Важным вопросом технического состояния строительных конструкций являются дефекты, возникающие в результате агрессивных техногенных и природных воздействий, эксплуатационных нагрузок и климатических явлений [1-8]. Эти негативные факторы приводят к изменению эксплуатационных характеристик конструкций и снижению их эксплуатационных свойств, в том числе несущей способности, а также снижению их остаточного ресурса [9]. В связи с этим точная и своевременная оценка различных дестабилизирующих факторов, безусловно, может способствовать безопасности и снижению экономических рисков. Для этих целей в инженерной практике используются системы мониторинга инженерных конструкций (СМИК) [10-14]. Однако такие системы далеко не всегда используются при строительстве и эксплуатации объектов гражданской инфраструктуры.
В работе [15] обратили внимание, что основным ограничением практики мониторинга мостов является отсутствие подробной информации о поврежденных участках. Существующие методы обследования, по-видимому, не совсем адекватны для точного отражения истинного состояния конструктивных элементов моста [16], а информация о состоянии, полученная в результате проверок, часто не имеет прямого отношения к общему состоянию всей конструкции [17]. Авторы работы [18] сообщают, что исследований по мониторингу и раннему предупреждению рисков при реконструкции существующих мостов мало, а точных методов оценки и прогнозирования состояния строительства все еще нет. Эта ситуация, вероятно, связана с необходимостью сбора относительно большого количества данных при мониторинге конструкций, чтобы правильно судить о техническом состоянии и повреждениях моста.
Несвоевременная работа по выявлению и устранению дефектов гидротехнических сооружений может привести к выходу из строя как конструктивного элемента, так и самого сооружения. Гидротехнические сооружения требуют особого внимания и соответствующего управления, что не всегда возможно при использовании устаревших стратегий мониторинга. [19]
Исходя из вышеизложенного, большинство методов обследования и оценки технического состояния объектов гражданской инфраструктуры до сих пор используют относительно простую инструментальную базу с ограниченными функциональными возможностями [20]. Обладая высокой достоверностью, эти методы контроля могут выполняться только в период планового осмотра, ремонта или реконструкции. Кроме того, процесс мониторинга может быть очень трудоемким и, следовательно, неэффективным при выполнении задач на технически сложных объектах.
Среди ряда аспектов мониторинга состояния конструкций в рамках данной работы авторы акцентируют внимание на измерении линейных перемещений потенциально отрицательного характера: выявление трещин и деформационных швов, изменение геометрического положения конструкций в стыках. Одним из решений существующих проблем могут стать современные разработки в области электромагнетизма. Большое количество исследований посвящено новым усовершенствованным датчикам положения [21], перемещений [22] и контроля трещин [23] на основе магнитных эффектов. Однако использование магнитных датчиков часто связывают со сферой машиностроения и автомобилестроения.
В качестве метода измерения линейных перемещений был выбран магнитный, как наиболее предпочтительный, поскольку он превосходит электрические (LVTD-датчики, потенциометры) и оптические (оптические энкодеры) по всем ключевым показателям: простота, стоимость, надежность. Как и LVDT, магнитные датчики обеспечивают бесконтактное измерение, которое решает проблему трения и требования к износу. Кроме того, высокая линейность и стойкость к вибрациям, создаваемым другими рабочими органами, делают магнитные датчики более предпочтительными [24].
Функциональная схема прототипа линейного датчика (см. рис. 1) предполагает наличие двух отдельных конструктивных элементов: измерительной части с датчиком Холла и электронной платы управления в герметичном корпусе. Измерительная часть формирует выходной сигнал при возникновении в системе входного воздействия и передает его на аналоговый вход электронной платы управления. Далее производится операционная обработка аналогового сигнала, содержащего информацию о линейном перемещении, результатом которой является передача данных по беспроводному каналу связи.
Рис. 1. Функциональная схема прототипа линейного датчика
Следует отметить, что в описываемой измерительной системе предусмотрена техническая возможность использования сразу двух аналоговых датчиков (датчика Холла или другого), что позволяет увеличить количество регистрируемых параметров, а также общую эффективность и надежность работы.
Измерительная часть состоит из двух линейно перемещающихся друг относительно друга рельсов с пазами, на одном из которых установлен датчик Холла, а на другом с воздушным зазором менее 1 мм расположен магнит прямо под датчиком. Соединение выполнено шарнирным, что позволяет рельсам менять свое пространственное положение сразу в двух плоскостях, параллельных поверхности объекта.
Вторым конструктивным элементом датчика является корпус, устанавливаемый в непосредственной близости с необходимым набором разъемов и гермовводов, в котором размещена электронная палат управления, соединенная с датчиком Холла проводным интерфейсом.
Электронная плата управления прототипа линейного датчика представляет собой диэлектрическую печатную плату, включающую в себя ряд электронных компонентов и измерительный блок, соединенные электронной измерительной схемой. Основная функция платы заключается в приеме, обработке и передаче сигнала, формируемого преобразователем (датчиком Холла), с информацией о линейном перемещении исследуемого объекта. Основные электронные компоненты платы:
- ПОУ (программируемый операционный усилитель) со встроенным аналого-цифровым преобразователем сигналов;
- микроконтроллер;
- блок питания: аккумулятор;
- GSM-модуль
- датчик температуры и влажности;
- набор резисторов, конденсаторов, диодов.
Результаты проектирования измерительной части прототипа линейного датчика для его дальнейшего изготовления методом FDM-печати (3D-печать полимером PETG) представлены на рис. 2 и 3.
Рис. 2. Модель МП датчика (нулевое положение)
Рис. 3. Модель МП датчика (крайние положения)
Дальнейшее развитие работы может быть связано с многоосевым измерением перемещений, что возможно благодаря наличию магнитных датчиков, способных решить такую задачу. В данном случае речь идет о реализации конструкции измерительной части датчика с несколькими степенями свободы и разработке развитой математической логики аппаратуры определения пространственного положения.
Также стоит отметить, что обработка, сокращение и хранение данных являются принципиальными проблемами СМИК, в частности наличием большого количества датчиков, установленных на контролируемой конструкции. Доступность процедур, способных уменьшить объем передаваемых данных, является ключевым аспектом надежности и устойчивости систем. Предложенное решение, в котором датчик выполняет еще и функции регистратора данных, объединяет сразу две подсистемы СМИК – собирающую и передающую данные. Это может снизить необходимую мощность системы для анализа данных, затраты на развертывание и повысить надежность и оптимизацию ресурсов, что имеет решающее значение для современных систем мониторинга [25], а также продолжает ранее выполненные работы [26-29].
