УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЗАИМНЫХ СМЕЩЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
DEVICE FOR REMOTE MEASURING MUTUAL ELEMENT DISPLACEMENT OF BUILDINGS AND STRUCTURES

Изобретение относится к области неразрушающего контроля, а именно к инструментальным средствам контроля состояния зданий и сооружений, в частности измерения взаимных смещений элементов их конструкции посредством активного интерферометра, функционирующего на основе сравнения фаз переданного и одновременно принятого сигналов в виде электромагнитных волн микроволнового диапазона.
Оценить текущее техническое состояние здания или сооружения и предотвратить катастрофу можно, непрерывно контролируя и регистрируя историю внешних динамических воздействий и реакций на них объекта контроля.
Известно изобретение способ мониторинга и прогнозирования состояния зданий и сооружений и система мониторинга и прогнозирования состояния зданий и сооружений (патент RU 2381470, G01M 7/00, 2010), пункт 25 формулы изобретения которого касается системы мониторинга и прогнозирования состояния зданий и сооружений, отличающейся тем, что датчиками измерения амплитуд смещения объекта могут являться сейсмометры.
-3
Недостатком такой системы является непригодность сейсмометров, как и любых других акселерометров, для прямого измерения взаимных перемещений элементов конструкции зданий и сооружений, а также ограниченный частотный диапазон измеряемых смещений. Например, сейсмометры компании EENTEC (сайт производителя - http://www.сейсмометр.рф) имеют диапазон рабочих частот от 8⋅10 Гц (120 с) до 100 Гц.
wileyonlinelibrary.com
Альтернативой инерционным датчикам ускорений являются бесконтактные датчики перемещений. Обзор современного состояния уровня техники в области бесконтактных датчиков для систем контроля технического состояния зданий приведен в статье на англ. яз. Lijun Wu, Fabio Casciati «Local positioning systems versus structural monitoring: a review» - STRUCTURAL CONTROL AND HEALTH MONITORING. Struct. Control Health Monit. 2014; 21: 1209-1221 (Published online 19 January 2014 in Wiley Online Library (). DOI: 10.1002/stc.1643).
В данном обзоре показано, что в настоящее время в качестве таких датчиков используются: приемные устройства глобальных навигационных систем (GPS, ГЛОНАСС) или работающие по тому же принципу локальные навигационные системы, лазерные, радиолокационные и телевизионные измерители перемещений.
Глобальные и локальные навигационные системы не обеспечивают требуемой субмиллиметровой точности измерения взаимных перемещений элементов конструкции.
Телевизионные системы хороши для измерения тангенциальных взаимных перемещений, но непригодны для измерения перемещений вдоль линии визирования.
Этих недостатков лишены бесконтактные измерители взаимных перемещений, работающие по принципу интерферометров оптического (лазерные системы) или микроволнового электромагнитного излучения.
Лазерные системы обладают максимально достижимой точностью измерений взаимных перемещений, однако весьма дороги, периодически требуют тщательной настройки и поэтому непригодны для применения в системах непрерывного контроля.
Микроволновые фазометрические системы значительно дешевле. В силу того, что длина волны зондирующего излучения у них на три-четыре порядка больше, чем у лазерных систем, они более просты в настройке и устойчивы к внешним мешающим факторам: загрязнению, появлению водяного конденсата, царапинам и т.п.
Известно большое количество микроволновых фазометрических систем, созданных во второй половине XX века (GB 1013667, G01S, 1965; GB 1345520, G01R 25/00, G01S 13/36, Н01Р 5/16; US 4359683, G01S 13/32, 1982; СССР 1250922, G01N 22/00, 1986; СССР 1315804, G01B 15/00, 1987; СССР 1760458, G01P 3/66, 1992; DE 4300949, G01R 25/02, Н05Н 1/00, 1994; CN 2374858, G01N 22/04, 2000; JP 2000266692, G01N 22/00, H01L 21/302, H01L 21/3065, H01L 21/31, 2000).
Несмотря на то, что по мере развития СВЧ техники конструктивные и схемотехнические решения, использованные в этих системах, совершенствовались: уменьшалась длина волны зондирующего излучения и повышалась точность измерения, принцип их действия остается одинаковым и состоит в сравнении фаз излучаемых устройством электромагнитных колебаний и принимаемых самим устройством электромагнитных колебаний, отражающихся от поверхности перемещаемого объекта. Изменение расстояния от устройства до объекта приводит к пропорциональному изменению фазы отраженного сигнала.
В качестве аналогов заявляемого устройства можно привести устройство для дистанционного измерения перемещения и скорости фазометрическим методом, работающее в миллиметровом диапазоне длин волн и описанное в статье на англ. яз. Hongxing Zheng. «А displacement and velocity measurement technique using millimeter-wave sensor» - International journal of Infrared and millimeter waves. 2005. - V. 26. - №9. P. 1277-1290, и приемопередающее устройство с диэлектрическим волноводным трактом для фазометрических систем миллиметрового диапазона длин волн в соответствии с изобретением по патенту РФ 2569936, G01S 13/02, Н01Р 1/02, 2015.
Первый аналог состоит из генератора непрерывного зондирующего излучения миллиметрового диапазона длин волн, двухканального приемного устройства для измеряемого и опорного сигналов супергетеродинного типа с балансными смесителями и реализованными в виде цифрового устройства квадратурными фазовыми детекторами, рупорной приемопередающей антенны, волноводного тракта.
Второй аналог относится к области измерительной техники, в частности микроволновой интерферометрии, и может быть использован для дистанционного измерения перемещения, мгновенной скорости, ускорения, спектра вибраций различных объектов. Устройство содержит генератор непрерывного зондирующего излучения, гетеродин, два смесителя, передающую и приемную антенны и волноводный тракт.
Эти аналоги могут измерять перемещения объекта, основываясь на сравнении фаз излучаемых устройством электромагнитных колебаний и принимаемых самим устройством электромагнитных колебаний, отражающихся от поверхности перемещаемого объекта. Перемещаемый объект при этом не оборудован «активным ответчиком». С одной стороны, это является достоинством этих неусложненных устройств, с другой стороны, дальность действия устройств такого типа меньше, чем устройства, в состав которого входил бы «активный ответчик», если такой «ответчик» можно разместить на перемещающемся объекте.
Поэтому актуален резерв развития инструментальных средств контроля технического состояния зданий и сооружений, предназначенных для предотвращения аварий и катастроф, связанных с внезапным разрушением зданий и сооружений и основанных на сравнении фаз электромагнитных колебаний, излучаемых навстречу друг другу, а не излучаемых устройством и отражающихся от объекта.
В связи с принципиальным изменением в изобретении структурной схемы фазометрической системы - отказом от сравнения фаз излучаемых устройством электромагнитных колебаний и принимаемых самим устройством электромагнитных колебаний, отражающихся от поверхности перемещаемого объекта, на котором основано функционирование аналогов, характеризующих уровень техники в рассматриваемой в настоящем описании изобретения области инструментальных средств контроля состояния зданий и сооружений, выбрана форма изложения сущности указанного изобретения - без прототипа.
Технический результат от использования изобретения - увеличение дальности действия бесконтактного измерителя взаимных перемещений, работающего по принципу активного интерферометра микроволнового электромагнитного излучения, а также расширение арсенала инструментальных средств измерения взаимных смещений элементов конструкции зданий и сооружений, работающих на основе микроволновой фазометрии.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагается устройство для дистанционного измерения взаимных смещений элементов конструкции здания или сооружения, представляющее собой микроволновый активный интерферометр и содержащее два приемопередающих блока, работающих на различных частотах зондирующего излучения и состоящих каждый из генератора непрерывных гармонических колебаний, подключенного к входу Y-циркулятора, который своим выходом с малыми потерями соединен с приемопередающей антенной и своим выходом с большими потерями с входом квадратичного смесителя, подсоединенного своим выходом к входу усилителя промежуточной частоты, равной разнице частот зондирующего излучения генераторов непрерывных гармонических колебаний в составе указанных блоков, и фазовый детектор, соединенный своим входом с выходами усилителей промежуточной частоты в составе указанных блоков и своим выходом через аналого-цифровой преобразователь с входом микроконтроллера для формирования дискретной временной зависимости взаимного смещения двух элементов конструкции здания или сооружения.
При этом упомянутые приемопередающие блоки жестко закреплены по одному на двух взаимно смещаемых элементах здания или сооружения, а приемопередающие антенны указанных блоков направлены друг на друга.
В частных случаях реализации предлагаемого устройства генераторы непрерывных гармонических колебаний в составе приемопередающих блоков могут работать в СВЧ или КВЧ диапазоне излучения с разницей частот в пределах ВЧ или ОВЧ диапазона, а микроконтроллер может быть подключен через локальную сеть к центральному процессору системы мониторинга и прогнозирования состояния зданий и сооружений.
Известная микроволновая сенсорная система (JP 2015036666, G01S 13/32, G01S 13/50, 2015), предназначенная для выполнения иной задачи - обнаружения и измерения горизонтальных перемещений цели и состоящая из двух сантиметровых приемопередатчиков, работающих на различных частотах зондирующего излучения и использующих каждый зондирующее и отраженное от движущейся мишени излучения, не противоречит изобретательскому уровню заявляемого устройства, т.к. указанная система использует отраженные от мишени электромагнитные колебания для надежного измерения углового смещения обнаруженной мишени за счет углового взаимного расположения указанных приемопередатчиков и двух сравнений фаз сигналов промежуточной частоты с последующим компьютерным учетом угловой ошибки измерения.
Заявляемое устройство поясняется структурной схемой, изображенной на чертеже.
1
2
1
2
Устройство для измерения взаимных смещений элементов конструкции зданий и сооружений в настоящем примере выполнения состоит из образующих два приемопередающих блока (ППБ I и II) двух генераторов (1, 7) непрерывных гармонических колебаний СВЧ или КВЧ диапазонов, работающих на частотах ω и ω соответственно, и подключенных каждый к своему из двух Y-циркуляторов (2, 8), двух направленных друг на друга приемопередающих антенн (3, 9), двух квадратичных смесителей (4, 10) и двух усилителей промежуточной частоты (5, 11), которая равна разности частот ω и ω, и последовательно соединенных между собой фазового детектора (6), аналого-цифрового преобразователя (12) и микроконтроллера (13), подключенного через локальную сеть к центральному процессору системы мониторинга и прогнозирования состояния зданий и сооружений (14).
Причем в каждом приемопередающем блоке Y-циркулятор (2 или 8) своим выходом с малыми потерями соединен с приемопередающей антенной (3 или 9) и своим выходом с большими потерями с входом квадратичного смесителя (4 или 10), подсоединенного своим выходом к входу усилителя промежуточной частоты (5 или 11) и каждый приемопередающий блок (ППБ I или II) жестко закреплен на своем элементе конструкции из тех, взаимное смещение между которыми необходимо измерять.
Предлагаемое устройство реализуемо на доступной микроволновой электронной аппаратуре.
Устройство работает следующим образом.
1
2
Генератор (1) вырабатывает непрерывные гармонические колебания СВЧ или КВЧ диапазонов с частотой ω и передает их через циркулятор (2) с малыми потерями на приемопередающую антенну (3), а также с большими потерями на вход квадратичного смесителя (4). Точно также работает генератор (7): он вырабатывает непрерывные гармонические колебания СВЧ или КВЧ диапазонов с частотой ω и передает их через циркулятор (8) с малыми потерями на приемопередающую антенну (9), а также с большими потерями на вход квадратичного смесителя (10).
2
2
2
Так как антенны (3) и (9) направлены друг на друга, на вход смесителя (4) поступает сигнал на частоте ω, излученный антенной (9), с временной задержкой (х/с), где х - контролируемое расстояние между элементами конструкции, с - скорость света, и фазовым сдвигом (2πx/λ), где λ - длина волны второго генератора (7).
1
1
1
Точно также на вход смесителя (10) поступает сигнал на частоте ω, излученный антенной (3), с такой же временной задержкой и фазовым сдвигом 2πx/λ), где λ - длина волны первого генератора (1).
На выходе смесителя (4) формируется сигнал промежуточной частоты, текущая фаза которого описывается соотношением
На выходе смесителя (10) формируется сигнал промежуточной частоты, текущая фаза которого описывается соотношением
1
2
Здесь t - текущее время, ϕ(t) и ϕ(t) - медленно меняющиеся случайные начальные фазы (низкочастотные фазовые шумы) колебаний, вырабатываемых генераторами (1) и (7) соответственно.
Сигналы с выходов смесителей (4) и (10) усиливаются усилителями промежуточной частоты (5) и (11) соответственно и передаются по выделенным линиям связи на входы фазового детектора (6).
1
2
1
2
1
2
На выходе фазового детектора формируется сигнал, пропорциональный разности фаз входных сигналов {Ф(t) - Ф(t)}. С учетом того, что ϕ(t) и ϕ(t) - это медленные функции времени и их изменением за малое, порядка одной микросекунды, время задержки (х/с) можно пренебречь, выходной сигнал фазового детектора (6) пропорционален 4π х/λ, где λ - среднее значение двух длин волн λ и λ.
Этот сигнал преобразуется в цифровую форму аналого-цифровым преобразователем (12), а в микроконтроллере (13) умножается на коэффициент (λ/4π). Выходной сигнал микроконтроллера является дискретным представлением зависимости смещения (Δх) от времени и по локальной сети передается на центральный процессор системы мониторинга и прогнозирования состояния зданий и сооружений (14) для последующей обработки.
Благодаря реализованному в устройстве принципу работы «с активным ответом», с его помощью может быть измерено взаимное смещение элементов конструкции, удаленных друг от друга на значительное расстояние, которое определяется только энергетическим потенциалом используемых приемопередатчиков и размерами самого сооружения.
Применение фазового метода измерения перемещения позволяет добиваться погрешности измерения в сотые доли длины волны зондирующего излучения. При работе устройства в КВЧ диапазоне погрешность может не превышать десятки микрометров. При вычислении разности фаз двух сигналов промежуточной частоты происходит практически полная компенсация взаимных фазовых шумов двух генераторов.
Это позволяет обеспечить сочетание широкополосности и долговременной стабильности измерительного устройства и максимально широкий диапазон частот измеряемых взаимных смещений элементов конструкции. Верхняя граница частотного диапазона измеряемой зависимости Δх(t) может составлять до 10% от выбранного значения промежуточной частоты, например при промежуточной частоте более 10 МГц она будет составлять единицы мегагерц. Нижняя граница частотного диапазона будет ограничиваться только процессами старения активных элементов электрической схемы с характерным масштабом времени в несколько сотен часов, что соответствует частоте, измеряемой в микрогерцах.