МАЯТНИКОВЫЙ ИНКЛИНОМЕТР С ФУНКЦИЕЙ ДИСТАНЦИОННОЙ КАЛИБРОВКИ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к датчикам для измерения угловых перемещений (отклонений) – инклинометрам, и может найти применение, например, в системах мониторинга напряженно-деформированного состояния несущих конструкций строительных сооружений, мачт сотовой связи, угловой стабилизации платформ и др.
В основе функционирования инклинометров могут лежать разные физические эффекты и явления, обеспечивающие им широкое разнообразие характеристик и конструкций [1]. Для прецизионных измерений малых угловых отклонений  характерных, в частности, для указанных выше объектов, широкое применение нашли маятниковые инклинометры (МИ). В них маятник - тело небольших размеров, подвешенное на гибкой нити к корпусу инклинометра, служит для задания опорного направления - «местной» вертикали, относительно которой определяется угловое отклонение объекта с расположенным на нем инклинометром. При заданной длине маятника значение угла отклонения определяется по известным координатам маятника относительно корпуса инклинометра, которые измеряются с помощью электронных или оптических датчиков линейных перемещений.
-9
Известен волоконно-оптический маятниковый инклинометр [2], содержащий: чувствительный элемент (ЧЭ) в виде маятника (1), подвешенного на тонкой нити (2) к корпусу инклинометра (3), жестко связанному с контролируемым объектом; волоконно-оптический датчик (4) для измерения координат маятника (1) относительно корпуса (3), выполненный с возможностью подключения к блоку обработки сигналов (5), осуществляющего расчет угловых перемещений объекта с высокой точностью (достигающей 10 рад ≈0,001 угл. сек.) посредством оптического кабеля (6). Указанный инклинометр за счет использования волоконно-оптической схемы для измерений и передачи данных характеризуется высокой помехозащищенностью и большой дистанционностью измерений, которые играют определяющую роль в задачах по контролю угловых отклонений удаленных объектов, находящихся в труднодоступных местах или в зонах с высоким уровнем электромагнитных помех. При этом, однако, существенно усложняются, или даже становятся невозможными периодические (плановые) поверки инклинометра на предмет его исправности и соответствия заданным техническим характеристикам. В ряде случаев такая поверка неосуществима даже в принципе, например, из-за отсутствия доступа к чувствительному элементу инклинометра, который может быть заложен (внедрен, замоноличен) непосредственно в «тело» массивного контролируемого объекта, например, в бетонную сваю сооружения или в плотину ГЭС. В ходе длительной эксплуатации МИ подвергается воздействию различных дестабилизирующих факторов непрогнозируемого характера (акустомеханические возмущения, вибрация; изменения параметров окружающей среды; необратимые процессы старения и деградации свойств материалов; нестабильность питания электронных схем и др.), которые могут значительно ухудшить точность измерений из-за возрастания шумов, а также могут изменить функцию преобразования инклинометра, например, из-за появления перекрестных связей между разными измерительными каналами. Это приводит к существенному недостатку инклинометра - неопределенности его основных метрологических характеристик, что диктует необходимость создания инклинометров с функцией самодиагностики.
Известен инклинометр [3], основанный на технологиях MEMS, в котором благодаря возможности самокалибровки обеспечена возможность функционирования в условиях воздействия различных дестабилизирующих факторов. Однако существенным недостатком MEMS - инклинометров является их недостаточная точность, которая, по крайней мере, на порядок хуже точности типичных маятниковых инклинометров, применяемых в настоящее время в промышленности [4].
Целью полезной модели является повышение достоверности результатов дистанционных измерений угловых перемещений с помощью маятникового инклинометра, которая достигается благодаря дистанционной калибровке и оценке порога чувствительности инклинометра в реальных условиях эксплуатации (без демонтажа его с контролируемого объекта).
Физической предпосылкой, обеспечивающей достижение поставленной цели, является весьма примечательное свойство чувствительного элемента, выполненного в виде маятника, позволяющее получить одно и то же значение координат маятника относительно корпуса МИ как за счет изменения ориентации корпуса относительно неподвижного (вертикального) маятника, так и за счет принудительного бесконтактного отклонения маятника от вертикали в условиях неподвижного корпуса. Первый случай соответствует режиму измерений, а второй, как показано в настоящей полезной модели, может быть использован для дистанционной калибровки инклинометра и оценки точности измерений.
Сущность полезной модели заключается в создании принудительного, дистанционного, бесконтактного отклонения маятника, выполненного из магнитного материала, от вертикали на точно заданный угол (β) за счет использования электромагнита, установленного на корпусе МИ и создающего в области нахождения маятника неоднородное (градиентное) магнитное поле (с напряженностью , но (неоднородное магнитное поле) приводит к возникновению горизонтальной отклоняющей силы  действующей на маятник, выполненный из материала с высокостабильными магнитными свойствами. При этом, для исключения искажений заданной структуры магнитного поля в области нахождения маятника, корпус МИ следует выполнить из немагнитного материала. Отклоняющая сила  обусловлена действием неоднородного (градиентного) магнитного поля на магнитный момент маятника  который индуцируется в нем при приложении магнитного поля:  Указанное градиентное магнитное поле создается электромагнитом, который может быть выполнен, например, в виде кольцеобразно уложенных витков с электрическим током, расположенных на корпусе МИ, что позволяет варьировать напряженность поля (и, следовательно, силу  за счет регулировки силы тока в витках.
Задачей настоящей полезной модели является создание простого по конструкции маятникового инклинометра с функциями дистанционной калибровки и оценки его пороговой чувствительности, которые осуществляются в реальных условиях эксплуатации инклинометра без демонтажа с объекта контроля.
Важно подчеркнуть, что поскольку принудительные угловые отклонения маятника (/?), необходимые для калибровки инклинометра, являются достаточно малыми  то эти отклонения могут быть созданы с помощью достаточно слабых отклоняющих сил. Это обстоятельство позволяет использовать маятники из магнитных материалов с достаточно слабыми магнитными свойствами (диамагнетики или парамагнетики), которые, при этом, характеризуются весьма высокой стабильностью магнитных свойств (слабой зависимостью от внешних условий и воздействий).
Технический эффект - повышение достоверности результатов измерений угловых перемещений достигается тем, что в отличие от известного устройства, в предлагаемом инклинометре, представленном на фиг. 1, 2:
1) маятник выполнен из магнитного материала;
2) корпус МИ служит одновременно также каркасом для размещения электромагнита, выполненного в виде двух плоских перпендикулярных друг другу витков с током, центры которых находятся на одном уровне с центром маятника (фиг. 1);
3) электромагнит, установленный на корпусе МИ, выполнен с возможностью подключения к регулируемому удаленному источнику тока посредством электрического кабеля.
Фиг. 1. Схема маятникового инклинометра с функцией дистанционной калибровки (а); здесь:  - направление вектора ускорения свободного падения («местная вертикаль»); сечение А-А (е); картина силовых линий неоднородного магнитного поля в плоскости сечения А-А; схема сил, приложенных к маятнику в условиях принудительного отклонения (с) где - вес маятника,  - сила натяжения нити,  - отклоняющая сила.
xy
xy
0
1
l
2
Фиг. 2. Качественный характер временных зависимостей выходных сигналов инклинометра V(t) (кривые а, в) и угловых отклонений объекта α(t) (кривые с, d) соответственно: до процедуры калибровки (t, t), в ходе калибровки (t, t) и после калибровки
Витки с током расположены таким образом, что при пропускании тока через них они создают в области нахождения маятника неоднородные магнитные поля  со значительными градиентами  вдоль перпендикулярных осей ОХ, ОУ (фиг. 1с).
х
y
В указанных магнитных полях  маятник из магнитного материала приобретает магнитные моменты:  которые приводят к возникновению горизонтальных отклоняющих градиентных сил:  направленных, соответственно вдоль осей ОХ и ОУ  - магнитная восприимчивость материала маятника). Принудительные угловые отклонения маятника β, β, обусловленные отклоняющими силами  составляют, соответственно (фиг. Id): где Р - вес маятника (предполагается, что
1,2
1,2
Поскольку  то компоненты отклоняющих сил можно представить в виде:  где k - коэффициенты пропорциональности; I - сила тока в витках.
x
y
x
y
Отметим, несколько забегая вперед, что алгоритм дистанционной калибровки инклинометра, предложенный в настоящей полезной модели, практически не нарушает режима непрерывных измерений (мониторинга), т.к. кратковременные изменения (ΔV, ΔV) выходных сигналов инклинометра (V, V), возникающие в ходе калибровки, являются строго детерминированными и обратимыми и, поэтому, могут быть легко учтены (исключены) в процессе обработки сигналов.
x
у
х
у
В предложенном инклинометре схема измерения угловых перемещений (α, α) включает: 1) чувствительный элемент в виде маятника из магнитного материала (1), подвешенного на тонкой нити (2) к корпусу (3); 2) волоконно-оптический датчик перемещений (4) для определения координат (X, У) маятника, которые связаны с измеряемыми углами отклонений соотношениями:  (L - длина маятника), при этом волоконно-оптический датчик перемещений выполнен с возможностью подключения к блоку обработки сигналов (5) посредством оптического кабеля (6); 3) блок коррекции (7), формирующий уточненные выходные данные (показания) инклинометра (α; α).
x
y
Схема для калибровки МИ путем создания заданных значений принудительных угловых отклонений (β, β) содержит электромагнит, реализованный в виде витков (8) провода с электрическими токами и выполненный с возможностью подключения к регулируемому, удаленному источнику тока (9) посредством электрического кабеля (10).
xx
yy
xy
yx
x
y
х
у
Дистанционная калибровка инклинометра производится с целью определения фактических значений характеристических параметров измерительной схемы МИ - коэффициентов преобразования (k, k) и перекрестных помех (k, k), связывающих выходные сигналы (V, V) с угловыми отклонениями (α, α) с помощью соотношений:
xx
yy
xy
yx
x
y
При известных значениях коэффициентов (k, k), (k, k) углы отклонения определяются по измеренным значениям выходных сигналов (V, V) с помощью соотношений:
xx
yy
xy
yx
xx
yy
xy
yx
Необходимость калибровки, т.е. определения текущих фактических значений коэффициентов (k, k), (k, k), продиктована тем, что при долговременной эксплуатации инклинометра в условиях воздействия дестабилизирующих факторов, помимо возрастания уровня шумов выходного сигнала на практике имеет место также заметный уход (дрейф) указанных коэффициентов преобразования от оптимальных, начальных значений (k=1, k=1), (k=0, k=0), соответствующих исправному, «идеальному» инклинометру (после поверки).
x,y
xy
xx
yy
xy
yx
Если выходным сигналом инклинометра (V) является, например, электрическое напряжение, а угловые отклонения (α) измеряются в радианах, то коэффициенты (k, k, k, k) имеют размерность В/рад., которая в дальнейшем изложении не будет указываться.
Полагаем, что процесс калибровки является достаточно коротким по времени, так что дополнительным угловым отклонением объекта за время калибровки можно пренебречь. Это условие на практике выполняется с большим запасом, т.к. длительность калибровки, в принципе, снизу ограничена лишь временем затухания возмущений маятника, проявляющихся в виде затухающих собственных колебаний маятника, длящихся не более нескольких периодов собственных колебаний.
х
у
Дистанционная калибровка осуществляется путем создания принудительных, точно заданных угловых отклонений маятника (1) (β, β), возникающих при пропускании электрического тока заданной величины через витки (8).
ox
oy
ох
оу
Пусть выходные сигналы инклинометра непосредственно перед калибровкой составляют (V, V), которые соответствуют некоторым истинным (но пока неизвестным) значениям угловых отклонений объекта (α, α), удовлетворяющим системе уравнений (1, 2) с неизвестными (пока) коэффициентами преобразования:
ох
х
оу
y
ox
x
oy
y
После подачи электрического тока в витки (8) полные углы отклонения равны (α+β; α+β), при этом выходные сигналы составляют (V+ΔV; V+ΔV):
x
y
х
у
Из соотношений (5-8) следует, что измеренные приращения сигналов (ΔV, ΔV) и заданные, принудительные углы отклонения (β, β) связаны соотношениями:
xx,
yy
xy
yx
Поскольку необходимо определить четыре неизвестных коэффициента (k k, k, k), то для получения нужного количества (четырех) уравнений следует реализовать два набора принудительных угловых отклонений  и  с соответствующими приращениями  которые связаны соотношениями, представленными в «каноническом» виде:
Если указанные наборы угловых отклонений  выбраны таким образом, что матрица (М):
xx,
yy
xy
yx
имеет ненулевой детерминант det М≠0, то система уравнений (11-14) имеет единственное решение в виде искомого набора коэффициентов (k k, k, k).
шх
шу
х
у
С учетом фактического уровня шумов (флуктуаций) выходных сигналов (ΔV, ΔV), характеризующихся среднеквадратическими отклонениями:  для обеспечения достаточной точности вычислений указанных коэффициентов принудительные отклонения (β, β) следует выбрать таким образом, чтобы наряду с условием det М≠0 обеспечить также выполнение соотношений  т.е. приращения сигналов вследствие принудительных отклонений должны существенно превышать уровень шумов.
В соответствии с выражениями (3, 4), среднеквадратические отклонения  измеренных угловых перемещений составляют:
ху
В предположении нормального закона распределения флуктуаций значений угловых перемещений предельные погрешности измерения угловых перемещений (Δ) могут быть оценены как:  и, соответственно, с вероятностью не менее 99% результаты измерений угловых перемещений будут находиться в пределах интервалов:  - средние значения угловых перемещений.
x
y
Качественный характер временных зависимостей выходных сигналов инклинометра (V, V) и измеренных средних значений угловых перемещений  включая режим калибровки, представлен на фиг. 2.
Таким образом, предложенная в настоящей полезной модели процедура дистанционной калибровки позволяет определить уточненные параметры (коэффициенты преобразования) функции преобразования инклинометра и получить оценки фактических значений погрешности измерений инклинометра без прекращения непрерывного режима мониторинга и без демонтажа МИ с контролируемого объекта.
Важно подчеркнуть, что магнитное поле Земли ввиду его достаточно слабой неоднородности не приводит к появлению заметной градиентной отклоняющей силы и, следовательно, не приводит к заметной погрешности при калибровке МИ.
Возможность создания принудительных угловых отклонений маятника с помощью неоднородного магнитного поля была подтверждена экспериментально. В частности, было установлено, что при пропускании электрического тока с силой 5А через проволочный плоский вертикальный виток с радиусом 3 мм, угловое отклонение маятника в виде алюминиевого шарика (магнитная восприимчивость = 2,1⋅10) с диаметром 2 мм, подвешенного на нити с длиной L=3 см и расположенного на расстоянии 6 мм от центра витка (по горизонтали), составляет  которого вполне достаточно для осуществления предложенной дистанционной калибровки МИ.
Отметим, что предложенная дистанционная калибровка МИ, в принципе, может производиться в автоматическом режиме через заданные интервалы времени, что обеспечит достоверность результатов измерений в течении всего срока эксплуатации инклинометра. Также отметим, что предложенное устройство дистанционной калибровки на основе электромагнита может быть использовано в разных типах маятниковых инклинометров - электромеханических, оптомеханических и волоконно-оптических, где роль маятника (физического) играет сегмент волоконного световода [5], который может быть выполнен с никелевым покрытием, обладающим магнитными свойствами.