ارزیابی آزمایشگاهی و عددی سامانه کم‌هزینه شناسایی پارامترهای مودال مبتنی بر حسگرهای MEMS

نوع مقاله : پژوهشی اصیل (کامل)

نویسندگان
گروه مهندسی عمران، دانشکده شهید نیکبخت، دانشگاه سیستان و بلوچستان
10.48311/mcej.2026.122455.82938
چکیده
تحلیل مودال یکی از روش‌های اساسی برای شناسایی ویژگی‌های دینامیکی سازه‌ها و ارزیابی آن‌ها در سامانه‌های پایش سلامت سازه است. با این حال تجهیزات دقیق آزمایشگاهی موردنیاز برای این منظور معمولاً هزینه‌بر بوده و امکان استفاده گسترده از آن‌ها را محدود می‌کند. در این پژوهش با هدف ارائه جایگزینی اقتصادی و درعین‌حال کارآمد، یک سامانه پایش ارتعاشات مبتنی بر حسگر MEMS نوع MPU6050 و واحد پردازش ESP32طراحی، پیاده‌سازی و ارزیابی شد. در ابتدا، تحلیل تئوری تیر یک‌سرگیردار انجام گرفت تا فرکانس‌های طبیعی و شکل مودهای سازه به‌عنوان مرجع تحلیلی استخراج شود.سپس با توجه به مودهای هدف و به‌منظور افزایش دقت ثبت ارتعاشات،چیدمان حسگرها در محیط آزمایشگاهی با استفاده از الگوریتم مکان‌یابی بهینهE-optimality تعیین گردید و سامانه اندازه‌گیری با رویکردی کم‌هزینه ساخته شد داده‌های ثبت‌شده پس از انجام مراحل پیش‌پردازش شامل حذف مؤلفه‌های ناخواسته و فیلترگذاری مناسب، با روش‌های FFT و FDD تحلیل شدند.درادامه فرکانس‌های طبیعی وشکل مودهای آزمایشگاهی استخراج وبرای اعتبارسنجی،یک مدل عددی متناظردرنرم‌افزارAbaqusایجادشدوتحلیل مودال عددی انجام گرفت.مقایسه نتایج نشان دادکه اختلاف فرکانس‌های طبیعی درچهارموداول میان مدل آزمایشگاهی وعددی کمتر از ۴.3%است ومدل عددی نسبت به نتایج تئوریک اختلافی کمتراز 0.3 % داردکه بیانگدقت بالای مدل‌سازی است.همچنین مقادیرMACبین مدل آزمایشگاهی و عددی برای تمامی مودها بیش از ۹۷%ومیان مدل عددی و تئوری بیش از ۹۹ %به دست آمد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهدکه سامانه کم‌هزینه پیشنهادی،درصورت چیدمان بهینه حسگرهاوپردازش مناسب داده‌ها،ازدقت قابل قبولی برای استخراج مشخصات مودال در نمونه آزمایشگاهی موردمطالعه برخورداراست.این نتایج،پتانسیل استفاده ازرویکردپیشنهادی رابه‌عنوان مبنایی برای مطالعات وتوسعه‌های آتی سامانه‌های کم‌هزینه اندازه‌گیری وپایش ویژگی‌های دینامیکی سازه‌هانشان می‌دهد
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Experimental and Numerical Evaluation of a Low-Cost Modal Parameter Identification System Based on MEMS Sensors

نویسندگان English

Masoud Hossein Pour Fard
Hamed Ghohani Arab
Mohammad Reza Ghasemi
Department of Civil Engineering, Shahid Nikbakht Faculty of Engineering, University of Sistan and Baluchestan
چکیده English

Modal analysis is a fundamental method for identifying the dynamic characteristics of structures and for evaluating their behavior in structural health monitoring systems. Accurate identification of modal parameters, such as natural frequencies and mode shapes, plays a crucial role in understanding the structural response and in providing reliable information for condition assessment and damage detection. However, the precise laboratory equipment commonly required for this purpose is often expensive, which restricts its widespread use, particularly in low-budget experimental studies and practical monitoring applications. Therefore, developing a low-cost yet sufficiently accurate alternative has become an important research need in the field of structural health monitoring. In this study, with the aim of providing an economical and efficient alternative, a vibration monitoring system based on an MPU6050 MEMS sensor and an ESP32 processing unit was designed, implemented, and evaluated. The proposed system was developed to offer a practical and affordable solution for capturing vibration responses while maintaining acceptable accuracy for modal identification purposes. In the first stage, the theoretical analysis of a cantilever beam was carried out in order to extract the natural frequencies and mode shapes of the structure as analytical reference values. These reference results were used as a basis for evaluating the performance of the proposed measurement system and for assessing the consistency of the experimental and numerical findings. Then, considering the target modes and with the aim of improving the accuracy of vibration recording, the arrangement of sensors in the laboratory environment was determined using the E-optimality sensor placement algorithm. This step was particularly important because the quality of the measured modal information is strongly affected by sensor locations, especially when a limited number of low-cost sensors is used. Based on the optimal layout, the measurement system was developed through a low-cost approach and applied in the experimental program. After data acquisition, preprocessing steps were performed, including the removal of unwanted components, signal conditioning, and appropriate filtering, in order to improve the quality of the recorded responses and reduce the effect of noise and irrelevant signal content. The processed data were then analyzed using the FFT and FDD methods to identify the dominant frequencies and extract the modal characteristics of the tested structure. Subsequently, the experimental natural frequencies and mode shapes were obtained, and for validation purposes, a corresponding numerical model was developed in Abaqus and subjected to modal analysis. Comparison of the results showed that the difference in natural frequencies between the experimental and numerical models in the first four modes was less than 4.3%, while the numerical model showed a difference of less than 0.3% compared with the theoretical results, indicating the high accuracy of the numerical modeling. In addition, the MAC values between the experimental and numerical models were greater than 97% for all modes, and those between the numerical and theoretical models were greater than 99%, demonstrating a very strong correlation between the identified mode shapes. The results of this study show that the proposed low-cost system, when optimal sensor placement and proper data processing are applied, has acceptable accuracy for extracting modal characteristics in the laboratory specimen studied. These results indicate the potential of using the proposed approach as a basis for future studies and developments of low-cost systems for measuring and monitoring the dynamic characteristics of structures.

کلیدواژه‌ها English

Modal analysis
structural health monitoring
MEMS sensor
signal processing
numerical modeling

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 06 آبان 1405