Inclinómetros inalámbricos: guía para la monitorización de la rotación estructural

Un inclinómetro es un sensor que devuelve un ángulo. Todo lo demás, desde los desplazamientos hasta los perfiles de deformación y las alarmas, se calcula a partir de ese ángulo, normalmente multiplicándolo por un brazo de palanca geométrico entre el sensor y el punto de interés.

Aunque el concepto es simple, este dato puede utilizarse de muchas formas para la monitorización estructural de edificios, puentes, obras o presas.

Qué mide un inclinómetro

La medida nativa es la rotación alrededor de uno o dos ejes ortogonales, expresada en grados, microrradianes o miligrados. Los inclinómetros MEMS disponibles hoy en el mercado resuelven habitualmente 0,001°, lo que corresponde a aproximadamente 17 microrradianes. Los sensores electrolíticos de precisión alcanzan 0,0005°.

Cuando un informe de inclinometría indica un "desplazamiento en coronación de 0,17 mm", ese valor se calcula y no se mide directamente. Se toma el ángulo medido (0,001°), se multiplica por la distancia vertical entre el sensor y el punto de interés (un brazo de palanca de 10 metros) y se obtiene el desplazamiento horizontal equivalente en la parte superior del elemento.

La consecuencia práctica es que la sensibilidad efectiva de un inclinómetro depende de la geometría de la estructura tanto como del propio sensor. El mismo instrumento, colocado en una pila de 2 metros y en una de 20 metros, produce sensibilidades en coronación muy diferentes: submilimétrica en el segundo caso, subdécima de milímetro en el primero. Sobre el papel los 0,001° son idénticos, pero en campo las diferencias son claramente visibles.

Las cuatro familias tecnológicas

Los inclinómetros de uso comercial se dividen en cuatro familias.

MEMS

Es decir, micro-electro-mechanical systems: en la práctica, una masa de silicio suspendida sobre un sistema capacitivo. Son compactos, de bajo consumo, tolerantes a las vibraciones, compensados en temperatura de fábrica, con una resolución actual de 0,001°. Son el estándar para la monitorización estructural civil, donde cubren la gran mayoría de los despliegues.

Electrolítico

Estos inclinómetros utilizan un fluido conductivo encerrado entre electrodos: cuando la inclinación varía, cambia la conductividad y la señal se ajusta en consecuencia. Las resoluciones declaradas alcanzan hasta 0,0005° en laboratorio. La contrapartida es que resultan sensibles a choques térmicos y mecánicos, por lo que hay que tratarlos con más cuidado durante la instalación.

Force-balance

En este tipo de sensor hay un péndulo mantenido en posición por un lazo de retroalimentación activo. Las resoluciones están en el orden del nanorradián, lo que los hace adecuados para la monitorización tectónica y geofísica. Son instrumentos costosos y decididamente fuera de escala para la monitorización estructural corriente.

Cuerda vibrante

El principio es una cuerda tensada cuya frecuencia de resonancia cambia con la inclinación. Son robustos en ambientes hostiles y compatibles con los data loggers geotécnicos tradicionales, aunque el muestreo es más lento en comparación con el MEMS.

En la práctica, para puentes, edificios, túneles y laderas, el MEMS cubre la casi totalidad de los proyectos nuevos. El electrolítico sobrevive en instalaciones donde se requiere una precisión extrema. El force-balance pertenece al mundo de la sismología y la investigación. La cuerda vibrante se usa donde la infraestructura de adquisición ya es de cuerda vibrante.

Por qué el inalámbrico ha cambiado la economía de la monitorización

Hasta mediados de la década de 2010, instalar un inclinómetro significaba ante todo planificar el cableado. Recorridos en bandeja, cajas de conexión, data logger central, alimentación estabilizada, a veces un SAI. En un viaducto de luz media, dos o tres semanas de obra civil eran la norma. Y el coste de los sensores era solo una fracción del coste total del sistema, típicamente el 20-30%. Todo lo demás se iba en infraestructura de soporte.

El inclinómetro inalámbrico invirtió esta proporción. Un sensor alimentado por una batería LiSOCl₂ de 19 Ah comunica vía LoRaWAN, mesh LoRa propietario o LPWAN celular a kilómetros en campo abierto, dura años sin intervención y se instala con cuatro pernos o un pegado estructural. El data logger se convierte en un único gateway posicionado donde hay cobertura. La alimentación externa desaparece y los plazos de obra civil necesarios para instalar el sistema se reducen drásticamente.

De este modo, un programa de monitorización que antes requería 2-3 semanas de obra se instala hoy en una jornada. En un viaducto de 300 metros con ocho pilas, un equipo de dos personas coloca los sensores, verifica la conexión al gateway, registra los sensores en la plataforma y entrega el primer dato antes de la noche. Quien ya ha diseñado un sistema cableado reconoce de inmediato la diferencia en el presupuesto.

Naturalmente, el inalámbrico introduce variables que el cableado no tenía. La calidad del enlace radio, la vida de la batería como función de la tasa de muestreo, la gestión de firmware en campo. Un muestreo agresivo a 3,9 Hz en modo evento consume batería mucho más rápidamente que un muestreo estático de 1 muestra cada 10 minutos. El dimensionamiento de la campaña debe tener en cuenta este compromiso ya en la fase de proyecto, antes de la colocación de los sensores.

Dónde encuentran su lugar los inclinómetros

Los inclinómetros aparecen en casi todos los portfolios de monitorización de infraestructuras porque responden a una pregunta muy específica: "¿está rotando este elemento?". Los ámbitos de aplicación principales son seis.

Puentes y viaductos

Se usa para monitorizar la rotación de pilas, el basculamiento de los apoyos, la torsión del tablero y la rotación de los arranques de arco bajo carga. En los puentes clasificados como de Atención Alta según las Directrices de Puentes del CSLP, el inclinómetro es a menudo el primer sensor permanente que se instala: es capaz de detectar la evolución lenta de un asentamiento de cimentación antes de que el daño visible haga su aparición.

Edificios y estructuras en elevación

Ayuda a medir la verticalidad de las columnas durante construcciones adyacentes, los asentamientos diferenciales y el drift residual postsísmico. Si se disponen inclinómetros en diferentes plantas, se forma una cadena que permite reconstruir el perfil deformativo en altura.

Presas

Monitoriza la rotación del paramento aguas arriba al variar el nivel del embalse, el creep lento de los estribos en roca y el movimiento de los umbrales de vertido.

Túneles y obras subterráneas

Aquí el inclinómetro se usa para: convergencia del revestimiento, asentamientos de los edificios situados encima durante el avance de una tuneladora TBM, rotación de las estructuras de emboquille.

Deslizamientos y laderas

Se usa para monitorizar la rotación superficial como precursora de colapso superficial y las cadenas en sondeo para reconstruir la deformación subsuperficial en función de la profundidad.

Patrimonio histórico

Sirve para medir la inclinación de campanarios, fachadas históricas, estatuas, monumentos y todos los casos en que el montaje no invasivo y la removibilidad son restricciones de proyecto no negociables.

En esencia, el inclinómetro aparece en todas las categorías de obras civiles monitorizadas, desde la presa de hormigón hasta el campanario del siglo XVI.

Del punto individual al perfil de deformación

Un inclinómetro individual devuelve el estado angular de un punto. Pero en una pantalla de excavación profunda, en una fachada en rotación diferencial, en un sondeo vertical que atraviesa una ladera en movimiento, no queremos saber si un punto está rotando sino más bien queremos entender cuál es la forma de la deformación a lo largo de toda la altura o la profundidad.

Y por eso se usa la cadena. Se toman varios inclinómetros y se disponen en una geometría conocida (vertical en una tubería inclinométrica, horizontal a lo largo de una viga, distribuida en las plantas de un edificio), cada uno de los cuales mide su propio ángulo local. Integrando los ángulos segmento a segmento, un software reconstruye el desplazamiento acumulado a lo largo de la cadena. El resultado es un perfil de deformación que evoluciona en el tiempo.

Move Solutions ha desarrollado el Tiltmeter Chain Tool, un módulo de la plataforma MyMove que convierte los datos angulares brutos de una cadena de sensores en perfiles de desplazamiento acumulado, análisis diferencial segmento a segmento y evolución temporal. La lógica subyacente es la misma que los inclinómetros manuales en sondeo aplican desde hace décadas: discretizar la estructura en elementos, asignar a cada elemento el ángulo del sensor asociado, sumar los desplazamientos. Lo que cambia es que la lectura se realiza de forma continua y remota, en lugar de una vez al mes con un operador en campo.

Cómo leer un datasheet sin dejarse engañar

Tres términos aparecen en todos los datasheets de inclinómetros y pueden resultar confusos: resolución, repetibilidad, exactitud.

Resolución es el cambio más pequeño que el sensor puede distinguir. Si la resolución es 0,001°, significa que el sensor ve la diferencia entre 10,000° y 10,001°.

Repetibilidad es con qué fiabilidad el sensor devuelve la misma lectura en las mismas condiciones. Si se coloca el sensor sobre una referencia fija y se repite la lectura cien veces a temperatura constante, la desviación estándar de esas cien lecturas nos da la repetibilidad.

Exactitud es cuánto se acerca la lectura al valor verdadero. Un inclinómetro puede tener una resolución excelente (0,001°) y una exactitud mediocre (el cero absoluto desplazado 0,01° respecto al valor verdadero). Para la monitorización estructural, en la mayoría de los casos, la repetibilidad importa más que la exactitud: lo que interesa es la variación respecto a la línea base, no el valor absoluto.

Y este es un punto no obvio. Sensores elegidos persiguiendo la resolución más baja pero con una repetibilidad mediocre terminan oscilando más que la señal que deberían capturar. Una especificación seria pide la repetibilidad declarada en condiciones operativas reales (rango de temperatura, tiempo de integración, ancho de banda), no solo la resolución medida en banco.

Hay otros dos elementos que deben leerse con atención.

Compensación en temperatura. Todo inclinómetro, incluso un MEMS compensado en fábrica, muestra un residuo de deriva térmica. En una pila expuesta al sol, el ciclo diurno produce oscilaciones de unas pocas milésimas de grado que se asemejan a un movimiento real. Por eso la cadena de procesamiento debe incluir una corrección térmica, que puede ser empírica o basada en el canal de temperatura interno del sensor.

Línea base y cero operativo. El "cero" de un inclinómetro instalado no coincide con el valor de fábrica. Es la media de las primeras N lecturas tras la instalación sobre la estructura real, una vez que el sensor se ha asentado térmica y mecánicamente. Todas las variaciones posteriores deben referirse a esa línea base.

Lo que un inclinómetro no hace

Un inclinómetro no mide:

• Desplazamiento lineal directo. El desplazamiento siempre se infiere del ángulo multiplicado por un brazo de palanca. Si el brazo de palanca no se conoce con precisión, el desplazamiento tampoco.
• Vibraciones y frecuencias modales. Ese es el dominio del acelerómetro. Un inclinómetro muestrea demasiado lento y su respuesta dinámica está dominada por el efecto gravitatorio, no por la aceleración estructural.
• Deformación del material (strain). Para eso se necesitan galgas extensométricas o sensores de fibra óptica.
• Posición absoluta en el espacio. Un inclinómetro no sabe dónde se encuentra. Para la posición absoluta se necesitan GNSS o estaciones totales robotizadas.
• Asentamiento vertical en rotación rígida. Si un elemento se traslada verticalmente sin rotar, el inclinómetro no ve nada. Y lo mismo aplica si la estructura entera rota como cuerpo rígido: el inclinómetro mide la rotación, pero no nos dice si la base se ha asentado.

El inclinómetro, en definitiva, es parte de un portfolio de monitorización más amplio. En una campaña completa convive con acelerómetros (para la dinámica y la respuesta sísmica), vibrómetros (para las fuentes de vibración externas), sensores de desplazamiento dinámico, sensores ambientales (temperatura, humedad, viento). La elección correcta es casi siempre un subconjunto bien calibrado, no un instrumento único.

Una nota terminológica. En italiano, "inclinometro" cubre tanto el sensor fijo o inalámbrico instalado permanentemente sobre la estructura (que es el objeto de esta guía) como el instrumento manual en sondeo (tubería inclinométrica más sonda) usado en las campañas geotécnicas. Son dos dispositivos con arquitectura y caso de uso diferentes, aunque comparten el nombre.

Las próximas versiones de los inclinómetros MEMS en desarrollo trabajan a lo largo de tres líneas paralelas: extensión de la vida de batería más allá de la década en régimen de muestreo lento, integración nativa del canal de temperatura en el modelo de compensación, reducción del ruido de banda ancha para acercar la repetibilidad operativa a la resolución de datasheet. Es en este espacio donde se jugará la próxima generación de campañas de monitorización estructural.