أجهزة استشعار تساعد في تحديد العيوب في المباني والجسور

قام المتخصصون في الجامعة الوطنية الروسية للأبحاث التكنولوجية “ميسيس” بتصميم نوع جديد من أجهزة استشعار الاهتزازات لتشخيص حالة المباني والجسور.
يشار إلى أن هذا البحث العلمي تم نشره في مجلة Sensors
وفي هذا الإطار أشار البحث إيليا كوباسوف من قسم علم المواد لأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية في جامعة “ميسيس” قائلاً:
“تكمن ميزة أجهزة الاستشعار المبتكرة في استخدام بلورات الليثيوم النيوبيتية، التي لا تحتوي على الرصاص (على عكس سيراميك الرصاص تيتانات الزركونيت الذي تستخدمه اليوم الشركات المصنعة لأجهزة الاستشعار)”.
وبحسب قوله فإن ذلك سوف يسمح للشركات المصنعة العاملة في السوق الأوروبية تنفيذ القواعد المعمول بها في الاتحاد الأوروبي RoHS التي تنص على التخلص تدريجياً من الرصاص.
وتابع الباحث إيليا كوباسوف حديثه خلال مقابلة مع وكالة “سبوتنيك” قائلاً:
“يمكن استخدام أجهزة استشعار الاهتزازات في أجهزة تشخيص حالة المباني والجسور وذلك لأنها تسمح باكتشاف أي اهتزازات خطيرة في الوقت المناسب، واتخاذ التدابير وإجلاء الناس. كما يمكن استخدامها في المركبات الفضائية وأنظمة الحماية الأمنية، إذ أنها تسمح بزيادة الرقابة على المناطق التي تتطلب حماية أمنية خاصة أو حدود الدولة”.
يعتمد مبدأ عمل أجهزة استشعار الاهتزازات على أساس عامل التأثير الكهرواجهادي — حيث يتشوه عنصر الكهرواجهادي عند تطبيق الاهتزاز عليه وبالتالي يرسل إشارة كهربائية، التي يتم معالجتها وتحليلها بعد ذلك بواسطة أجهزة خاصة.
حتى الآن تواجه المؤسسات المصنعة لأجهزة الاستشعار عدداً من المشكلات لسبب استخدام عنصر الكهرواجهادي على أساس الرصاص تيتانات الزركونيت، الذي يفقد الحساسية عند تغيير درجات الحرارة. حالياً يمكن حل هذه المشاكل بحسب اعتقاد الباحثين وذلك لأن الليثيوم نيوبات هو مادة أحادية البلورية (LiNbO3)، أي أنها لا تحتوي على حبيبات صغيرة مثل سيراميك الرصاص تيتانات الزركونيت وخصائصها ثابتة ضمن طيف واسع من درجات الحرارة.
وقد اشتهر الليثيوم نيوبات منذ منتصف القرن العشرين ويستخدم على نطاق واسع في البصريات الليزرية، ولكن القليل من الباحثين حاولوا استخدامه في أجهزة استشعار الاهتزازات بسبب خصائصه الكهرواجهادي الضعيفة (حوالي 10 مرات أسوأ من الرصاص تيتانات الزركونيت).
وقد تمكن المتخصصون في جامعة “ميسيس” من زيادة حساسية الليثيوم نيوبات تجاه الاهتزازات الخارجية نتيجة تشكيل ما يسمى بنية ثنائية المجال في هذه المادة.
وأوضح الباحث إيليا كوباسوف بهذا الشأن قائلاً:
“بفضل استخدام المعالجات الحرارية الخاصة، نقوم بتغيير خصائص البلورات، بحيث يكون النصف العلوي من اللوحة صورة معكوسة تماماً عن النصف السفلي. ويؤدي الاهتزاز الخارجي إلى إضافة إشارات من هذه النطاقات (تسمى مجالات متعلقة بالعازل الكهربائي الشفاف) وتزداد حساسية جهاز الاستشعار”.
تم تصميم عملية الحصول على بلورات ثنائية المجال في قسم علوم المواد لأشباه الموصلات والعوازل الكهربائية في جامعة “ميسيس”، علماً أن هذه العملية محمية من خلال براءة اختراع. وبحسب قول الباحثين فإن تكلفة تصنيع المواد ليست أكثر بكثير من الرصاص تيتانات الزركونيت.
إن تصميم نوع جديد من أجهزة الاستشعار مبني على أساس بلورة أحادية الكهرواجهادي محولة للطاقة، يسمح بالحد من التسارع الأدنى الذي تكشفه بعض الأجهزة المماثلة حتى 10⁻⁷ g (واحد على عشرة مليون من تسارع الجاذبية) وكذلك توسع من مجال نطاق درجات حرارة التشغيل.