Metrological characterization of MEMS-based SHM systems targeted to structural dynamic analyses

Accelerometers are key sensors in structural health monitoring. They are usually placed on strategic points in the structures thus making it possible to run structural dynamic analyses like detection of the mode shapes of the structure. However, when it comes to the extraction of modal parameters in a structure, data synchronization among the different sensors turns out to be of key importance. Getting all signals synchronized has a cost in terms of hardware needed. There exist MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)-based sensing nodes with integrated microcontroller that have very good performance and whose cost is considerably lower than traditional piezoelectric accelerometers. The problem is that since each sensor has an independent internal clock, synchronized signals are not obtained. The present work studies the effects of delays between signals in identifying modal parameters. It is found that in the identification of frequencies and damping the influence of delay is low, while in the identification of mode shapes the influence is very high and varies with the value of the natural frequency of the structure. It is found that for large structures that have lower natural frequency values, it is permissible to have small delays between the sensors and these have little influence on the correct identification of mode shapes. On the other hand, for larger delays, a signal synchronization algorithm based on the phase difference of the mode shapes was tested against mode shapes obtained with a high-quality synchronized measurement system. With this algorithm also important delays between sensors can be compensated.

Gli accelerometri sono sensori cruciali nel monitoraggio della salute strutturale. Di solito sono collocati in punti strategici nelle strutture, rendendo possibile l'esecuzione di analisi dinamiche strutturali come il rilevamento delle forme modali della struttura. Tuttavia, quando si tratta di estrarre i parametri modali in una struttura, la sincronizzazione dei dati tra i diversi sensori risulta essere di fondamentale importanza. Ottenere tutti i segnali sincronizzati ha un costo in termini di hardware necessario. Esistono nodi di rilevamento basati su MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) con microcontrollore integrato che hanno ottime prestazioni e il cui costo è notevolmente inferiore ai tradizionali accelerometri piezoelettrici. Il problema è che, poiché ogni sensore ha un orologio interno indipendente, non si ottengono segnali sincronizzati. Il presente lavoro studia gli effetti dei ritardi tra i segnali nell'identificazione dei parametri modali. Si trova che nell'identificazione delle frequenze e dello smorzamento l'influenza del delay è bassa, mentre nell'identificazione dei modi di vibrare l'influenza è molto alta e varia in base al valore delle frequenze naturali della struttura. Si trova che per grandi strutture che hanno valori di frequenze naturali più basse, è ammissibile avere dei piccoli delay tra i sensori e questi influenzano poco la corretta identificazione dei modi di vibrare. Invece per ritardi più elevati si è testato un algoritmo di sincronizzazione di segnali basato sulla differenza di fase delle forme modali rispetto a delle forme modali ricavate con un sistema di misurazione sincronizzato di alta qualità. Con questo algoritmo anche delay importanti tra sensori riescono ad essere compensati.