Пристрій для дистанційного визначення вигину будівель, споруд та конструкцій

Реферат: Пристрій для дистанційного визначення вигину будівель, споруд та конструкцій містить джерело лазерного випромінювання, зовнішню оптичну систему частотно селективного зворотного зв'язку, спектрометричний прилад і процесор для вимірювання зміни центра тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання і розрахунку величини деформаційного переміщення об'єкта, та лінію передачі оптичного сигналу від джерела лазерного випромінювання до спектрометричного приладу. Містить засіб для відхилення пучка лазерного випромінювання, що складається з оптичного дефлектора, який розміщено в нерухомій частині оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку, і приладу для керування оптичним дефлектором. UA 78414 U (54) ПРИСТРІЙ ДЛЯ ДИСТАНЦІЙНОГО ВИЗНАЧЕННЯ ВИГИНУ БУДІВЕЛЬ, СПОРУД ТА КОНСТРУКЦІЙ UA 78414 U UA 78414 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до контрольно-вимірювальної техніки і призначена для використання в засобах стеження за станом будівель, споруд та окремих конструкцій. Більш конкретно, корисна модель належить до пристроїв, які контролюють вигин будівель, споруд та конструкцій, що мають велику висоту або довжину. До таких об'єктів належать насамперед будівлі та споруди баштового типу, мости, греблі, дамби, дахи та перекриття будівель з великими внутрішніми приміщеннями і т. д. Дані про вигин дозволяють розраховувати напруження в конструктивних елементах цих об'єктів, використовуючи математичні моделі [1], і попереджувати таким чином можливі руйнування. Для дистанційного визначення вигину можна застосовувати тахеометри та теодоліти [1,2]. Однак, ці багатоцільові геодезичні прилади мають велику вартість, а їхня експлуатація передбачає значні витрати на періодичне обслуговування кваліфікованим персоналом. В сучасних умовах, коли кількість об'єктів, що підлягають постійному моніторингу, швидко зростає, перевага надається відносно простим та дешевим пристроям спеціального призначення. Відомі пристрої, які перетворюють вигин об'єкта в зміну одного з параметрів електромагнітного випромінювання [3-6]. Ці пристрої включають джерело випромінювання (лазер або світлодіод), фотоприймальний засіб та додаткові компоненти, зумовлені особливостями перетворення. В пристроях, які перетворюють вигин в зміну інтенсивності лазерного випромінювання [3, 4], додатковими компонентами є спеціальні екрани або діафрагми, які прикріплені до ділянок об'єкта з найбільшим очікуваним значенням деформаційного переміщення, та електронний засіб для перетворення зміни інтенсивності лазерного випромінювання в електричний сигнал. В сучасних пристроях, які використовують фотоприймальні засоби на основі фоточутливих датчиків матричного типу [5, 6], вигин перетворюється в зміну положення світлової плями на чутливій поверхні датчика. Додатковим компонентом в цих пристроях є процесор, який керує реєстрацією оптичного сигналу і розраховує зміну положення світлової плями. Оскільки фотоприймальні засоби згаданих пристроїв повинні встановлюватися безпосередньо на контрольованому об'єкті або поруч, вони мають низький рівень захищеності від стороннього світла та електромагнітного шуму, джерелами яких є Сонце, освітлювальні прилади, зварювальні дуги, електродвигуни, потужні трансформатори та інше устаткування. Найближчим по сукупності ознак технічним рішенням (прототипом) є пристрій для визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкта шляхом перетворення переміщення в зміну центра тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання [7]. Пристрій включає джерело лазерного випромінювання, оптичну систему частотно селективного зворотного зв'язку, яка розміщена на шляху розповсюдження лазерного випромінювання і має в своєму складі просторово дисперсійний компонент і селектор для перетворення поперечного переміщення об'єкта в зміну частоти максимуму коефіцієнта зворотного зв'язку, спектрометричний прилад для вимірювання частотного спектра випромінювання, лінію передачі оптичного сигналу від джерела лазерного випромінювання до спектрометричного приладу, та процесор для розрахунку зміни центра тяжіння частотного спектра випромінювання і характеристик переміщення. При використанні пристрою для дистанційного визначення вигину селектор розташовується на ділянці об'єкта з найбільшими очікуваними значеннями деформаційного переміщення. Решта оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку є стаціонарною. Разом із джерелом лазерного випромінювання вона розташовується в місці, де деформаційні переміщення є мінімальними. Спектрометричний прилад і процесор, які можуть зазнавати небажаного впливу з боку сторонніх світлових потоків та електромагнітного шуму, розміщуються в спеціальній захищеній зоні. Розташування цієї зони принципового значення не має, оскільки частотний спектр оптичного сигналу, який містить в собі корисну інформацію, при розповсюдженні по лінії передачі не змінюється. Перевагою прототипу є висока захищеність від стороннього світла та електромагнітного шуму. Недоліком прототипу є обмеженість діапазону деформаційних переміщень, що визначаються, яка витікає з умови перебування резонансу оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку в межах частотного діапазону підсилення активного середовища. Це означає, що діапазон деформаційних переміщень, що визначаються, ( x Д ) становить приблизно П k , де k являє собою нахил лінійної ділянки калібрувальної залежності частоти центра тяжіння спектра від деформаційного переміщення  ЦТ ( х ) [7], a  П являє собою інтервал частот, в межах якого підсилення лазерного випромінювання в активному середовищі є достатньо високим, щоб неселективні втрати в оптичній системі частотно селективного зворотного зв'язку не впливали на спектр лазерного випромінювання. Вихід 1 UA 78414 U поперечного переміщення селектора за межі цього діапазону призводить до зменшення підсилення, в результаті чого залежність  ЦТ ( х ) стає нелінійною. Зокрема для прототипу на основі напівпровідникового лазера, який випромінює в червоній -1 -1 області спектра (  П 100 см , k15 см /мм, див. [7], фіг. 3), діапазон x Д становить кілька 5 10 15 міліметрів, що в багатьох випадках не є достатнім. Практика показує, що для моніторингу 3 споруд та будівель потрібні пристрої, які забезпечують x Д ~ 10 мм [5]. Задачею корисної моделі є збільшення діапазону деформаційних переміщень, що визначаються, при збереженні точності і високої захищеності від стороннього світла та електромагнітного шуму. Поставлена задача вирішується шляхом уведення до складу прототипу засобу для відхилення пучка лазерного випромінювання в напрямку селектора. Засіб для відхилення пучка лазерного випромінювання включає оптичний дефлектор, який встановлюється в стаціонарній частині оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку, і прилад для керування оптичним дефлектором. Крім цього процесор, що входить до складу пристрою, оснащується математичним засобом для розрахунку кута відхилення лазерного випромінювання φ, а також деформаційного переміщення х, що характеризує вигин контрольованого об'єкта, згідно з виразом  ЦТ   ЦТ x  0 (1) x  R  sin  , k де  ЦТ означає поточне значення центра тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання, 20 25 30 35 40 45 50 55  ЦТ ( х  0) означає центр тяжіння частотного спектра при відсутності деформаційного переміщення і R означає відстань між оптичним дефлектором та селектором. Уведенням засобу для відхилення пучка лазерного випромінювання забезпечується утримання резонансу оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку в межах частотного діапазону достатньо великого підсилення активного середовища при будь-якому можливому переміщенні селектора. Вибір типу оптичного дефлектора визначається максимальною величиною кута φ, на який треба відхилити лазерне випромінювання. Якщо деформаційне переміщення х і відстань R між оптичним дефлектором та селектором є такими, -2 що максимальна величина кута   x не перевищує 10 рад, можна застосувати R акустооптичний дефлектор (АОД) [8]. Даний дефлектор відрізняється високою відтворюваністю кута відхилення і малими габаритами, однак вносить в систему частотно селективного зворотного зв'язку помітні неселективні втрати [9]. Якщо максимальна величина кута φ -2 перевищує 10 рад, слід застосовувати оптико-механічні дефлектори [10, 11]. Такі дефлектори мають більші габарити та інерційність, ніж АОД, однак не вносять помітних втрат. Обидва типи -1 дефлекторів здатні забезпечити точність визначення поперечного переміщення х порядку 10 мм, яка є достатньою. Таким чином, технічним результатом корисної моделі є практичне усунення обмежень діапазону вимірюваних деформаційних переміщень, що можуть мати місце при дистанційному моніторингу будівель, споруд та окремих конструкцій. Точність не поступається тієї, що забезпечують аналоги, а захищеність від зовнішніх перешкод є значно більшою. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де показані: на фіг. 1- схема пристрою, який використовує засіб для відхилення пучка лазерного випромінювання на основі АОД; на фіг. 2 - схема пристрою, який використовує засіб для відхилення пучка лазерного випромінювання на основі оптико-механічного дефлектора; на фіг. 3, 4 - розташування складових пристрою при визначенні вигину мостового прольоту (Фіг. 3) та промислового димаря (Фіг. 4); на фіг. 5 - спектри лазерного випромінювання при відсутності (1) та наявності (2-4) оптичного зворотного зв'язку; Приклади заявленого пристрою схематично показані на фіг. 1 і фіг. 2. Джерелом лазерного випромінювання в обох прикладах є напівпровідниковий лазер 1 в комбінації з колімаційною лінзою 2. Оптичну систему частотно селективного зворотного зв'язку в прикладі, показаному на фіг. 1, утворюють дифракційна ґратка 3, перший ретрорефлектор 4, телескопічний розширювач 5, АОД 6 і другий ретрорефлектор 7. В прикладі, показаному на фіг. 2, оптична система частотно селективного зворотного зв'язку використовує замість АОД оптико-механічний дефлектор 8, що представляє собою один з компонентів телескопічного розширювача 5, який встановлено з можливістю переміщення в напрямку, перпендикулярному оптичній осі. В обох 2 UA 78414 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 прикладах просторово дисперсійним компонентом системи частотно селективного зворотного зв'язку є комбінація дифракційної ґратки 3 і першого ретрорефлектора 4, а встановленим на об'єкті селектором є другий ретрорефлектор 7 (на фіг. 1 і фіг. 2 показаний в двох різних положеннях). Джерело лазерного випромінювання разом із стаціонарною частиною оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку утворюють нерухому частину 9 перетворювача деформаційного переміщення в зміну центра тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання. В обох прикладах лінією передачі оптичного сигналу від лазера 1 до спектрометричного приладу є оптичне волокно 10, а спектрометричним приладом - дифракційний спектрограф 11, оснащений лінійним матричним фотоприймачем типу ПЗЗ, і аналого-цифровим перетворювачем (АЦП) вихідного сигналу фотоприймача. Функцію процесора здійснює персональний комп'ютер 12 з програмою обробки спектрометричних даних, розрахунку поточних значень кута відхилення лазерного випромінювання φ та деформаційного переміщення х. Приладом для керування дефлектором в прикладі, показаному на фіг. 1, є синтезатор синусоїдальних електричних коливань 13, а в прикладі, показаному на фіг. 2, лінійний реверсивний електропривід 14 на базі п'єзо- або крокового двигуна. Щільність потужності лазерного випромінювання в активному середовищі 3 4 2 напівпровідникового лазера становить ~10 10 Вт/см , що на кілька порядків перевищує можливий внесок стороннього світла або електромагнітного шума. Спектрометричний прилад, процесор та інші складові пристрою, які можуть зазнавати небажаного впливу ззовні, розміщуються в спеціальній захищеній зоні 15. Спектр лазерного випромінювання утворюється в фокальній площині дифракційного спектрографа 11. При використанні лінійного матричного фотоприймача типу ПЗЗ спектр має вигляд дискретної функції І( i ), де i означає оптичну частоту, що припадає на матричний елемент (піксел) з порядковим номером і, а I означає інтенсивність сигналу в довільних одиницях вимірювання. В разі необхідності спектр лазерного випромінювання можна спостерігати на екрані монітору персонального комп'ютера 12. Розташування нерухомої частини 9 перетворювача деформаційного переміщення в зміну центра тяжіння частотного спектра та ретрорефлектора 7 визначається властивостями об'єкта контролю. Наприклад, якщо об'єктом контролю є мостовий проліт 15 під транспортним навантаженням (фіг. 3), то найвигіднішим місцем розташування нерухомої частини 9 перетворювача деформаційного переміщення є опора мосту 16, а ретрорефлектора 7 середина прольоту 15. Якщо об'єктом контролю є промисловий димар 17 під вітровим навантаженням (фіг. 4), то найвигіднішим місцями розташування нерухомої частини 9 перетворювача деформаційного переміщення та ретрорефлектора 7 є, відповідно, цоколь та верх димаря. Розташовані в належних місцях нерухома частина 9 перетворювача деформаційного переміщення та ретрорефлектор 7 мають бути взаємно зорієнтовані таким чином, щоб утворився оптичний зворотній зв'язок. Ознакою утворення оптичного зворотного зв'язку є зміна спектра лазерного випромінювання з квазіодномодового (фіг. 5, спектр 1) на багатомодовий (фіг. 5, спектри 2-4). Спектри на фіг. 5 зареєстровані пристроєм, що відповідає схемі на фіг. 1. Засіб для відхилення пучка лазерного випромінювання в напрямку селектора складається з АОД на -3 кристалі парателуриту (діапазон відхилень 0,02 рад, коефіцієнт відхилення 0,9510 рад/МГц, частота збудження від 65 до 90 МГц) та синтезатора синусоїдальних електричних коливань AD9850 (Analog Devices) [12]. Інші важливі параметри пристрою становлять: потужність лазерного випромінювання при відсутності оптичного зворотного зв'язку - до 20 мВт, частота -1 лазерного випромінювання  0 при відсутності оптичного зворотного зв'язку - 18400 см -1 50 55 (довжина хвилі - 655 нм), міжмодова різниця частоти - 1,87 см , частотний інтервал  П достатньо високого підсилення лазерного випромінювання в активному середовищі при -1 наявності оптичного зворотного зв'язку - близько 70 см , кутова дисперсія дифракційної ґратки -5 -1 3 - 4,710 рад/см , відстань між дифракційною ґраткою 3 і ретрорефлектором 4 - 20 см лінійне збільшення телескопічного розширювача 5 - 3,4; відстань R між нерухомою частиною 9 перетворювача деформаційного переміщення і ретрорефлектором 7 - 40 м; нахил k на лінійній -1 ділянці калібрувальної залежності - 11,5 см /мм. Вимірювальний цикл починається з розрахунку персональним комп'ютером 12 центра тяжіння частотного спектра  ЦТ лазерного випромінювання, згідно з виразом 3 UA 78414 U   i   i   Ц  i   i  . i Отримане значення персональний комп'ютер 12 використовує для розрахунку величини деформаційного переміщення х по формулі (1), а також для прийняття рішення про відхилення пучка лазерного випромінювання, якщо величина  ЦТ - внаслідок вигину будівлі (споруди, 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 конструкції) стала достатньо близькою до границі  max (або  min ) частотного інтервалу достатньо високого підсилення лазерного випромінювання в активному середовищі (фіг. 5, спектр 3). Абсолютне значення кута відхилення φ має знаходитися в інтервалі  П 0   , kR а знак залежить від того, до якої границі (верхньої чи нижньої) частотного інтервалу достатньо високого підсилення наблизився спектр випромінювання. Оптимальне значення кута відхилення залежить від швидкості перестроювання центра тяжіння частотного спектра, величини частотного інтервалу достатньо високого підсилення та інерційності засобу для відхилення пучка лазерного випромінювання. Визначивши кут відхилення φ, персональний комп'ютер 12 в прикладі на фіг. 1, розраховує частоту f збудження АОД 6, згідно з виразом   x  0 f  f x  0  ,  де  означає коефіцієнт відхилення, a f(x=0) та φ(x=0) означають, відповідно, частоту збудження АОД 6 та кут відхилення при відсутності деформаційного переміщення. Персональний комп'ютер 12 в прикладі на фіг. 2 розраховує зсув  рухомого компонента телескопічного розширювача 5, згідно з виразом   F, де F означає фокусну відстань даного компонента. Розраховане значення частоти збудження АОД 6 (зсуву рухомого компонента телескопічного розширювача 5) персональний комп'ютер 12 передає на контролер синтезатора синусоїдальних електричних коливань 13 (лінійного реверсивного електроприводу 14), що призводить до відстроювання спектра лазерного випромінювання від краю частотного інтервалу достатньо високого підсилення (фіг. 5, спектр 4). Після цього вимірювальний цикл розпочинається знову. Наведена процедура визначення деформаційного переміщення не є єдино можливою для пристрою, що заявляється. Якщо швидкодія засобу для відхилення пучка лазерного випромінювання є достатньо високою, можлива компенсуюча перебудова спектра, при якому центр тяжіння частотного спектра ЦТ підтримується незмінним та рівним  ЦТ (х=0). В даному варіанті величина деформаційного переміщення розраховується, як x  R  sin  . Джерела інформації: 1. О.В. Лужин и др. Обследование и испытание сооружений. - М.: Стройиздат, 1987.-264 с. 2. Я.М. Костецька. Геодезичні прилади. Частина II. Електронні геодезичні прилади. - Львів: ГЗМН, 2000.-324 с. 3. Т. Savino. Bridge sway and deflection system. Патент CШA № 4843372. 4. J.N. Canty. Deflection monitoring system. Патент США № 5404132. 5. Інформаційні матеріали компанії Noptel… 1) PSM-R / М2 Displacement sensor http://www.noptel.fi/download/nms/brochures/Psmrm_210.pdf 2) PSM-200 Displacement sensor http://www.noptel.fi/download/nms/brochures/PSM2_210.pdf 3) Case studies using PSM products http://www.noptel.fi/download/nms/documents/case_210.pdf 6. D.F. Handman et al… Optical measurement device and method. Патент США № 7403294. 7. В.О.Соколов. Спосіб визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкта і пристрій для його здійснення. Патент України № 95041. 8. Балакший В.И., Парыгин В.Η., Чирков Л.Е. Физические основы акустооптики. - Μ.: Радио и связь, 1985. 9. Акустооптический дефлектор. Модель АОД-80М и АОД-80М-04 4 UA 78414 U 5 10 15 20 25 30 35 http://www.moslaserlab.ru/information/AOD_80M_and_AOD_80M_04_Acoustooptic_deflect_or_d atasheet_rus. pdf 10. S. Glöckner etal. Micro-opto-mechanical beam deflectors. Optical Engineering, 1997. - V. 36. - №5. - Р. 1339-1345. 11. С.Б. Літвяков та ін. Приціл-прилад наведення переносного комплексу. Патент України № 90060. 12. AD9850: CMOS, 125 MHz Complete DDS Synthesizer http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD9850.pdf. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Пристрій для дистанційного визначення вигину будівель, споруд та конструкцій, який включає джерело лазерного випромінювання, зовнішню оптичну систему частотно селективного зворотного зв'язку, яка розташована на шляху розповсюдження лазерного випромінювання і має в своєму складі просторово дисперсійний компонент та механічно зв'язаний з об'єктом селектор для перетворення деформаційного переміщення об'єкта в зміну частоти максимуму коефіцієнта зворотного зв'язку, спектрометричний прилад і процесор для вимірювання зміни центра тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання і розрахунку величини деформаційного переміщення об'єкта, які розташовано в зоні, захищеній від несприятливого впливу оточуючого середовища, та лінію передачі оптичного сигналу від джерела лазерного випромінювання до спектрометричного приладу, який відрізняється тим, що включає засіб для відхилення пучка лазерного випромінювання, що складається з оптичного дефлектора, який розміщено в нерухомій частині оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку, і приладу для керування оптичним дефлектором. 2. Пристрій для дистанційного визначення вигину будівель, споруд та конструкцій за п. 1, який відрізняється тим, що джерело лазерного випромінювання являє собою напівпровідниковий лазер в комбінації з колімаційною лінзою, просторово дисперсійний компонент являє собою комбінацію оптичного елемента з кутовою дисперсією, ретрорефлектора і розширювача пучка лазерного випромінювання, селектор являє собою ретрорефлектор, спектрометричний прилад являє собою дифракційний спектрограф, оснащений лінійним матричним фотоприймачем та аналого-цифровим перетворювачем вихідного сигналу фотоприймача в цифрові дані, лінія передачі оптичного сигналу від лазера до спектрометричного приладу являє собою оптичне волокно, оптичний дефлектор являє собою акусто-оптичний дефлектор, прилад для керування оптичним дефлектором являє собою синтезатор синусоїдальних електричних коливань. 3. Пристрій для дистанційного визначення вигину будівель, споруд та конструкцій за п. 2, який відрізняється тим, що оптичний дефлектор являє собою оптико-механічний дефлектор, а приладом для керування є електропривод. 5 UA 78414 U 6 UA 78414 U 7 UA 78414 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8