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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5086 (2023) Citer cet article

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Visant les problèmes de faible sensibilité et de faible précision causés par le mécanisme de transfert de déplacement de trois capteurs de déplacement utilisés simultanément dans la surveillance du déplacement 3D des paliers d'isolation sismique, l'article a proposé un capteur de déplacement 3D rotatif à haute sensibilité. Le capteur ajoute des trous traversants sur la surface de la poutre en porte-à-faux de résistance égale pour former une poutre transversale, ce qui augmente la contrainte de flexion sur la surface de la poutre pour améliorer la sensibilité. En ajoutant un gyroscope et une structure de rotation mécanique, un seul capteur peut mesurer le déplacement 3D en même temps, réduisant les effets néfastes du mécanisme de transmission du déplacement sur la précision de la mesure. Le logiciel ANSYS a été utilisé pour simuler et optimiser les paramètres de la taille du trou traversant du faisceau du capteur afin de déterminer la taille et l'emplacement appropriés du trou traversant. Enfin, le capteur a été développé et ses caractéristiques statiques et ses performances de mesure de déplacement dans l'espace 3D statique et dynamique ont été testées sur la base des résultats de simulation. Les résultats des tests ont montré que le capteur a une sensibilité de 16,29 mV/mm et une précision de 0,9 % dans la plage de 0 à 160 mm. Ses erreurs de mesure de déplacement spatial 3D statique et dynamique sont inférieures à 2 mm, ce qui peut répondre aux exigences de précision de la mesure de déplacement 3D et de la sensibilité pour la surveillance de la santé structurelle des roulements d'isolation sismique.

Ces dernières années, les tremblements de terre se sont produits fréquemment. Les dommages structurels aux maisons survenus lors des tremblements de terre ont entraîné des pertes insupportables pour les personnes1. Les techniques antisismiques traditionnelles sont loin des attentes en matière de tremblements de terre2. Pour réduire fondamentalement l'apport d'énergie sismique à la structure, les ingénieurs ont déplacé leur attention de la « résistance sismique » traditionnelle vers « l'isolation sismique »3. La structure d'isolation sismique est généralement une couche souple d'isolation sismique entre la fondation et la structure supérieure, de sorte que la fondation est en partie déconnectée de la structure supérieure4. De cette manière, la transmission de l'énergie sismique à la structure supérieure peut être isolée, la fréquence d'auto-oscillation de base de la structure supérieure peut être réduite, réduisant ainsi l'impact de l'action sismique sur la structure supérieure5. En prenant les mesures d'isolation sismique, la fréquence d'auto-oscillation de la structure supérieure peut généralement être réduite de 1–6 Hz à 0,2–0,5 Hz, ce qui peut réduire considérablement l'impact des forces sismiques et résister efficacement aux catastrophes directes et secondaires générées par les tremblements de terre6. L'appui d'isolation sismique est le composant clé du système de structure d'isolation sismique. En raison des effets complexes de l'autocharge et de la charge environnementale pendant la construction et l'utilisation, les dommages au système structurel s'accumuleront inévitablement, ce qui entraînera une diminution de la capacité des roulements d'isolation sismique à résister aux catastrophes naturelles7. Non seulement cela affectera l'utilisation normale de la structure de support, mais cela entraînera également certains risques pour la sécurité du bâtiment et augmentera le risque de pertes humaines et économiques causées par le tremblement de terre8. Par conséquent, l'état de santé des paliers d'isolation sismique dans des environnements volatils est devenu le centre d'intérêt de nombreux chercheurs9. La méthode d'évaluation traditionnelle des roulements d'isolation sismique est l'évaluation manuelle, c'est-à-dire le démontage manuel des roulements d'isolation sismique à tester, puis l'évaluation de leur état de santé en fonction de l'apparence, du test de charge, etc.10. Cependant, il existe en réalité un grand nombre d'appuis d'isolation sismique dans les bâtiments d'ingénierie à grande échelle et l'environnement d'installation est complexe11. L'évaluation manuelle est non seulement chronophage, laborieuse, mais également coûteuse12. Avec le développement rapide de la technologie des capteurs, de la technologie de collecte d'informations et de la technologie d'analyse des tests, le système de surveillance de la santé en temps réel et continu des paliers d'isolation sismique a été largement utilisé dans les ponts, les immeubles de grande hauteur, la conservation de l'eau et d'autres domaines d'ingénierie13.

Ces dernières années, les capteurs de déplacement ont fait l'objet d'études approfondies et intensives dans le pays et à l'étranger. Niu et al.14 ont proposé un capteur de déplacement de type résistance à la contrainte, qui utilise des jauges de contrainte pour convertir la déformation en flexion de l'acier à outils en valeurs de déplacement. La plage de mesure de cette structure est de 0 à 500 mm, mais la sensibilité n'est que de 0,098. Lu et al.15 ont proposé le capteur de déplacement FBG basé sur la structure d'amplification elliptique, qui utilise le mécanisme d'amplification de déplacement elliptique pour améliorer la sensibilité, mais la sensibilité dans la plage de mesure de 0 à 100 mm n'est que de 6,1 pm/mm. Li et al.16 ont proposé un capteur de déplacement FBG à ressort intégré, qui améliorait la sensibilité du capteur en collant indirectement la fibre optique nue et le ressort. Il a une bonne réponse linéaire dans la plage de mesure de 0 à 50 mm et la sensibilité du capteur est de 23,96 pm/mm, mais la précision globale n'est que d'environ 4,94 %. Jiao et al.17 ont proposé un système de mesure de déplacement spatial en trois dimensions basé sur le principe de positionnement d'intersection à trois billes, utilisant un appareil pour fixer trois capteurs de déplacement à fils par paires verticalement sur le support de tuyau en acier, et la valeur de déplacement spatial en trois dimensions peut être obtenue par décomposition des coordonnées spatiales. L'erreur de mesure de déplacement spatial tridimensionnel statique du système est inférieure à 2 mm dans la plage de mesure de 0 à 100 mm. Lors de l'utilisation de capteurs pour surveiller la santé des roulements d'isolation sismique, la dégradation ou les dommages des structures de bâtiment peuvent être détectés sans intervention manuelle, mais il existe encore certaines limitations, notamment : (1) Lors de la conception du capteur de déplacement, la sensibilité diminue avec l'augmentation de la plage de mesure. Lors de la mesure dans les gammes moyenne et haute, la sensibilité du capteur est déjà faible ; (2) La précision des résultats d'évaluation de l'état des roulements à isolation sismique dépend dans une large mesure des performances des capteurs. Lors de l'installation de capteurs de déplacement avec des méthodes traditionnelles, ils sont faciles à endommager lorsque le déplacement composé du palier d'isolation sismique se produit, ce qui conduit à sa faible applicabilité ; (3) Dans le processus de surveillance réel du bâtiment, la déformation et le déplacement des roulements d'isolation sismique est une sorte de mouvement composé, qui comprend trois composants de déplacement en X, Y et Z. Lors de la mesure du déplacement d'un seul roulement d'isolation, trois capteurs de déplacement doivent être utilisés en même temps. Cependant, pour s'affranchir des interférences de déplacement dans d'autres directions, un mécanisme de transmission de déplacement sera ajouté à l'extrémité fixe de chaque capteur. De cette façon, cela entraînera le problème d'une erreur accumulée multi-axes excessive et réduira la précision de la mesure.

Par conséquent, pour résoudre les problèmes de faible sensibilité dans les mesures de gamme moyenne et élevée et de faible précision de mesure causés par la déviation du mécanisme de transfert de déplacement, un capteur de déplacement 3D rotatif à haute sensibilité a été proposé dans cet article. Dans le capteur de déplacement conçu, une poutre transversale a été formée en ajoutant des trous traversants sur la surface de la poutre, et la jauge de contrainte a été collée sur la ligne médiane de la poutre transversale, à proximité des surfaces supérieure et inférieure de l'extrémité fixe. De cette manière, la sensibilité du capteur a été améliorée et l'influence de la température sur la précision de la mesure a été réduite ; La conception rotative a été utilisée pour mesurer simultanément le déplacement 3D du palier d'isolation sismique, ce qui a amélioré la précision de mesure du capteur. En utilisant ANSYS18, la simulation statique et l'optimisation de la taille du capteur conçu ont été réalisées, et le capteur de déplacement a été produit en fonction des résultats de la simulation. En utilisant le testeur de distribution magnétique de surface à plate-forme rotative TD8411 et la table de vibration électromagnétique 3D à six degrés de liberté, un système de test de déplacement 3D de capteur a été construit, et la sensibilité et la précision du système ont été testées et analysées.

La structure globale du capteur de déplacement 3D rotatif à haute sensibilité est illustrée à la Fig. 1. Les principaux composants comprennent la tige de guidage de mesure, la poutre en porte-à-faux, la plaque de limite, la base fixe, le gyroscope, le circuit d'acquisition de données, le curseur de coin, l'accouplement à bride, le joint universel croisé et le siège de roulement, etc. L'extrémité libre de la poutre était toujours en contact avec la surface du patin de coin. Le bas du curseur en forme de coin a été installé dans la goulotte de la plaque inférieure. Afin d'éviter que le déplacement vertical du curseur n'affecte les résultats de mesure, une plaque de limite de curseur en forme de coin a été fixée au-dessus de la goulotte, de sorte que le curseur ne puisse se déplacer que dans les directions gauche et droite de la goulotte. Utilisez de la colle époxy pour coller les jauges de contrainte sur les surfaces de la poutre transversale avec une résistance égale, les surfaces supérieure et inférieure dont l'axe de la poutre transversale près de l'extrémité fixe. La jauge de contrainte 1 a été collée sur la surface supérieure et la jauge de contrainte 2 a été collée sur la surface inférieure. La jauge de contrainte et le gyroscope étaient connectés par le circuit d'acquisition de données. Les données de déplacement et d'angle ont été obtenues en temps réel par le logiciel de l'ordinateur supérieur. Après le calcul de décomposition des fonctions trigonométriques associées, la valeur de déplacement 3D des roulements d'isolation sismique a été obtenue. La partie extérieure du capteur était reliée au joint universel croisé et au siège de roulement par l'accouplement à bride, de sorte que le capteur puisse tourner librement. Ceci est pratique pour mesurer l'angle de lacet et l'angle de tangage générés lorsque le palier d'isolation sismique entraîne le capteur à se déplacer.

Schéma de principe de la structure globale du capteur (La figure a été générée par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Comme le montre la Fig. 2, lorsque le déplacement du capteur change de \(\Delta x\), la tige de guidage de mesure entraîne le curseur de coin pour se déplacer de \(\Delta x\), la déviation verticale de l'extrémité libre de la poutre en porte-à-faux est \(\Delta w\) et la variation de sa déformation de surface est \(\Delta \varepsilon\). Par conséquent, la valeur de résistance de la jauge de contrainte attachée à la surface de la poutre en porte-à-faux change et la quantité de changement est \(\Delta R\).

Schéma géométrique à l'intérieur du capteur (La figure a été générée par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Il peut être obtenu à partir des conditions géométriques :

Dans l'éq. (1), \(\theta\) est l'angle d'inclinaison du plan incliné du curseur de coin.

En ignorant l'influence du poids mort de la poutre en porte-à-faux de résistance égale, et selon le principe de la mécanique des matériaux, la relation entre la déformation \(\varepsilon\) sur la surface de la poutre et la déviation verticale \(w\) est la suivante :

Dans l'éq. (2), \(L\) est la longueur de la poutre en porte-à-faux de résistance égale et \(h\) est l'épaisseur de la poutre en porte-à-faux.

Lorsque l'éq. (1) est substitué dans l'Eq. (2), la variation de la déformation superficielle de la poutre en porte-à-faux de même résistance peut être obtenue :

Selon les caractéristiques de la jauge de contrainte elle-même :

Dans l'éq. (4), \(\Delta R\) est le changement de résistance de la jauge de contrainte, R est la résistance de la jauge de contrainte et k est le coefficient de sensibilité de la jauge de contrainte.

En tant que capteur passif qui convertit la contrainte structurelle en changement de résistance, le changement de résistance de la jauge de contrainte peut être ensuite converti en changement de tension ou de courant par un circuit en pont. Puisque la poutre en porte-à-faux et la jauge de contrainte sont dans le même plan, la déformation produite par la poutre en porte-à-faux peut être approximativement considérée comme la déformation de la jauge de contrainte. Lorsque le pont différentiel représenté sur la figure 3 est utilisé pour la détection, la tension de sortie peut en outre être déduite de l'équation. (4):

Schéma du circuit d'amplification de pont différentiel (La figure a été générée par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Dans l'éq. (5), \({R}_{1}\) et \({R}_{2}\) sont des jauges de contrainte inductives, \({R}_{3}\) et \({R}_{4}\) sont des résistances constantes, \({U}_{I}\) est la tension d'entrée et \({U}_{o}\) est la tension de sortie.

Lorsque les mêmes jauges de contrainte de résistance sont connectées aux bras adjacents du pont, c'est-à-dire lorsque \({R}_{1}={R}_{2}\) et \({R}_{3}={R}_{4}\), \({\Delta R}_{1}={\Delta R}_{2}\), et la formule (5) peut être simplifiée comme :

En remplaçant l'Eq. (4) dans l'éq. (6):

En remplaçant l'Eq. (3) dans l'éq. (7), la relation entre le déplacement mesuré \(x\) et la tension de sortie \({U}_{o}\) du circuit en pont différentiel peut être obtenue comme suit :

Pour mesurer simultanément le déplacement du palier d'isolation sismique dans les directions X, Y et Z, le capteur a été fixé à la position \(A-{A}_{0}\) des plaques de connexion supérieure et inférieure du palier d'isolation sismique, comme illustré à la Fig. 4.

Schéma de principe de la mesure de déplacement tridimensionnelle du roulement d'isolement (la figure a été générée par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

La longueur d'étirement initiale \({L}_{0}\) du capteur de déplacement peut être calculée à partir de l'équation. (8). Le gyroscope a été utilisé pour collecter l'angle horizontal initial du capteur, c'est-à-dire l'angle de tangage \({\alpha }_{0}\), et l'angle latéral, c'est-à-dire l'angle de lacet \({\beta }_{0}\). Grâce à la formule de la fonction trigonométrique, les valeurs de déplacement initiales des directions X, Y et Z à l'heure actuelle peuvent être calculées comme suit :

Lorsque le palier d'isolation sismique a été déformé et déplacé par les vibrations, la position des plaques de connexion supérieure et inférieure passe de \(A-{A}_{0}\) à \(A-{A}_{0}^{^{\prime}}\). À ce moment, le capteur de déplacement s'est étiré et a tourné avec le mouvement du palier d'isolation sismique. La longueur d'étirement est \({L}_{t}\), et l'angle de rotation (angle de tangage) et l'angle de lacet deviennent \({\alpha }_{t}\) et \({\beta }_{t}\), respectivement. Les valeurs de déplacement dans les directions X, Y et Z à l'heure actuelle peuvent être calculées comme suit :

De plus, les valeurs de déplacement 3D de l'appui d'isolation sismique peuvent être obtenues comme suit :

Sur la base de la méthode de mesure ci-dessus, le déplacement en traction, l'angle de tangage et l'angle de lacet ont été mesurés par un capteur de déplacement rotatif. Grâce au calcul de décomposition des fonctions trigonométriques, les valeurs de déplacement dans les directions X, Y et Z peuvent être obtenues, réalisant ainsi la mesure de déplacement 3D du palier d'isolation sismique.

En tant que composant central du capteur de déplacement, la taille et la structure de la poutre en porte-à-faux à résistance égale déterminent directement la sensibilité du capteur. Pour obtenir une plus grande sensibilité, la taille et la structure de la poutre en porte-à-faux ont été analysées. La structure en porte-à-faux est illustrée à la Fig. 5 et ses dimensions sont les suivantes : longueur de la poutre en porte-à-faux \(L\), épaisseur \(h\) et largeur de la poutre \(b\). À partir des éqs. (7) et (8), on peut voir que lorsque la tension du pont d'entrée et l'angle d'inclinaison de la goulotte sont fixes, la sensibilité du capteur n'est liée qu'à la contrainte dans la zone de la jauge de contrainte à la surface de la poutre en porte-à-faux, et la contrainte produite à la surface de la poutre en porte-à-faux est déterminée par sa longueur \(L\) et son épaisseur \(h\). Par conséquent, pour obtenir une plus grande sensibilité du capteur, il est nécessaire de concevoir raisonnablement la taille de la poutre en porte-à-faux, de sorte qu'une plus grande contrainte puisse être produite sur sa surface. En utilisant Solidworks19 pour modéliser des poutres en porte-à-faux de différentes tailles et ANSYS pour effectuer une analyse de simulation statique, cet article a étudié la relation entre la longueur \(L\) et l'épaisseur \(h\) de la poutre en porte-à-faux et la déformation de surface de la poutre en porte-à-faux, sous 2,5 mm de la déviation verticale de la poutre en porte-à-faux. Les résultats de la simulation sont présentés à la Fig. 6.

Schéma structurel d'une poutre en porte-à-faux de résistance égale (La figure a été générée par Solidworks 2016 × 64 (https://www.solidworks.com/).

Diagramme 3D de la relation entre la taille de la poutre en porte-à-faux et la déformation (La figure a été générée par Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

On peut voir sur la Fig. 5 que lorsque le déplacement mesuré par la poutre en porte-à-faux est une valeur fixe, plus la valeur \(h\) est grande, plus la valeur \(L\) est petite, plus la contrainte produite sur la surface de la poutre en porte-à-faux est élevée et plus la sensibilité du capteur est élevée. La méthode traditionnelle d'amélioration de la sensibilité adopte généralement la réduction de la longueur \(L\) du faisceau, l'augmentation de l'épaisseur \(h\) du faisceau ou l'augmentation de la différence de hauteur du curseur de coin. Cependant, cela augmentera inévitablement le frottement entre le faisceau et le curseur, la précision de la mesure sera facilement impactée par l'usure du faisceau et du curseur lors d'une mesure alternative à long terme. Par conséquent, dans cet article, quatre trous traversants ont été réalisés à la surface de la poutre en porte-à-faux pour former une poutre transversale. La longueur \ (L \) et l'épaisseur \ (h \) de la poutre en porte-à-faux ont été modifiées indirectement sans modifier la taille de la poutre en porte-à-faux et du curseur de coin d'origine, la contrainte de surface de la poutre transversale a été augmentée, la sensibilité du capteur a été améliorée et l'influence de l'augmentation de la taille de la poutre en porte-à-faux et du curseur de coin sur la précision de mesure alternative à long terme du capteur a été évitée. Les dimensions de la traverse sont : la distance \(M\) entre le centre de la traverse et l'extrémité libre de la poutre en porte-à-faux, la largeur \(a\) de la traverse et le diamètre \(R\) des trous traversants, et sa structure est illustrée à la Fig. 7.

Schéma structurel d'une poutre en porte-à-faux de résistance égale avec traverse (la figure a été générée par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Lorsqu'un trou traversant a été foré à la surface de la poutre en porte-à-faux, la contrainte générée sur la surface de la poutre s'est concentrée dans la zone du trou. Plus le diamètre du trou est grand, plus la contrainte concentrée dans cette zone est importante. Les propriétés mécaniques des matériaux indiquent aux gens que dans la déformation élastique des matériaux métalliques, la déformation de surface de la poutre en porte-à-faux augmente en même temps, sa contrainte de surface augmente également de manière continue. Cependant, la contrainte de surface doit être inférieure à la contrainte admissible du matériau de la poutre en porte-à-faux, sinon la poutre en porte-à-faux sera déformée et endommagée de façon permanente. Par conséquent, les positions du trou traversant sont généralement situées entre la ligne médiane du trapèze isocèle de la poutre et le fond supérieur, et il doit y avoir une distance de sécurité de plus de 2 mm entre la limite du trou traversant et la limite de la poutre en porte-à-faux. Par conséquent, pour augmenter la contrainte de surface de la poutre en porte-à-faux dans la plage de contraintes limitée autorisée des matériaux et obtenir une sensibilité plus élevée, la taille des trous traversants sur la poutre transversale a été sélectionnée comme R = 6 mm. Lorsque d'autres paramètres ont été déterminés, le logiciel Solidworks a été utilisé pour modéliser les poutres transversales avec différents \(M\) et a. De plus, sur la base d'ANSYS, une analyse de simulation statique a été réalisée pour étudier l'influence de deux paramètres clés \(M\) et a sur la déformation de surface de la poutre en porte-à-faux, afin d'obtenir le meilleur paramètre de la poutre transversale. Les résultats de la simulation et leurs courbes d'ajustement sont présentés à la Fig. 8.

Influence des paramètres de la poutre transversale sur la déformation de surface de la poutre en porte-à-faux ((a,b) ont été générés par Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

On peut voir sur la Fig. 8 que lorsque la distance \(M\) entre le centre de la poutre transversale et l'extrémité libre de la poutre en porte-à-faux varie de 15 à 30 mm, la contrainte maximale sur la surface de la poutre transversale et la contrainte maximale sur la surface de la poutre en porte-à-faux diminuent avec l'augmentation de \(M\). La poutre en porte-à-faux est en acier à ressort 65Mn, dont la contrainte admissible est de 523Mpa. Afin d'obtenir la déformation optimale dans les limites de la contrainte admissible, la distance entre le centre de la poutre transversale et l'extrémité libre de la poutre en porte-à-faux est sélectionnée à \(M=25\) mm. Lorsque \(M=25\) mm et que la largeur \(a\) de la poutre transversale varie de 0,4 à 2 mm, la déformation superficielle maximale de la poutre transversale diminue également avec l'augmentation de \(a\). In order to obtain higher sensitivity without impacting the measuring range of the sensor, the distance from the center of the cross beam to the free end of the cantilever beam was selected as \(M=25\) mm, the width of the cross beam \(a=1.2\) mm, the dimension of the through-hole \(R=6\) mm, the length of the cantilever beam \(L=60\) mm, the thickness \(h=1\) mm and the width \(b=15\) mm.

Le circuit d'acquisition de données du capteur est illustré à la Fig. 9, qui est principalement composé d'un gyroscope, d'un capteur de température, d'un circuit amplificateur à pont différentiel et d'un module de commande de micro-ordinateur à puce unique. Le capteur de température recueille la température ambiante du capteur en temps réel, et le module de commande de micro-ordinateur à puce unique utilise une méthode de compensation de température linéaire pour éliminer les effets néfastes causés par la température en fonction de la température actuelle. Le circuit d'amplification de pont différentiel émet le signal de résistance de la jauge de contrainte à travers le pont et l'amplificateur opérationnel, et le module de commande de micro-ordinateur à puce unique a collecté les données de température du capteur de température, la tension du circuit d'amplificateur de pont différentiel et les données d'angle du gyroscope via AD et UART. Par calcul, les données de déplacement 3D du palier d'isolation sismique ont été obtenues et transmises à l'ordinateur supérieur pour stockage.

Schéma fonctionnel du circuit (La figure a été générée par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Dans le circuit amplificateur à pont différentiel, les deux jauges de contrainte \({SG}_{1}\) et \({SG}_{2}\) étaient identiques et dans le même environnement de température. Lorsque le capteur était soumis à un déplacement, pour la résistance des jauges de contrainte \({SG}_{1}\) et \({SG}_{2}\), l'une augmentait et l'autre diminuait. Puisqu'ils étaient sous la même température, les changements de résistance causés par le changement de température étaient les mêmes. Lorsqu'ils étaient connectés à deux bras adjacents du pont, l'erreur non linéaire et l'erreur de température de la jauge de contrainte elle-même pouvaient être compensées, la sensibilité et la précision de la mesure pouvaient être améliorées en même temps. Étant donné que le signal de sortie de la jauge de contrainte était très faible, afin de faciliter l'acquisition et le traitement du module de contrôle du micro-ordinateur à puce unique, cet article a utilisé l'amplificateur opérationnel TP09 pour amplifier le signal. Le composant présente les avantages d'un faible décalage, d'une faible consommation d'énergie, d'une haute précision et d'un taux de réjection de mode commun élevé. Le signal de tension faible a été amplifié 600 fois avec une résistance de précision de 0,1 % et le signal de tension de 0 à 5 V a été émis. Le circuit est illustré à la Fig. 10.

Circuit amplificateur à pont différentiel (la figure a été générée par Altium Designer 2016 (https://www.altium.com.cn/products/downloads)).

Le STM32F103RCT6 avec noyau ARM a été sélectionné comme contrôleur principal du module de contrôle MCU, qui a été intégré à trois ADC 12 bits et deux ports série initiaux, et peut répondre aux exigences d'acquisition de signaux de tension, de température et d'angle. Le gyroscope était le module de capteur d'inclinaison d'attitude WT931 de Witmotion Company. Sa plage de mesure était X, Z ± 180° et Y ± 90°, et sa précision de mesure était de 0,05° en X et Y et 1° en Z. Le module gyroscope communique avec le micro-ordinateur à puce unique STM32 via le port série TTL, qui présente les avantages d'une petite taille, d'une haute précision et d'un taux de retour rapide. Le module de température numérique haute précision DS18B20 a été utilisé comme capteur de température pour réaliser une mesure de température en temps réel. Le module de température était de petite taille et hautement intégré, et pouvait communiquer avec un micro-ordinateur à puce unique sans autres composants périphériques.

Bien que le circuit amplificateur à pont différentiel puisse réduire une partie de l'erreur de dérive de température, sa précision de compensation est limitée, ce qui ne peut pas répondre aux exigences de mesure de haute précision du capteur. Pour réduire davantage l'influence de la dérive de température sur la tension de sortie du capteur, l'article a utilisé le capteur de température haute précision DS18B20 pour collecter la température en temps réel et a construit un modèle logiciel de compensation de température linéaire, comme illustré à la Fig. 11.

Modèle de compensation de température linéaire du logiciel (la figure a été générée par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Sous l'influence du changement de température ambiante, la tension de sortie \({U}_{i}\) du capteur n'est pas seulement une fonction du déplacement appliqué \(X\), mais aussi une fonction de la température \(T\). Lorsque le déplacement standard \(X_{i}\) est appliqué au capteur, sa valeur indicative est :

où \(U_{i}\) est la valeur de tension affichée par le capteur avant compensation de température sous l'application du déplacement standard X.

Sous la température ambiante de 23 °C, n points de détection ont été sélectionnés pour l'étalonnage du déplacement du capteur de déplacement utilisé dans l'expérience, et la tension de sortie du capteur est la suivante :

Modifiez la température du boîtier de contrôle de température sans appliquer aucune action de déplacement au capteur, la tension de sortie du capteur de déplacement à différentes températures a été mesurée comme suit :

En utilisant l'algorithme d'ajustement linéaire basé sur la méthode des moindres carrés, l'équation d'étalonnage de la température a été obtenue par ajustement linéaire de la valeur d'indication du capteur à différentes températures :

où \(a\) et \(b\) sont les coefficients d'ajustement linéaire, \(T\) est la température en temps réel et \(U_{T}\) est la tension de dérive de température à l'heure actuelle.

Enfin, la différence entre la tension mesurée \(U_{i}\) au moment actuel et la tension de sortie de dérive de température \(U_{T}\) dans les conditions de température actuelles ont été faites par le programme du micro-ordinateur monopuce, et la tension de sortie compensée \(U_{o}\) est obtenue :

Selon la taille du capteur de déplacement, le capteur de déplacement 3D rotatif à haute sensibilité est représenté sur la figure 12b. Afin d'étudier les performances de température du capteur de déplacement 3D, un système de test de compensation de température pour le capteur de déplacement a été construit, comme illustré à la Fig. 12. Le capteur a été placé dans le boîtier de contrôle de température MQ-TH1000F-2N produit par Tianjin Zhongke Meiqi Technology Co., Ltd. (plage de mesure : -70 à 170 °C, précision : 0,01 °C), et la tension de sortie du capteur a été collectée par l'ordinateur supérieur en temps réel.

Diagramme schématique du système de test expérimental de température ((a,b) ont été générés par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Tout d'abord, afin de déterminer le coefficient d'ajustement de l'équation d'étalonnage de la température, la température du boîtier de contrôle de la température a été élevée de − 20 à 60 °C. Chaque 10 °C était un gradient, et à chaque fois la température était maintenue pendant 15 min. Une fois que la valeur d'indication de température dans la boîte était stable, la température affichée par la boîte de contrôle de température et la dérive de tension de sortie du capteur ont été enregistrées. Six groupes de données ont été mesurés à plusieurs reprises, et la courbe de sortie changeant avec la température est représentée sur la figure 13a. Étant donné que les données de dérive de température fluctuaient, la valeur moyenne de six groupes de données mesurées a été prise et les données de dérive de température du capteur ont été ajustées linéairement par la méthode des moindres carrés, et les équations de tension de sortie de la dérive de température à différentes températures ont été obtenues. L'équation d'ajustement est la suivante :

Comparaison de la tension de sortie du capteur avant et après la compensation de température ((a,b) ont été générés par Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

L'équation d'étalonnage de la température a été entrée dans le programme MCU, corrigeant la tension de sortie du capteur, pour réaliser la compensation de température. En répétant le flux expérimental ci-dessus, les courbes de tension de sortie avant et après la compensation de température ont été obtenues, comme le montre la figure 13b.

Comme on peut le voir sur la figure 13b, après compensation de température, la tension de sortie du capteur de déplacement a ralenti avec la température et l'erreur de plage de sortie a diminué de 135 à 19 mV. La dérive de température a été améliorée dans une certaine mesure. L'erreur de dérive de température maximale a été réduite de 3,6 à 0,7 %, indiquant que le modèle de compensation de température du capteur était rationnel et pouvait être utilisé pour une compensation de température efficace.

Deuxièmement, étant donné que la température ambiante de la couche d'isolation où se trouve le palier d'isolation est comprise entre 0 et 20 ° C toute l'année, afin de vérifier davantage la stabilité de la température à long terme du capteur dans cette plage, la température du boîtier de contrôle de la température a été augmentée de 0 à 20 ° C, et chaque 5 ° C est un gradient, et chaque fois est maintenu pendant 10 h. Une fois que l'indication de température dans le boîtier est stable, la valeur de tension est enregistrée toutes les 1 h. La durée de l'expérience dure environ 50 h. La courbe de tension de sortie du capteur est illustrée à la Fig. 14.

Courbe de tension de sortie du capteur dans différentes plages de température (la figure a été générée par Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Comme le montre la Fig. 14, la tension de sortie du capteur fluctue légèrement dans la plage de température de 0 à 20 °C. En prenant la valeur d'échantillonnage du point de température à 23 °C comme point de référence, l'erreur de dérive de température maximale n'est que de 0,4 %, ce qui indique que le capteur a une bonne stabilité à température constante à long terme.

Pour comparer les performances statiques de différents capteurs de déplacement, l'expérience de comparaison est menée en utilisant le transducteur de position KTC-160 mm produit par Hermitt. Ensuite, un système d'étalonnage statique pour le capteur de déplacement est construit avec une plage de mesure de - 900 à 900 mm et une précision de 0,5 mm, en utilisant le testeur de distribution magnétique de surface à plate-forme rotative TD8411 produit par Tianheng Measurement and Control Company, ainsi que le multimètre numérique 34410A et l'alimentation CC U8002A produits par Agilent Company. Le schéma fonctionnel du système et le schéma physique sont représentés sur la figure 15, respectivement.

Système d'étalonnage statique du capteur de déplacement ((a,b,c) ont été générés par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Fixez l'extrémité de serrage de la plate-forme de chargement de déplacement 3D avec la tige de guidage de mesure du capteur de déplacement 3D et du transducteur de position, puis tournez le bouton de réglage de déplacement dans la direction X avec un pas de 10 mm, et tirez l'échelle de 0 mm à 160 mm en séquence selon la course positive ; Arrêtez-vous à chaque point de déplacement pendant 3 à 5 s jusqu'à ce que la tension de sortie soit stable, puis enregistrez les données de tension à ce moment ; Après enregistrement, réduisez le déplacement de 160 à 0 mm en course inverse. L'ensemble du processus doit être testé en continu 3 fois. La figure 16 montre la valeur de la tension de sortie correspondant à chaque point de déplacement dans les expériences 3 fois.

Diagramme chronologique de 3 tests de déplacement ((a,b) ont été générés par Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

La valeur moyenne arithmétique des six groupes de données de la figure 16 a été obtenue et les données ont été ajustées en ligne droite par la méthode des moindres carrés. Les résultats sont présentés à la Fig. 17.

Ligne d'ajustement linéaire de la valeur de tension de sortie et du déplacement ((a,b) ont été générés par Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

On peut voir sur la ligne d'ajustement que lorsque la plage de mesure est de 160 mm, la sensibilité de déplacement du capteur de déplacement 3D est de 16,29 mV/mm, le coefficient de corrélation linéaire est de 0,9999, la linéarité est de 0,36 %, l'erreur d'hystérésis est de 0,45 % et l'erreur de répétabilité est de 0,69 %. La précision totale du capteur peut être calculée à 0,9 % par la méthode de la racine carrée. En comparaison, le transducteur de position a une sensibilité de déplacement de 14,13 mV/mm, un coefficient de corrélation linéaire de 0,9999, une linéarité de 0,8 %, une erreur d'hystérésis de 0,37 % et une erreur de répétabilité de 0,27 %, avec une précision totale de 0,92 %.

De plus, les résultats des tests montrent que le capteur de déplacement 3D a une sensibilité supérieure de 15 % par rapport au capteur de position commercial. Alors que la linéarité, l'erreur d'hystérésis et l'erreur de répétabilité des deux capteurs de déplacement ont leurs propres avantages et inconvénients, la précision totale est comparable. Par conséquent, le capteur de déplacement 3D présente de meilleures performances de mesure de déplacement.

Afin de vérifier davantage la précision et la fiabilité de la mesure de déplacement 3D statique du capteur, une plate-forme de test de déplacement 3D a été reconstruite à l'aide du testeur de distribution magnétique de surface à plate-forme rotative TD8411, comme illustré à la Fig. La tension de sortie et l'angle du capteur ont été enregistrés par l'ordinateur supérieur, et le déplacement d'étirement 3D du capteur a été obtenu.

Plate-forme de test de déplacement spatial 3D (La figure a été générée par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

La position fixe initiale du capteur de déplacement 3D a été définie comme l'origine A (0, 0, 0), B (50, 50, − 10), C (50, 50, 0), D (100, 100, 0) et E (100, 100, 10) ont été prédéfinis dans l'espace. Déplacez-vous tour à tour du point A au point E à une distance et une direction fixes, et restez à chaque point pendant environ 3 s. Le diagramme schématique du mouvement du point de mesure est illustré à la Fig. 19.

Schéma de principe du mouvement des points de mesure (La figure a été générée par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Les valeurs de tension et d'angle collectées et enregistrées par l'ordinateur supérieur ont été calculées par formule, et le déplacement correspondant dans les directions X, Y et Z a été obtenu. Ensuite, la forme d'onde de données a été lissée par Origin et la courbe de forme d'onde de déplacement 3D a été obtenue comme indiqué sur la Fig. 20.

Courbe de variation des déplacements dans les directions X, Y et Z (La figure a été générée par Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Comme on peut le voir sur la Fig. 20, lorsque l'étape de déplacement change, elle augmente ou diminue avec des fluctuations, car la rotation artificielle du bouton de réglage de déplacement ne peut pas maintenir une vitesse constante pendant le changement d'étape. Par conséquent, la forme d'onde changera en fonction de l'amplitude de rotation et de la fréquence du bouton de réglage du déplacement, ce qui entraînera des changements de forme d'onde irréguliers, qui reflètent également le changement de la forme d'onde avec la position réelle. Lorsque le déplacement dans la direction Z de la section B – C diminue et que le déplacement dans la direction Z de la section D – E augmente, le déplacement dans la direction X et le déplacement dans la direction Y augmentent et diminuent également avec une faible amplitude ; Lors du processus d'augmentation du déplacement dans les directions X et Y de la section C – D, le déplacement dans la direction Z augmente également légèrement, car la connexion entre la tige de guidage de mesure du capteur et l'extrémité de serrage de la plate-forme de chargement de déplacement 3D est instable. Lorsqu'il fonctionne, la partie fixe de la tige de guidage de mesure et la base d'appui seront légèrement déformées par la force, ce qui entraînera des erreurs dans la mesure des déplacements restants des composants.

Les données ont été interceptées lorsque le capteur a été étiré aux points A, B, C, D avec un état stable, et les coordonnées correspondant aux points ont été soustraites pour obtenir les erreurs de mesure de déplacement dans les directions X, Y et Z, comme illustré à la Fig. 21.

Erreurs de déplacement mesurées dans les directions X, Y, Z (la figure a été générée par Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Comme on peut le voir sur la figure 21, les erreurs de mesure des données de déplacement dans les directions X, Y et Z sont toutes inférieures à 2 mm. L'erreur de mesure peut être causée par une fixation inadéquate entre la tige de guidage de mesure et l'extrémité de serrage de la plate-forme de chargement de déplacement. Lorsque le bouton de déplacement a été ajusté manuellement, la déformation entre la plate-forme de chargement de déplacement et le capteur s'est produite, ce qui a entraîné de légères erreurs. Les résultats expérimentaux ont montré que le capteur était précis et fiable dans la mesure du déplacement 3D statique.

Lorsque le bâtiment isolé sismique est soumis à des vibrations terrestres, une translation lente se produit entre les paliers d'isolation sismique et leur bâtiment supérieur connecté, et la fréquence naturelle horizontale de base varie de 0,2 à 0,5 Hz. Pour vérifier les performances de mesure dynamique du déplacement 3D du capteur de déplacement 3D près de la plage de fréquences, une table de vibration électromagnétique 3D à six degrés de liberté du Hebei Provincial Key Laboratory of Earthquake Disaster Prevention and Risk Assessment, Disaster Prevention Technology College, a été utilisée pour simuler le déplacement dynamique des paliers d'isolation sismique. Le système de test dynamique de déplacement spatial 3D est illustré à la Fig. 22. La table de vibration électromagnétique 3D à six degrés de liberté était principalement composée d'un plateau, d'une base, d'un servo-vérin électrique et d'une armoire de commande. La taille du plateau de table était de 1,5 × 1,5 m et la charge maximale était de 2000 kg. L'accélération horizontale maximale de la table était de ± 2 g, l'accélération verticale maximale était de ± 1,5 g, la course maximale était de ± 10 cm et la fréquence de travail était de 0 à 60 Hz, ce qui pouvait répondre au déplacement et à la plage de fréquence requis par cette expérience.

Système de test dynamique de déplacement spatial 3D ((a,b) ont été générés par Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Avant l'expérience, la table vibrante a été hissée dans une zone fixe et un contrepoids en plomb y a été installé pour garantir son bon fonctionnement. La hauteur du support de fixation du capteur a été ajustée et la tige de guidage de mesure du capteur de déplacement entre le support et le plateau de la table a été fixée. Le circuit du capteur et de la table vibrante a été vérifié pour éliminer l'influence de l'erreur humaine et d'autres facteurs sur le fonctionnement normal du système. Le processus expérimental était le suivant : réglage de l'ordinateur supérieur de l'extrémité de commande de la table vibrante pour que la table produise des signaux d'excitation sinusoïdaux avec une amplitude de déplacement de 10 mm dans les directions X et Y seules et dans les directions X et Y ensemble. La gamme de fréquences était de 0,1 à 5 Hz. Parmi eux, 0,1 Hz a été pris comme taille de pas entre 0,1 et 1 Hz, et 1 Hz a été pris comme taille de pas entre 1 et 5 Hz. Ensuite, l'amplitude de déplacement du sinus a été fixée à 50 mm, la plage de fréquences était de 0,1 à 1,7 Hz et l'expérience a été répétée avec 0,1 Hz comme taille de pas. La figure 23 est une courbe de comparaison entre les données de déplacement du capteur de déplacement et la courbe sinusoïdale standard à la fréquence de 0,9 Hz et une amplitude de déplacement de 10 mm. La valeur de crête maximale du déplacement de sortie du capteur de déplacement dans chaque plage de fréquences a été sélectionnée pour faire la différence avec la valeur mesurée, et l'erreur de mesure à chaque point de test de fréquence lorsque l'amplitude du capteur de déplacement était de 10 mm et 50 mm a été obtenue, comme illustré à la Fig. 24.

Comparaison du déplacement mesuré et du déplacement standard avec une fréquence mesurée de 0,9 Hz et un déplacement de 10 mm ((a,b,c,d) ont été générés par Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Erreur de mesure maximale du capteur à différentes fréquences ((a,b) ont été générés par Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Comme on peut le voir sur les Fig. 23 et 24, en raison de la limitation des performances de la table de vibration, l'amplitude de déplacement dans les étapes initiale et finale n'a pas pu atteindre la cible définie, et les données de déplacement sinusoïdal mesurées par le capteur dans d'autres étapes de déplacement étaient fondamentalement cohérentes avec l'onde sinusoïdale standard. Lorsque l'amplitude du déplacement sinusoïdal était de 10 mm, avec le changement de fréquence, l'erreur de mesure causée par l'action unique et l'action conjointe des directions X et Y avait une petite plage de variation, comprise entre ± 0,23 mm. L'erreur relative était de 2,5 %. Cependant, lorsque l'amplitude du déplacement sinusoïdal était de 50 mm, l'erreur de mesure causée par l'action unique et l'action conjointe des directions X et Y variait considérablement, toutes deux comprises entre 1,5 mm. L'erreur relative était de 3 %, ce qui était inférieur à celui de la mesure d'amplitude de déplacement de 10 mm, ce qui indique que le capteur a de bonnes performances de mesure de déplacement dynamique.

Dans cet article, un capteur de déplacement 3D rotatif à haute sensibilité a été proposé. La poutre en porte-à-faux et la structure mécanique à résistance égale du capteur ont été spécialement conçues pour améliorer la sensibilité et la précision du capteur et réaliser en même temps une mesure de déplacement 3D. Grâce à la combinaison de l'analyse de simulation et de la vérification expérimentale, la conception optimale et le test de performance du capteur conçu ont été réalisés. Les résultats ont montré que la plage de mesure du capteur est de 160 mm, la sensibilité est d'environ 16,29 mV/mm, la précision peut atteindre 0,9 % et les erreurs de mesure de déplacement 3D statique et dynamique sont inférieures à 2 mm. Comparé à d'autres types de capteurs de déplacement utilisés dans la surveillance de l'état des roulements d'isolation sismique, le faisceau en porte-à-faux à résistance égale du capteur conçu dans cet article adopte une conception à trou traversant de type traverse, qui augmente la contrainte de flexion de la surface du faisceau pour améliorer la sensibilité ; Après avoir ajouté un gyroscope et des structures rotatives mécaniques, un capteur peut être utilisé pour mesurer le déplacement tridimensionnel du roulement d'isolement, en même temps, il peut être utilisé pour réduire l'effet négatif du mécanisme de transmission de déplacement sur la précision de la mesure. Il présente les avantages d'une sensibilité élevée, d'une précision de mesure élevée et d'une forte applicabilité. Cependant, il reste beaucoup de place pour s'améliorer dans une certaine mesure. En fait, l'environnement de travail du roulement d'isolement est généralement sombre et humide, si le capteur fonctionne dans cet état pendant une longue période, les performances du capteur seront affectées, car les composants mécaniques et électroniques internes du capteur peuvent tomber en panne dans cet état. Par conséquent, le schéma d'origine peut être encore amélioré, de sorte que le capteur puisse être appliqué à l'étude de surveillance de la santé des paliers d'isolation sismique dans les ponts, les immeubles de grande hauteur, la conservation de l'eau et d'autres domaines d'ingénierie dès que possible.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude actuelle sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Ce travail a été soutenu par les fonds ouverts pour le Hebei Key Laboratory of Seismic Disaster Instruments and Monitoring Technology (Grant No FZ224105), le deuxième lot de nouveaux projets de recherche et de pratique en ingénierie du ministère de l'Éducation (Grant No E-SXWLHXLX20202607), les fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales (Grant No ZY20215101).

Institute of Disaster Prevention, School of Electronic Science and Control Engineering, Sanhe, 065201, Hebei, Chine

Jianxian Cai, Tao Jiang, Zhitao Gao et Yan Shi

Hebei Key Laboratory of Earthquake Disaster Instrumentation and Monitoring Technology, Sanhe, 065201, Hebei, Chine

Jianxian Cai, Tao Jiang, Zhitao Gao et Yan Shi

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JC Supervision de la rédaction et des analyses du manuscrit, TJ et ZG Concevoir la structure du capteur, être responsable de l'expérience du capteur et rédiger le texte principal du manuscrit. et YS Traitement des pièces du capteur, analyse des résultats expérimentaux et préparation des Figs. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Jianxian Cai.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Cai, J., Jiang, T., Gao, Z. et al. Un capteur de déplacement 3D rotatif à haute sensibilité. Sci Rep 13, 5086 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32178-3

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Reçu : 31 octobre 2022

Accepté : 23 mars 2023

Publié: 29 mars 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-32178-3

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