμένο σύστημα ραδιοφωνικής μετάδοσης από μια Mote σε ένα
σταθμό βάσης ή επιβλέποντα, για την περαιτέρω επεξεργασία δεδομένων ή για την
σωστή παραγωγή μηνυμάτων συναγερμού (Εικ. 1).Η αξιοπιστία των στοιχείων
μεταφοράς μπορεί να βελτιωθεί με την αποθήκευση, και στη συνέχεια, στέλνοντας
ένα σήμα (με 1 check-bit) αντί να λειτουργεί σε πραγματικό χρόνο. Υπάρχουν πολλές
διαφορετικές τοπολογίες δικτύου που συνήθως χρησιμοποιούνται για τις ασύρματες
συστοιχίες αισθητήρων, συμπεριλαμβανομένη της τοπολογίας αστεριού και της
multi-hop τοπολογίας. Ακόμα ένα βήμα θα είναι ο σχηματισμός των λειτουργικών
ομάδων (clusters) των γύρω motes (Εικ. 2).Επιπλέον της τοπικής επεξεργασίας
σήματος που λαμβάνει χώρα 1 Mote, τα δεδομένα εντός των ομάδων μπορεί να είναι
αθροίζονται σε ενδιάμεσους κόμβους, επεξεργάζονται περαιτέρω, και προωθούνται
σε ενωμένα πακέτα για να σώσουμε το ποσό της ραδιοεπικοινωνίας π.χ. κατανάλωση
ενέργειας. Προσαρμοστικός σχηματισμός συμπλέγματος και διαχείριση μπορεί
επίσης να βοηθήσει στην απόφαση αν ένα γεγονός σχετίζεται ή όχι με ελάττωμα στην
κατασκευή ή αλλαγή της συμπεριφοράς της κατασκευής.
Ένα τέτοιο δικτυωμένο σύστημα ανίχνευσης έχει πολλά πλεονεκτήματα, μεταξύ των
οποίων είναι η αποδοτικότητα κόστους, η φορητότητα, και ένα μεγάλο εύρος από
αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να περιορίσουμε την μοντελοποίηση
για να προσδιορίσουμε την κατάσταση της κατασκευής. Η αξιοπιστία του αλγορίθμου
ένδειξης της υγείας της κατασκευής αυξάνεται πολύ συνδυάζοντας φυσικές
ποσότητες που λαμβάνονται από ένα πλήθος αισθητήρων σε ένα πλήθος τοποθεσιών
επί της κατασκευής.
Εικόνα 2
Η καθιέρωση μιας συσχέτισης μεταξύ καταγεγραμμένων δεδομένων και των
κατασκευαστικών επιδόσεων είναι δύσκολη και θα πρέπει να βασίζεται στην
αναλυτική εμπειρία του χρήστη, πράγμα που συνεπάγεται μια φυσική εφαρμογή των
Bayesian στατιστικών. Ενσωματώνοντας μερικές τοπικές δυνατότητες επεξεργασίας
σε κάθε Mote έχουμε ως αποτέλεσμα την μετατροπή των δεδομένων σε
πληροφοριες σε τοπικό επίπεδο, το οποίο μειώνει τον αριθμό των δυαδικών ψηφίων
που πρέπει να αποστέλλονται μέσω ασύρματης διάδοσης. Θυμόμαστε ότι

10. ότι κοστίζει τουλάχιστον 10 φορές την ενέργεια για να στείλουμε 1 bit από ότι να
υπολογίσουμε 1 bit.
Τέλος, δύο άλλα πλεονεκτήματα των ασύρματων δικτύων αισθητήρων πρέπει να
τονιστούν. Η επεκτασιμότητα είναι ένα ζήτημα αν ο επιβλέπων θέλει να επεκτείνει
την περιοχή παρακολούθησης ή χρειάζεται περισσότερα στοιχεία σε σχέση με το
χώρο ή το χρόνο. Οι υφιστάμενες τεχνικές ασύρματων δικτύων αισθητήρων
(WSN:Wireless System Network) επιτρέπουν την αυτοοργάνωση, έτσι ώστε οι
κόμβοι αισθητήρων να μπορούν να προστεθούν ή να αφαιρεθούν ανά πάσα στιγμή
χωρίς εξωτερική αναδιοργάνωση του δικτύου στο μέλλον. Οι εφαρμοζόμενοι
αλγόριθμοι προεπεξεργασίας μπορεί να χρειάζονται ενημέρωση για να
προσαρμοστούν στις νέες απαιτήσεις ή για πιο αποτελεσματική μείωση δεδομένων.
Οι περισσότερες από τους κόμβους που έχουν αναπτυχθεί είναι
επαναπρογραμματιζόμενοι από απόσταση (remotely) π.χ. ο χρήστης μπορεί να
αλλάξει τους εφαρμοζόμενους αλγορίθμους σε κάθε αισθητήρα.
1.5 Ανάπτυξη ασυρμάτου δικτύου αισθητήρα
ακουστικών εκπομπών.
Μία μέθοδος για την παρακολούθηση των αλλαγών στην κατάσταση μιας
κατασκευής είναι με την λεγόμενη παρακολούθηση των ακουστικών εκπομπών. Οι
ακουστικές εκπομπές είναι το σεισμικό σήμα από μια ξαφνική αλλαγή της έντασης
εντός ή σε ένα δείγμα. Κοινά παραδείγματα είναι αύξηση των ρωγμών και η
μετατόπιση. Τα σήματα που έχουν ένα εύρος ζώνης, ας πούμε, από 5 kHz μέχρι
αρκετά MHz έχουν σύμφωνα με μετρήσεις μετατοπίσεις πολύ μικρής τάξης
1pm πάνω από αυτό το εύρος ζώνης. Όλοι οι αισθητήρες AE είναι πιεζοηλεκτρικοί,
συνήθως κατασκευασμένοι από PZT-5A.Το διαδιδόμενο σήμα ΑΕ φέρει
πληροφορίες σχετικά με το μηχανισμό της πηγής, καθώς και το υλικό μέσω του
οποίου διαδίδεται, οπότε η AE είναι μια καλή ένδειξη της κατασκευαστικής ζημίας.
Υπήρξαν αρκετά προβλήματα που έχουν αποκλείσει μέχρι τώρα τη χρήση της
παρακολούθησης AE με Motes. Μεταξύ αυτών είναι το θέμα του απόλυτου
συγχρονισμού μεταξύ των Motes, και η μεγάλη ποσότητα των δεδομένων που πρέπει
να μεταφερθούν μεταξύ των Motes. Η μεθοδολογία που παρουσιάζεται παρακάτω
ξεπερνά πολλούς από τους σοβαρούς περιορισμούς που απέτρεπαν την χρήση της ΑΕ
σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων.
Έχουμε αναπτύξει ένα πολυ-αισθητήρα ακουστικών εκπομπών (AE) Motes
κατάλληλο για την παρακολούθηση των κατασκευών. Κάθε Mote αποτελείται από
έναν ή περισσότερους αισθητήρες, έναν συλλέκτη δεδομένων και μονάδα
επεξεργασίας, ένα ασύρματο πομποδέκτη, και μια μπαταρία τροφοδοσίας (Εικ. 3).
Όσο είναι δυνατό, η συσκευή χρησιμοποιεί κοινά υλικού του εμπορίου. Η μονάδα
απόκτησης και επεξεργασίας δεδομένων είναι εξοπλισμένη με ένα χαμηλής ισχύος
μικροελεγκτή που προσφέρει ένα ενσωματωμένο αναλογικό σε ψηφιακό μετατροπέα
(ADC) και επαρκή μνήμη δεδομένων (RAM) για να αποθηκεύσουμε τις μετρήσεις
και γίνουν υπολογισμοί. Ο Mote επίσης ενσωματώνει ένα κύκλωμα signal
conditioning σύνδεσης των αισθητήρων με το ADC.

11. Εικόνα 3
Κάθε Mote πρέπει να τροφοδοτείται με ρεύμα και η χρήση ενέργειας να
βελτιστοποιείται - κάθε μεταδιδόμενο bit είναι σπάταλη. Χρησιμοποιώντας multi-
hop τεχνικές, τα δεδομένα από κάθε Mote μπορεί να μεταδοθούν μέσω του δικτύου
από τα hops από Mote σε Mote, το καθένα κάποιες δεκάδες έως εκατοντάδες μέτρα.
Εάν τα δεδομένα είναι ένα διάνυσμα κυματομορφής παρά pseudostatic
scalars, ο αριθμός των πιθανών hops περιορίζεται επειδή ο όγκος των δεδομένων,
αυξάνεται σε κάθε hop, κατακλύζοντας το εύρος ζώνης. Ως εκ τούτου, η
συγκέντρωση μεγάλης ποσότητας δεδομένων σε συγκεκριμένες πληροφορίες είναι
απαραίτητη.
1.6 Επεξεργασία πίνακα.
Η επεξεργασία πίνακα των δεδομένων AE είναι μια ισχυρή μέθοδος συγκέντρωσης
πολλών δεκάδων χιλιάδων δεδομένων σημείων που καταγράφονται από έναν συμβάν
AE σε μία μόνο τιμή - την αζιμουθιακή διεύθυνση της πηγής συσχετισμένη με τον
γνωστό προσανατολισμό του αισθητήρα. Αν αυτή είναι η πληροφορία που απαιτείται
από το χειριστή, η μέθοδος αποτελεί προφανές ευτύχημα. Στην πραγματικότητα, μια
γέφυρα είναι εξαιρετικά σεισμικά θορυβώδη, έτσι ώστε κάθε σήμα AE που
καταγράφεται θα έχει μια χαμηλή S / N αναλογία. Τελικά στην πραγματικότητα
υπάρχουν λίγες πληροφορίες σε ένα καταγεγραμμένο σήμα ΑΕ πέραν της σχετικής
κατεύθυνσης ως προς μια συστοιχία αισθητήρων.
Παρόμοια με τις phased-array τεχνικές επεξεργασίας σημάτων που αναπτύχθηκαν
για άλλες μη καταστροφικές (non-destructive) μεθόδους αξιολόγησης, αυτή η τεχνική
προσαρμόζει εργαλεία διαμόρφωσης δέσμης που έχουν αναπτυχθεί για παθητικά
σόναρ και σεισμολογικές εφαρμογές για χρήση στον εντοπισμός πηγής ΑΕ και
ανάλυσης διακριτοποίησης σήματος. Έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς στο ραντάρ
(Haykin 1985), σόναρ (Carter 1981), και στη διερευνητική σεισμολογία (Justice
1985,Kelly 1967), και έχει χρησιμοποιηθεί ως εργαλείο για μη παρεμβατικές τεχνικές
δοκιμές για διαστημικό σκάφος (Holland 2006), σε αγωγούς και δοχεία πίεσης (Luo
και Rose 2007, Santoni 2007), και σε ιατρικές εφαρμογές (Kim 2006). Επίσης, έχει
χρησιμοποιηθεί για την ενεργό ανίχνευση βλαβών σε υλικά έργων πολιτικού
μηχανικού (Sundararaman 2005 Azar Wooh 1999), αλλά δεν έχει εφαρμοστεί με τη
μέθοδο της ακουστικής εκπομπής (McLaskey και Glaser 2009).
Για εφαρμογές διαμόρφωσης δέσμης ο χρήστης πρέπει να υποθέσει ότι το πεδίο του
κύματος είναι σχετικά σταθερό κανονικό ως προς την κατεύθυνση της διάδοσης των
κυμάτων που προσπίπτουν στην συστοιχία (Dudgeon 1977). Οι πηγές ΑΕ συνήθως

12. θεωρούνται σημειακές πηγές, έτσι ώστε η υπόθεση της «καθυστερημένη ρέπλικας»
να είναι έγκυρη μόνο αν η απόσταση μεταξύ της πηγής και των δεκτών να είναι
μεγάλη σε σύγκριση με την απόσταση μεταξύ των γειτονικών αισθητήρων (εύκολο
στην επιβεβαίωση). Τα σχετικά καθυστερημένα σήματα μπορούν να συνδυάζονται (ή
να στοιβάζονται) για να σχηματίσουν μία έξοδο πίνακα με βελτιωμένο S / N.
Αντί να χρησιμοποιούμε P-Wave διαλογής αλγόριθμούς, στην μέθοδο αυτή
χρησιμοποιούμε την πλούσια σε ενέργεια Rayleigh κύμα(Kelly 1967) και μια μικρή
διάταξη από 4 έως 8 αισθητήρες. Αντί να χρησιμοποιούμε μια κατανεμημένη
διάταξη, η μέθοδος διαμόρφωση δέσμης ΑΕ βασίζεται σε μια μικρή συστοιχία
αισθητήρων τοποθετημένοι αρκετά κοντά, έτσι ώστε στην περιοχή συχνοτήτων
που μας ενδιαφέρει (λιγότερο από 50 kHz), όλοι οι αισθητήρες θα ανιχνεύουν κύματα
AE που διαδίδονται κατά μήκος παρόμοιων μονοπατιών, έχοντας επηρεαστεί από
παρόμοια εξασθένηση και σκέδαση. Στη μέθοδο διαμόρφωσης δέσμης ΑΕ, η
κατεύθυνση της άφιξης των κυμάτων ΑΕ μπορεί να προσδιορισθεί απλώς από τις
σχετικές χρονικές καθυστερήσεις των μεμονωμένων σημάτων ακουστικής εκπομπής.
Στις δοκιμές, συστοιχίες των έξι έως οκτώ φθηνών, χαμηλής συχνότητας (50 kHz)
resonant-type αισθητήρων ΑΕ είχαν τοποθετηθεί σε ένα κύκλο διαμέτρου περίπου
250 mm. Αυτό το μέγεθος επιτρέπει εύκολα στην διάταξη να εξυπηρετείτε από ένα
μόνο Mote ΑΕ, και μόνο ο πίσω-αζιμουθιακός πρέπει να σταλεί πίσω μέσω του
δικτύου. Σχετικός χρονισμός μεταξύ κάθε διάταξης αισθητήρα μπορεί εύκολα να
διατηρείτε στο 1μs σε ένα ενιαίο Mote. Η υπόθεση ότι η κατασκευή είναι σαν πλάκα,
έτσι ώστε το βάθος της πηγής είναι ένας υψηλής σειράς όρος, ισχύει για τις γέφυρες
που παρακολουθούνται. Σε γενικές γραμμές η διαμόρφωση δέσμης μπορεί να
εντοπίσει με ακρίβεια την πηγή AE εντός πέντε έως δέκα μοιρών του πραγματικού
αζιμουθιακού (McLaskey 2008). Όπως ήταν αναμενόμενο, η βελτίωση της ποιότητας
των αισθητήρων και πυκνότερες συστοιχίες έδωσαν περισσότερο ακριβή
αποτελέσματα, αλλά δεν είναι ουσιαστικά καλύτερα για τα περισσότερα πεδία
εφαρμογών.
1.7 Αισθητήρες.
Υπάρχουν διάφορες εναλλακτικές λύσεις για την απόκτηση δεδομένων που
σχετίζονται με την κατάσταση της κατασκευής. Οι παθητικοί αισθητήρες δεν
απαιτούν ηλεκτρική ενέργεια, δεδομένου ότι λαμβάνουν την ενέργειά τους απευθείας
από την αλλαγή των φυσικών ποσοτήτων. Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά είναι ένα
παράδειγμα τέτοιων υλικών. Αλλά οι ενεργοί αισθητήρες, παρόλο που απαιτούν
ρεύμα , έχουν πολλές ενισχυμένες ικανότητες ως προς την ευαισθησία, τη
γραμμικότητα, το εύρος της ανίχνευσης, και πολλούς MEMS-based ενεργούς
αισθητήρες που ενσωματώνουν κύκλωμα signal conditioning και /ή A/D-μετατροπείς
που απλοποιούν σε μεγάλο βαθμό την αλυσίδα επεξεργασίας σήματος. Οι MEMS-
based αισθητήρες είναι διαθέσιμοι για πολλές, αλλά όχι για όλες τις εφαρμογές, οπότε
πρέπει οι Motes να είναι σε θέση να επικοινωνούν και με τους συμβατικούς
αισθητήρες. Όταν θα λέμε Mote θα αναφερόμαστε τόσο σε μίκρο όσο και σε μάκρο-
αισθητήρες ένα υβριδικό Mote αισθητήρα. Παρά το γεγονός ότι οι σχετικοί μάκρο-
αισθητήρες λειτουργούν στον Mote σε χαμηλή ισχύ, οι περισσότεροι θα
αντικατασταθούν από μίκρο-αισθητήρες μόλις αυτοί είναι διαθέσιμοι.
Τα υβριδικά Motes πρέπει να σχεδιάζονται για να βελτιστοποιείτε η απόκτηση
δεδομένων και να ταιριάζουν καλύτερα με τις επί τόπου απαιτήσεις. Ένα υβριδικό
Mote είναι καλύτερα σχεδιασμένο με ανεξάρτητες υπο-πλακέτες, για παράδειγμα
signal conditioning ένταση, και πιεζοηλεκτρικά στοιχεία (από τους αισθητήρες

13. ακουστικής εκπομπής), και έχουν αναπτυχθεί αρκετοί από το Πανεπιστήμιο της
Στουτγάρδης, με τη βοήθεια της EMPA. Η αναπτυχθείσα υπο-πλακέτα (Εικ. 4), έχει
δύο παράλληλα μέτρησης έντασης κυκλώματα και ένα πλήρες front-end αισθητήρες
αντίστασης με αντιστάθμιση θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας μετρητή αντίστασης,
καθώς και βαθμονόμηση και μηδενική αποζημίωση από το λογισμικό (Εικ. 4, δεξιά).
Η εφαρμογή και η ανάπτυξη των ηλεκτρικών εξαρτημάτων, της διάταξης, και της
κατασκευής των πρωτοτύπων είναι πάντα σε εξέλιξη.
Ένας πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας (π.χ. αισθητήρας ΑΕ) signal conditioning σε
πλακέτα (Εικ. 5) αναπτύχθηκε, αποτελούμενο από δύο κανάλια ανά πλακέτα, με την
ευκαιρία να εφαρμόσει το παρόν δύο πλακέτες σε ένα Mote. Κάθε κανάλι μπορεί να
φιλτράρεται και να ενισχύεται μεμονωμένα. Ενίσχυση μπορεί να επιλεγεί μεταξύ του
100x και του 1000x,με ειδικά anti-aliasing φίλτρα. Η A / D μετατροπή λαμβάνει
χώρα στο πλαίσιο της TI MSP430 μικροελεγκτή, αποδίδοντας 12-bit ανάλυση
πλάτους σε τιμές δείγματος έως 100 kHz, ανάλογα με τον αριθμό των ενεργών
καναλιών. Ο αριθμός των δειγμάτων που καταγράφονται μετά την ανίχνευση ενός
γεγονότος είναι παραμετροποιήσιμος , καθώς και το μήκος προ-σκανδαλισμού και το
κατώφλι ενεργοποίησης. Για λόγους απόδοσης οι DMA MSP430’s δυνατότητες
χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά των δειγματοποιημένων δεδομένων στην
εσωτερική μνήμη. Στην ενεργό λειτουργία, τα δείγματα αποθηκεύονται σε μία
κυκλική προσωρινή μνήμη (buffer) μέχρις ότου η διακοπή σκανδαλισμού
απενεργοποιείται. Τα υπόλοιπα δείγματα που μας ενδιαφέρουν καταγράφονται και
στη συνέχεια η δειγματοληψία σταματά για το χρόνο διαβίβασης των δεδομένων.
Εικόνα 4
Εικόνα 5

14. 1.8 Τοποθέτηση αισθητήρων εντός και μεταξύ των
Motes.
Συσχέτιση των δεδομένων ΑΕ με τα άλλα δεδομένα που λαμβάνονται από κάθε
Mote (θερμοκρασία, υγρασία, πίεση, κλπ) θα οδηγήσει σε περαιτέρω κατανόηση των
τοπικών δομικών συμπεριφορών. Για παράδειγμα, ένας επανέλεγχος της
δραστηριότητας AE με αύξηση της πίεσης ή με μια ξαφνική ή ανώμαλη αύξηση του
περιβάλλοντος ή της ενδο-δομική θερμοκρασίας μπορεί να δώσει περαιτέρω
πληροφορίες για πιθανούς μηχανισμούς ζημιάς στο χώρο εργασίας. Τέτοιες
συσχετίσεις δεδομένων του αισθητήρα θα μειώνουν την ποσότητα των δεδομένων
που διαβιβάζονται μετά την υλοποίηση αλγορίθμων ευφυούς επεξεργασίας και
ερμηνείας των δεδομένων.
Εικόνα 6
Εκτός από την τοπική επεξεργασία σήματος που λαμβάνει χώρα σε ένα ενιαίο mote,
πληροφορίες εντός των ομάδων (clusters) μπορούν να συγκεντρωθούν σε
ενδιάμεσους κόμβους, να επεξεργαστούν περαιτέρω, και να προωθηθούν, όπως
απαιτείται σε συμπυκνωμένα πακέτα για την εξοικονόμηση ενέργειας. Πρώτα
αποθηκεύοντας ένα σύνολο δεδομένων σε ένα δοσμένο αισθητήρα Mote και μετά
στέλνοντας το διαδοχικά μέσω του ράδιο εξαρτήματος σε συγκεκριμένα χρονικά
διαστήματα, ή γεγονότα, κατόπιν αιτήματος, θα βελτιώσει επίσης την αξιοπιστία της
μεταφορά δεδομένων, επειδή η μεταφορά μπορεί να ελέγχεται συγκεκριμένα και το
σφάλμα μετάδοσης θα διορθώνεται. Η ανάγκη για το σχηματισμό ομάδας (cluster)
και διαχείρισης τροφοδοτείτε από ενεργειακές ανησυχίες, καθώς και την
αναγκαιότητα της απόφασης αν πρέπει ή όχι ένα γεγονός να σχετίζεται με μια
σημαντική κατασκευαστική ζημιά ή αλλαγή στην συμπεριφορά της κατασκευής.
Αυτές οι ομάδες μπορούν να οργανωθούν γύρω από την πηγή της ζημιάς, εκτελώντας
τοπική ανάλυση, και στέλνοντας ένα περιεκτικό μήνυμα πίσω μέσω του δικτύου.
1.9 Δοκιμές και εφαρμογές.
Ένα σύστημα AE πρέπει να είναι σε θέση να διακρίνει μεταξύ σημάτων θορύβου και
σημάτων σημαντικής ζημιάς από επιδείνωση της υγείας της κατασκευής. Στην
παρακολούθηση της υγείας μιας κατασκευής, το περιβάλλον εργασίας (π.χ.,
σιδηροδρομικές γέφυρες) θα είναι πάντα πολύ θορυβώδες. Μια ανάλυση του θορύβου
του περιβάλλοντος εργασίας πρέπει πρώτα να διεξάγεται χρησιμοποιώντας
συμβατικό υλικό και ευρυζωνικούς αισθητήρες για να χαρακτηρίσουμε τη ζώνη
συχνοτήτων του θορύβου σε μια δεδομένη γέφυρα. Ως πρώτη δοκιμή του ασύρματου
συστήματος ΑΕ, ο εξοπλισμός είχε εγκατασταθεί για τις μετρήσεις της έντασης και
των ΑΕ κατά την διάρκεια στατικής φόρτισης ενός μεγάλου προεντεταμένου
ενισχυμένου σκυροδέματος μοντέλου γέφυρας (Εικ. 7, αριστερά) στο Τεχνικό
Πανεπιστήμιο του Braunschweig, Γερμανία, και σε μια μικρότερη κατασκευή
οπλισμένου ενισχυμένου σκυροδέματος στο Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης (Εικ. 7,

15. δεξιά). Δεδομένου ότι και οι δύο κατασκευές υπόκεινται σε λίγο θόρυβο
περιβάλλοντος, η επίδραση λόγω μεγάλου θορύβου λόγω κυκλοφορία μελετήθηκε
στην μικρότερη κατασκευή.
Η μέγιστη ακτίνα ανίχνευσης πηγής ως προς την διάταξη αισθητήρων ερευνήθηκε
χρησιμοποιώντας το πρότυπο ASTM Ε976-99 πηγών δοκιμής ( θραύση μολυβιού). Σε
ένα μέγιστο, τα σήματα θα μπορούσαν να μετρηθούν χρησιμοποιώντας σήμα-προς-
θόρυβο αναλογία σε μια ακτίνα 10 m. Στην πράξη, θορυβώδη σήματα ΑΕ σε μια
ακτίνα από 4,10 m (μικρή πηγή) και 6,90 m για μια ισχυρή πηγή που παράγεται από
ένα όχημα τύπου forklift πάνω στην κατασκευή ή ένα αυτοκίνητο (βλέπε Εικ. 7,
δεξιά) που χρησιμοποιήθηκαν. Αυτή η σχετικά μεγάλη απόσταση του αισθητήρα
δείχνει ότι διαμόρφωση δέσμης AE μεθόδου πηγής εντοπισμού μπορεί να
παρακολουθεί μια χρήσιμη περιοχή του καταστρώματος της γέφυρας, για
παράδειγμα.
Εικόνα 7.
Εικόνα 8.

16. Αυτές οι τεχνικές έχουν δοκιμαστεί σε μεγαλύτερες προεντεταμένες κατασκευές. Το
μοντέλο καταστρώματος της γέφυρας ήταν φορτωμένο προς τα κάτω, με κάποια
μικρή εκκεντρότητα στα δεξιά του κέντρου (Εικ. 8). Οι καταγεγραμμένες
κυματομορφές AE από προσομοιωμένη ζημιά υποδιαιρούνται σύμφωνα με τη σήμα-
προς-θόρυβο αναλογία σε «Κατηγορίας 1» (καλό), «Κατηγορίας 2» (μέτριο) και
"κατηγορία-Ν" (ενδεχομένως θόρυβος). Τα κριτήρια ταξινόμησης για την ανάθεση
των διάφορων σημάτων στη σωστή ομάδα του ελήφθησαν με την βοήθεια του
αλγόριθμου Στρίντζης K-means(1999), έναν από τους πιο ευρέως διαδεδομένους
(Χαραλαμπίδης 2005, Ruspini 1969). Με τη σύγκριση των εισερχόμενων επίπεδων
ενέργειας των σημάτων από τα διαφορετικά σύνολα στο χρόνο είναι προφανές ότι το
μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας στην κατηγορία-1 σημάτων θα φτάσει νωρίτερα από
ότι στις άλλες δύο κατηγορίες. Η εισερχόμενη ενέργεια μπορεί να συγκριθεί με μια
υποτιθέμενη συνεχή εισροή ενέργειας η οποία θα είχε ως αποτέλεσμα την ίδια
ενέργεια για ένα δεδομένο εύρος παρατήρησης Ν δειγμάτων. Από μαθηματικής
άποψης αυτό αναφέρεται ως
όπου si(n) συμβολίζει τo n-ιοστό δείγμα σήματος στον αισθητήρα i και Ν δηλώνει
τον αριθμό των δειγμάτων που παρατηρήθηκαν. Η συνάρτηση u(n) είναι επομένως
ένα μέτρο της εισερχόμενης δύναμης σε σχέση με μία σταθερή εισροή ενέργειας.
Εξαιτίας των μεγάλων διακυμάνσεων στην ενέργεια των καταγεγραμμένων σημάτων,
όλες οι κυματομορφές κανονικοποιήθηκαν σύμφωνα με την ενέργεια και στους δύο
χώρους ιδιοκτησίας – το διάστημα δειγματοληψίας όλων των κυματομορφών ήταν
1μs. Ουσιαστικά αυτό έκανε τον όρο στα δεξιά του αρνητικού προσήμού στην
εξίσωση που δίνεται παραπάνω περιττό .Η εικόνα 9 δείχνει μερικά παραδείγματα
κατηγοροποιημένων S/N σημάτων, s(n), και τη θέση τους στο κατάστρωμα σε σχέση
με τη διάταξη ΑΕ (υποδεικνύεται από το βέλος) καθώς και τυπικές u(n) λειτουργίες,
οι οποίες κανονικοποιούνται σύμφωνα με το ενεργειακό περιεχόμενο
(εξομαλύνονται).

17. Εικόνα 9
Στο κάτω δεξιό μέρος της εικόνας 8, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα του
εντοπισμού δέσμης καθοδήγησης. Στον διαμορφωτή δέσμης ο οποίος χρησιμοποιείται
εδώ οι καθυστερήσεις υπολογίζονται για μια υποτιθέμενη κατεύθυνση άφιξης για
όλες τις φαινόμενες ταχύτητες του εισερχόμενου κύματος και τα αντίστοιχα σήματα
καθυστερούν σύμφωνα με τους υπολογισμούς που εκτελούνται. Στην περίπτωση κατά
την οποία η πραγματική κατεύθυνση της άφιξης (backazimuth) του εισερχόμενου
κύματος ταιριάζει με την υποτιθέμενη, τα σήματα προσθέτουν συνέπεια και
επιτυγχάνεται το μέγιστο της ενέργειας. Εάν οι υπολογιζόμενες καθυστερήσεις
συμβολίζονται με Δτic η έξοδος του διαμορφωτή δέσμης καθυστέρησης-και-
αθροίσματος μπορεί να δηλωθεί μαθηματικώς σε συνεχή χρόνο ως
κατά την οποία και πάλι η si(n) είναι το n-ιοστό δείγμα σήματος στον αισθητήρα i και
Ns δηλώνει τον αριθμό των αισθητήρων στην συστοιχία και η yc(t) είναι η δέσμη που
σχηματίζεται σύμφωνα με ένα σημείο αναφοράς c. εικόνα 8 δείχνει καλύτερα S/N
αποτελέσματα σε ένα πιο ακριβή εντοπισμό των γεγονότων ΑΕ. Η backazimuth της
κατηγορίας 1 δέσμη εκτείνεται σε ένα εύρος 30ο
και της κατηγορίας 2 σε ένα εύρος
45ο
ενώ η κατηγορία Ν σημάτων είναι λίγο πολύ ασυσχέτιστη.

18. 1.10 Συμπεράσματα.
Η επιθεώρηση των κτιριακών υποδομών είναι σήμερα μια οπτική διαδικασία. Ως εκ
τούτου, η κατάσταση μιας κατασκευής εξετάζεται μόνο στην επιφάνεια, και η
ερμηνεία και η αξιολόγηση βασίζεται στο επίπεδο της εμπειρίας
των μηχανικών. Μια προσέγγιση για συνεχείς τεχνικές παρακολούθησης της υγείας
των κατασκευών βασισμένη σε ασύρματες διατάξεις αισθητήρων ακουστικών
εκπομπών παρουσιάστηκε, η οποία παρέχει στοιχεία ζημίας είτε στο εσωτερικό
ή στην επιφάνεια μιας κατασκευής, επιτρέποντας την καλύτερη εκτίμηση της δομικής
απόδοσης και της ακεραιότητας μιας κατασκευής.
Με βάση την εμπειρία του κατασκευαστή, του ιδιοκτήτη, ή του επιθεωρητή, οι
σημαντικές ζώνες της κατασκευής που χρειάζονται να επιβλέπονται μπορεί να είναι
πολύ περιορισμένες. Σε πολλές περιπτώσεις είναι απαραίτητο να ανιχνεύσει μόνο μια
απόκλιση στη "συνήθης" συμπεριφορά της κατασκευής. Η αξιοπιστία της εκτίμησης
των ζημιών ενισχύεται με συνδυασμό πληροφοριών από διαφορετικές μετρησείς, με
αποτέλεσμα μια δραστική βελτίωση της αξιοπιστίας και το χαμήλωμα του ορίου
ανίχνευσης της φθοράς. Η δημιουργία ενός συσχετισμού μεταξύ των δεδομένων και
των επιδόσεων της κατασκευής είναι δύσκολη και θα πρέπει να βασίζεται στην
εμπειρία του χρήστη, συνεπάγεται μια φυσική εφαρμογή των Bayesian στατιστικών.
Αυτό μπορεί να γίνει με προ-επεξεργασίας δεδομένων στον Mote ή σε ένα
σύμπλεγμα Motes, ένα τεράστιο πλεονέκτημα για τη διαβίβαση όλων των
καταγεγραμμένων δεδομένων. Η ευφυής επεξεργασία δεδομένων στους Motes ή στις
ομάδες Motes χρησιμοποιεί αλγορίθμους αναγνώρισης προτύπων οι οποίοι μπορούν
να μειώσουν σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας.
Ένα σύστημα ασυρμάτου δικτύου αισθητήρων που βασίζεται σε υβριδικούς
αισθητήρες αναπτύχθηκε από μια ομάδα επιστημόνων από διαφορετικούς φορείς
(MPA, UC Berkeley, Smartmote, EMPA Ελβετία). Το δίκτυο είναι βασισμένο στους
Motes και θα είναι χαμηλού κόστους. Δεδομένου ότι τα πρωτότυπα είναι ήδη
διαθέσιμα, το σύστημα διανύει τώρα μια διαδικασία βελτιστοποίησης όσον αφορά
την κατανάλωση ενέργειας, την απόκτηση δεδομένων και ομαδοποίηση, ανάλυση
σημάτων και τη μείωση των δεδομένων (Krüger 2006).
Οι τεχνικές ακουστικών εκπομπών μπορεί να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην
παρακολούθηση των έργων πολιτικού μηχανικού δεδομένου ότι η μέθοδος είναι σε
θέση να ανιχνεύσει σεισμικά κύματα από ζημιές στο εσωτερικό και στην επιφάνεια
μιας κατασκευής πολύ πριν παρουσιαστεί η ζημιά. Ωστόσο, οι περισσότερες από τις
υπάρχουσες τεχνικές ανάλυσης δεδομένων ΑΕ ίσως να μην είναι κατάλληλες για τις
ανάγκες ενός ασύρματου δικτύου. Προκειμένου να ξεπεραστούν θέματα όπως η
ανάγκη για πολλούς αισθητήρες ώστε να περιβάλλουν την περιοχή ζημιών για τον
εντοπισμό της πηγής, και σχετικά ακριβές συγχρονισμό αναγνώριση της πρώτης
άφιξης P-κύματος σε κάθε αισθητήρα, η χρησιμοποίηση της διαμόρφωσης δέσμης
διάταξης επεξεργασίας φαίνεται να αποφέρει θετικά αζιμουθιακή θέση στις πηγές
ΑΕ. Η διαμόρφωση δέσμης λύση απαιτεί μικρή συστοιχία αισθητήρων ΑΕ (4-8)
τοποθετημένα σε έναν στενό κύκλο, στον οποίο όλες οι διατάξεις αισθητήρων
μπορούν να παρακολουθούνται από ένα μόνο Mote, και έτσι μόνο ένα κομμάτι
πληροφοριών θα πρέπει να διαδίδονται πίσω μέσω του δικτύου. Η μέθοδος μπορεί να
αξιοποιήσει κάθε αναγνωρίσιμο τμήμα της καταγραφείσας κυματομορφής, έτσι ώστε
οι χαμηλής ποιότητας αισθητήρες, και η πολύ ισχυρότερη λειτουργία κύματος
Rayleigh, να μπορουν να χρησιμοποιηθούν για την ταυτοποίηση. Οι πρώτες δοκιμές
έδειξαν ενθαρρυντικά αποτελέσματα.

19. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2
Χρήση ακουστικών εκπομπών για επίβλεψη σε
γέφυρες: Κριτική και μελέτες περιπτώσεων.
2.1 Εισαγωγή
Η τρέχουσα κατάσταση των γεφυρών στις Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής απαιτεί
την εφαρμογή ενός συστήματος συνεχούς παρακολούθησης των γεφυρών που μπορεί
να βοηθήσει στην έγκαιρη ανίχνευση βλάβης και να βοηθήσει να επεκτείνει τη
διάρκεια ζωής αυτών των υποδομών. Ένα τυπικό σύστημα παρακολούθησης θα είναι
ένα το οποίο επιτρέπει την μη-επεμβατική, συνεχή παρακολούθηση της κατασκευής.
Η παθητική φύση της τεχνικής για αξιολόγηση της ακουστικής εκπομπής (ΑΕ)
την καθιστά ιδανική επιλογή για να εξυπηρετήσει το σκοπό αυτό. Παρά το γεγονός
ότι η τεχνική αυτή έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία εδώ και δεκαετίες για εντοπισμό
ζημιών σε άλλους τομείς, η δυναμική της στην παρακολούθηση γέφυρα δεν έχει
ακόμη αξιοποιηθεί πλήρως.
Είτε πρόκειται για τον έλεγχο της ποιότητας των γεφυρών υπό κατασκευή ή για την
εκτίμηση της ακεραιότητας των κατασκευών και της παρακολούθησης των
υφιστάμενων γεφυρών, η ευελιξία της μη καταστροφικής αξιολόγησης (NDE),
δικαιολογεί τη χρήση της σε αυτές τις δομές. Από τις πολλές τεχνικές παθητικής NDE
διαθέσιμες σήμερα,οι Α.Ε. είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη για την αξιολόγηση
των δομών των αυτοκινητόδρομων. Ο έλεγχος A.E. είναι ένα πανίσχυρο μη
καταστροφικό εργαλείο ελέγχου για την εξέταση της συμπεριφοράς των υλικών
κατά την παραμόρφωση υπό πίεση σε πραγματικό χρόνο. Οι συνθήκες φόρτου που
υπάρχουν σε γέφυρες είναι γνωστό ότι προκαλούν σε υλικά όπως το μπετόν και ο
χάλυβας να εκπέμπουν ενέργεια σε μορφή ελαστικών κυμάτων εξαιτίας διάφορων
σχετιζομένων με υλικά μηχανισμών ζημιάς. Αυτά τα κύματα συλλέγονται από
αισθητήρες που εφάπτονται στην επιφάνεια του υλικού. Η περαιτέρω αξιολόγηση
πληροφοριών που έχουν συλλεχθεί μας δίνει μια γενική εικόνα ως προς την υγεία της
γέφυρα και βοηθάει να θέσουμε προτεραιότητες ως προς την επισκευή και τη
συντήρηση.
Εδώ θα εστιάσουμε κυρίως στο ρόλο των Α.Ε. στην επίβλεψη των γεφυρών. Στο
πλαίσιο των γεφυρών, μερικά πλεονεκτήματα και περιορισμοί της τεχνική AE θα
αναφερθούν παρακάτω. Το πρώτο μέρος κυρίως εξετάζει τα βασικά της ΑΕ,
καλύπτοντας τα θέματα των απαιτήσεων σε εξοπλισμό, τις μεθόδους μέτρησης, και
τις διάφορες διαθέσιμες τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων. Ακολούθως θα γίνει μία
σύντομη επισκόπηση του σχετικού ερευνητικού έργου που έχει ολοκληρωθεί μέχρι
σήμερα, συμπεριλαμβανομένων τόσο εργαστηριακών δοκιμών όσο και δοκιμών σε
πραγματικές συνθήκες που πραγματοποιούνται σε σκυρόδεμα, χάλυβα και
ενισχυμένα με ίνες πολυμερή (FRP) τα οποία αποτελούν μέρη των γεφυρών. Ακόμα
αναφέρονται εν συντομία οι μελλοντικές προοπτικές ενίσχυση των δυνατοτήτων της
ΑΕ σε συστήματα επίβλεψης γέφυρας. Τέλος απεικονίζονται οι δυνατότητες ενός από
των ποσοτικών τεχνικών επεξεργασίας μέσω δυο υποθέσεων εργασίας.

20. 2.2 Μεθοδολογία της ακουστικής εκπομπής
2.2.1 Βασικά στοιχεία ακουστικής εκπομπής
Οι ΑΕ μια κατηγορία φαινομένων στα οποία παροδικά ελαστικά κύματα
παράγονται από την ταχεία απελευθέρωση ενέργειας από μία συγκεκριμένη πηγή
ή πηγές μέσα σε ένα υλικό. Έτσι, ένα ακουστικό σύστημα παρακολούθησης
ουσιαστικά απαιτεί δύο δομικά συστατικά: μια παραμόρφωση υλικού που θα γίνει η
πηγή, και μορφοτροπείς (transducers) που λαμβάνουν τα κύματα πίεσης που
δημιουργούνται από την πηγή.
Η σχηματική αναπαράσταση που φαίνεται στην Εικ. 10 αντιπροσωπεύει την γενική
αρχή λειτουργίας ενός ακουστικού συστήματος παρακολούθησης. Μια
αναπτυσσόμενη ζημιά εκπέμπει εκρήξεις ενέργειας υπό τη μορφή υψηλής συχνότητας
ηχητικών κυμάτων τα οποία διαδίδονται εντός του υλικού και λαμβάνονται από τους
αισθητήρες.
Εικόνα 10
Σε γενικές γραμμές, οι εκπομπές ακουστικών μπορούν να ταξινομηθούν σε
πρωτογενείς και δευτερογενείς εκπομπές. Οι πρωτογενείς εκπομπές είναι εκείνες που
προέρχονται εντός του εξεταζόμενου υλικού, ενώ οι δευτερεύουσες εκπομπές
αναφέρονται σε όλες τις άλλες εκπομπές που παράγονται από εξωτερικές πηγές. Η
ανίχνευση συμβάντος ακουστικής εκπομπής είναι στενά συνδεδεμένη με τα
χαρακτηριστικά των κυμάτων πίεσης, όπως η λειτουργία κύματος, η εξασθένηση, οι
επιδράσεις των πολλαπλών διαδρομών, και τον αλγόριθμο εντοπισμού θέσης.
Βασικά, υπάρχουν δύο τύποι στρατηγικών παρακολούθησης AE οι οποίοι μπορούν
να υιοθετηθούν καθολικά και τοπικά. Μια καθολική παρακολούθηση βοηθά στο να
έχουμε πρόσβαση στον έλεγχο της ακεραιότητας μια ολόκληρης κατασκευής, ενώ η
τοπική παρακολούθηση δίνει πληροφορίες για μια συγκεκριμένη περιοχή της βλάβης.
Με βάση τη διάρκεια για την οποία απαιτείται παρακολούθηση, η παρακολούθηση
γέφυρας με την χρήση ΑΕ μπορεί επίσης να κατηγοριοποιηθεί σε μακροπρόθεσμη και
βραχυπρόθεσμη. Η μακροπρόθεσμη παρακολούθηση εφαρμόζεται ως επί το πλείστον
σε σενάρια όπου οι γέφυρες είναι σχετικά νέες ή απαιτούν παρακολούθηση ως
συμπλήρωμα μιας τακτικής επιθεώρησης γέφυρας. Η βραχυπρόθεσμη
παρακολούθηση είναι πιο συγκεκριμένη, συνήθως είναι το αποτέλεσμα μιας

21. βραχυπρόθεσμης μελέτης για να ενημερώσουμε την κατάσταση ακεραιότητας της
κατασκευής.
Η τεχνική ΑΕ έχει τόσο πλεονεκτήματα όσο και μειονεκτήματα. Τα πλεονεκτήματα
της τεχνικής AE, στο πλαίσιο της παρακολούθησης γέφυρας είναι τα ακόλουθα:
1. Η ανάπτυξη ζημιών ουσιαστικά παράγει ΑΕ και αυτό είναι το αποτέλεσμα του
φορτίου που ασκείται στην κατασκευή.
2. Οι ΑΕ βρίσκουν εφαρμογή σε τοπικές, καθολικές, απομακρυσμένες και συνεχής
παρακολουθήσεις, χωρίς να εμποδίζουν την κυκλοφορία πάνω στην γέφυρα.
3. Οι αλγόριθμοι εντοπισμού και ανίχνευσης της θέσης της πηγής έχουν βελτιωθεί σε
μεγάλο βαθμό, εξασφαλίζοντας αξιόπιστες αναλύσεις.
4. Οι δυναμικές του υλικού είναι παρατηρήσιμες σε πραγματικό χρόνο λόγω των
τεχνολογικών εξελίξεων στον τομέα των συστημάτων συλλογής.
Τα μειονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι:
1. Αν και το ζήτημα διαχωρισμού του θορύβου περιβάλλοντος έχει διευθετηθεί σε
σημαντικό βαθμό, ο διαχωρισμός σε πραγματικό χρόνο απαιτεί αρκετές συνεδρίες
δοκιμαστικών παρακολουθήσεων και έμπειρο προσωπικό.
2. Οι ποσοτικές αναλύσεις ΑΕ είναι ακόμα δύσκολες στην εφαρμογή σε πραγματικές
γέφυρες.
3. Οι τυποποιημένες διαδικασίες δεν είναι διαθέσιμες για όλους τους τύπους
γεφυρών, γιατί οι περισσότερες απαιτούν γέφυρες με ιδανικές συνθήκες
φορτιού,υλικών κ.τ.λ.
Η μέτρηση των ΑΕ περιλαμβάνει ουσιαστικά τρία βασικά συστατικά: το παραγόμενο
κύμα ΑΕ, ο ανιχνευτικός εξοπλισμός που χρησιμοποιείται για να συλλέξει τα σήματα
ΑΕ, καθώς και την επεξεργασία και την ερμηνεία των συλλεχθέντων δεδομένων. Η
κατανόηση των χαρακτηριστικών διάδοσης των κυμάτων ΑΕ είναι ζωτικής σημασίας
για τη διάκριση των σημαντικών στοιχείων από τις άχρηστες πληροφορίες. Η ΑΕ
είναι ένα ελαστικό κύμα που έχει συνήθως μια ευρυζωνική συχνότητα στην αρχή.
Έτσι, ένα τυπικό κύμα ΑΕ που ανιχνεύεται από έναν αισθητήρα AE είναι ένας
συνδυασμός διαμηκών, εγκαρσίων, ανακλώμενων κυμάτων. Η γνώση των κυμάτων
και των χαρακτηριστικών τους είναι αναγκαία για την εφαρμογή αλγορίθμων
ακριβούς εντοπισμού της πηγής.
Η κύρια λειτουργία τους είναι να ανιχνεύουν παροδικά ελαστικά μηχανικά κύματα
και να τα μετατρέπουν σε ηλεκτρικά σήματα ΑΕ. Σήμερα, μια μεγάλη ποικιλία αυτών
των αισθητήρων είναι εμπορικώς διαθέσιμα (Εικ. 11). Οι κατάλληλοι μετατροπείς
που απαιτούνται για την απόκτηση των δεδομένων επιλέγονται με βάση το σκοπό και
ευαισθησία που απαιτείται για την έρευνα. Οι περισσότεροι ερευνητές προτείνουν τη
χρήση των αισθητήρων συντονισμού, επειδή έχουν υψηλή ευαισθησία σε τυπικές
πηγές ΑΕ. Οι αισθητήρες τοποθετούνται συνήθως πάνω στη κατασκευή, με τη χρήση
συγκολλητικών όπως εποξυκές ρητίνες και ζεστή κόλλα τήξεως, ή με την χρήση
υποστηριγμάτων. Οι προενισχυτές διαθέσιμοι είτε ξεχωριστά, είτε ενσωματωμένοι
με τον αισθητήρα, αποτελούν αναπόσπαστα συστατικά που βελτιώνουν την αναλογία
σήματος προς θόρυβο. Τα σήματα που λαμβάνονται από τους αισθητήρες
συλλέγονται, αποθηκεύονται και υποβάλλονται σε επεξεργασία σε ένα σύστημα
απόκτησης δεδομένων. Εμπορικά συστήματα παρέχουν προσαρμοσμένα λογισμικά
που διευκολύνουν την ποιοτική αξιολόγηση σε πραγματικό χρόνο των δεδομένων που
συλλέγονται από ΑΕ.

22. Εικόνα 11
2.2.2 Ερμηνεία των σημάτων ΑΕ
Τόσο η υποκατασκευή όσο και η υπερκατασκευή των γεφυρών παρουσιάζουν
τυπικές μορφές ζημιάς, οι οποίες μπορεί να περιλαμβάνουν διάβρωση, ρωγμές, και
ζημιές που οφείλονται σε συγκρούσεις, φωτιές ή ραγίσματα λόγω κόπωσης. Κατά την
διάρκεια της παρακολούθησης της υπερκατασκευής, θα πρέπει να αξιολογούνται
προσεκτικά τα κρίσιμα σημεία, όπως οι ζώνες διάτμησης, οι ζώνες έντασης, οι
υποστηρικτικές περιοχές, οι επιρρεπείς σε διάβρωση περιοχές, κλπ.
Πριν από οποιαδήποτε διαδικασία παρακολούθησης, είναι σημαντικό να
κατανοήσουμε όλους τους παράγοντες που μπορούν να επηρεάσουν την ΑΕ, όπως η
ευαισθησία του μορφοτροπέα, ο θόρυβος του περιβάλλοντος κλπ. Ιδιαίτερη προσοχή
θα πρέπει να δωθεί στην εξασθένηση και στην ταχύτητα του κύματος. Αισθητήρες
υψηλών συχνοτήτων τείνουν να εμφανίζουν μεγαλύτερη εξασθένηση σε απόσταση
στα χαλύβδινα μέρη, ενώ σε σύνθετα υλικά όπως το σκυρόδεμα και το FRP η
επίδραση της εξασθένησης είναι πολύ μεγαλύτερη και διαδραματίζει έναν κρίσιμο
ρόλο στον καθορισμό της τοποθέτησης του αισθητήρα και της τοποθεσίας της πηγής.
Συνήθως, τα σήματα που συλλέγονται μπορούν να ταξινομηθούν με βάση διάφορων
χαρακτηριστικών παραμέτρων, όπως το πλάτος, τη διάρκεια κλπ., όπως φαίνεται στο
στην εικ. 12. Υπάρχουν πολυάριθμοι ποιοτικοί όσο και ποσοτικοί τρόποι για να
ερμηνευθούν αυτοί οι παράμετροι σήματος ή οι κυματομορφές. Σαν παράδειγμα
βλέπουμε την παραμετρική ανάλυση του σήματος ΑΕ που οδήγησε σε κριτήρια
αξιολόγησης όπως: (ί) ο λόγος ακεραιότητας δοκού σκυροδέματος (Concrete Beam
Integrity), που ορίζεται ως ο λόγος του φορτίου κατά την έναρξη μιας νέας ΑΕ σε
έναν επόμενο κύκλο φορτίου προς το μέγιστο φορτίο πριν. (ii) Οι λόγοι αδράνειας και
φορτίου του δοκού ενισχυμένου σκυροδέματος. Όπου ο λόγος αδράνειας είναι οι
συνολικές δραστηριότητες ΑΕ κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκφόρτωσης προς
το μέγιστο του τελευταίου κύκλου φόρτωσης και ο λόγος φορτίου είναι η αναλογία
μεταξύ του φορτίου κατά την έναρξη της ΑΕ προς το προηγούμενο φορτίο.
Ένα υλικό υπό την επίδραση φορτίου είναι γνωστό ότι εκπέμπει ακουστικά κύματα
μόνο αφότου υπερβεί το πρωτεύον επίπεδο φορτίου. Αυτό το χαρακτηριστικό
ονομάζεται φαινόμενο του Kaiser, ερευνήθηκε αρχικά από τον Joseph Kaiser το
1950. Το φαινόμενο απεικονίζεται στην εικόνα 13 και όπως φαίνεται εμφανίζεται στο
70 έως 85% της τελικής αντοχής στα υλικά σκυροδέματος. Εν τω μεταξύ, το
φαινόμενο Felicity (απουσίας της επίδρασης Kaiser) σε σύνθετα υλικά οδήγησε στη

23. χρήση του λόγου Felicity για τον εντοπισμό της προόδου της ζημιάς σε αυτά τα
υλικά.
Εικόνα 12 Τυπικό σήμα ΑΕ
Εικόνα 13 Φαινόμενα Kaiser και Felicity
Εν τω μεταξύ, ο ποσοτικός προσδιορισμός μέσω της στατιστικής ανάλυσης των
παραμέτρων έδωσε ώθηση στην χρήση δεικτών ιστορικού και σοβαρότητας για την
αξιολόγηση των δομικών μελών. Αυτή η τεχνική έχει ήδη επιτυχώς εφαρμοστεί

24. πλήρως στις αξιολογήσεις συστήματος σε FRP και μεταλλικών σωληνώσεων. Η
εφαρμογή αυτής της τεχνικής σε γέφυρες σκυροδέματος έχει αναφερθεί στο παρελθόν
από τον Golaski. Μια τυπική ανάλυση της έντασης αξιολογεί την κατασκευαστική
σημασία ενός γεγονότος ΑΕ εντοπίζοντας τις αλλαγές
στην πάροδο του χρόνου μέσω δύο δεικτών γνωστούς ως:
(α) Ο δείκτης ιστορικού, ο οποίος ορίζεται ως η μέτρηση της
αλλαγής της ισχύς του σήματος κατά τη διάρκεια της φάσης φόρτισης της δοκιμής,
και
(β) Ο δείκτης σοβαρότητας, ο οποίος ορίζεται ως η μέση ισχύ του σήματος μεταξύ
των μεγαλύτερων αριθμητικών τιμών του σήματος.
Οι δείκτες υπολογίζονται με τους ακόλουθους τύπους
H(I)- δείκτης ιστορικού
N- αριθμός επιτυχιών μέχρι την στιγμή t
Soi- ισχύς σήματος της i-οστής επιτυχίας
Κ- εμπειρική σταθερά που εξαρτάται από το υλικό
Sr-δείκτης σοβαρότητας
J- εμπειρική σταθερά που εξαρτάται από το υλικό
Som- ισχύς σήματος της m-οστής επιτυχίας όπου το m εξαρτάται από την έκταση της
ισχύς του σήματος
Για το σκυρόδεμα οι τιμές του Κ σχετίζονται με το Ν με τις ακόλουθες σχέσεις
Ν<=15,Κ=0; 16<=N<=75,K=N-15; 76<=N<=1000,K=0.8N; N>=1001,K=N-200;
N<10,J=0; N>=10,J=10.
Αυτοί oι δείκτες αξιολογούνται από τα δεδομένων ισχύς σήματος που συλλέγονται
από τον κάθε αισθητήρα. Ο δείκτης σοβαρότητας και η μέγιστη τιμή του δείκτη
ιστορικού παρίσταται γραφικώς σε ένα διάγραμμα έντασης, το οποίο είναι χωρισμένο
σε ζώνες ζημιών όπως φαίνεται στην Εικ. 14. Η εξάρτηση της τεχνικής από τον
αριθμό των σημείων δεδομένων και των εμπειρικά δωσμένων σταθερών μπορεί να
θεωρηθούν ως περιορισμοί της τεχνικής.