СРЕДСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ И ВИБРАЦИИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к средствам дистанционного контроля, основанным на измерении интенсивности света.
Уровень техники
Технический мониторинг в строительстве является необходимым элементом комплексной безопасности. Необходимость внедрения мониторинга технического состояния зданий в рамках комплексной безопасности является очевидной и в то же время сложной задачей.
Дело в том, что развитие сложных математических моделей вкупе с высококлассной вычислительной техникой породило иллюзию возможности рассчитать любую сколь угодно нестандартную конструкцию с абсолютной, непогрешимой точностью. Реальность же такова, что за стройностью численной модели стоят весьма спорные проблемы конкретного воплощения, в частности, статистический разброс характеристик материала строительной конструкции, в особенности грунтов основания. Известно, что для стали коэффициент вариации по прочностным характеристикам не превышает 5%, а для бетонов нормированный коэффициент уже - 13%, реальный - до 20% и более, для грунтов - не менее 20%. В дополнение к этому следует подчеркнуть, что строительные материалы, сочетаемые в конструкциях, обладают различной скоростью старения и за счет этого снижается достоверность оценки долговечности конструкции в целом. На весь этот список проблем, порождаемых расхождением расчетной модели с реальными характеристиками, накладывается некачественное исполнение строительных работ и постоянно меняющиеся эксплуатационные факторы.
Из SU 868358 А1 известен оптоволоконный вибропреобразователь, содержащий световод, закрепляемый на вибрирующей части объекта измерения и на неподвижной части объекта так, что между вибрирующей и неподвижной частями объекта ветви сопряжены дугой. Средства приема и обработки светового сигнала измерительной информации обеспечивают возможность измерения вибрации вибрирующей части объекта измерения. Однако открытое расположение дуги световода, являющейся чувствительным элементом восприятия вибрации, не может быть применено в строительных конструкциях.
Прототипом заявленного решения является датчик, заключенный в корпус (см. RU 57893 U), что обеспечивает возможность его применения в строительстве. Однако это устройство имеет ограниченное поле приложения, т.к. по сути является датчиком перемещения и регистрирует очень медленные статические процессы.
Сведения, раскрывающие сущность полезной модели
В связи с приведенным выше технический мониторинг должен обеспечить:
- контроль конструктивных параметров, как при возведении новых строительных сооружений, так и в процессе их последующей эксплуатации.
- контроль конструктивных параметров существующих сооружений после их реконструкции или длительного срока эксплуатации.
- возможность получения локальной и глобальной оценки состояния конструкции.
При этом технические средства должны:
- быть устойчивыми к агрессивным химическим воздействиям строительных материалов и технологий строительства, атмосферным явлениям,
- работать без потери точности в условиях значительных электромагнитных полей,
- иметь возможность встраивания в существующие системы управления и диспетчеризации здания.
Перечисленным выше требованиям могла бы удовлетворять система из некоторого количества распределенных по объему строительного сооружения волоконно-оптических датчиков, установленных в контрольных точках, определенных вследствие анализа риска.
Как материал оптоволокно само по себе очень, а в большинстве случаев абсолютно устойчиво к влиянию неблагоприятных внешних воздействий. При расположении электронных блоков обработки сигналов на удаленном расстоянии от датчиков, измерительный комплекс был бы совершенно нечувствителен к электромагнитным полям, обусловленным как значительной насыщенностью современных зданий электрическими системами, так и электрическими свойствами самих окружающих материалов (электростатика, пьезоэлектричество).
Такой комплекс был бы идеальным инструментом для контроля состояния сооружения на протяжении всего срока службы.
Принципиальная схема мониторинга строительного сооружения на базе волоконно-оптических датчиков могла бы выглядеть следующим образом:
1) анализируется проект здания с определением точек, где располагаются датчики контроля следующих параметров:
- деформации грунтов для регистрации карстовых процессов;
- напряжений в грунте по подошве основания;
- усилий в арматуре;
- деформаций несущих конструкций;
- вибрации.
Для строительной конструкции в подавляющем большинстве случаев необходимо и достаточно информации о двух параметрах: напряжениях, связанных с деформацией, и вибрационных нагрузках;
2) регистрация данных во вновь строящемся сооружении производится с помощью переносного электронного блока по мере возведения сооружения и установки датчиков в режиме, необходимом для оценки качества выполнения строительно-монтажных работ;
3) после завершения строительства информация от комплекса датчиков с уже стационарными электронными блоками обработки выводится на компьютер специализированного диспетчерского пункта или по согласованному протоколу вводится в общую систему управления и диспетчеризации здания (умный дом);
4) в случае превышения эталонных значений регистрируемых параметров формируется сигнал тревоги. Ситуация анализируется строительными специалистами-обследователями с привлечением всего арсенала дополнительных контрольных средств. Разрабатывается сценарий развития событий и составляются рекомендации по ликвидации последствий деструктивной ситуации.
На основе этого датчика, раскрытого в прототипе, можно создать универсальный комплекс измерения деформаций и вибраций, включающий в себя собственно датчик и электронный блок управления, который определенным образом управляя световыми импульсами, которые и являются носителями информации в волоконно-оптических датчиках, позволит получить информацию как о статических нагрузках в критических точках, так и о динамическом воздействии неблагоприятных нагрузок.
Совместный анализ этих двух параметров при наличии распределенной сети измерительных узлов позволит сделать обоснованные выводы о:
- текущем техническом состоянии контролируемого объекта;
- величине остаточного ресурса;
- необходимости внепланового ремонта;
- фиксации начального этапа процесса разрушения (деструкции) задолго до наступления чрезвычайной ситуации (ЧС).
Существующая нормативная база наиболее полно укомплектована документами, предписывающими осуществлять контроль строительных сооружений с помощью приборов, измеряющих колебания (вибрации). С другой стороны, только величина деформации, регистрируемая в режиме реального времени, может информировать о степени накопления деструктивных изменений. Анализ данных вибраций и деформаций в режиме реального времени - базовый полный источник данных о техническом состоянии строительной конструкции.
Существующая инфраструктура строительного сектора отечественной индустрии, в которой системы мониторинга на базе датчиков вибраций и деформаций могли бы найти широкое применение, включает в себя:
- объекты промышленного строительства (химическое производство, атомная промышленность;
- нефтегазовое производство;
- высотные здания;
- многофункциональные сооружения;
- объекты исторического наследия и архитектурные памятники;
- транспортные строительные сооружения (метро, тоннели, мосты, развязки);
- крупные портовые сооружения;
- аэропорты.
В результате устранения известных недостатков было создано средство измерения параметра, воздействие которого на оптический элемент обеспечивает изменение интенсивности света, включающее, по меньшей мере, один сенсорный элемент, обеспечивающий изменение количества проходимого света при изменении кривизны световода, сенсорный элемент заключен в корпус, выполненный с обеспечением возможности воздействия на сенсорный элемент, с одной стороны посредством толкателя в виде по меньшей мере одной упругой стенки корпуса или посредством толкателя, проходящего через стенку корпуса и имеющего возможность воздействия на сенсорный элемент, а с другой стороны - посредством упора в виде неподвижной стенки корпуса, при этом толкатель обеспечивает восприятие деформации среды или поверхности, а корпус обеспечивает возможность подключения, по меньшей мере, одного световода для подвода света от источника света к сенсорному элементу и отвода выходного света от сенсорного элемента к средствам приема и обработки светового сигнала измерительной информации, при этом выполнение корпуса обеспечивает возможность установки внутри или снаружи конструкционного элемента, чья деформация подлежит измерению, при этом средства приема и обработки светового сигнала измерительной информации обеспечивают возможность измерения вибрации конструкционного элемента.
Сенсорный элемент образован световодом, соединенным с упругим телом.
Световод расположен снаружи упругого тела и/или внутри пустотелого тела, состоящего, по меньшей мере, из одного слоя материала.
Световод заключен внутри материала упругого тела.
Упругое тело имеет форму цилиндра.
По меньшей мере, часть световода имеет волнообразную форму, и при этом световод соединен с упругим телом с обеспечением возможности сокращения длины этого участка световода, расположенного приблизительно перпендикулярно к упору, и/или сокращения ширины этого участка световода, расположенного приблизительно параллельно к упору.
Упругое тело имеет форму сечения, обеспечивающую различную кривизну разных сторон сечения и соответствующих участков световода, а толкатель и/или упор в виде неподвижной стенки корпуса имеют форму, обеспечивающую одновременное изменение кривизны участков световода на противоположных концах сечения.
С упругим телом соединены по меньшей мере два витка световода, и при этом упругое тело имеет форму, обеспечивающую возможность расположения витков световода различной кривизны, а толкатель и/или упор в виде неподвижной стенки корпуса имеют форму, обеспечивающую одновременное изменение кривизны витков световода.
По меньшей мере, часть упругого тела имеет коническую поверхность.
Световод соединен с телом, имеющим, по меньшей мере, два выступа, обеспечивающие прохождение световода, по меньшей мере, над одной впадиной, находящейся между выступами, и при этом, по меньшей мере, один выступ соответствует этой впадине для обеспечения прогиба световода при вхождении этого выступа в эту впадину.
Световод соединен с телом, имеющим, по меньшей мере, три выступа, обеспечивающие прохождение световода, по меньшей мере, над двумя впадинами, находящимися между выступами, и при этом, по меньшей мере, два выступа соответствуют этим впадинам для обеспечения прогиба световода, а форма сечения этих выступов, воздействующих на световод, обеспечивает различную кривизну прогиба световода.
Наружная часть толкателя размещена в чехле.
Корпус выполнен прочным и обеспечивает подсоединение защитной оболочки световода.
В корпусе датчика конец световода снабжен отражательным элементом.
Световод обеспечивает прохождение света в корпусе датчике в одном направлении.
В корпусе датчика световод имеет участок перед сенсорным элементом, снабженный селективным отражателем света, который обеспечивает отражение света одного участка спектра и прохождение света другого участка спектра к сенсорному элементу.
В корпусе датчика световод имеет участок перед сенсорным элементом, снабженный отражателем, частично пропускающим свет к сенсорному элементу.
В корпусе датчика световод имеет участок перед сенсорным элементом, снабженный Брэгговской решеткой, частично пропускающей свет к сенсорному элементу.
Световод расположен внутри полого элемента, соединение которого со световодом обеспечено посредством усадки либо упругости материала полого элемента.
Часть толкателя, проходящая через стенку корпуса с сенсорным элементом, также проходит через стенку другого корпуса с сенсорным элементом, с образованием объединенного датчика, имеющего два сенсорных элемента в разных корпусах на противоположных сторонах толкателя.
В корпусе толкатель размещен между двумя сенсорными элементами, имеющими параллельное подключение световода, таким образом, что при обеспечении сжатия толкателем одного сенсорного элемента другой сенсорный элемент имеет возможность разжатия.
Толкатель имеет возможность воздействия на два сенсорных элемента, имеющих последовательное подключение световода и повернутых относительно друг друга.
Плоскости витков сенсорных элементов ориентированы взаимно перпендикулярно.
Сенсорные элементы расположены между толкателем и неподвижной стенкой корпуса.
Один из сенсорных элементов расположен между толкателем и другим сенсорным элементом, взаимодействующим с неподвижной стенкой корпуса.
Кривизна волнообразных участков световода различна.
Сечение упругого тела имеет каплевидную и/или гантелеобразную форму.
Воздействие на сенсорный элемент обеспечивается неподвижной стенкой корпуса, а световод сенсорного элемента соединен с толкателем, часть которого проходит через стенку корпуса, и этот толкатель выполнен с обеспечением восприятия напряжения среды, в которую помещен датчик, или поверхности, на которой размещен датчик.
Сенсорный элемент выполнен в виде участка световода с микро- или макроизгибами, коэффициент пропускания которого чувствителен к изменению деформации указанного участка, например, в результате действия силы, приложенной к данному участку.
Сенсорный элемент чувствителен к воздействующему на него изменению давления.
Сенсорный элемент чувствителен к воздействующему на него изменению температуры.
Сенсорный элемент чувствителен к воздействующему на него изменению магнитного поля.
Описание чертежей
На фиг.1 изображена принципиальная схема измерения посредством волоконно-оптического датчика деформации (ВОДД). Пунктиром показан защитный корпус.
На фиг.2 изображена принципиальная схема сенсорного элемента с упругим элементом цилиндрической формы при сжатии.
На фиг.3 изображен датчик, в котором световод заключен внутри материала упругого тела.
На фиг.4 изображен датчик, в котором часть световода имеет волнообразную форму.
На фиг.5 изображен датчик, в котором обеспечивается прогиб световода при вхождении выступа во впадину.
На фиг.6 изображен график неравномерного изменения коэффициента пропускания T(z) витков различного радиуса кривизны (сплошными линиями) и усредненный график изменения T(z), обеспечивающий равномерность характеристики датчика.
На фиг.7 изображен датчик с витками световода различной кривизны на конической поверхности.
На фиг.8 изображен датчик с упругим телом, сечение которого имеет каплевидную или гантелеобразную (пунктир) форму.
На фиг.9 изображен датчик, в котором обеспечивается прогиб световода при вхождении двух выступов разной кривизны сечения в соответствующие впадины.
На фиг.10 изображен датчик с прочным герметичным корпусом при снятой крышке и выходящим из него толкателем с обеспечением закрепления на элементе конструкции и со световодом, защищенным гофрошлангом.
На фиг.11 изображен датчик с двухсторонним толкателем для обеспечения постоянного соотношения между выходными сигналами сенсорных элементов.
На фиг.12 изображен объединенный датчик, при измерении обеспечивающий температурную стабильность за счет температурной компенсации при постоянном соотношении выходных сигналов.
На фиг.13-14 изображены сенсорные элементы датчика, ориентированные во взаимно перепендикулярных плоскостях.
Осуществление изобретения
Принципиальная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1. Поскольку при воздействии (z) на оптическое волокно его передающая способность T(z) изменяется, то данное свойство широко применяется в технике, в частности, для измерения деформации. Заявленное изобретение направлено на приспособление этого принципа измерения для мониторинга технического состояния несущих конструкций строительных сооружений (зданий, мостов, гидротехнических сооружений и т.д.).
На фиг.2 изображена принципиальная схема сенсорного элемента с упругим элементом 2 цилиндрической формы при сжатии толкателем 3. Световод 1 может быть расположен, например намотан, снаружи упругого тела 2. Витки световода 1 внутри корпуса 4 датчика 5 могут быть расположены внутри полого элемента, соединение (обтяжка) которого со световодом обеспечено посредством усадки либо упругости материала полого элемента, который может иметь цилиндрическую форму. Также полый элемент может быть образован намоткой на витки световода по меньшей мере одного слоя материала, например клейкой ленты.
На фиг.3 изображен датчик, в котором защита витков световода 1 обеспечена тем, что световод заключен внутри материала упругого тела 2. Такое тело может быть как сплошным, так и иметь пустоты для большей величины деформации (например, упругое тело в виде пустотелых цилиндра, конуса и т.д.).
На фиг.4 изображен датчик, в котором часть световода имеет волнообразную форму. В этом случае предпочтительно световод 1 поместить внутри упругого тела. При сдавливании такого сенсорного элемента кривизна волнообразного световода будет изменяться благодаря сокращению геометрических размеров упругого тела.
На фиг.5 изображен датчик, в котором обеспечивается прогиб световода 1 при вхождении выступа во впадину, над которой натянут световод, за счет упругости самого световода. В данном случае не имеет значения - расположен ли световод сенсорного элемента на толкателе или на упоре.
1
2
Экспериментально установлено, что сенсорный элемент с витками одного радиуса кривизны имеет неравномерное изменение коэффициента пропускания T(z), т.к. неравномерность T(z) одного витка определенного радиуса суммируется. Такое свойство влечет за собой необходимость тщательной калибровки датчика. Поэтому предлагается выполнять сенсорный элемент со световодом, витки которого имеют различный радиус кривизны (например, световод на конусе) и, следовательно, разную неравномерность изменения коэффициента пропускания T(z). На фиг.6 отражено, каким образом повышается равномерность изменения коэффициента пропускания при использовании витков различного радиуса (R≠R) кривизны (сплошными линиями) и интегрированный (пунктиром) график изменения T(z). На фиг.4 показан датчик с различной кривизной световода на противоположных сторонах сенсорного элемента. Различную кривизну такого выполнения возможно обеспечить также посредством непрерывного изменения кривизны последующих волнообразных участков световода. Для обеспечения скрепления витков с телом и уменьшения соскальзывания, например, с конической поверхности целесообразно выполнять на упругом теле дорожки, в/на которые будет уложен световод.
1
2
3
4
На фиг.7 изображен датчик с витками световода различной кривизны на конической поверхности. На фиг.8 изображен датчик с упругим телом, сечение которого имеет каплевидную или гантелеобразную форму для обеспечения различной кривизны каждому витку световода. В случае использования гантелеобразной формы, предпочтительно обеспечивающей различные радиусы кривизны (R≠R≠R≠R), следует для прилегания световода либо покрывать световод снаружи элементом из материала, имеющего возможность усадки, либо располагать световод внутри материала упругого элемента.
На фиг.9 изображено усовершенствование датчика, изображенного на фиг.4, для обеспечения прогиба световода при вхождении двух выступов разной кривизны сечения в соответствующие впадины.
На фиг.10 изображено предпочтительное выполнение датчика 5 с прочным герметичным корпусом 4, который выдерживает давление бетонной среды. При заливке бетона снизу можно не защищать световод. Однако при заливке бетона сверху, который может падать на световод с большой высоты, необходимо выполнить корпус 4 с возможностью подсоединения (посредством резьбы, штыковым соединением и т.д.) защитного элемента световода (например, металлического гофрошланга, в который помещен световод). Корпус датчика и конец толкателя обеспечивают возможность закрепления на элементе конструкции, например, в простейшем случае металлические корпус и толкатель можно приварить к элементу металлической конструкции. Возможно выполнение корпуса и толкателя с фланцами, обеспечивающими болтовое соединение с элементом конструкции, как показано на фиг.10.
На фиг.11 изображен датчик с двухсторонним толкателем. Такое симметричное исполнение датчика уменьшает погрешность измерения, обусловленную различием коэффициентов температурного расширения элементов конструкции датчика и окружающей среды (бетона).
На фиг.12 изображен объединенный датчик, при измерении обеспечивающий температурную стабильность за счет температурной компенсации при постоянном соотношении выходных сигналов. При этом часть толкателя, проходящая через стенку корпуса датчика, также проходит через стенку корпуса другого датчика с образованием объединенного датчика, имеющего два сенсорных элемента в разных корпусах на противоположных сторонах толкателя. В случае установки в бетонную конструкцию предпочтительно применение чехла для стержня толкателя, что позволяет устранить трение стержня о бетон и повысить точность измерения.
На фиг.13-14 изображены сенсорные элементы датчика последовательного подключения, ориентированные во взаимно перпендикулярных плоскостях для уменьшения погрешности, обусловленной дихроизмом поляризационной чувствительности. В ходе измерений оба сенсорных элемента испытывают одинаковые деформации.
Средства приема и обработки светового сигнала измерительной информации имеют возможность обработки светового сигнала от источника света на частоте до 300 Гц (с возможностью повышения данного порога частоты светового сигнала), что обеспечивает возможность измерения вибрации с частотой до 300 Гц и выше.