Nuevos sensores para monitoreo de estructuras de concreto

El concreto es un material común que se usa en edificios, puentes y carreteras. Sin embargo, con el tiempo puede desarrollar problemas, lo que conlleva riesgos de seguridad. Para asegurarse de que las estructuras sigan siendo seguras, los expertos necesitan revisar continuamente su estado. Este proceso de revisión se llama Monitoreo de Salud Estructural (SHM). Las formas tradicionales de monitorear la salud de las estructuras de concreto suelen depender de baterías o cables, lo que puede ser costoso y complicado.

Este artículo habla sobre un nuevo enfoque para el SHM usando dispositivos pequeños que funcionan con ondas de radio. Estos dispositivos se llaman nodos de sensores alimentados por energía de radiofrecuencia (RF-SNs). Los RF-SNs pueden funcionar sin necesidad de baterías o cables, haciéndolos más fáciles de usar y mantener.

#La Importancia del Monitoreo de Salud Estructural

Recientemente, ha habido incidentes graves relacionados con el colapso de estructuras de concreto. Por ejemplo, un edificio de condominios en Miami Beach se colapsó parcialmente, resultando en varias muertes. Las investigaciones revelaron que el edificio no había sido monitoreado adecuadamente por daños a lo largo de los años.

Estos eventos subrayan la importancia de mantener los edificios en buen estado. El SHM es esencial para predecir cuánto tiempo pueden durar las estructuras de concreto, lo que puede ayudar a prevenir fallos inesperados. Sin embargo, los métodos actuales de monitoreo requieren que los expertos verifiquen frecuentemente áreas específicas, lo que puede ser muy laborioso y consumir tiempo.

#Limitaciones de los Sistemas de Monitoreo Actuales

La mayoría de los sistemas tradicionales de SHM dependen de baterías o conexiones por cable para dar energía a los sensores. Las baterías solo pueden soportar un monitoreo a corto plazo, y reemplazarlas puede ser complicado cuando los sensores están incrustados en el concreto. Las soluciones por cable, aunque efectivas, pueden ser caras. Configurar estos sistemas puede consumir una cantidad significativa de tiempo y recursos.

Además, estos métodos tienen limitaciones para el monitoreo a largo plazo. Por lo tanto, es crucial encontrar una solución de energía más eficiente para los sistemas de SHM.

#Aprovechando la Energía de Radiofrecuencia

Para abordar los problemas mencionados, se comenzó a investigar sobre el uso de energía de radiofrecuencia para alimentar sensores incrustados en concreto. Este enfoque innovador permite que los sensores capten energía de las ondas de radio emitidas por una fuente externa. La idea es que los sensores puedan funcionar indefinidamente, siempre y cuando puedan captar suficiente energía de radio.

Este documento se centra en dos tipos de RF-SNs: activos y pasivos. El RF-SN activo puede transmitir datos rápidamente cuando hay suficiente energía de radio. Por otro lado, el RF-SN pasivo utiliza la energía recolectada para enviar información sin necesitar una fuente activa de energía.

#Desafíos con los RF-SNs

Usar energía de RF presenta sus propios desafíos. Primero, las ondas de radio pierden fuerza al pasar a través del concreto. Esto significa que los sensores pueden no captar suficiente energía, especialmente si están colocados profundamente dentro del material. En segundo lugar, los módulos inalámbricos comerciales pueden consumir mucha energía, lo que dificulta transmitir datos de manera efectiva.

Para abordar estos problemas, el equipo de investigación creó tanto RF-SNs activos como pasivos. El sensor activo puede funcionar bien en concreto delgado, mientras que el sensor pasivo está diseñado para estructuras más gruesas.

#Enfoque del RF-SN Activo

Los RF-SNs activos están diseñados para ser usados en áreas de concreto delgadas (menos de 20 cm de grosor). Estos sensores pueden recolectar suficiente energía de las ondas de radio para operar de manera efectiva. Cuando reciben suficiente energía, pueden transmitir datos usando un método llamado ZigBee, que es eficiente para comunicación a corta distancia.

La investigación implicó la creación de un circuito de control especial que minimiza la pérdida de energía. Esto asegura que el sensor pueda activarse y transmitir datos rápidamente, incluso en entornos de baja energía.

#Enfoque del RF-SN Pasivo

Los RF-SNs pasivos son ideales para estructuras de concreto más gruesas (más de 20 cm de grosor). En estos casos, la energía recibida de las ondas de radio puede que no sea suficiente para alimentar un transmisor activo. Por lo tanto, los sensores pasivos modulan las ondas entrantes en lugar de generar sus propias señales. Esta técnica permite conservar energía y mantener la funcionalidad.

El RF-SN pasivo utiliza un enfoque similar a la tecnología RFID. Refleja las ondas de radio al alterar su impedancia, lo que ayuda a conservar energía. Esto permite que el RF-SN pasivo se comunique con receptores sin necesitar mucha energía.

#Técnicas de Modulación

El método de modulación juega un papel significativo en cuán bien el RF-SN pasivo puede transmitir datos. El equipo optó por un esquema de modulación basado en chirps cuadrados en lugar de métodos tradicionales como el encendido-apagado. Este enfoque es más confiable en condiciones de señal débil, lo que permite que el RF-SN pasivo mantenga una comunicación efectiva incluso cuando la fuerza de la señal es baja.

En las pruebas, se encontró que este método mejoraba la recepción de datos. Al usar chirps cuadrados, el sistema podía lograr una menor tasa de error de bits, lo que significa que los datos podían enviarse de manera más precisa.

#Resultados Experimentales

Se llevaron a cabo extensos experimentos para probar el rendimiento de los RF-SNs activos y pasivos.

#Pruebas del RF-SN Activo

Para el RF-SN activo, las pruebas confirmaron que, al estar incrustado en concreto a 13.5 cm de profundidad, podía recibir suficiente energía de un transmisor de radio de 915 MHz para enviar datos. El equipo encontró que podía transmitir más de 1 kilobyte de información en solo 10 segundos.

#Pruebas del RF-SN Pasivo

En cuanto al RF-SN pasivo, era capaz de transmitir datos de manera continua a una tasa de datos más baja. Los experimentos mostraron que los sensores pasivos podían operar eficazmente a profundidades de 13.5 cm, manteniendo una tasa de error de bits de alrededor del 3%.

#Recolección de energía

Ambos RF-SNs demostraron ser efectivos en la recolección de energía. La versión activa funcionó bien cuando había suficientes ondas de radio presentes, mientras que la versión pasiva demostró su capacidad para funcionar eficazmente a mayores profundidades donde los niveles de energía eran más bajos.

#Escenarios de Aplicación

La tecnología RF-SN tiene numerosas aplicaciones potenciales en varios campos.

#Monitoreo Residencial

En hogares y edificios residenciales, estos sensores podrían usarse para monitorear la salud de las paredes de carga y cimientos. El RF-SN activo sería el más adecuado para áreas donde pueda recibir fácilmente suficiente energía.

#Monitoreo de Infraestructura

Para estructuras más grandes como puentes o presas, se pueden emplear RF-SNs pasivos, incluso si deben estar incrustados profundamente en el concreto. Esta flexibilidad permite una variedad de escenarios y aumenta la seguridad para la infraestructura envejecida.

#Plataformas Robóticas

La investigación también exploró el uso de plataformas robóticas para llevar transmisores de RF, como perros robóticos o drones. Estas plataformas móviles pueden ajustar sus posiciones para optimizar la recolección de energía y datos, proporcionando una solución moderna para el SHM.

#Impacto en las Prácticas de Monitoreo Futuras

Los hallazgos de esta investigación pueden dar forma significativamente al futuro del SHM. Con los RF-SNs, el objetivo de un monitoreo continuo sin necesidad de reemplazar baterías o extensos cableados puede hacerse realidad. Esta innovación permite métodos más rentables y eficientes para mantener la seguridad estructural.

#Conclusión

En resumen, los nodos de sensores alimentados por energía de RF representan un avance prometedor en el monitoreo de salud estructural. Al usar tanto tipos activos como pasivos de RF-SNs, es posible monitorear efectivamente las estructuras de concreto, independientemente de su grosor. La capacidad de recolectar energía de las ondas de radio permite que estos sensores operen continuamente sin las limitaciones de las fuentes de energía tradicionales.

Esta tecnología ofrece un enfoque moderno para garantizar la seguridad en nuestros edificios e infraestructuras, allanando el camino para mejorar las prácticas de monitoreo en el futuro. Con los avances en curso, podríamos ver una adopción generalizada de los RF-SNs, lo que llevará a entornos más seguros y protegidos.