مطالعه فرکانس ارتعاش سازه پل به کمک دستگاه ارتعاش-سنج لیزری دوپلری

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

1 گروه اتمی و مولکولی و نجوم، دانشکده فیزیک، دانشگاه خواجه نصیر طوسی، تهران، ایران

2 پژوهشکده لیزر و پلاسمای دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله، فرکانس ارتعاش سازه عمرانی پل به دو صورت تجربی و شبیه­سازی با استفاده از مکانیزم ارتعاش­سنج لیزری مبتنی بر اثر دوپلری (LDV[i]) مورد مطالعه قرار گرفته است. محاسبات با استفاده از شبیه­سازی سیمیولینک[ii] نرم­افزار متلب[iii] و با بهره­گیری از چیدمان تداخل­سنجی جهت تجزیه پرتوی لیزر به دو بازوی مرجع و اندازه­گیری انجام شده است. رفتار زمانی و فرکانسی سیگنال­های دریافتی برای ارتعاش سازه پل با درنظر گرفتن تمام نوفه­ها اعم از نوفه­های اپتیکی، نوفه­های مدارات الکتریکی و محیط آزمایش محاسبه شده است. همچنین در این مقاله، به منظور ساخت دستگاه ارتعاش­سنج لیزری مبتنی بر اثر دوپلر، از چیدمان اپتیکی تداخل­سنجی استفاده شده است. چیدمان مورد استفاده در این آزمایش از نوع چیدمان هموداین تداخل­سنج مایکلسون[iv] است. لازم به ذکر است که در این چیدمان از مدار تفاضلی جهت کاهش نوفه­ها در بخش الکترونیک دستگاه استفاده شده است. همچنین، با پردازش مناسب سیگنال­ها و حذف کلیه نوفه­های اپتیکی، الکتریکی و محیطی، فرکانس جسم مرتعش با دقت بالا بررسی شده است. نتایج حاصل از این تحقیق نشان دهنده هم‌خوانی قابل قبولی بین نتایج حاصل از مطالعات شبیه­سازی و تجربی است که این موضوع نشان‌دهنده دقت بالای دستگاه در اندازه‌گیری­ها است.



[i]. Laser Doppler Vibrometry


[ii]. Simulink


[iii]. MATLAB


[iv]. Homodyne Michelson Interferometer

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Study of vibration frequency of bridge structure with the help of Doppler laser vibration meter

نویسندگان [English]

  • Vandad Saneinejad 1
  • Pouya Gourani 2
  • Amirhossein Barati Sedeh 2
  • Fatemeh Rezaei 1
1 Department of physic,, K.N. Toosi university of technology, Tehran, Iran
2 Laser and plasma research institute of Shahid Beheshti university, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this paper, the vibrational frequency of the bridge construction structure has been studied by both experimental and simulation forms using the laser doppler vibrometer. The calculations are performed using simulation of MATLAB simulink and using of interference set-up to divide the laser beam into two reference and measurement arms. The time and frequency behavior of the received signals is calculated for vibration of the bridge structure by considering all of noises including optical noise, electrical circuit noise and test environment. Also in this paper, studies are performed during the construction of a laser Doppler vibrometer and by an interferometric set-up. The used set-up in this experiment is the same as the homodyne arrangement of the Michelson interferometer. It should be noted that in this arrangement, a differential circuit has been used to reduce noise in the electronic part of the device.Moreover, by properly processing the signals and removing all optical, electrical, and environmental noise, the frequency of the vibrating target has been investigated with high accuracy. The results of this study indicate an acceptable consistency between the results of simulation and experimental studies, which indicates the high accuracy of the device in measurements.

کلیدواژه‌ها [English]

  • bridge structure
  • doppler effect
  • laser vibrometer
  • noise
[1] Anton, Oana, Ramon Fernandez, Elizabeth Rendon-Morales, Rodrigo Aviles-Espinosa, Harriet Jordan, and Heike Rabe, "Heart rate monitoring in newborn babies: a systematic review", Neonatology, 2019, Vol.116, no.3, pp.199-210.
[2] Garg, Aman, Bishakh Bhattacharya, and Devendra Gupta, "Design of a flexible endotracheal tube holder device and study of its effect on cutaneous blood flow in the skin using laser Doppler velocimetry", In Health Monitoring of Structural and Biological Systems XIII, 2019, Vol.10972, p.1097229, International Society for Optics and Photonics.
[3] Garg, Piyush, Fernando Moreu, Ali Ozdagli, Mahmoud Reda Taha, and David Mascareñas, "Noncontact dynamic displacement measurement of structures using a moving laser Doppler vibrometer", Journal of Bridge Engineering, 2019, Vol.24, no.9, p.04019089.
[4] Vicente, Miguel Ángel, Dorys Carmen González, and Jesús Mínguez, "Novel Laser and Post-Tensioned Wire-Based System for Short-Term and Long-Term Monitoring Deflections in Bridges", Structural Engineering International, 2019, Vol.29, no.3, pp.382-389.
[5] Martinez, Daniel, and Eugene Obrien, "Bridge damage localisation using displacement and velocity measurements", TRUSS Training in Reducing Uncertainty in Structural Safety: D5. 2 Final Report: WP5, 2019, p.37.
[6] Nassif, Hani H., Mayrai Gindy, and Joe Davis, "Comparison of laser Doppler vibrometer with contact sensors for monitoring bridge deflection and vibration", Ndt & E International, 2005, Vol.38, no.3, pp.213-218.
[7] Miyashita, Takeshi, and Masatsugu Nagai, "Vibration-based structural health monitoring for bridges using laser Doppler vibrometers and MEMS-based technologies", Int. J. Steel Struct, 2008, Vol.8, no.4, pp.325-331.
[8] Sedeh, Amirhossein Barati, Pouya Gourani, Vandad Saneinejad, and Fatemeh Rezaei, "Helicopter main rotor angular velocity analysis by laser Doppler velocimetry: simulation and experimental results", Applied optics, 2019, Vol.58, no.18, pp.5009-5017.
[9] Zhang, Yinghao, Xiaoyan Deng, Zhou Xu, and Peipei Yuan, "Watermelon Ripeness Detection via Extreme Learning Machine with Kernel Principal Component Analysis Based on Acoustic Signals", International Journal of Pattern Recognition and Artificial Intelligence, 2019, Vol.33, no.08, p.1951002.
[10] Keenan, Lucas, and Katie Osterday Chapin, "Laser Doppler Velocimetry", Final Report: Physic 173: Biophysic Laboratory, 2009.
[11] Pedrotti, Frank L., Leno M. Pedrotti, and Leno S. Pedrotti, “ Introduction to optics”, Cambridge University Press, 2017.
[12] Fabiny, Larry, and Alan D. Kersey, "Interferometric fiber-optic Doppler velocimeter with high-dynamic range", IEEE photonics technology letters, 1997, Vol.9, no.1, pp.79-81.
[13] Zhang, Zihua, and Jin Wu, "On principal noise of the laser Doppler velocimeter", Experiments in fluids, 1987, Vol.5, no.3, pp.193-196.
[14] Albrecht, H-E., Nils Damaschke, Michael Borys, and Cameron Tropea, “Laser Doppler and phase Doppler measurement techniques”, Springer Science & Business Media, 2013.
[15] Czarske, Jürgen W., "Statistical frequency measuring error of the quadrature demodulation technique for noisy single-tone pulse signals", Measurement Science and Technology, 2001, Vol.12, no.5, p.597.
[16] Rothberg, Steve, "Numerical simulation of speckle noise in laser vibrometry", Applied Optics, 2006, Vol.45, no.19, pp.4523-4533.