Nouvelles technologies pour le test et la surveillance de structures

La surveillance de l’intégrité des structures allie différentes techniques de détection physique et mesure avec le traitement continu à distance afin de capturer les données en temps réel, de les enregistrer dans un dossier et de les analyser en permanence. En raison de la taille et de la complexité des structures sous surveillance, vous devez maîtriser des disciplines telles que les techniques de détection, la synchronisation de plusieurs systèmes, la dynamique structurelle, la gestion et l’analyse des données, etc. Cet article examine quatre technologies clés pour les tests structurels et la surveillance de l’intégrité des structures et la façon dont NI les intègre dans ses solutions.

• Systèmes de capteurs multimodaux
• Conditionnement de signal robuste et précis
• Systèmes de mesure distribués
• Technologies logicielles

La technologie des capteurs est l’un des domaines les plus actifs de la recherche et du progrès technologique en matière de tests et de surveillance des structures. Les systèmes SHM intègrent une variété de capteurs et les options de technologie de capteur ne cessent de s’élargir. La plupart des systèmes SHM actuels utilisent des capteurs tels que des jauges de contrainte, des capteurs accélérométriques ou de vibration, et des capteurs de déplacement pour suivre les contraintes ou les mouvements d’une structure. De plus, les systèmes comprennent généralement des capteurs pour la surveillance environnementale ou météorologique. Un certain nombre de technologies de capteurs émergentes utilisent des méthodes d’essais non destructifs (NDT), telles que les émissions acoustiques, pour détecter directement les défauts dans la structure. Les capteurs à fibres optiques sont également de plus en plus utilisés, car cette technologie ne cesse d’évoluer. Certains ingénieurs en structure trouvent même utile d’intégrer des images vidéo, généralement de la circulation, dans les systèmes de surveillance structurelle.

Pour un ingénieur en structure, un système SHM doit pouvoir s’adapter à plusieurs de ces types de mesures et technologies de capteurs. Un système doit également être modulaire, afin que vous puissiez ajouter des mesures selon vos besoins. Enfin, plus ces systèmes sont évolutifs, plus il est facile de concevoir une solution en laboratoire, de l’utiliser pour des mesures de courte durée et de la déployer sur le terrain.

       Figure 1. Technologies de capteurs pour la surveillance structurelle

En plus de fournir une qualité de mesure optimale, les plates-formes d’acquisition de données NI offrent un large éventail de mesures couvrant une variété de capteurs et de signaux. La possibilité d’ajouter et de soustraire des mesures est un gros avantage, surtout si vos besoins évoluent. Toutes les plates-formes sont programmées à l’aide du logiciel NI LabVIEW, ce qui rend le logiciel évolutif du laboratoire au terrain.

Les mesures les plus courantes en matière de surveillance et de tests structurels sont les déformations et les vibrations. Les mesures de déformation sont généralement effectuées à l’aide de jauges de contrainte à feuille résistive disposées dans des configurations en pont complet, demi-pont ou quart de pont. Les accéléromètres piézoélectriques avec un amplificateur de charge intégré, communément appelés accéléromètres IEPE, sont généralement utilisés pour l’acquisition dynamique de vibrations. Les servo-accéléromètres ou les accéléromètres compensés sont souvent utilisés dans les applications d’enregistrement sismique. Parmi les autres capteurs régulièrement intégrés aux systèmes de surveillance structurelle, citons les transformateurs différentiels à tension linéaire (LVDT) et les potentiomètres à corde pour les capteurs de déplacement, d’inclinaison et de fissures, les thermocouples et les détecteurs de température à résistance (RTD) pour les mesures de température, ainsi que d’autres capteurs environnementaux pour l’humidité et la vitesse et la direction du vent.

Pour obtenir une qualité de mesure optimale, vous devez tenir compte des différents types de conditionnement nécessaires aux mesures des capteurs ainsi que des différents types de composants analogiques utilisés dans l’instrumentation, notamment les convertisseurs analogique-numérique (C A/N).

Figure 2.   Conditionnement de signal pour les mesures de capteurs

Un C A/N prend un signal analogique et le convertit en nombre binaire. Chaque nombre binaire du C A/N représente donc un certain niveau de tension. Le C A/N renvoie le niveau le plus élevé possible sans dépasser le niveau de tension réel du signal analogique. La résolution fait référence au nombre de niveaux binaires que le C A/N peut utiliser pour représenter un signal. Pour déterminer le nombre de niveaux binaires disponibles en fonction de la résolution, il suffit de prendre 2^Résolution. Par conséquent, plus la résolution est élevée, plus vous disposez de niveaux pour représenter vos signaux. La Figure 3 illustre une représentation numérique des signaux par des C A/N de 12, 16 et 24 bits. Vous pouvez désormais utiliser la technologie 24 bits, qui garantit des mesures extrêmement précises, pour les applications statiques comme dynamiques.

Figure 3. Comparaison de la résolution 16 bits et 24 bits

Les modules de mesure et d’E/S compacts de la Série C de NI allient connectivité, conditionnement du signal et conversion A/N pour une connexion directe aux capteurs structurels. Vous pouvez les utiliser dans plusieurs plates-formes de mesure, notamment NI CompactDAQ, CompactRIO, l’acquisition de données (DAQ) par Wi-Fi et USB. Les modules de la Série C répondent aux exigences de mesure dynamique avec des taux d’acquisition de données de déformation et d’accéléromètre allant jusqu’à 50 kéch./s par voie d’entrée, grâce à une technologie A/N 24 bits précise et à faible bruit. Outre les mesures de déformation et de vibration, vous pouvez utiliser ces modules pour pratiquement tous les capteurs nécessaires aux tests et à la surveillance des structures, notamment les capteurs de déplacement, les thermocouples et les RTD. Pour obtenir une liste complète des modules d’E/S de la Série C, consultez le Tableau de compatibilité des modules de la Série C.

Figure 4. Les modules de la Série C offrent une connectivité directe aux capteurs de surveillance et de test structurels.

La surveillance continue des données structurelles en temps réel apparaît comme une stratégie essentielle pour l’entretien à long terme des ponts, des bâtiments, des stades et autres grandes structures. Ces applications nécessitent des systèmes d’acquisition de données robustes et intelligents, capables de fonctionner de manière fiable dans des endroits éloignés et sans surveillance, sans sacrifier les performances de mesure ou la polyvalence pour fournir des données de capteur fiables et précises.

La plate-forme NI CompactRIO est un système embarqué avancé d’acquisition de données et de contrôle, conçu pour les applications qui nécessitent un niveau très élevé de performances et de fiabilité. Grâce aux architectures ouvertes et intégrées du système, à sa robustesse, à sa petite taille et à sa flexibilité, vous pouvez facilement personnaliser et déployer des systèmes fiables pour des applications de surveillance structurelle exigeantes. Proposée par LabVIEW, la plate-forme CompactRIO intègre la large gamme de fonctionnalités d’interfaçage des capteurs de la Série C.

Figure 5. Les systèmes CompactRIO offrent des solutions d’acquisition de données et de contrôle robustes et intégrées pour la surveillance structurelle à long terme.

Intelligence embarquée et stockage de données

Les applications de surveillance continue à long terme nécessitent un système capable de fonctionner de manière fiable et autonome pendant de longues périodes. Il faut donc un système embarqué temps réel capable d’acquérir des données de capteurs, de les enregistrer localement et de les transmettre périodiquement à un système hôte. La capacité du système à fonctionner de manière autonome et sans surveillance protège les données importantes des capteurs contre les interruptions du réseau ou les pannes du système PC. CompactRIO comprend un processeur temps réel embarqué pour un fonctionnement fiable et autonome, et offre de multiples options pour le stockage local des données, notamment une mémoire flash non volatile intégrée (jusqu’à 2 Go), des cartes SD amovibles (via le module NI 9802 de la Série C) ou des clés USB. Programmé à l’aide des outils de programmation graphique LabVIEW, le système CompactRIO peut facilement être personnalisé pour effectuer l’acquisition de données particulières, l’analyse et le traitement de données en ligne, le stockage de données ou les communications requises par votre application SHM.

Communications et connectivité à distance

Les structures surveillées, comme les ponts, n’étant généralement pas dotées d’une infrastructure de communication ou de réseau, le système de surveillance nécessite généralement une capacité de communication à distance. Les approches les plus populaires en matière de communications à distance sont aujourd’hui le Wi-Fi (si un PC hôte se trouve à proximité) ou les réseaux de données mobiles (CDMA, GSM/GPRS, EDGE, etc.). Les autres options sont les radios exclusives à longue portée et les communications par satellite. Grâce à une suite de protocoles et de fonctionnalités de communication, CompactRIO simplifie l’intégration avec des dispositifs de communication et des modems tiers. Pour les communications programmatiques, CompactRIO inclut des bibliothèques pour les protocoles TCP/IP, UDP, Modbus/TCP et série. De plus, CompactRIO comprend des serveurs intégrés pour HTTP et FTP pour un accès facile au navigateur Web et à Internet.

Mesures distribuées et synchronisées

La surveillance de l’intégrité des structures peut impliquer un grand nombre de capteurs répartis sur une zone étendue. Un système de mesure distribué qui utilise plusieurs matériels d’acquisition de données en réseau, chacun étant connecté à un groupe de capteurs, peut réduire considérablement le nombre de câbles de capteurs et simplifier grandement l’installation. Cependant, étant donné que la plupart des systèmes de surveillance de l’intégrité nécessitent une référence temporelle fiable à l’échelle du système, les systèmes distribués doivent être capables de synchroniser avec précision et fiabilité les mesures des capteurs sur l’ensemble de la structure. Bien que la plupart des réseaux de communication ne fournissent pas de telles capacités de synchronisation, les systèmes plus avancés peuvent utiliser le GPS ou de nouvelles technologies de réseau déterministes pour la synchronisation du système. CompactRIO, par exemple, peut utiliser des récepteurs GPS pour synchroniser les mesures sur un pont complet, un stade ou toute autre grande structure.

Le logiciel est un composant essentiel des systèmes SHM. Qu’il s’agisse d’effectuer un test sur une structure ou de déployer un système de surveillance à long terme, tenez compte des besoins de votre application logicielle en matière d’analyse de données en ligne et hors ligne, de convivialité, de post-traitement et de gestion des données.

Programmation graphique simple et puissante

Nouvelle approche du développement d’applications, la programmation graphique réduit considérablement la courbe d’apprentissage, car les représentations graphiques sont des notations de conception plus intuitives que le code textuel. Vous pouvez accéder aux outils et aux fonctions via des palettes interactives, des boîtes de dialogue, des menus et des centaines de blocs de fonction appelés VIs (instruments virtuels). Vous pouvez ensuite faire glisser et déposer ces VIs sur un diagramme pour définir le comportement de vos applications. Cette approche pointer-cliquer réduit le temps nécessaire pour passer de la configuration initiale à la solution finale.

LabVIEW est un environnement de programmation graphique éprouvé, conçu pour les ingénieurs et les scientifiques développant des applications de test, de contrôle et de mesure. Grâce à la prise en charge inhérente du multithreading et de la programmation parallèle, de l’exécution et de la mise au point interactives et des outils de haut niveau spécifiques aux applications, LabVIEW vous aide à en faire plus avec vos applications SHM. La figure 5 montre une application LabVIEW acquérant et affichant plusieurs waveforms avec des images synchronisées.

Figure 6. L’environnement de développement graphique LabVIEW fournit de puissants outils graphiques et de visualisation pour développer rapidement des interfaces utilisateur professionnelles.

L’environnement de développement graphique LabVIEW est compatible avec plusieurs plates-formes informatiques, notamment les contrôleurs embarqués tels que CompactRIO. Vous pouvez ainsi tirer parti du riche ensemble de fonctionnalités LabVIEW pour développer des systèmes de surveillance embarqués, personnalisés et hautes performances à l’aide du Module LabVIEW Real-Time et de CompactRIO.

LabVIEW inclut également des VIs Express, c’est-à-dire des étapes ou des assistants de configuration qui simplifient le processus de mesure, d’analyse avancée et de stockage de données sur disque.  

Analyse des données

Les trois étapes importantes de l’application SHM sont le prétraitement des données acquises, l’application de méthodes et d’algorithmes numériques pour l’analyse des données, et les simulations en boucle ouverte et fermée pour valider les modèles avec des données réelles.

L’utilisation des VI intégrés dans LabVIEW pour le filtrage, l’échantillonnage et le fenêtrage vous permet de prétraiter facilement les données. Grâce aux toolkits d’analyse des vibrations et de traitement avancé du signal, LabVIEW vous permet d’utiliser les dernières méthodes et algorithmes numériques pour SHM.

De plus, LabVIEW répond au besoin croissant d’implémenter davantage de simulations et l’estimation en ligne des paramètres de sortie uniquement, ce qui est également une tendance dans d’autres domaines d’application où les signaux quasi-statiques et dynamiques sont acquis et analysés en une seule étape intégrée. Grâce à la prise en charge par LabVIEW des simulations en boucle fermée et ouverte, ainsi que des simulations hardware-in-the-loop (HIL), vous disposez d’une approche commune pour l’acquisition et l’analyse des données.

Figure 7. Des algorithmes d’analyse avancés sont disponibles avec une variété de progiciels NI.

Les logiciels NI comportent également des centaines d’algorithmes intégrés de traitement et d’analyse du signal pour répondre aux différents besoins d’ingénierie des structures. Voici quelques-uns des algorithmes d’analyse pour la surveillance structurelle et sismique :

• Transformée de Fourier rapide (FFT), spectre de puissance, spectre de puissance de zoom et réponse en fréquence
  
• Moyennage, filtrage et fenêtrage
  
• Analyse d’octave complète et fractionnaire
  
• Rainflow
  
• Détection des pics et de la valeur efficace (Veff)

De plus, les logiciels NI incluent des techniques de visualisation avancées pour afficher et analyser rapidement les techniques de traitement avancées.

Gestion des données

Depuis plus de 30 ans, les ingénieurs et les scientifiques produisent des données techniques à l’aide de matériel et de logiciels NI, sans vraiment se soucier de ce qu’il advient des données après coup. En réalité, les données peuvent être coûteuses, notamment dans le cas des applications structurelles et sismiques. Dans la surveillance structurelle et sismique, l’événement transitoire à enregistrer ne peut pas facilement, voire pas du tout, être reproduit, comme c’est le cas pour les événements sismiques. Pour y remédier, NI propose une solution de gestion des données en trois étapes qui offre un stockage de fichiers flexible et organisé, des fonctionnalités de recherche complètes et un environnement de post-traitement interactif.

Figure 8. La solution de gestion des données techniques NI comprend des fichiers de données, NI DataFinder et NI DIAdem.

Pour répondre à ces trois exigences, la solution de gestion des données techniques (TDM) NI se compose de trois composants : le modèle de données TDM pour stocker des informations descriptives avec des fichiers de test, NI DataFinder pour rechercher et extraire des données de test quel que soit le format de fichier, et le logiciel NI DIAdem pour l’analyse et la génération de rapports.  

Figure 9. DIAdem fournit un environnement interactif pour le post-traitement de grands ensembles de données, y compris la génération automatique de rapports, l’analyse avancée et les fonctionnalités de visualisation des données.

Cet article a abordé les quatre technologies clés pour les tests et la surveillance de l’intégrité des structures (systèmes de capteurs multimodaux, conditionnement de signaux de précision, systèmes de mesure distribués et logiciels) et la manière dont NI les intègre dans ses solutions.