به گزارش گروه علم و آموزش ایرنا از تارنمای اخبار علمی تک اکسپلور، محققان دانشکده مهندسی دانشگاه درکسل در فیلادلفیای آمریکا یک سامانه حسگر بی‌سیم با انرژی خورشیدی طراحی کرده اند که می‌تواند به طور مداوم تغییر شکل پل را کنترل کند. این سامانه می‌تواند زمانی که عملکرد پل به طور قابل توجهی بدتر می شود، برای مسئولان پل هشدار بفرستد.
به گفته انجمن مهندسان عمران آمریکا، بیش از ۴۶ هزار پل در سراسر آمریکا در وضعیت نامناسبی قرار دارند. سامانه ای نظیر این می‌تواند یک اقدام ایمنی مهم باشد و به برنامه های تعمیر و نگهداری پل کمک کند.
ایوان بارتولی سرپرست اتحاد زیرساخت هوشمند در دانشکده مهندسی دانشگاه درکسل گفت: با توجه به زیرساخت های قدیمی که در آمریکا وجود دارد، ما به راهی برای نظارت دقیق و ۲۴ ساعته بر این زیرساخت های حیاتی نیاز داریم. این یک نیاز فوری است، نه فقط برای جلوگیری از خرابی های فاجعه بار و غالبا مصیبت بار، بلکه برای پی بردن به اینکه تعمیر و نگهداری و جایگزینی کدام پل ها اولویت دارد تا بتوانیم به طور موثر و پایدار به حفظ و بهبود زیرساخت های خود کمک کنیم.
بارتولی استاد گروه مهندسی عمران، معماری و محیط زیست دانشگاه درکسل گفت: بیش از ۴۰ درصد از ۶۱۷ هزار پل در آمریکا بیش از ۵۰ سال قدمت دارند و باید به طور منظم هر دو سال یک بار، بازرسی شوند. رویه کنونی انجام بازرسی بصری و در موارد نادر، نظارت بر پل‌هایی است که سازه های مشکل‌ساز دارند.
اما بر اساس گزارش های منتشر شده، تعداد پل‌هایی که نیاز به توجه دارند در حال افزایش است. سامانه ای مانند سامانه ساخت دانشگاه درکسل می‌تواند به سازمان های فدرال و بازرسان کمک کند تا مشکلات را شناسایی کنند و در حالی که پل‌های جدید ساخته می شوند، نیاز کلی به بازرسی را کاهش دهند.
حسگر جابجایی بی‌سیم شامل یک سلول فتوولتائیک خورشیدی، یک دستگاه اندازه‌گیری تغییر شکل به نام پتانسیومتر جابجایی و یک گیرنده واسط نظارتی است. هر سه اجزا روی پل نصب می شوند تا تغییر شکل آن را در هنگام عبور ترافیک در آن اندازه گیری و اطلاعات را به یک ایستگاه نظارت از راه دور منتقل کنند.
پُتانسیومِتر یک مقاومت سه پایانه با یک ولوم چرخشی یا دکمه لغزنده قابل تغییر برای تغییر ولتاژ است. پتانسیومتر در واقع نوعی تقسیم کننده یا کنترل کننده ولتاژ است که برای اندازه گیری پتانسیل الکتریکی (ولتاژ) مورد استفاده قرار می گیرد.
پتانسیومتر جابجایی یک دستگاه کوچک، محکم و سبک وزن است که به شاه تیر پل نصب می شود و در حالی که پل هنگام عبور خودروها بر روی آن تغییر شکل می دهد، جابجایی یا حرکت شاه تیر را اندازه گیری می کند. تغییرات در این الگوی تغییر شکل می تواند نشانه های اولیه مشکلات ساختاری پل باشد.
از آنجا که این سامانه از یک سلول خورشیدی و یک باتری پشتیبان انرژی می گیرد، می توان چندین پتانسیومتر را بدون سیم کشی روی پل نصب کرد. این سامانه می تواند تعدادی حسگر مختلف را در خود جای دهد که حرکات پل مانند شتاب، شیب و جابجایی و غیره را کنترل می کند. ادغام چندین نوع حسگر در سامانه می تواند تصویر کامل تری از سلامت پل فراهم کند.
بارتولی گفت: مزیت اصلی این سامانه حذف صدها و گاهی هزاران متر کابل است که گران هستند، امکان آسیب دیدن آنها وجود دارد و هنگام نصب نیاز به مراقبت دارند و هزینه کلی سامانه افزایش می دهند. مزیت دیگر این است که با یک پلتفرم بی‌سیم، می‌توانیم به طور همزمان انواع مختلفی از حسگرها نه تنها جابجایی‌ها، بلکه شتاب‌سنج‌ها، شیب‌سنج‌ها و کرنش سنج‌ها را نیز بخوانیم.
تیمی از مهندسان برق گروه مهندسی برق و کامپیوتر دانشگاه درکسل منبع تغذیه برای این سامانه طراحی کردند که برای همه اقلیم ها مناسب است. این سامانه شامل یک سلول فتوولتائیک ۱۰ وات و یک باتری لیتیوم یونی با ظرفیت ۱۴.۸ ولت برای ذخیره و توزیع انرژی است. آنها این سامانه را در یک آزمایشگاه و در هوای آزاد اواسط زمستان در پنسیلوانیا آزمایش کردند تا اطمینان حاصل کنند که در سخت ترین شرایط آب و هوایی به تامین انرژی ادامه می دهد.
وانگ که به ساخت سامانه برق کمک کرده است، می‌گوید: می‌خواهیم اطمینان حاصل کنیم که حسگرها می‌توانند به‌طور مداوم در طول روز اندازه‌گیری و انتقال داده‌ها را انجام دهند. بنابراین از یک باتری با ظرفیت بالا استفاده کردیم تا بتواند سامانه را در طول شب یا در شرایط هوای ابری طولانی، تغذیه کند. انتظار می‌رود این سامانه سال‌ها برق بی‌وقفه را تامین کند و اگر هوا ابری است یا سلول خورشیدی غیرفعال شده باشد، باتری به مدت سه هفته انرژی را تامین کند.
این تیم امیدوار است نشان دهد یک آرایه حسگر با نصب آسان می تواند با نگهداری کم یا بدون نگهداری سال ها کار کند و نظارت مداوم بر بسیاری از پل ها را، نه فقط پل هایی که در شرایط نامناسب هستند، فراهم کند. این سطح از جمع‌آوری داده‌ها به تعیین رفتار طبیعی سازه برای هر پل کمک می‌کند و در صورت بروز تغییرات رفتاری غیرمنتظره هشدار صادر می کند.
بارتولی گفت: هدف این است که حسگر به طور نامحدود و بدون نیاز به تعمیر و نگهداری به کار خود ادامه دهد. نظارت مداوم و مطمئن تضمین می کند که این سازه ها کار می کنند. این سامانه به ما امکان می دهد داده هایی را در مورد اضافه بار و تغییر شکل ساختاری ناشی از بارهای زیاد روی پل جمع آوری کنیم. همچنین امکان مشاهده تغییر شکل سازه ناشی از عوامل محیطی مانند باد و دما را فراهم می کند تا اطمینان یابیم همه این تغییر شکل ها در محدوده مورد انتظار هستند.
در حالی که این سامانه آماده استقرار است، محققان قصد دارند به آزمایش و اصلاح آن در آزمایشگاه با افزودن انواع دیگری از حسگرها و تعیین طول عمر کامل منبع تغذیه ادامه دهند.