Tillsammans med flygande bilar och omedelbar teleportering, smarta broar, vägar och tunnelbanelinjer som kan sända ut varningar när de är skadade är grundämnen i futuristiska transportsystem inom science fiction.

Sandia National Laboratories har arbetat med Structural Monitoring Systems PLC, en Storbritannien-baserad tillverkare av strukturella hälsoövervakningssensorer, i över 15 år för att förvandla denna science fiction till science fact. De utrustade en amerikansk bro med ett nätverk av åtta realtidssensorer som kan varna underhållsingenjörer när de upptäcker en spricka eller när en spricka når en längd som kräver reparation.

Nästa vecka, Sandia Senior Scientist Dennis Roach kommer att presentera sitt teams arbete vid den nionde internationella konferensen om brounderhåll, Säkerhet och ledning. Hans presentation kommer att innehålla data om denna provbro, en allmän bedömning av de sensorer som används och hans förslag till hur man kan göra strukturell hälsoövervakning mer rutin i transportinfrastruktur.

Målet med strukturell hälsoövervakning är att öka tillsynen över kritiska områden, förlänga konstruktionernas livslängd och i slutändan minska driftskostnaderna och förbättra säkerheten. För att bedöma tillståndet för en bro eller annan typ av transportinfrastruktur, sensorer är monterade på strukturen och deras data måste analyseras ordentligt.

2016, mer än 54, 000 broar i USA klassificerades som "strukturellt bristfälliga" av Federal Highway Administrations National Bridge Inventory. Det betyder att cirka 9 procent av amerikanska broar behöver regelbunden övervakning. "Områden som är svåra att komma åt eller saker som är avlägset belägna som broar, rörledningar och andra kritiska strukturer utgör betydande utmaningar för att korrekt övervaka strukturens eller utrustningens tillstånd, "sa Roach." Ett nätverk av strukturella hälsoövervakningssensorer kan vara en lösning, eller åtminstone hjälpa till att säkerställa den nödvändiga vaksamheten över dessa komponenter."

Nyligen, Sandia och strukturella övervakningssystem, som har en betydande närvaro i Nordamerika, arbetade tillsammans med Delta Air Lines Inc. och Federal Aviation Administration för att få branschen för Comparative Vacuum Monitoring-sensorer certifierad för sprickdetektering på kommersiella flygplan. Roachs arbete med strukturell hälsoövervakning för kommersiella flygplan började 2001 genom FAA:s Airworthiness Assurance Center, som har drivits av Sandia för FAA sedan 1990.

"Idiotsäkra" jämförande vakuumövervakningssensorer

Det strukturella hälsoövervakningssystemet för försöksbryggan består av åtta jämförande vakuumövervakningssensorer, en vakuumpump för att bilda vakuumet, ett kontrollsystem för att slå på vakuumpumpen och regelbundet kontrollera sensorerna och en trådlös sändarenhet för att självständigt ringa eller sms:a underhållsingenjörerna om en sensor upptäcker en spricka. Hela systemet drivs av ett litiumjonbatteri, som laddas upp av en solpanel.

Sensorerna placerades längs flera svetsar på ett fackverk 100 fot över däck, eller plan vägyta, på en hängbro.

De jämförande vakuumövervakningssensorerna som produceras av Structural Monitoring Systems är gjorda av tunna, flexibel teflon och har rader av små kanaler, kallas gallerier. De kan klistras på kritiska fogar eller svetsar eller placeras nära andra ställen där sprickor kan bildas. När metallen är hel, pumpen kan ta bort all luft från gallerierna, bildar ett vakuum. När en liten spricka bildas i metallen under sensorn, det kan inte längre bilda ett vakuum, liknande hur en dammsugare slutar fungera när slangen har en läcka. Dessa sensorer kan upptäcka sprickor som är mindre än tjockleken på en krona.

Sensorerna kan tillverkas i många olika former, beroende på vilken region som behöver övervakas, som över en lång svets eller runt en serie bultar. De kan till och med placeras i en serie framför en liten spricka, för att se om den växer och i så fall hur snabbt. Varje sensor har många kontrollgallerier och övervakningshårdvara så att den kan se om det är något fel på sensorn eller anslutningsrören. På grund av dessa kontrollgallerier, sensorerna är praktiskt taget idiotsäkra.

Henry Kroker, en konstruktörsövervakningssystemingenjör som spelade en nyckelroll i broövervakningsprojektet, sa, "Komparativa vakuumövervakningssensorer ger ett elegant "grönt ljus, Red-Light' metod för att ständigt övervaka kritiska komponenter. Under många år av försök och permanent användning inom flyget och nu civila industrier, dessa sensorer har inte producerat några falska samtal."

Framtiden för strukturell hälsoövervakning

Teamets arbete med smart infrastruktur började 2005 genom ett Sandia-sponsrat Laboratory Directed Research and Development-projekt. Projektet utforskade med hjälp av monterade sensorer och trådlös dataöverföring för att kontinuerligt övervaka ett brett spektrum av civila strukturer, allt från tung gruvutrustning till järnvägssystem och broar. Dessa sensorer kan övervaka tillståndet hos strukturer och mekaniska enheter genom att detektera närvaron av korrosion och sprickor och till och med tillståndet hos kritiska rörliga delar.

Roach och hans team använder också piezoelektriska sensorer, fiberoptik och tryckta virvelströmssensorer för strukturell hälsoövervakning. Tryckta virvelströmssensorer, en Sandia-patenterad teknologi, kan installeras på böjda ytor och använda förändringar i ett magnetfält för att upptäcka sprickor. Å andra sidan, ett nätverk av piezoelektriska sensorer kan övervaka ett brett område istället för bara några patchar. Varje sensor turas om att skicka ut en vibration genom det underliggande materialet som de andra sensorerna tar emot. Sprickor eller andra skador inom sensornätverket ändrar "pitch" för dessa vibrationer. Dock, dessa stigningsändringar är mer komplexa än "ja" eller "nej" -resultaten från vakuummonitorerna. Jämförande vakuumövervakning är klar och certifierad för kommersiellt bruk, den andra tekniken befinner sig fortfarande i olika stadier av laboratorie- och fälttester.

Tom Rice, den mekaniska testingenjören som ansvarar för att testa olika strukturella hälsoövervakningssystem, sa "Under 15 års testning av jämförande vakuumövervakningssensorer, de har uppnått en enorm meritlista för att producera pålitlig strukturell hälsoövervakning. När de väl har införlivats i fler system, inom områden av oro, det kommer bara att göra flygplan, tåg och broar säkrare ju längre tiden går."

Strukturell hälsoövervakning är särskilt bra för svåråtkomliga eller avlägsna områden, men det är inte ett universalmedel för alla inspektionsbehov, sa Roach. "Det finns fortfarande många gånger när du vill ha en människa där inne med en ficklampa eller annan inspektionsutrustning, resonera det. "Med den varningen, tillade han "Strukturell hälsoövervakning börjar bara repa ytan på de olika typer av infrastruktur som den kan användas för."

Rälsvagnar och järnvägslinjer, fartyg, vindturbiner, kraftverk, avlägsna rörledningar, lagringstankar, fordon, även byggnader kan dra nytta av realtid, fjärrstyrd strukturell hälsoövervakning. "Den civila infrastrukturindustrin blir mer medveten om fördelarna med strukturell hälsoövervakning och är nu intresserad av att använda dem, sa Roach.