Μη καταστροφική μέτρηση καμπτικών συχνοτήτων ταλάντωσης για την ανίχνευση ρωγμών σε μεταλλικές, πλαστικές και τσιμεντένιες δοκούς με τη χρήση μαγνητοελαστικών αισθητήρων σε μορφή μικροσύρματος και κορδέλας

Abstract

In this project, magnetoelastic sensors (in ribbon and microwire form) were used to detect cracks in concrete beams, as well as to measure the bending vibration frequencies of concrete and metal beams. The dissertation is divided into three parts. In the first part, an attempt was made to measure the bending vibration frequencies of an aluminum cantilever beam indirectly, using smaller plastic beams printed with a 3D printer. The metal beam was fixed using a press and connected to a mechanical oscillator, which was in turn connected to a frequency generator. The plastic beam was attached with tape to the free end of the metal beam. The sensor was attached both externally on the plastic beam and internally at various depths. A detection coil and a multimeter were added to the setup. Thus, when the oscillator operated, it excited (forced) the beam at specific frequencies, and when resonance occurred, the sensor generated an EMF, which was detected by the multimeter. In this way, all the natural frequencies of the metal beam were recorded. It should be noted that the measured frequencies differed from those of a simple metal beam due to the addition of the plastic beam. Finally, it should be mentioned that the same experiment was repeated with the sensor placed externally as well as at various depths inside the plastic beam, in order to determine whether depth affected detection. In the second part, an attempt was made to detect cracks in concrete beams with free ends using a ribbon-type sensor by identifying the natural vibration frequencies of the beam. The beams, with dimensions 4×4×16 cm³, were cast in special molds using commercial cement according to EN 76 196-1 standards in a specialized laboratory. The sensors were attached to the surface of the beams using special double-sided adhesive tape. For supporting the beams, both a metal and a wooden base were used for comparison, and signal detection was performed using a coil. The coil was connected to the microphone input of a computer, and the spectrum analysis software provided the vibration frequencies of the concrete beams through Fourier transformation. By measuring the frequencies of the beam with and without a crack, the crack could be detected from differences in the signal. In the third part, the behavior of the two sensors—ribbon and wire—was studied comparatively. Hysteresis loops were measured, as well as the sensors’ response to an applied external alternating magnetic field of 1–300 kHz. Then, again in comparison, the bending vibration frequencies and crack detection in concrete beams were examined using a setup similar to that of the second part. Finally, the frequencies of a concrete beam were detected with the sensors embedded inside the beam.

Σε αυτή την εργασία έγινε χρήση των μαγνητοελαστικών αισθητήρων (σε μορφή κορδέλας και μικροσύρματος) για την ανίχνευση των ρωγμών σε τσιμεντένιες δοκούς, καθώς και των καμπτικών συχνοτήτων ταλάντωσης σε τσιμεντένιες και μεταλλικές δοκούς. Όλη η διατριβή χωρίζεται σε τρία μέρη .Στο πρώτο μέρος, έγινε η προσπάθεια να μετρηθούν οι συχνότητες καμπτικής ταλάντωσης μιας αλουμινένιας δοκού προβόλου, έμμεσα με τη χρήση πλαστικών μικρότερων δοκών εκτυπωμένων με τρισδιάστατο εκτυπωτή. Η μεταλλική δοκός πακτώθηκε με τη βοήθεια μιας πρέσας και συνδέθηκε με ένα μηχανικό ταλαντωτή ο οποίος συνδεόταν με μια γεννήτρια συχνοτήτων. Η πλαστική δοκός κολλήθηκε με ταινία στο ελεύθερο άκρο της μεταλλικής. Ο αισθητήρας κολλήθηκε εξωτερικά της πλαστικής δοκού αλλά και στο εσωτερικό σε διάφορα βάθη. Στη διάταξη προστέθηκε ένα πηνίο ανίχνευσης και ένα πολύμετρο. Έτσι, όταν λειτούργησε ο ταλαντωτής διέγειρε (εξανάγκασε) τη δοκό σε συγκεκριμένες συχνότητες και όταν συνέβαινε συντονισμός, ο αισθητήρας παρήγαγε ΗΕΔ, η οποία ανιχνευόταν από το πολύμετρο. Έτσι καταγράφηκαν όλες οι φυσικές συχνότητες της μεταλλικής δοκού. Να σημειωθεί πως οι συχνότητες που μετρήθηκαν διέφεραν από τις συχνότητες απλής μεταλλικής δοκού λόγω της προσθήκης της πλαστικού δοκού. Τέλος, πρέπει να αναφερθεί πως το ίδιο πείραμα έγινε και άλλες φορές με τον αισθητήρα να βρίσκεται εξωτερικά αλλά και σε διάφορα βάθη μέσα στην πλαστική δοκό, για να εξακριβωθεί αν το βάθος επηρεάζει την ανίχνευση. Στο δεύτερο κομμάτι έγινε η προσπάθεια να ανιχνευτούν οι ρωγμές σε τσιμεντένιες δοκούς με ελεύθερα άκρα με τη χρήση αισθητήρα σε μορφή κορδέλας μέσω της εύρεσης των φυσικών συχνοτήτων ταλάντωσης της δοκού. Οι δοκοί διαστάσεων 4x4x16cm3 κατασκευάστηκαν σε ειδικά καλούπια από εμπορικό τσιμέντο σύμφωνα με τα πρότυπα EN 76 196-1 σε ειδικό εργαστήριο. Οι αισθητήρες κολλήθηκαν στην επιφάνεια των δοκών με ειδική κολλητική ταινία δύο όψεων. Για τη στήριξη της δοκού χρησιμοποιήθηκε μια μεταλλική και μια ξύλινη βάση για σύγκριση και η ανίχνευση του σήματος έγινε με τη χρήση πηνίου. Το πηνίο συνδέθηκε στη θύρα μικροφώνου ενός υπολογιστή και το πρόγραμμα spectrum analysis έδινε μετά από μετασχηματισμό Fourier τις συχνότητες ταλάντωσης των τσιμεντένιων δοκών. Λαμβάνοντας τις συχνότητες της δοκού με και χωρίς ρωγμή, από τις διαφορές στο σήμα ανιχνευόταν η ρωγμή. Στο τρίτο μέρος μελετήθηκε η συμπεριφορά των δύο αισθητήρων κορδέλας και σύρματος συγκριτικά. Μετρήθηκαν οι βρόχοι υστέρησης και η αντίδραση των αισθητήρων στην εφαρμογή εξωτερικού εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου 1-300KHz. Στη συνέχεια, πάλι συγκριτικά, ανιχνεύθηκαν οι συχνότητες καμπτικής ταλάντωσης και η ρωγμή σε τσιμεντένιες δοκούς σε μια διάταξη όμοια με του δευτέρου μέρους. Τέλος ανιχνεύθηκαν οι συχνότητες τσιμεντένιας δοκού με τους αισθητήρες ενσωματωμένους στο εσωτερικό της δοκού.