Development of low-cost sensors for structural health monitoring applications

Abstract

(English) There is increasing interest in developing low-cost sensors for economical structural health monitoring of civil engineering infrastructures. In addition to their price, they have the additional benefit of being easily connected to low-cost microcontrollers such as Arduino. A reliable data acquisition system based on Arduino technology can further lower the cost of data collection and monitoring, enabling long-term monitoring at an affordable cost. This thesis proposes the following four high-precision low-cost monitoring systems.Firstly, to correctly measure structural responses, a Cost Hyper-Efficient Arduino Product (CHEAP) has been developed. CHEAP is a system made up of five synchronized accelerometers connected to an Arduino microcontroller that works as a data collecting device. CHEAP is a uniaxial MEMS accelerometer with a sampling frequency of 85 Hz. To validate its performance, laboratory experiments were carried out and the results were compared with those of two high-precision accelerometers (PCB393A03 and PCB 356B18).Secondly, a unique low-cost inclinometer is presented, the Low-cost Adaptable Reliable Angle-meter (LARA), which measures inclination through the fusion of different sensors: five gyroscopes and five accelerometers. LARA combines a microcontroller based on Internet of Things technology (NODEMCU), allows wireless data transmission, and free commercial software for data collection (SerialPlot). To confirm the precision and resolution of this device, its measurements under laboratory conditions were compared with the theoretical ones and with those of a commercial inclinometer (HI-INC). Laboratory results of a load test on a beam demonstrate LARA's remarkable accuracy. It is concluded that the accuracy of LARA is sufficient for its application in detecting bridge damage.Thirdly, the effect of combining similar range sensors to investigate the increase of the accuracy and mitigation of the ambiental noises, is also elucidated. To investigate the sensor combination theory, a measuring equipment composed of 75 contactless ranging sensors controlled by only two microcontrollers (Arduinos), was built. The 75 sensors are 25 HC-SR04 (analog), 25 VL53L0X (digital), and 25 VL53L1X. (digital). In addition, the impact of various environmental conditions on the standard deviation, distribution functions, and error level of these sensors (HC-SR04, VL53L0X, and VL53L1X) is determined.Finally, a novel remote versatile data acquisition system is presented that allows the recording of time with microsecond resolution for the subsequent synchronization of the acquired data of the wireless sensors located at various points of a structure. This functionality is what would allow its application to static or quasi-static load tests or to the modal analysis of structures. The system developed has a noise density of 51 g/Hz and a sampling frequency of 333 Hz. This device was used to identify the eigenfrequencies and modal analysis of several structures (polvorín footbridges in Barcelona and Andoain Bridge, Donostia-San Sebastian). The comparison of the modal analysis of the Andoain Bridge using the acquired data of the developed accelerometer and data acquisition equipment with those of commercial accelerometers (PCB 607A61) were satisfactory.The low-cost accelerometer, inclinometer and data acquisition system developed and validated in this thesis can make SHM and infrastructure damage detection a reality at low cost, long term and remotely.

(Español) Cada vez hay más interés en desarrollar sensores baratos para conocer de manera económica el estado de las infraestructuras civiles. Además de su precio, estos sensores tienen la ventaja añadida de poder conectarse fácilmente a microcontroladores de bajo coste como Arduino. Un sistema fiable de adquisición de datos basado en la tecnología Arduino puede disminuir aún más el coste de la recogida de datos y la monitorización, lo que permitiría una monitorización a largo plazo a un coste asequible. Esta tesis propone los cuatro siguientes sistemas de monitorización de alta precisión y bajo coste.En primer lugar, para medir correctamente las respuestas estructurales, se ha desarrollado el Cost Hyper-Efficient Arduino Product (CHEAP). CHEAP es un sistema compuesto por cinco acelerómetros sincronizados de bajo coste conectados a un microcontrolador Arduino que hace el papel de dispositivo de recogida de datos. CHEAP es un acelerómetro MEMS uniaxial con una frecuencia de muestreo de 85 Hz. Para validar su rendimiento, se efectuaron unos experimentos de laboratorio y sus resultados se compararon con los de dos acelerómetros de alta precisión (PCB393A03 y PCB 356B18). En segundo lugar, se presenta un inclinómetro de bajo coste, un Low-cost Adaptable Reliable Angle-meter (LARA), que mide la inclinación mediante la fusión de distintos sensores: cinco giroscopios y cinco acelerómetros. LARA combina un microcontrolador basado en la tecnología del Internet de las Cosas (NODEMCU), que permite la transmisión inalámbrica de datos, y un software comercial gratuito para la recogida de datos (SerialPlot). Para confirmar la precisión y resolución de este dispositivo, se compararon sus mediciones en condiciones de laboratorio con las teóricas y con las de un inclinómetro comercial (HI-INC). Los resultados de laboratorio de una prueba de carga en una viga demuestran la notable precisión de LARA. Se concluye que la precisión de LARA es suficiente para su aplicación en la detección de daños en puentes.En tercer lugar, también se dilucida el efecto de la combinación de sensores de rango similar para investigar el aumento de la precisión y la mitigación de los ruidos ambientales. Para investigar la teoría de la combinación de sensores, se construyó un equipo de medición compuesto por 75 sensores para la medición de distancias acoplados a dos microcontroladores de Arduino. Los 75 sensores son 25 HC-SR04 (analógicos), 25 VL53L0X (digitales) y 25 VL53L1X (digitales). Además, se determina el impacto de diversas condiciones ambientales en la desviación estándar, las funciones de distribución y el nivel de error de estos sensores.Por último, se presenta un novedoso y versátil sistema de adquisición de datos a distancia que permite el registro del tiempo con una resolución de microsegundos para la sincronización posterior de las lecturas de los sensores inalámbricos situados en diversos puntos de una estructura. Esta funcionalidad es lo que permitiría su aplicación a pruebas de carga estáticas o quasi-estaticas o al análisis modal de las estructuras. El sistema desarrollado tiene una densidad de ruido de 51 g/Hz y una frecuencia de muestreo de 333 Hz. Este dispositivo se utilizó para identificar las frecuencias propias y los modos de vibración de varias estructuras (pasarelas polvorín en Barcelona y Puente de Andoain, Donostia-San Sebastian). Los modos calculados en una de ellas, el Puente de Andoain, a partir de los datos obtenidos con el acelerómetro y sistema de adquisición de datos desarrollado se comparan satisfactoriamente con los de sensores comerciales (PCB 607A61). El acelerómetro, el inclinómetro y el sistema de adquisición de datos de bajo coste desarrollados y validados en esta tesis pueden hacer realidad la SHM y la detección de daños en infraestructuras a bajo coste, a largo plazo y de forma remota.