Безпровідна система моніторингу деформацій з використанням тензорезисторів на основі ниткоподібних кристалів кремнію

Structural health monitoring of steel pipelines in industrial environments remains a critical challenge due to mechanical loads, pressure variations, temperature fluctuations, and external degradation. Traditional foil strain gauges, though widely used and inexpensive, suffer from thermal instabilit...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2025
Main Authors:	Druzhinin, Anatoliy, Koretskyi, Roman, Nichkalo, Stepan, Talanchuk, Danylo
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2025
Subjects:	ниткоподібний кремній тензорезистор Wi-Fi Arduino Uno HX711 ESP8266 моніторинг трубопровід
Online Access:	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.34
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Technology and design in electronic equipment

Institution

Technology and design in electronic equipment

id	oai:tkea.com.ua:article-375
record_format	ojs
spelling	oai:tkea.com.ua:article-3752025-12-16T20:28:13Z Wireless deformation monitoring system using strain sensor based on silicon whiskers Безпровідна система моніторингу деформацій з використанням тензорезисторів на основі ниткоподібних кристалів кремнію Druzhinin, Anatoliy Koretskyi, Roman Nichkalo, Stepan Talanchuk, Danylo silicon whisker strain sensor Wi-Fi Arduino Uno HX711 ESP8266 pipeline monitoring ниткоподібний кремній тензорезистор Wi-Fi Arduino Uno HX711 ESP8266 моніторинг трубопровід Structural health monitoring of steel pipelines in industrial environments remains a critical challenge due to mechanical loads, pressure variations, temperature fluctuations, and external degradation. Traditional foil strain gauges, though widely used and inexpensive, suffer from thermal instability, limited operational life under cyclic loading, and the need for hermetic protection, restricting their application in infrastructure monitoring. Optical fiber sensors offer high precision, but are costly and difficult to integrate. This paper presents a wireless deformation monitoring system based on silicon whiskers used as strain-sensitive elements embedded into a Wheatstone bridge. One of the bridge’s four arms includes a silicon whisker sensor, while the others use 350 Ω precision tantalum resistors, ensuring thermal stability. The analogue output of the bridge is amplified and digitized by an HX711 ADC and processed by an Arduino-compatible microcontroller, which transmits the data via Wi-Fi. For thermal compensation, a “bridge within a bridge” configuration is used, allowing real-time correction of temperature-induced drift.Experimental validation was carried out on a water pipeline segment under simulated pressures of up to 12 bar. The silicon whisker-based sensors demonstrated a stable gauge factor of ~120 ± 10% and a thermal resistance drift within +(0.1 ± 0.02)%/°C over the temperature range from −150 to +200 °C. The system reliably measured strain up to ±5ꞏ10⁻³ (0.5%), matching expected deformations in steel pipeline applications. The results of the extended temperature test showed that when heated to +350°C, the measurement error caused by the temperature coefficient of resistance does not exceed 1.2% after digital correction. Therefore, for the practical system, a “bridge-in-a-bridge” thermal compensation scheme was used, where one of the arms acts as a reference thermal control link.The proposed system offers a compact solution for real-time strain monitoring in industrial settings. Its wireless functionality, thermal resilience, and measurement precision make it highly suitable for continuous diagnostics and early fault detection. Спроєктовано інтелектуальну бездротову систему, призначену для моніторингу деформацій конструкцій у реальному часі. Основним її чутливим елементом є тензорезистор на основі ниткоподібного кремнію, що демонструє високу стабільність та чутливість у широкому інтервалі температури. Система побудована на мікроконтролері Arduino Uno з підімкненим модулем підсилення сигналу HX711 та Wi-Fi модулем ESP8266. Описано апаратну та програмну частини системи. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2025-06-30 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.34 10.15222/TKEA2025.1-2.34 Technology and design in electronic equipment; No. 1–2 (2025): Technology and design in electronic equipment; 34-37 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1–2 (2025): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 34-37 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2025.1-2 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.34/338 Copyright (c) 2025 Anatoliy Druzhinin, Roman Koretskyi, Stepan Nichkalo, Danylo Talanchuk http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
institution	Technology and design in electronic equipment
baseUrl_str
datestamp_date	2025-12-16T20:28:13Z
collection	OJS
language	Ukrainian
topic	ниткоподібний кремній тензорезистор Wi-Fi Arduino Uno HX711 ESP8266 моніторинг трубопровід
spellingShingle	ниткоподібний кремній тензорезистор Wi-Fi Arduino Uno HX711 ESP8266 моніторинг трубопровід Druzhinin, Anatoliy Koretskyi, Roman Nichkalo, Stepan Talanchuk, Danylo Безпровідна система моніторингу деформацій з використанням тензорезисторів на основі ниткоподібних кристалів кремнію
topic_facet	silicon whisker strain sensor Wi-Fi Arduino Uno HX711 ESP8266 pipeline monitoring ниткоподібний кремній тензорезистор Wi-Fi Arduino Uno HX711 ESP8266 моніторинг трубопровід
format	Article
author	Druzhinin, Anatoliy Koretskyi, Roman Nichkalo, Stepan Talanchuk, Danylo
author_facet	Druzhinin, Anatoliy Koretskyi, Roman Nichkalo, Stepan Talanchuk, Danylo
author_sort	Druzhinin, Anatoliy
title	Безпровідна система моніторингу деформацій з використанням тензорезисторів на основі ниткоподібних кристалів кремнію
title_short	Безпровідна система моніторингу деформацій з використанням тензорезисторів на основі ниткоподібних кристалів кремнію
title_full	Безпровідна система моніторингу деформацій з використанням тензорезисторів на основі ниткоподібних кристалів кремнію
title_fullStr	Безпровідна система моніторингу деформацій з використанням тензорезисторів на основі ниткоподібних кристалів кремнію
title_full_unstemmed	Безпровідна система моніторингу деформацій з використанням тензорезисторів на основі ниткоподібних кристалів кремнію
title_sort	безпровідна система моніторингу деформацій з використанням тензорезисторів на основі ниткоподібних кристалів кремнію
title_alt	Wireless deformation monitoring system using strain sensor based on silicon whiskers
description	Structural health monitoring of steel pipelines in industrial environments remains a critical challenge due to mechanical loads, pressure variations, temperature fluctuations, and external degradation. Traditional foil strain gauges, though widely used and inexpensive, suffer from thermal instability, limited operational life under cyclic loading, and the need for hermetic protection, restricting their application in infrastructure monitoring. Optical fiber sensors offer high precision, but are costly and difficult to integrate. This paper presents a wireless deformation monitoring system based on silicon whiskers used as strain-sensitive elements embedded into a Wheatstone bridge. One of the bridge’s four arms includes a silicon whisker sensor, while the others use 350 Ω precision tantalum resistors, ensuring thermal stability. The analogue output of the bridge is amplified and digitized by an HX711 ADC and processed by an Arduino-compatible microcontroller, which transmits the data via Wi-Fi. For thermal compensation, a “bridge within a bridge” configuration is used, allowing real-time correction of temperature-induced drift.Experimental validation was carried out on a water pipeline segment under simulated pressures of up to 12 bar. The silicon whisker-based sensors demonstrated a stable gauge factor of ~120 ± 10% and a thermal resistance drift within +(0.1 ± 0.02)%/°C over the temperature range from −150 to +200 °C. The system reliably measured strain up to ±5ꞏ10⁻³ (0.5%), matching expected deformations in steel pipeline applications. The results of the extended temperature test showed that when heated to +350°C, the measurement error caused by the temperature coefficient of resistance does not exceed 1.2% after digital correction. Therefore, for the practical system, a “bridge-in-a-bridge” thermal compensation scheme was used, where one of the arms acts as a reference thermal control link.The proposed system offers a compact solution for real-time strain monitoring in industrial settings. Its wireless functionality, thermal resilience, and measurement precision make it highly suitable for continuous diagnostics and early fault detection.
publisher	PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
publishDate	2025
url	https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2025.1-2.34
work_keys_str_mv	AT druzhininanatoliy wirelessdeformationmonitoringsystemusingstrainsensorbasedonsiliconwhiskers AT koretskyiroman wirelessdeformationmonitoringsystemusingstrainsensorbasedonsiliconwhiskers AT nichkalostepan wirelessdeformationmonitoringsystemusingstrainsensorbasedonsiliconwhiskers AT talanchukdanylo wirelessdeformationmonitoringsystemusingstrainsensorbasedonsiliconwhiskers AT druzhininanatoliy bezprovídnasistemamonítoringudeformacíjzvikoristannâmtenzorezistorívnaosnovínitkopodíbnihkristalívkremníû AT koretskyiroman bezprovídnasistemamonítoringudeformacíjzvikoristannâmtenzorezistorívnaosnovínitkopodíbnihkristalívkremníû AT nichkalostepan bezprovídnasistemamonítoringudeformacíjzvikoristannâmtenzorezistorívnaosnovínitkopodíbnihkristalívkremníû AT talanchukdanylo bezprovídnasistemamonítoringudeformacíjzvikoristannâmtenzorezistorívnaosnovínitkopodíbnihkristalívkremníû
first_indexed	2025-09-24T17:30:50Z
last_indexed	2025-12-17T12:06:22Z
_version_	1851757095639056384

Безпровідна система моніторингу деформацій з використанням тензорезисторів на основі ниткоподібних кристалів кремнію

Institution

Similar Items