CC BY
16
УДК 624.01:621.317.3
КОПАНИЦА ДМИТРИЙ ГЕОРГИЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, kopanitsa@mail ru
КАПАРУЛИН СЕРГЕЙ ЛЬВОВИЧ, канд. техн. наук, с.н.с. S.L.Kaparulin@mail. ru
САВЧЕНКО ВИКТОР ИВАНОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, svi@mail. tomsknet. ru
ЛОСКУТОВА ДИАНА ВЛАДИМИРОВНА, канд. техн. наук, lsdv@sibmail.com
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2,
ЛУКЬЯНОВ СЕРГЕЙ ПАВЛОВИЧ, канд. техн. наук, с.н.с., market@main. tusur. ru
Томский университет систем управления и радиоэлектроники,
634050, г. Томск, пр. Ленина, 40
ПРИЁМНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ И СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПЕРЕДАЧЕЙ ДАННЫХ ПО РАДИОКАНАЛУ
В статье рассматривается приемно-измерительный комплекс для измерения статических и динамических характеристик конструкций зданий и сооружений с передачей данных по радиоканалу. Приведены его технические характеристики, позволяющие провести измерения перемещений и ускорений элементов конструкций. Разработанный комплекс предназначен для мониторинга технического состояния зданий и сооружений.
Ключевые слова: система мониторинга, приемно-измерительный комплекс, датчик ускорения, датчик линейного перемещения, радиоканал.
KOPANITSA, DMITRIY GEORGIEVICH, Dr. of tech. sc., prof., kopanitsa@mail ru
KAPARULIN, SERGEY LVOVICH, Cand. of tech. sc.,
S.L.Kaparulin@mail. ru
SAVCHENKO, VIKTOR IVANOVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof., svi@mail. tomsknet. ru
LOSKUTOVA, DIANA VLADIMIROVNA, Cand. of tech. sc., lsdv@sibmail. com
Tomsk State University of Architecture and Building,
2 Solyanaya sq., Tomsk, 634003, Russia LUKJANOV, SERGEY PAVLOVICH, Cand. of tech. sc., market@main. tusur. ru
Tomsk University of Management System and Radio Electronics,
40 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russia
© Д.Г. Копаница, С.Л. Капарулин, В.И. Савченко, Д.В. Лоскутова, С.П. Лукьянов, 2011
RECEIVING-MEASURING COMPLEX FOR RESEARCH OF DYNAMIC AND STATIC CHARACTERISTICS OF BUILDING STRUSTURES WITH DATA TRANSFER ON A RADIO CHANNEL
The receiving-measuring complex for measurement of static and dynamic characteristics of designs of buildings and constructions with data transfer on a radio channel is considered in the paper. Its technical characteristics allowing to carry out measurements of displacement and accelerations of elements of designs are given. The developed complex is intended for monitoring of a technical condition of buildings and constructions.
Ключевые слова, monitoring system, receiving-measuring complex, acceleration transducer, linear displacement transducer, radio channel.
Система мониторинга строительных конструкций предполагает установку датчиков на элементах конструкций зданий и сооружений с целью определения влияния физического (влажность, температура) и силового (статические и динамические нагрузки) воздействия на их прочность и деформируемость. Первые системы мониторинга были созданы для наблюдения за конструкциями при землетрясении и устанавливались на крупномасштабные конструкции, такие как плотины, дамбы и протяженные мосты. В России системы наблюдения за развитием деформаций и напряжений установлены на конструкциях ряда ответственных сооружений [1-3]. Приемно-измерительный комплекс для исследования динамических и статических параметров строительных конструкций с беспроводной передачей данных разработан КБ «Радар» Томского университета систем управления и радиоэлектроники и кафедрой металлических и деревянных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета. Комплекс состоит из устройства сбора данных (УСД) с измерительными датчиками (ИД), подключаемыми к блоку УСД при помощи радиоканала, персонального компьютера (ПК) и программного обеспечения (ПО).
Программное обеспечение комплекса выполнено по модульному принципу. Основными модулями являются (рис. 1),
1. Модуль подготовки и проведения эксперимента ACTest-Composer предназначен для создания, изменения, поиска, хранения и запуска сценариев проведения эксперимента.
2. Подпрограмма сквозной тарировки и информационного сопровождения измерительных каналов включена в модуль ACTest-Composer - передает информацию другим подпрограммам комплекса о составе и характеристиках имеющихся измерительных каналов и их элементах; позволяет формировать состав каналов и определять их метрологические характеристики.
3. Программное обеспечение работы комплекса в режиме реального времени состоит из двух независимых частей: ACTest-Registrator - подсистемы сбора и регистрации, включающей программы первичной обработки, и ACTest-Visualizer - подсистемы визуализации.
4. Модуль послесеансовой обработки данных ACTest-Analyzer, который осуществляет обработку, анализ экспериментальных результатов, включает
программы математической обработки, межмаркерные измерения, различные варианты экспорта и импорта данных.
5. Математическая библиотека АСМаШ предназначена для математической обработки информации как в реальном времени, так и в постобработке. В комплекс ЛСТе8І>Рго могут добавляться дополнительные математические функции.
Рис. 1. Структурная схема программного обеспечения (ПО) комплекса для исследования динамических и статических параметров строительных конструкций
В состав комплекса также входят модули, обеспечивающие выполнение следующих функций: сетевой обмен, сквозную калибровку измерительных каналов, архивацию, проигрывание, экспорт/импорт данных.
Устройство сбора данных представляет собой беспроводную сеть датчиков и систему сбора данных и управления в стандарте ZigBee или Wi-Fi (рис. 2).
Главное устройство в ZigBee-сети — это координатор. Координатор выполняет функции по формированию сети, а также является одновременно доверительным центром (trust-центром). Доверительный центр устанавливает политику безопасности, задает настройки во время подключения устройства к сети, а также обеспечивает передачу пакетов данных, полученных с измерительных датчиков на компьютер.
Сеть датчиков может быть представлена измерителями различных физических величин.
Датчик ускорения (ДУ) выполнен на основе двухосного или трехосного акселерометра с аналоговым выходом фирмы ANALOG DIVICE (USA).
Датчик линейного перемещения (ДЛП) построен по принципу преобразования добротности контура в напряжение. В качестве перемещаемого узла
служит сердечник контура. Величина перемещения пропорциональна добротности контура. Для исключения зависимости выходного напряжения от температуры в контур введен термоэлемент. Нормирующий усилитель предназначен для линеаризации выходного напряжения.
тензорезисторов
RTEH30 R CONST
Рис. 2. Структурная схема устройства сбора данных приемно-измерительного комплекса
Измерительный блок тензорезисторов построен по полумостовой схеме. В качестве эталонного сопротивления (R CONST) применен тензорезистор той же серии, что позволило компенсировать температурную зависимость измерений. С помощью усилителя тензорезисторов удалось обеспечить нижний предел измерения сопротивления - 0,0001 Ом при отношении сигнал/шум 8 дБ. Верхний предел измерения сопротивления - 2 Ом, что соответствует динамическому диапазону - 66 дБ (при соответствующих настройках УСД), подавление синфазной помехи - 86 дБ.
Основные тактико-технические параметры восьмиканального измерительного комплекса динамических и статических характеристик строительных конструкций:
- диапазон измерения ускорений - (0-10)g;
- количество осей - 2 (или 3);
- разрешение - 5 mg;
- измерение в полосе 300 Гц при использовании радиомодема Wi-Fi;
- питание: напряжение - (3,6 + 10 %) В; мощность - 0,5 Вт;
- время непрерывной работы - не менее 7 ч;
- частота измерения до 300 Гц;
- диапазон рабочих температур - от -10 до +50 °С.
Крепление датчика и радиомодема осуществляется на металлические конструкции встроенными магнитами, обеспечивающими силу сцепления не менее 10 кг, либо на поверхность неметаллических конструкций — винтами (рис. 3).
Рис. 3. Установка датчика (акселерометра) на металлическую конструкцию
Проведенные исследования показали, что использование рассматриваемого комплекса дает хорошие возможности для мониторинга по радиоканалу статических и динамических параметров большепролётных строительных конструкций и их моделей.
Библиографический список
1. Строительный мониторинг на базе волоконно-оптических датчиков. Концепция и реализация / А.П. Неугодников, В.И. Поспелов, Ф.А. Егоров [и др.] // Технологии строительства. - 2005. - № 6. - С. 18-21.
2. Система мониторинга технического состояния зданий и сооружений: пат. № 66525 Рос. Федерация / А.М. Шахраманьян, М. А. Шахраманьян ; с приоритетом от 11 декабря 2006 г.
3. www.mocent.ru/files/doklad1.pdf
