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Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5086 (2023) Citar este artículo

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Apuntando a los problemas de baja sensibilidad y baja precisión causados por el mecanismo de transferencia de desplazamiento de tres sensores de desplazamiento utilizados simultáneamente en el monitoreo de desplazamiento 3D de cojinetes de aislamiento sísmico, el documento ha propuesto un sensor de desplazamiento 3D giratorio de alta sensibilidad. El sensor agrega orificios pasantes en la superficie de la viga en voladizo de igual resistencia para formar una viga transversal, lo que aumenta la tensión de flexión en la superficie de la viga para mejorar la sensibilidad. Al agregar un giroscopio y una estructura de rotación mecánica, un solo sensor puede medir el desplazamiento 3D al mismo tiempo, lo que reduce los efectos adversos del mecanismo de transmisión del desplazamiento en la precisión de la medición. El software ANSYS se utilizó para simular y optimizar los parámetros del tamaño del orificio pasante del haz del sensor para determinar el tamaño y la ubicación adecuados del orificio pasante. Finalmente, se desarrolló el sensor y se probaron sus características estáticas y el rendimiento de medición de desplazamiento en el espacio 3D estático y dinámico en función de los resultados de la simulación. Los resultados de la prueba han demostrado que el sensor tiene una sensibilidad de 16,29 mV/mm y una precisión del 0,9 % en el rango de 0 a 160 mm. Sus errores de medición de desplazamiento espacial 3D estáticos y dinámicos son inferiores a 2 mm, lo que puede cumplir con los requisitos de precisión de la medición de desplazamiento 3D y la sensibilidad para el monitoreo de la salud estructural de los cojinetes de aislamiento sísmico.

En los últimos años, los desastres causados por terremotos han ocurrido con frecuencia. Los daños estructurales en las casas que ocurren durante los terremotos han traído pérdidas insoportables para las personas1. Las técnicas tradicionales de protección contra terremotos están lejos de las expectativas en los terremotos2. Para reducir fundamentalmente la entrada de energía sísmica a la estructura, los ingenieros han cambiado su enfoque de la tradicional "resistencia sísmica" al "aislamiento sísmico"3. La estructura de aislamiento sísmico es generalmente una capa de aislamiento sísmico flexible entre la cimentación y la estructura superior, de modo que la cimentación está hasta cierto punto desconectada de la estructura superior4. De esta manera, se puede aislar la transmisión de energía sísmica a la estructura superior, se puede reducir la frecuencia básica de autooscilación de la estructura superior, reduciendo así el impacto de la acción sísmica en la estructura superior5. Al tomar las medidas de aislamiento sísmico, la frecuencia de auto-oscilación de la estructura superior generalmente se puede reducir de 1 a 6 Hz a 0,2 a 0,5 Hz, lo que puede reducir significativamente el impacto de las fuerzas sísmicas y resistir de manera efectiva los desastres directos y secundarios generados por terremotos6. El rodamiento de aislamiento sísmico es el componente clave del sistema de estructura de aislamiento sísmico. Debido a los complejos efectos de la carga propia y ambiental durante la construcción y el uso, el daño del sistema estructural inevitablemente se acumulará, lo que resultará en una disminución de la capacidad del cojinete de aislamiento sísmico para resistir los desastres naturales7. No solo afectará el uso normal de la estructura de soporte, sino que también traerá ciertos riesgos de seguridad al edificio y aumentará el riesgo de víctimas y pérdidas económicas causadas por el terremoto8. Por lo tanto, el estado de salud de los apoyos de aislamiento sísmico en ambientes volátiles se ha convertido en el foco de atención de muchos académicos9. El método de evaluación tradicional de los cojinetes de aislamiento sísmico es la evaluación manual, es decir, el desmantelamiento manual de los cojinetes de aislamiento sísmico que se van a probar y luego evaluar su estado de salud en función de la apariencia, la prueba de carga, etc.10. Sin embargo, en realidad hay una gran cantidad de apoyos de aislamiento sísmico en edificios de ingeniería a gran escala y el entorno de instalación es complejo11. La evaluación manual no solo requiere mucho tiempo y es laboriosa, sino también costosa12. Con el rápido desarrollo de la tecnología de sensores, la tecnología de recopilación de información y la tecnología de análisis de pruebas, el sistema de monitoreo continuo y en tiempo real de la salud de los cojinetes de aislamiento sísmico se ha utilizado ampliamente en puentes, edificios de gran altura, conservación de agua y otros campos de ingeniería13.

En los últimos años, los sensores de desplazamiento se han estudiado extensa e intensamente en el país y en el extranjero. Niu et al.14 propusieron un sensor de desplazamiento del tipo de deformación por resistencia, que utiliza galgas extensométricas para convertir la deformación por flexión del acero para herramientas en valores de desplazamiento. El rango de medición de esta estructura es de 0 a 500 mm, pero la sensibilidad es de solo 0,098. Lu et al.15 propusieron el sensor de desplazamiento FBG basado en la estructura de amplificación elíptica, que utiliza el mecanismo de amplificación de desplazamiento elíptico para mejorar la sensibilidad, pero la sensibilidad dentro del rango de medición de 0 a 100 mm es solo de 6,1 pm/mm. Li et al.16 propusieron un sensor de desplazamiento FBG integrado en un resorte, que mejoró la sensibilidad del sensor al pegar indirectamente la fibra óptica desnuda y el resorte. Tiene una buena respuesta lineal dentro del rango de medición de 0 a 50 mm y la sensibilidad del sensor es de 23,96 pm/mm, pero la precisión general es de solo un 4,94 %. Jiao et al.17 propusieron un sistema de medición de desplazamiento espacial tridimensional basado en el principio de posicionamiento de intersección de tres bolas, utilizando un accesorio para fijar sensores de desplazamiento de tres cables en pares verticalmente al soporte de la tubería de acero, y el valor de desplazamiento espacial tridimensional se puede obtener a través de la descomposición de coordenadas espaciales. El error de medición del desplazamiento espacial tridimensional estático del sistema es inferior a 2 mm dentro del rango de medición de 0 a 100 mm. Cuando se utilizan sensores para monitorear la salud de los cojinetes de aislamiento sísmico, la degradación o el daño de las estructuras de los edificios se pueden detectar sin intervención manual, pero aún existen algunas limitaciones, que incluyen: (1) Al diseñar el sensor de desplazamiento, la sensibilidad disminuye con el aumento del rango de medición. Al medir en el rango medio y alto, la sensibilidad del sensor ya es baja; (2) La precisión de los resultados de la evaluación de la salud de los cojinetes de aislamiento sísmico depende en gran medida del rendimiento de los sensores. Al instalar sensores de desplazamiento con métodos tradicionales, es fácil que se dañen cuando se produce el desplazamiento compuesto del cojinete de aislamiento sísmico, lo que conduce a su escasa aplicabilidad; (3) En el proceso de monitoreo real del edificio, la deformación y el desplazamiento de los cojinetes de aislamiento sísmico es una especie de movimiento compuesto, que incluye tres componentes de desplazamiento en X, Y y Z. Al medir el desplazamiento de un solo cojinete de aislamiento, se deben usar tres sensores de desplazamiento al mismo tiempo. Sin embargo, para superar la interferencia del desplazamiento en otras direcciones, se agregará un mecanismo de transmisión de desplazamiento al extremo fijo de cada sensor. De esta manera, causará el problema de un error acumulado excesivo en varios ejes y reducirá la precisión de la medición.

Por lo tanto, para resolver los problemas de baja sensibilidad en la medición de rango medio y alto y la baja precisión de la medición causada por la desviación del mecanismo de transferencia de desplazamiento, en este documento se propuso un sensor de desplazamiento 3D giratorio de alta sensibilidad. En el sensor de desplazamiento diseñado, se formó una viga transversal agregando orificios pasantes en la superficie de la viga, y la galga extensométrica se pegó en la línea central de la viga transversal, cerca de las superficies superior e inferior del extremo fijo. De esta manera, se mejoró la sensibilidad del sensor y se redujo la influencia de la temperatura en la precisión de la medición; El diseño rotatorio se utilizó para medir simultáneamente el desplazamiento 3D del cojinete de aislamiento sísmico, lo que mejoró la precisión de medición del sensor. Mediante el uso de ANSYS18, se llevó a cabo la simulación estática y la optimización del tamaño del sensor diseñado, y se produjo el sensor de desplazamiento de acuerdo con los resultados de la simulación. Al usar el probador de distribución magnética de superficie de plataforma giratoria TD8411 y la mesa de vibración electromagnética 3D de seis grados de libertad, se construyó un sistema de prueba de desplazamiento 3D del sensor, y se probaron y analizaron la sensibilidad y la precisión del sistema.

La estructura general del sensor de desplazamiento 3D giratorio de alta sensibilidad se muestra en la Fig. 1. Los componentes principales incluyen varilla de guía de medición, viga en voladizo, placa de límite, base fija, giroscopio, circuito de adquisición de datos, deslizador de cuña, acoplamiento de brida, cruz universal junta y asiento del cojinete, etc. Un extremo de la varilla de guía de medición se fijó con el control deslizante en forma de cuña a través de roscas, y el otro extremo pasó a través de la carcasa, de esta manera el desplazamiento externo se puede transmitir al control deslizante en forma de cuña. El extremo libre de la viga siempre estuvo en contacto con la superficie de la cuña deslizante. La parte inferior del deslizador en forma de cuña se instaló en el conducto de la placa inferior. Para evitar que el desplazamiento vertical del control deslizante afectara los resultados de la medición, se fijó una placa límite del control deslizante en forma de cuña sobre la rampa, de modo que la corredera solo pudiera moverse a lo largo de la dirección izquierda y derecha de la rampa. Use pegamento epoxi para pegar los medidores de tensión en las superficies de la viga transversal con la misma fuerza, las superficies superior e inferior que la línea central de la viga transversal cerca del extremo fijo. La galga extensométrica 1 se pegó en la superficie superior y la galga extensométrica 2 se pegó en la superficie inferior. El medidor de tensión y el giroscopio estaban conectados por el circuito de adquisición de datos. Los datos de desplazamiento y ángulo fueron obtenidos en tiempo real por el software de la computadora superior. Después del cálculo de descomposición de las funciones trigonométricas relacionadas, se obtuvo el valor de desplazamiento 3D de los cojinetes de aislamiento sísmico. La parte exterior del sensor se conectó con la junta universal cruzada y el asiento del cojinete a través del acoplamiento de brida, de modo que el sensor pudiera girar libremente. Esto es conveniente para medir el ángulo de guiñada y el ángulo de inclinación generados cuando el cojinete de aislamiento sísmico impulsa el movimiento del sensor.

Diagrama esquemático de la estructura general del sensor (La figura fue generada por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Como se muestra en la Fig. 2, cuando el desplazamiento del sensor cambia en \(\Delta x\), la varilla de guía de medición hace que el deslizador de cuña se mueva en \(\Delta x\), la desviación vertical del extremo libre de la viga en voladizo es \(\Delta w\), y la variación de su deformación superficial es \(\Delta \varepsilon\). Por lo tanto, el valor de resistencia de la galga extensiométrica unida a la superficie de la viga en voladizo cambia, y la cantidad de cambio es \(\Delta R\).

Diagrama geométrico dentro del sensor (La figura fue generada por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Se puede obtener a partir de las condiciones geométricas:

En la ecuación. (1), \(\theta\) es el ángulo de inclinación del plano inclinado del deslizador de cuña.

Ignorando la influencia del peso muerto de la viga en voladizo de igual resistencia, y de acuerdo con el principio de la mecánica de materiales, la relación entre la deformación \(\varepsilon\) en la superficie de la viga y la deflexión vertical \(w\) es la siguiente:

En la ecuación. (2), \(L\) es la longitud de la viga en voladizo de igual resistencia, y \(h\) es el espesor de la viga en voladizo.

Cuando la ecuación. (1) se sustituye en la Ec. (2), la variación de la deformación superficial de la viga en voladizo de igual resistencia se puede obtener:

Según las características de la propia galga extensométrica:

En la ecuación. (4), \(\Delta R\) es el cambio de la resistencia de la galga extensométrica, R es la resistencia de la galga extensométrica y k es el coeficiente de sensibilidad de la galga extensométrica.

Como sensor pasivo que convierte la tensión estructural en un cambio de resistencia, el cambio de resistencia de la galga extensiométrica se puede convertir aún más en un cambio de voltaje o corriente mediante un circuito de puente. Dado que la viga en voladizo y la galga extensométrica están en el mismo plano, la deformación producida por la viga en voladizo puede considerarse aproximadamente como la deformación de la galga extensométrica. Cuando se usa el puente diferencial que se muestra en la Fig. 3 para la detección, el voltaje de salida se puede deducir aún más de la ecuación. (4):

Diagrama del circuito de amplificación del puente diferencial (La figura fue generada por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

En la ecuación. (5), \({R}_{1}\) y \({R}_{2}\) son galgas extensiométricas inductivas, \({R}_{3}\) y \({R}_ {4}\) son resistencias constantes, \({U}_{I}\) es el voltaje de entrada y \({U}_{o}\) es el voltaje de salida.

Cuando se conectan las mismas galgas extensométricas de resistencia a los brazos adyacentes del puente, es decir, cuando \({R}_{1}={R}_{2}\) y \({R}_{3}= {R}_{4}\), \({\Delta R}_{1}={\Delta R}_{2}\), y la fórmula (5) se puede simplificar como:

Sustituyendo la Ec. (4) en la ecuación. (6):

Sustituyendo la Ec. (3) en la ecuación. (7), la relación entre el desplazamiento medido \(x\) y el voltaje de salida \({U}_{o}\) del circuito del puente diferencial se puede obtener de la siguiente manera:

Para medir el desplazamiento del cojinete de aislamiento sísmico en las direcciones X, Y y Z simultáneamente, el sensor se fijó en la posición \(A-{A}_{0}\) de la placa de conexión superior e inferior del cojinete de aislamiento sísmico , como se muestra en la figura 4.

Diagrama esquemático de la medición del desplazamiento tridimensional del cojinete de aislamiento (La figura fue generada por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

La longitud de estiramiento inicial \({L}_{0}\) del sensor de desplazamiento se puede calcular a partir de la ecuación. (8). Se utilizó un giroscopio para recopilar el ángulo horizontal inicial del sensor, es decir, el ángulo de cabeceo \({\alpha }_{0}\), y el ángulo lateral, es decir, el ángulo de guiñada \({\beta }_{0}\ ). A través de la fórmula de la función trigonométrica, los valores de desplazamiento inicial de las direcciones X, Y y Z en el momento actual se pueden calcular de la siguiente manera:

Cuando el cojinete de aislamiento sísmico se deforma y desplaza por la vibración, la posición de la placa de conexión superior e inferior cambia de \(A-{A}_{0}\) a \(A-{A}_{0}^{ ^{\principal}}\). En ese momento, el sensor de desplazamiento se estiró y giró con el movimiento del cojinete de aislamiento sísmico. La longitud de estiramiento es \({L}_{t}\), y el ángulo de rotación (ángulo de cabeceo) y el ángulo de guiñada se convierten en \({\alpha }_{t}\) y \({\beta }_{t }\), respectivamente. Los valores de desplazamiento en las direcciones X, Y y Z en el momento actual se pueden calcular de la siguiente manera:

Además, los valores de desplazamiento 3D del cojinete de aislamiento sísmico se pueden obtener de la siguiente manera:

Basándose en el método de medición anterior, el desplazamiento de tracción, el ángulo de cabeceo y el ángulo de guiñada se midieron mediante un sensor de desplazamiento giratorio. A través del cálculo de descomposición de funciones trigonométricas, se pueden obtener los valores de desplazamiento en las direcciones X, Y y Z, realizando así la medición de desplazamiento 3D del cojinete de aislamiento sísmico.

Como componente central del sensor de desplazamiento, el tamaño y la estructura de la viga en voladizo con igual fuerza determina directamente la sensibilidad del sensor. Para obtener una mayor sensibilidad, se analizaron el tamaño y la estructura de la viga en voladizo. La estructura en voladizo se muestra en la Fig. 5, y sus dimensiones son: longitud de la viga en voladizo \(L\), espesor \(h\) y ancho de la viga \(b\). De las Ecs. (7) y (8), se puede observar que cuando la tensión del puente de entrada y el ángulo de inclinación del chute son fijos, la sensibilidad del sensor solo está relacionada con la deformación en el área de la galga extensométrica en la superficie del voladizo viga, y la tensión producida en la superficie de la viga en voladizo está determinada por su longitud \(L\) y espesor \(h\). Por lo tanto, para obtener una mayor sensibilidad del sensor, es necesario diseñar el tamaño de la viga en voladizo razonablemente, de modo que se pueda producir una mayor tensión en su superficie. Mediante el uso de Solidworks19 para modelar vigas en voladizo con diferentes tamaños y ANSYS para llevar a cabo un análisis de simulación estática, este artículo investigó la relación entre la longitud \(L\) y el espesor \(h\) de la viga en voladizo y la deformación superficial de la viga en voladizo, por debajo de 2,5 mm de la flecha vertical de la viga en voladizo. Los resultados de la simulación se muestran en la Fig. 6.

Diagrama esquemático estructural de una viga en voladizo de igual resistencia (La figura fue generada por Solidworks 2016 × 64 (https://www.solidworks.com/).

Diagrama 3D de la relación entre el tamaño de la viga en voladizo y la deformación (La figura fue generada por Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Se puede ver en la Fig. 5 que cuando el desplazamiento medido por la viga en voladizo es un valor fijo, cuanto mayor sea el valor de \(h\), menor será el valor de \(L\), mayor será la deformación producida en la superficie de el haz en voladizo, y cuanto mayor sea la sensibilidad del sensor. El método tradicional de mejorar la sensibilidad generalmente adopta la reducción de la longitud \(L\) del haz, aumentando el grosor \(h\) del haz o aumentando la diferencia de altura del deslizador de cuña. Sin embargo, esto inevitablemente aumentará la fricción entre la viga y el control deslizante, la precisión de la medición se verá afectada fácilmente por el desgaste de la viga y el control deslizante durante la medición recíproca a largo plazo. Por lo tanto, en este documento, se hicieron cuatro orificios pasantes en la superficie de la viga en voladizo para formar una viga transversal. La longitud \(L\) y el espesor \(h\) de la viga en voladizo se cambiaron indirectamente sin cambiar el tamaño de la viga en voladizo original y el deslizador de cuña, se incrementó la tensión superficial de la viga transversal, se aumentó la sensibilidad del sensor mejorado, y se evitó la influencia del aumento de tamaño de la viga en voladizo y el deslizador de cuña en la precisión de medición recíproca a largo plazo del sensor. Las dimensiones de la viga transversal son: la distancia \(M\) desde el centro de la viga transversal hasta el extremo libre de la viga en voladizo, el ancho \(a\) de la viga transversal y el diámetro \(R\) del paso -agujeros, y su estructura se muestra en la Fig. 7.

Diagrama esquemático estructural de una viga en voladizo de igual resistencia con una viga transversal (la figura fue generada por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Cuando se perforó un orificio pasante en la superficie de la viga en voladizo, la deformación generada en la superficie de la viga se concentró en el área del orificio. Cuanto mayor sea el diámetro del agujero, mayor será la tensión concentrada en esta área. Las propiedades mecánicas de los materiales le dicen a la gente que en la deformación elástica de los materiales metálicos, la tensión superficial de la viga en voladizo aumenta al mismo tiempo, su tensión superficial también aumenta continuamente. Sin embargo, la tensión superficial debe ser menor que la tensión admisible del material de la viga en voladizo, de lo contrario, la viga en voladizo se deformará y dañará permanentemente. Por lo tanto, las posiciones del orificio pasante generalmente se ubican entre la línea media del trapezoide isósceles de la viga y la parte inferior superior, y debe haber una distancia segura de más de 2 mm entre el límite del orificio pasante y el límite de la viga en voladizo. Por lo tanto, para aumentar la deformación superficial de la viga en voladizo dentro del rango de tensión admisible limitado de los materiales y obtener una mayor sensibilidad, se seleccionó el tamaño de los orificios pasantes en la viga transversal como R = 6 mm. Cuando se determinaron otros parámetros, se utilizó el software Solidworks para modelar vigas transversales con diferentes \(M\) y a. Además, basado en ANSYS, se llevó a cabo un análisis de simulación estática para estudiar la influencia de dos parámetros clave \(M\) y a en la deformación superficial de la viga en voladizo, a fin de obtener el mejor parámetro de la viga transversal. Los resultados de la simulación y sus curvas de ajuste se muestran en la Fig. 8.

Influencia de los parámetros de la viga transversal en la deformación superficial de la viga en voladizo ((a, b) fueron generados por Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Se puede ver en la Fig. 8 que cuando la distancia \(M\) desde el centro de la viga transversal hasta el extremo libre de la viga en voladizo varía de 15 a 30 mm, la deformación máxima en la superficie de la viga transversal y la la tensión máxima en la superficie de la viga en voladizo disminuye con el aumento de \(M\). La viga en voladizo está hecha de acero para muelles de 65Mn, cuya tensión admisible es de 523Mpa. Para obtener la deformación óptima dentro de la tensión admisible, la distancia entre el centro de la viga transversal y el extremo libre de la viga en voladizo se selecciona como \(M=25\) mm. Cuando \(M=25\) mm, y el ancho \(a\) de la viga transversal varía de 0,4 a 2 mm, la deformación superficial máxima de la viga transversal también disminuye con el aumento de \(a\). Para obtener una mayor sensibilidad sin afectar el rango de medición del sensor, la distancia desde el centro de la viga transversal hasta el extremo libre de la viga en voladizo se seleccionó como \(M=25\) mm, el ancho de la viga transversal \(a=1,2\) mm, la dimensión del orificio pasante \(R=6\) mm, la longitud de la viga en voladizo \(L=60\) mm, el espesor \(h=1\) mm y el ancho \(b=15\) mm.

El circuito de adquisición de datos del sensor se muestra en la Fig. 9, que se compone principalmente de giroscopio, sensor de temperatura, circuito amplificador de puente diferencial y módulo de control de microcomputadora de un solo chip. El sensor de temperatura recopila la temperatura ambiente del sensor en tiempo real, y el módulo de control de microcomputadora de un solo chip utiliza un método de compensación de temperatura lineal para eliminar los efectos adversos causados por la temperatura de acuerdo con la temperatura actual. El circuito amplificador de puente diferencial emite la señal de resistencia de la galga extensiométrica a través del puente y el amplificador operacional, y el módulo de control de microcomputadora de un solo chip recopiló los datos de temperatura del sensor de temperatura, el voltaje del circuito amplificador de puente diferencial y los datos de ángulo de el giroscopio a través de AD y UART. A través del cálculo, se obtuvieron los datos de desplazamiento 3D del cojinete de aislamiento sísmico y se enviaron a la computadora superior para su almacenamiento.

Diagrama de bloques del circuito (La figura fue generada por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

En el circuito del amplificador de puente diferencial, las dos galgas extensométricas \({SG}_{1}\) y \({SG}_{2}\) eran idénticas y se encontraban en el mismo entorno de temperatura. Cuando el sensor fue sometido a desplazamiento, para la resistencia de las galgas extensiométricas \({SG}_{1}\) y \({SG}_{2}\), una aumentó y la otra disminuyó. Como estaban a la misma temperatura, los cambios de resistencia causados por el cambio de temperatura fueron los mismos. Cuando se conectaron a dos brazos adyacentes del puente, el error no lineal y el error de temperatura de la propia galga extensiométrica se pudieron compensar, y la sensibilidad y la precisión de la medición se pudieron mejorar al mismo tiempo. Dado que la señal de salida de la galga extensométrica era muy débil, para facilitar la adquisición y el procesamiento del módulo de control de microcomputadora de un solo chip, este documento utilizó el amplificador operacional TP09 para amplificar la señal. El componente tiene las ventajas de baja compensación, bajo consumo de energía, alta precisión y alta relación de rechazo de modo común. La señal de voltaje débil se amplificó 600 veces con una resistencia de precisión del 0,1% y se emitió la señal de voltaje de 0–5 V. El circuito se muestra en la Fig. 10.

Circuito amplificador de puente diferencial (La figura fue generada por Altium Designer 2016 (https://www.altium.com.cn/products/downloads)).

STM32F103RCT6 con núcleo ARM fue seleccionado como el controlador principal del módulo de control MCU, que se integró con tres ADC de 12 bits y dos puertos seriales iniciales, y puede cumplir con los requisitos de adquisición de señal de voltaje, temperatura y ángulo. El giroscopio era un módulo de sensor de inclinación de actitud WT931 de Witmotion Company. Su rango de medición fue X, Z ± 180° e Y ± 90°, y su precisión de medición fue de 0,05° en los ejes X e Y y 1° en el eje Z. El módulo de giroscopio se comunica con la microcomputadora de un solo chip STM32 a través del puerto serial TTL, que tiene las ventajas de tamaño pequeño, alta precisión y tasa de retorno rápida. El módulo de temperatura digital de alta precisión DS18B20 se utilizó como sensor de temperatura para realizar mediciones de temperatura en tiempo real. El módulo de temperatura era de tamaño pequeño y estaba altamente integrado, y podía comunicarse con una microcomputadora de un solo chip sin otros componentes periféricos.

Aunque el circuito amplificador de puente diferencial puede reducir parte del error de la deriva de temperatura, su precisión de compensación es limitada, lo que no puede cumplir con los requisitos de medición de alta precisión del sensor. Para reducir aún más la influencia de la deriva de temperatura en el voltaje de salida del sensor, el artículo ha utilizado un sensor de temperatura de alta precisión DS18B20 para recopilar la temperatura en tiempo real y ha construido un modelo de compensación de temperatura lineal de software, como se muestra en la Fig. 11.

Modelo de compensación de temperatura lineal de software (La figura fue generada por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Bajo la influencia del cambio de temperatura ambiente, el voltaje de salida \({U}_{i}\) del sensor no es solo una función del desplazamiento aplicado \(X\), sino también una función de la temperatura \(T \). Cuando se aplica el desplazamiento estándar \(X_{i}\) al sensor, su valor de indicación es:

donde \(U_{i}\) es el valor de voltaje mostrado por el sensor antes de la compensación de temperatura bajo la aplicación del desplazamiento estándar X.

Bajo la temperatura ambiente de 23 °C, se seleccionaron n puntos de detección para la calibración de desplazamiento del sensor de desplazamiento utilizado en el experimento, y el voltaje de salida del sensor es el siguiente:

Cambie la temperatura de la caja de control de temperatura sin aplicar ninguna acción de desplazamiento al sensor, el voltaje de salida del sensor de desplazamiento a diferentes temperaturas se midió de la siguiente manera:

Utilizando el algoritmo de ajuste lineal basado en el método de mínimos cuadrados, la ecuación de calibración de temperatura se obtuvo mediante el ajuste lineal del valor de indicación del sensor a diferentes temperaturas:

donde \(a\) y \(b\) son los coeficientes de ajuste lineal, \(T\) es la temperatura en tiempo real y \(U_{T}\) es el voltaje de desviación de temperatura en el momento actual.

Por último, la diferencia entre el voltaje medido \(U_{i}\) en el momento actual y el voltaje de salida de deriva de temperatura \(U_{T}\) bajo la condición de temperatura actual se realizó mediante el programa de microcomputadora de un solo chip, y se obtiene el voltaje de salida compensado \(U_{o}\):

De acuerdo con el tamaño del sensor de desplazamiento, el sensor de desplazamiento 3D giratorio de alta sensibilidad se muestra en la Fig. 12b. Para estudiar el rendimiento de temperatura del sensor de desplazamiento 3D, se construyó un sistema de prueba de compensación de temperatura para el sensor de desplazamiento, como se muestra en la Fig. 12. El sensor se colocó en la caja de control de temperatura MQ-TH1000F-2N producida por Tianjin Zhongke Meiqi Technology Co., Ltd. (rango de medición: − 70 a 170 °C, precisión: 0,01 °C), y la computadora superior recopiló el voltaje de salida del sensor en tiempo real.

Diagrama esquemático del sistema de prueba experimental de temperatura ((a,b)fueron generados por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

En primer lugar, para determinar el coeficiente de ajuste de la ecuación de calibración de temperatura, se elevó la temperatura de la caja de control de temperatura de -20 a 60 °C. Cada 10 °C se hizo un gradiente, y cada vez se mantuvo la temperatura durante 15 min. Después de que el valor de indicación de temperatura en el cuadro se estabilizó, se registraron la temperatura mostrada por el cuadro de control de temperatura y la desviación del voltaje de salida del sensor. Se midieron repetidamente seis grupos de datos, y la curva de salida que cambia con la temperatura se muestra en la Fig. 13a. Dado que los datos de deriva de temperatura fluctúan, se tomó el valor promedio de seis grupos de datos medidos y los datos de deriva de temperatura del sensor se ajustaron linealmente mediante el método de mínimos cuadrados, y se obtuvieron las ecuaciones de voltaje de salida de deriva de temperatura a diferentes temperaturas. La ecuación de ajuste es la siguiente:

Comparación del voltaje de salida del sensor antes y después de la compensación de temperatura ((a,b) fueron generados por Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

La ecuación de calibración de temperatura se ingresó en el programa MCU, corrigiendo el voltaje de salida del sensor, para realizar la compensación de temperatura. Al repetir el flujo experimental anterior, se obtuvieron las curvas de voltaje de salida antes y después de la compensación de temperatura, como se muestra en la Fig. 13b.

Como se puede ver en la Fig. 13b, después de la compensación de temperatura, el voltaje de salida del sensor de desplazamiento disminuyó con la temperatura y el error de rango de salida disminuyó de 135 a 19 mV. La deriva de la temperatura se mejoró hasta cierto punto. El error máximo de desviación de temperatura se redujo de 3,6 a 0,7 %, lo que indica que el modelo de compensación de temperatura del sensor era racional y podía usarse para una compensación de temperatura efectiva.

En segundo lugar, dado que la temperatura ambiente de la capa de aislamiento donde se ubica el cojinete de aislamiento está entre 0 y 20 °C durante todo el año, para verificar aún más la estabilidad de temperatura a largo plazo del sensor dentro de este rango, la temperatura del La caja de control de temperatura se elevó de 0 a 20 °C, y cada 5 °C es un gradiente, y cada vez se mantiene durante 10 h. Después de que la indicación de temperatura en el cuadro sea estable, el valor del voltaje se registra cada 1 hora. La duración del experimento dura unas 50 h. La curva de voltaje de salida del sensor se muestra en la Fig. 14.

Curva de voltaje de salida del sensor en diferentes rangos de temperatura (La figura fue generada por Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Como se puede ver en la Fig. 14, el voltaje de salida del sensor fluctúa suavemente dentro del rango de temperatura de 0 a 20 °C. Tomando el valor de muestreo del punto de temperatura a 23 °C como punto de referencia, el error máximo de desviación de la temperatura es solo del 0,4 %, lo que indica que el sensor tiene una buena estabilidad a temperatura constante a largo plazo.

Para comparar el rendimiento estático de diferentes sensores de desplazamiento, el experimento de comparación se realiza utilizando el transductor de posición KTC-160 mm producido por Hermitt. Luego, se construye un sistema de calibración estática para el sensor de desplazamiento que tiene un rango de medición de – 900 a 900 mm y una precisión de 0,5 mm, utilizando el probador de distribución magnética de superficie de plataforma giratoria TD8411 producido por Tianheng Measurement and Control Company, junto con el multímetro digital 34410A y la fuente de alimentación de CC U8002A producida por Agilent Company. El diagrama de bloques del sistema y el diagrama físico se muestran en la Fig. 15, respectivamente.

Sistema de calibración estática del sensor de desplazamiento ((a,b,c) fueron generados por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Fije el extremo de sujeción de la plataforma de carga de desplazamiento 3D con la varilla de guía de medición del sensor de desplazamiento 3D y el transductor de posición, luego gire la perilla de ajuste de desplazamiento en la dirección X con un tamaño de paso de 10 mm y tire de la escala de 0 mm hasta 160 mm completos en secuencia según la carrera positiva; Deténgase en cada punto de desplazamiento durante 3–5 s hasta que el voltaje de salida sea estable, luego registre los datos de voltaje en este momento; Después de registrado, reduzca el desplazamiento de 160 a 0 mm en carrera inversa. Todo el proceso debe probarse continuamente 3 veces, la Fig. 16 muestra el valor del voltaje de salida correspondiente a cada punto de desplazamiento en los experimentos de 3 veces.

Diagrama de historial de tiempo de 3 pruebas de desplazamiento ((a, b) fueron generados por Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Se obtuvo el valor medio aritmético de los seis grupos de datos de la Fig. 16 y los datos se ajustaron en línea recta por el método de mínimos cuadrados. Los resultados se muestran en la Fig. 17.

Línea de ajuste lineal del valor y desplazamiento del voltaje de salida ((a,b) fueron generados por Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Se puede ver en la línea de ajuste que cuando el rango de medición es de 160 mm, la sensibilidad de desplazamiento del sensor de desplazamiento 3D es de 16,29 mV/mm, el coeficiente de correlación lineal es de 0,9999, la linealidad es de 0,36 %, el error de histéresis es de 0,45 %. , y el error de repetibilidad es 0,69%. La precisión total del sensor se puede calcular en un 0,9 % mediante el método de la raíz de la suma cuadrada. En comparación, el transductor de posición tiene una sensibilidad de desplazamiento de 14,13 mV/mm, un coeficiente de correlación lineal de 0,9999, una linealidad de 0,8 %, un error de histéresis de 0,37 % y un error de repetibilidad de 0,27 %, con una precisión total de 0,92 %

Además, los resultados de la prueba muestran que el sensor de desplazamiento 3D tiene una sensibilidad un 15 % más alta en comparación con el transductor de posición comercial. Si bien la linealidad, el error de histéresis y el error de repetibilidad de los dos sensores de desplazamiento tienen sus propias ventajas y desventajas, la precisión total es comparable. Por lo tanto, el sensor de desplazamiento 3D muestra un mejor rendimiento de medición de desplazamiento.

Para verificar aún más la precisión y confiabilidad de la medición de desplazamiento 3D estático del sensor, se reconstruyó una plataforma de prueba de desplazamiento 3D utilizando el probador de distribución magnética de superficie de plataforma giratoria TD8411, como se muestra en la Fig. 18. Se arregló la varilla guía de medición del sensor de desplazamiento 3D en la plataforma de carga de desplazamiento 3D, usando la perilla de desplazamiento en la plataforma para mover el punto de prueba a una distancia y dirección fijas en el espacio, impulsando así el sensor de desplazamiento 3D para medir la varilla guía para moverse a una distancia y dirección fijas. La computadora superior registró el voltaje de salida y el ángulo del sensor, y se obtuvo el desplazamiento de estiramiento 3D del sensor.

Plataforma de prueba de desplazamiento espacial 3D (La figura fue generada por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

La posición fija inicial del sensor de desplazamiento 3D se estableció como el origen A (0, 0, 0), B (50, 50, − 10), C (50, 50, 0), D (100, 100, 0) y E (100, 100, 10) se preestablecieron en el espacio. Muévase del punto A al punto E a una distancia y dirección fijas, y quédese en cada punto durante aproximadamente 3 s. El diagrama esquemático del movimiento del punto de medición se muestra en la Fig. 19.

Diagrama esquemático del movimiento de los puntos de medición (La figura fue generada por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Los valores de voltaje y ángulo que recolectó y registró la computadora superior se calcularon por fórmula y se obtuvieron los desplazamientos correspondientes en las direcciones X, Y y Z. Luego, Origin suavizó la forma de onda de datos y se obtuvo la curva de forma de onda de desplazamiento 3D como se muestra en la Fig. 20.

Curva de variación de desplazamientos en las direcciones X, Y y Z (La figura fue generada por Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Como se puede ver en la Fig. 20, cuando cambia la etapa de desplazamiento, subirá o bajará con fluctuaciones, porque la rotación artificial de la perilla de ajuste de desplazamiento no puede mantener una velocidad constante durante el cambio de etapa. Por lo tanto, la forma de onda cambiará de acuerdo con la amplitud de rotación y la frecuencia de la perilla de ajuste de desplazamiento, lo que dará como resultado cambios de forma de onda irregulares, que también reflejan el cambio de forma de onda con la posición real. Cuando el desplazamiento en la dirección Z de la sección B–C disminuye y el desplazamiento en la dirección Z de la sección D–E aumenta, el desplazamiento en la dirección X y el desplazamiento en la dirección Y también aumentan y disminuyen en una pequeña amplitud; En el proceso de aumentar el desplazamiento en las direcciones X e Y de la sección C–D, el desplazamiento en la dirección Z también aumenta ligeramente, porque la conexión entre la varilla guía de medición del sensor y el extremo de sujeción de la plataforma de carga de desplazamiento 3D es inestable. Cuando funciona, la parte fija de la varilla guía de medición y la base del cojinete se deformarán levemente por la fuerza, lo que generará errores en la medición de los desplazamientos de los componentes restantes.

Los datos se interceptaron cuando el sensor se estiró a los puntos A, B, C, D con un estado estable, y se restaron las coordenadas correspondientes a los puntos para obtener los errores de medición de desplazamiento en las direcciones X, Y y Z, como se muestra en la Fig. 21.

Errores de desplazamiento medidos en las direcciones X, Y, Z (La figura fue generada por Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Como puede verse en la Fig. 21, los errores de medición de los datos de desplazamiento en las direcciones X, Y y Z son todos inferiores a 2 mm. El error de medición puede deberse a una fijación inadecuada entre la varilla guía de medición y el extremo de sujeción de la plataforma de carga de desplazamiento. Cuando la perilla de desplazamiento se ajustó manualmente, se produjo la deformación entre la plataforma de carga de desplazamiento y el sensor, lo que provocó errores leves. Los resultados experimentales han demostrado que el sensor era preciso y fiable para medir el desplazamiento 3D estático.

Cuando el edificio aislado sísmicamente está sujeto a la vibración de la tierra, se producirá una traducción lenta entre los cojinetes de aislamiento sísmico y su edificio superior conectado, y la frecuencia natural horizontal básica oscila entre 0,2 y 0,5 Hz. Para verificar el rendimiento de la medición dinámica de desplazamiento 3D del sensor de desplazamiento 3D cerca del rango de frecuencia, se utilizó una mesa de vibración electromagnética 3D de seis grados de libertad del Laboratorio Provincial Clave de Evaluación de Riesgos y Prevención de Desastres por Terremotos de Hebei, Facultad de Tecnología de Prevención de Desastres. para simular el desplazamiento dinámico de los apoyos de aislamiento sísmico. El sistema de prueba de desplazamiento espacial dinámico en 3D se muestra en la Fig. 22. La mesa de vibración electromagnética de seis grados de libertad en 3D estaba compuesta principalmente por una mesa, una base, un cilindro servoeléctrico y un gabinete de control. El tamaño de la superficie de la mesa era de 1,5 × 1,5 m, y el peso máximo de carga era de 2000 kg. La aceleración horizontal máxima de la mesa fue de ± 2 g, la aceleración vertical máxima fue de ± 1,5 g, la carrera máxima fue de ± 10 cm y la frecuencia de trabajo fue de 0 a 60 Hz, lo que podría cumplir con el desplazamiento y el rango de frecuencia requerido por este experimento.

Sistema de prueba de desplazamiento espacial dinámico en 3D ((a,b)fueron generados por Microsoft Visio Professional 2016 (https://www.microsoft.com/zh-CN/download/details.aspx?id=51188)).

Antes del experimento, la mesa de vibración se levantó en un área fija y se le instaló un contrapeso de plomo para garantizar que pueda seguir funcionando sin problemas. Se ajustó la altura del soporte de fijación del sensor y se fijó la varilla guía de medición del sensor de desplazamiento entre el soporte y la parte superior de la mesa. Se revisó el circuito del sensor y la mesa de vibración para eliminar la influencia del error humano y otros factores en el funcionamiento normal del sistema. El proceso del experimento fue el siguiente: ajustar la computadora superior del extremo de control de la mesa de vibración para hacer que la mesa emita señales de excitación sinusoidal con una amplitud de desplazamiento de 10 mm cuando solo en la dirección X e Y y en las direcciones X e Y juntas. El rango de frecuencia fue de 0,1 a 5 Hz. Entre ellos, se tomó 0,1 Hz como tamaño de paso entre 0,1 y 1 Hz, y 1 Hz como tamaño de paso entre 1 y 5 Hz. Luego, la amplitud de desplazamiento del seno se fijó en 50 mm, el rango de frecuencia fue de 0,1 a 1,7 Hz y el experimento se repitió con 0,1 Hz como tamaño de paso. La figura 23 es una curva de comparación entre los datos de desplazamiento del sensor de desplazamiento y la curva sinusoidal estándar a la frecuencia de 0,9 Hz y una amplitud de desplazamiento de 10 mm. Se seleccionó el valor pico máximo del desplazamiento de salida del sensor de desplazamiento en cada rango de frecuencia para hacer una diferencia con el valor medido, y el error de medición en cada punto de prueba de frecuencia cuando la amplitud del sensor de desplazamiento era de 10 mm y 50 mm. obtenido, como se muestra en la Fig. 24.

Comparación del desplazamiento medido y el desplazamiento estándar con una frecuencia medida de 0,9 Hz y un desplazamiento de 10 mm ((a,b,c,d) fueron generados por Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Error máximo de medición del sensor en varias frecuencias ((a,b) fueron generados por Origin 2016 × 64 (https://www.originlab.com/2016)).

Como puede verse en las Figs. 23 y 24, debido a la limitación de rendimiento de la mesa de vibración, la amplitud de desplazamiento en las etapas inicial y final no pudo alcanzar el objetivo establecido, y los datos de desplazamiento sinusoidal medidos por el sensor en otras etapas de desplazamiento fueron básicamente consistentes con el sinusoidal estándar ola. Cuando la amplitud del desplazamiento sinusoidal fue de 10 mm, con el cambio de frecuencia, el error de medición causado por la acción simple y la acción conjunta de las direcciones X e Y tuvo un pequeño rango de cambio, que estuvo entre ± 0,23 mm. El error relativo de fue del 2,5%. Sin embargo, cuando la amplitud del desplazamiento sinusoidal era de 50 mm, el error de medición causado por la acción única y la acción conjunta de las direcciones X e Y variaba mucho, ambas de entre 1,5 mm. El error relativo fue del 3 %, que fue menor que el de la medición de amplitud de desplazamiento de 10 mm, lo que indica que el sensor tiene un buen rendimiento de medición de desplazamiento dinámico.

En este artículo, se propuso un sensor de desplazamiento 3D giratorio de alta sensibilidad. El haz en voladizo y la estructura mecánica de igual resistencia del sensor se diseñaron especialmente para mejorar la sensibilidad y precisión del sensor y realizar mediciones de desplazamiento 3D al mismo tiempo. A través de la combinación de análisis de simulación con verificación experimental, se llevó a cabo el diseño óptimo y la prueba de rendimiento del sensor diseñado. Los resultados han demostrado que el rango de medición del sensor es de 160 mm, la sensibilidad es de aproximadamente 16,29 mV/mm, la precisión puede alcanzar el 0,9 % y los errores de medición de desplazamiento 3D estáticos y dinámicos son inferiores a 2 mm. En comparación con otros tipos de sensores de desplazamiento utilizados en el control del estado de los cojinetes de aislamiento sísmico, la viga en voladizo de igual resistencia del sensor diseñado en este documento adopta un diseño de orificio pasante tipo viga transversal, que aumenta la tensión de flexión de la superficie de la viga para mejorar la sensibilidad; Después de agregar un giroscopio y estructuras giratorias mecánicas, se puede usar un sensor para medir el desplazamiento tridimensional del cojinete de aislamiento, al mismo tiempo que se puede usar para reducir el efecto adverso del mecanismo de transmisión de desplazamiento en la precisión de la medición. Tiene las ventajas de alta sensibilidad, alta precisión de medición y gran aplicabilidad. Sin embargo, deja mucho espacio para mejorar en cierta medida. De hecho, el entorno de trabajo del cojinete de aislamiento es generalmente oscuro y húmedo, si el sensor funciona en este estado durante mucho tiempo, el rendimiento del sensor se verá afectado, porque los componentes mecánicos y electrónicos internos del sensor pueden fallar en esta condición. Por lo tanto, el esquema original se puede mejorar aún más, de modo que el sensor se pueda aplicar al estudio de monitoreo de la salud de los rodamientos de aislamiento sísmico en puentes, edificios de gran altura, conservación de agua y otros campos de ingeniería lo antes posible.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Este trabajo fue apoyado por los Fondos abiertos para el Laboratorio clave de Hebei de instrumentos de desastres sísmicos y tecnología de monitoreo (Subvención No FZ224105), El segundo lote de nuevos proyectos de investigación y práctica de ingeniería del Ministerio de Educación (Subvención No E-SXWLHXLX20202607), el Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales (Concesión No ZY20215101).

Instituto de Prevención de Desastres, Escuela de Ingeniería de Control y Ciencias Electrónicas, Sanhe, 065201, Hebei, China

Jianxian Cai, Tao Jiang, Zhitao Gao y Yan Shi

Hebei Key Laboratory of Earthquash Disaster Instrumentation and Monitoring Technology, Sanhe, 065201, Hebei, China

Jianxian Cai, Tao Jiang, Zhitao Gao y Yan Shi

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JC Supervisión de la escritura y análisis del manuscrito, TJ y ZG Diseñan la estructura del sensor, son responsables del experimento del sensor y escriben el texto principal del manuscrito. y YS Procesamiento de partes de sensores, análisis de resultados experimentales y 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. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Jianxian Cai.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Cai, J., Jiang, T., Gao, Z. et al. Un sensor de desplazamiento 3D giratorio de alta sensibilidad. Informe científico 13, 5086 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32178-3

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Recibido: 31 de octubre de 2022

Aceptado: 23 de marzo de 2023

Publicado: 29 de marzo de 2023

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

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