Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Сравнительный анализ способов контроля качества строительных и машиностроительных конструкций 11
1.1 Разрушающие методы контроля прочности конструкций 11
1.2 Современные методы неразрушающего контроля качества строительных конструкций 16
1.2.1 Ультразвуковые методы контроля строительных конструкций 17
1.2.2 Вибрационные методы контроля строительных конструкций 22
1.3 Основные свойства и параметры объектов контроля 33
1.4 Особенности обработки частотно-временных сигналов при контроле качества строительных конструкций 38
1.5 Особенности геометрического моделирования параметров строительных конструкций 41
1.6 Оценка возможности расширения областей применения виброчастотного метода контроля строительных конструкций 46
Выводы по первой главе 48
Глава 2 Разработка и анализ способа измерения вибрационных параметров с амплитудно-временным преобразованием затухающих колебаний 49
2.1 Взаимосвязь прочностных и динамических параметров строительных конструкций 49
2.2 Оценка зависимости основной частоты от относительного логарифмического декремента затухания колебаний 57
2.3 Разработка способа и алгоритмов высокоточного измерения длительности периодов затухающих колебаний 63
2.4 Оценка влияния логарифмического декремента затухания на частотно-временные параметры вибрационных колебаний 67
2.5 Оценка точности амплитудно-временного преобразования затухающих колебаний предложенным способом 72
Выводы по второй главе 80
Глава 3 Разработка и анализ высокочувствительных преобразователей вибрационных колебаний в электрические сигналы 81
3.1 Сравнительная оценка параметров вибрационных датчиков 81
3.2 Способы и структуры построения высокочувствительных фотодатчиков вибрационных колебаний 94
3.3 Особенности линейного преобразования вибрационных колебаний в модуляцию светового потока 103
3.4 Особенности реализации вибрационного экспресс-контроля прочностных параметров строительных конструкций 112
Выводы по третьей главе 119
Глава 4 Особенности построения и результаты исследований функциональных узлов цифрового виброметра 120
4.1 Особенности реализации аналогового блока виброметра 120
4.2 Экспериментальная проверка параметров фотодатчика 129
4.3 Функциональные преобразования блока обработки информации 133
4.4 Анализ и оценка погрешностей цифрового виброметра 139
4.5 Особенности применения виброметров для контроля несанкционированного доступа 143
Выводы по четвертой главе 146
Заключение 147
Список литературы 149
Приложение
- Современные методы неразрушающего контроля качества строительных конструкций
- Оценка зависимости основной частоты от относительного логарифмического декремента затухания колебаний
- Способы и структуры построения высокочувствительных фотодатчиков вибрационных колебаний
- Особенности применения виброметров для контроля несанкционированного доступа
Введение к работе
Контроль качества строительных конструкций и изделий необходим в технологическом процессе изготовления и при диагностике технического состояния в период эксплуатации. Среди различных методов разрушающего и неразрушающего контроля особое место занимают вибрационные методы, основанные на взаимосвязи резонансной частоты и декремента затухания колебаний с прочностными и массо-габаритными параметрами изделий. Такие методы применяют для оценки прочности строительных конструкций, для контроля качества строительства объектов промышленного и гражданского назначения, а также при обследовании зданий и сооружений, подлежащих реконструкции.
Вибрационные методы контроля качества в области строительства в нашей стране не имеют пока государственных нормативных документов на их практическое применение. Одной из основных причин, объясняющих такое положение, является недостаточное теоретическое обоснование возможности применения вибрационного метода для количественной оценки прочностных параметров контролируемых объектов и конструкций. Кроме того, в настоящее время отсутствует серийно выпускаемая аппаратура, обеспечивающая измерение амплитудно-частотных параметров вибрационных колебаний с автоматической обработкой результатов измерений и представлением их в форме, удобной для оценки прочностных характеристик изделий.
Благодаря результатам исследований, проводимых научными коллективами под руководством Сехниашвили Э. А., Коробко В. И. и Слюсарева Г. В., выявлено и доказано наличие закономерностей в строительной механике, согласно которым существует функциональная связь между жесткостью упругих конструкций и их основной частотой колебаний. На основании этой фундаментальной закономерности показан целый ряд возможностей ее применения для контроля прочности и жесткости строительных и машиностроительных конструкций. Однако, для дальнейшего развития виброчастотного метода и его широкого использования в строительной практике необходимы дополни-
тельные исследования по расширению возможностей его применения для контроля жесткости и прочности различных конструкций с использованием нескольких видов деформирования. Реализация данной цели невозможна без разработки новых способов и аппаратуры контроля, обеспечивающей измерение параметров вибрационных затухающих колебаний в производственных условиях. Фактически необходима разработка надежного и удобного в эксплуатации автоматизированного приборного комплекса и средств измерений для проведения динамических испытаний железобетонных изделий и строительных конструкций на предприятиях стройиндустрии, обеспечивающих высокую точность измерений, в частности, резонансной частоты и логарифмического декремента затухания вибрационных колебаний.
С учетом этого разработка новых способов неразрушающего контроля, характеризующих прочностные параметры строительных конструкций, является актуальным научным направлением исследований не только в теории сооружений, но и в области управления качеством строительной продукции. Среди перспективных экспериментально-теоретических методов контроля качества изделий вибрационные технологии занимают особое место.
Наиболее распространенными конструктивными элементами в строительстве и машиностроении являются балки, плиты и пластины. При разработке разных способов диагностики и контроля качества таких конструкций широко используют методы физико-механического и геометрического моделирования. Подобные модели достаточно успешно применяют для конструкций балочного типа, а также для плитных конструкций, несмотря на значительную трудоемкость моделирования граничных условий нагружения.
В настоящее время наряду с проведением натурных прочностных испытаний реальных строительных конструкций, работающих в сложном напряженном состоянии, разработан эффективный инженерный метод определения прочностных параметров таких изделий. Этот метод основан на физико-геометрической аналогии прочностных характеристик металлических пластинок, имеющих подобную жесткость и коэффициент формы. Практическое
использование данного метода подобия при разработке новых способов контроля качества конструкций в виде пластинок основано на разработке аппроксимирующих функций, обеспечивающих взаимосвязь результатов испытаний на малогабаритных моделях с прочностными параметрами реальных строительных конструкций. Вследствие этого для расширения областей применения виброчастотного метода контроля необходима разработка высокочувствительных способов измерения вибрационных параметров малогабаритных пластинок-моделей, позволяющих реализовать измерение высокочастотных механических колебаний с амплитудой в десятки микрометров при минимальных аппаратурных затратах и высокой достоверности результатов неразрушающего контроля прочностных параметров изделий.
Данную проблему можно решить только при комбинированном использовании теоретического и экспериментального методов. Наличие аналитических зависимостей, связывающих прочностные параметры конструкций с динамическими параметрами изделий, практически обеспечивает возможность приборной реализации вибрационных методов контроля на основе современной электронной и микропроцессорной техники.
Целью диссертационного исследования является уменьшение погрешности измерения параметров вибрационных затухающих колебаний в аппаратуре контроля прочностных характеристик качества строительных конструкций. Поставленная цель предполагает решение следующих научных задач:
разработку способа и алгоритмов высокоточного измерения периода, основной и резонансной частоты, а также логарифмического декремента затухания резонансных колебаний при контроле прочностных характеристик;
анализ взаимной связи амплитудных параметров затухающих колебаний с частотно-временными параметрами;
разработка универсальной структурной схемы малогабаритного цифрового устройства контроля железобетонных изделий с амплитудно-временным преобразованием параметров затухающих колебаний, позволяющей реализовать измерения резонансной частоты и логарифмического декремента затухания при вибрационных испытаниях конструкций;
- экспериментальная проверка разработанных способов и структур
приборов для определения прочностных характеристик контролируемых объ
ектов с моделированием процесса контроля качества изделий.
Методы исследования. В работе использованы фундаментальные методы теории сооружений и расчета строительных конструкций, методы физико-механического и геометрического моделирования, методы математического и схемотехнического моделирования с применением ПЭВМ, математический анализ, теория рядов, операционное исчисление, спектральное разложение сигналов, а также экспериментальные методы исследований с обработкой результатов методами математической статистики.
Достоверность научных положений и полученных результатов теоретических исследований подтверждается корректным применением методов системного анализа и сравнением полученных данных с известными результатами, найденными с помощью фундаментальных методов теории строительной механики, а также результатами проведенных экспериментальных исследований.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
усовершенствован метод вибрационного контроля качества строительных конструкций, основанный на функциональной связи между жесткостью конструкций и основной частотой колебаний, отличающийся использованием амплитудно-временного преобразования сигналов фотоэлектрических датчиков;
разработаны алгоритмы определения периода, резонансной частоты и логарифмического декремента затухания вибрационных колебаний строительных конструкций, основанные на способе определения резонансной частоты и декремента затухания колебаний, защищенном патентом на изобретение;
разработана методика определения прочности, жесткости и трещино-стойкости железобетонных конструкций, включающая алгоритмы определения основной и резонансной частоты и логарифмического декремента затухания колебаний с оценкой параметров по периодам колебаний;
разработана структурная схема прибора допускового контроля прочностных параметров железобетонных изделий и металлических пластинок-моделей с фотоэлектрическим преобразованием, защищенная патентом на полезную модель, обеспечивающая автоматизацию процесса и повышение производительности контроля.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
на основе проведенных исследований разработана структурная схема универсального фотоэлектрического прибора виброчастотного контроля качества железобетонных изделий с амплитудно-временным преобразованием параметров затухающих колебаний, обеспечивающая высокую чувствительность и точность измерения при минимальных аппаратурных затратах;
разработан и апробирован малогабаритный микропроцессорный цифровой прибор для экспресс-оценки прочностных характеристик строительных конструкций.
Реализация и внедрение результатов диссертационных исследований.
Результаты диссертационной работы внедрены и используются на производственном объединении "Научприбор" (г. Орел) и в Специальном конст-рукторско-технологическом бюро производственного комплекса "Оптрон" ОАО "Протон" (г. Орел).
Апробация и публикации результатов работы.
Основное содержание диссертационных исследований изложено в докладах на юбилейной научно-технической конференции, проводимой на базе 16 центрального научно-исследовательского испытательного института (г. Мытищи, 2004), на межвузовской конференции "Проблемы комплексного обеспечения защиты информации и совершенствования образовательных технологий" (г. Краснодар, 2006), на 3-й межвузовской научно-практической конференции "Перспективы развития средств связи в силовых структурах" (г. Голицыно, 2007). По результатам диссертационной работы опубликовано 8 научных статей в периодической печати, получен патент на полезную модель и решение о выдаче патента на изобретение способа контроля параметров вибрационных колебаний.
На защиту выносятся следующие научные положения:
1. Алгоритмы определения периода, основной и резонансной частоты и логарифмического декремента затухания вибрационных колебаний строительных конструкций, основанные на способе определения резонансной частоты и декремента затухания колебаний, защищенным патентом на изобретение.
Методика определения прочности, жесткости и трещиностойкости железобетонных конструкций, включающая алгоритмы определения основной частоты и логарифмического декремента затухания колебаний с оценкой параметров по периодам колебаний.
Структурная схема высокочувствительного фотоэлектрического прибора допускового контроля прочностных параметров железобетонных изделий и металлических пластинок-моделей, позволяющая обеспечить автоматизацию процесса измерения и повышение производительности контроля.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация.изложена на 164 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 109 наименований, и двух приложений. В работе приведено 39 рисунков и 7 таблиц.
Во введении приведена общая характеристика диссертационной работы, обоснована ее актуальность, показана научная и практическая ценности, приведен перечень решаемых научных задач и сформулированы основные положения, выносимые на защиту диссертации.
В первой главе проведен сравнительный анализ методов неразрушаю-щего контроля прочности и испытаний строительных конструкций, рассмотрены особенности их практического применения. Показано, что особое место занимают методы виброчастотного контроля, в том числе модифицированный метод экспресс-оценки качества изделий, основанный на способах измерения динамических параметров - основной резонансной частоты или периода изгибных колебаний при различном нагружении строительных конструкций и логарифмического декремента затухания колебаний. Отмечена целесообразность контроля прочностных параметров объектов по этим критериям, применение которых позволяет упростить аппаратурную реализацию и повысить достоверность результатов контроля.
Во второй главе установлена взаимосвязь частотно-временных и амплитудных параметров затухающих вибрационных колебаний в железобетонных строительных конструкциях. Приведено описание разработанного способа высокоточного измерения частоты и логарифмического декремента
затухания колебаний, а также алгоритма вычисления длительности периодов затухающих колебаний, обеспечивающих повышение точности измерений при сравнительно небольших аппаратурных затратах на реализацию. Аналитически доказана возможность повышения точности определения логарифмического декремента затухания колебаний с учетом методической и инструментальной погрешностей амплитудно-временного преобразования сигналов. Показана целесообразность применения предложенного способа для допускового контроля прочности, жесткости и трещинностойкости строительных конструкций.
В третьей главе рассмотрены способы фотоэлектрического преобразования механических колебаний в переменное напряжение и приведено описание оригинальных структур построения фотодатчиков, обеспечивающих увеличение расстояния до объекта контроля при высокой чувствительности и линейности характеристики преобразования. Показаны особенности конструктивного выполнения фотодатчиков отражательного типа, применяемых для допускового контроля вибрационных параметров строительных конструкций, работающих при высоком уровне внешней засветки в производственных условиях. Приведены результаты анализа погрешностей разработанных фотоэлектрических устройств виброчастотного контроля, рассмотрены особенности их практического применения.
Четвертая глава посвящена обоснованию структурной схемы и расчету основных параметров универсального микропроцессорного прибора, предназначенного для измерения прочностных параметров и оценки качества строительных конструкций при проведении экспресс-контроля в производственных условиях. Приведены результаты экспериментальных исследований чувствительности и разрешающей способности фотодатчика вибрационных колебаний, проведенные при разных расстояниях между источником лазерного излучения и световым отражателем, установленном на объекте контроля. Показаны особенности применения вибрационного метода в технических системах охраны объектов и в ряде других областей.
В заключении приведены основные выводы по результатам проведенных теоретических и экспериментальных исследований.
Современные методы неразрушающего контроля качества строительных конструкций
Для определения прочности строительных изделий в настоящее время используют целый ряд методов неразрушающего контроля, которые позволяют сохранять эксплуатационную пригодность контролируемых конструкций без нарушения их несущей способности [6, 7]. Этими методами можно определять влажность заполнителей бетона, степень уплотнения бетонной смеси в процессе формирования, плотность и прочность бетонов в изделиях, наличие и расположение арматуры, проводить дефектоскопию конструкций.
К числу таких методов относятся физические методы, которые можно классифицировать по видам испытаний: метод проникающих сред, основанный на регистрации индикаторных жидкостей или газов, проникающих в объект [8]; оптические методы испытаний моделей и конструкций в проходящем и отраженном световых излучениях [3]; магнитные методы (индукционный и магнитопорошковый) [17]; радиационные методы испытаний, основанные на использовании нейтронов и радиоизотопов [27]; тепловые методы, основанные на изучении динамики тепловых полей и теплового контраста объектов [3]; радиоволновые методы, основанные на эффекте распространения высокочастотных и сверхвысокочастотных колебаний в изучаемых объектах [3]; электрические методы, основанные на оценке электроемкости, электроиндуктивности и электросопротивления изучаемых объектов [16]; акустические методы испытаний, основанные на анализе изменения параметров упругих колебаний с помощью ультразвукового воздействия и регистрации эффектов акустических эмиссий [12, 21].
Другая группа методов неразрушающего контроля - механических (склерометрических) методов испытания строительных конструкций - основана на гипотезах о существования функциональных зависимостей между прочностью материалов и твердостью поверхностного слоя, а также на существовании связи между прочностью материала и силами сцепления [18, 19]. К таким методам относятся: метод ударного импульса, метод упругого отскока, метод скалывания ребра, метод отрыва и отрыва со скалыванием, метод вырубки образцов, а также метод пластических деформаций.
С помощью механических методов можно определять прочность бетона только в локальных точках поверхностного и приповерхностного слоев в изделии с относительно небольшой точностью измерения, а физическими методами можно оценивать лишь косвенные характеристики изделий.
К неразрушающим методам также относятся методы контроля прочностных параметров (жесткости и трещиностойкости) железобетонных конструкций с помощью статического нагружения без доведения конструкции до разрушения [22, 23], в том числе и способы определения величины предна-пряжения арматуры перед бетонированием конструкции [24].
Методы тензометрии также относятся к неразрушающим методам контроля строительных конструкций [25].
Среди неразрушающих методов контроля прочностных параметров железобетонных изделий и строительных конструкций следует особо выделить и более подробно рассмотреть наиболее перспективные из них - ультразвуковые и вибрационные методы, которые в настоящее время начинают использовать наиболее широко. Применение таких методов позволяет значительно упростить процесс контроля изделий и сократить его длительность.
В строительстве ультразвуковые методы находят широкое применение при контроле качества сварных соединений металлических конструкций для определения внутренних макроскопических дефектов, а также для контроля толщины различных изделий и конструкций из металла [16, 26]. Данные методы применяется также для определения прочности бетона в сборных железобетонных конструкциях на строительных площадках при возведении моно литных конструкций, а также в процессе их эксплуатации. Ультразвуковые методы применяют для определения отпускной, передаточной и проектной прочности бетона, а также прочности бетона в промежуточных возрастах, установленных нормативно-технической или проектной документацией.
В основу ультразвуковых способов контроля положены методы, основанные на измерении акустического сопротивления среды, измерении длин волн и измерении времени распространения ультразвуковой волны.
Например, сущность ультразвукового импульсного метода состоит в том, что измеряют скорость распространения через бетон переднего фронта продольной ультразвуковой волны, называемой скоростью ультразвука.
Для измерения времени распространения ультразвука в образцах конструкциях применяют способы сквозного и поверхностного прозвучивания. Способ сквозного прозвучивания применяют для испытаний балок, ригелей, колонн в поперечном направлении. Испытания изделий, конструктивные особенности которых затрудняют осуществление сквозного прозвучивания, а таюке тонкостенных строительных плит (например: плоские, ребристые и многопустотные плиты перекрытий и покрытий, стеновые панели и т. п.) производят способом поверхностного прозвучивания. При ультразвуковых испытаниях используются приборы, служащие для измерения времени распространения ультразвуковых колебаний в бетоне. Для таких приборов нормируют допустимую погрешность измерения времени распространения колебаний в конструкции, которая не должна превышать типового значения At ± (0,0It + 0,1) мкс, где t - время распространения ультразвука, мкс.
При ультразвуковых испытаниях применяют цифровые приборы семи типов: Бетон-22, УК-14ПМ, УК-1401, УФ-10П, А-1220, А-1230 и УП-2М. Ультразвуковой импульсный метод позволяет оценить качество бетона конструкций без разрушения. Определение прочности бетона ультразвуковым методом основано на зависимости между скоростью прохождения ультразвука V и прочностью R, которая получается опытным путем при испытании образцов бетона определенного состава.
Оценка зависимости основной частоты от относительного логарифмического декремента затухания колебаний
Контроль и оценка качества железобетонных изделий резонансным методом основана на измерениях основной частоты и логарифмического декремента затухания колебаний в испытуемом изделии и последующем сравнении полученных результатов с аналогичными параметрами эталонной конструкции или модели. При проведении испытаний железобетонную панель размещают на двух опорах испытательного стенда и подвергают ее кратковременной ударной нагрузке. Затем регистрируют выходной сигнал вибрационного датчика, размещенного на контролируемом изделии, и по частоте и изменению амплитуды резонансных колебаний судят о прочностных параметрах контролируемой строительной конструкции или изделия [73].
Для возбуждения затухающих колебаний обычно применяют электромагнитный ударник, а в качестве датчиков используют интегральные акселерометры или фотоэлектрические датчики отражательного типа. Для измерения резонансной частоты колебаний выходной сигнал датчика усиливают, фильтруют и преобразуют в прямоугольные импульсы, которые подают на вход цифрового частотомера, работающего в режиме прямого счета или в режиме измерения периодов резонансных колебаний (рис. 2.5).
Такой метод проведения испытаний железобетонных панелей и балок позволяет регистрировать основную частоту изгибных колебаний конструкций с погрешностью, составляющей единицы процентов [23].
Однако точность измерения частоты колебаний в конструкциях с большим логарифмическим декрементом затухания принципиально ограничивается как методической, так и инструментальной составляющими погрешности, которые обусловлены следующими влияющими факторами.
В процессе испытаний возникающие в железобетонной конструкции после механического удара резонансные колебания преобразуются фотодатчиком в электрический сигнал и усиливаются масштабирующим усилителем DA, выходное напряжение Uy которого представляет собой затухающую гармоническую функцию следующего вида:
Увеличение относительного логарифмического декремента затухания 5 ОД приводит к быстрому ослаблению колебаний от начальной амплитуды Uyi до нулевого уровня. При этом значение декремента затухания 8 также оказывает влияние и на круговую частоту со резонансных колебаний:
Основная частота со колебаний строительных конструкций значительно отличается от их резонансной частоты сор изделий, что уменьшает достоверность результатов вибрационного контроля прочностных параметров.
При проведении анализа схемы измерения частоты изгибных колебаний (рис. 2.5) было принято два допущения. Первое из них состоит в том, что длительность периодов затухающих колебаний является постоянной, не зависит от амплитуды и определяется только основной частотой колебаний вследствие малого влияния логарифмического декремента затухания на частоту собственных колебаний. Второе допущение предполагает применение в формирователях прямоугольных импульсов современных быстродействующих компараторов аналоговых сигналов, которые характеризуются малой длительностью фронта и среза выходных импульсов, не превышающих значения ґфр « fcp 1 мкс. При этом относительная погрешность формирования импульсов на основной частоте колебаний/ 50 Гц будет меньше 0,01%. В схеме стенда (рис. 2.5) для преобразования затухающих колебаний в импульсную форму применен формирователь на триггере Шмитта TS - нелинейном элементе с положительной обратной связью, позволяющей получить зону гистерезиса. При использовании высокочувствительного фотодатчика вибрационных колебаний на его выходе практически всегда присутствует начальный уровень сигнала, обусловленный как электрическими шумами, так и случайной вибрацией контролируемого изделия. Для исключения влияния начального шума устанавливают пороговые напряжения срабатывания и отпускания ±Uuo? триггера Шмитта, превышающие амплитуду таких помех. В этом случае триггер Шмитта срабатывает только тогда, когда выходной сигнал усилителя DA превышает верхний пороговый уровень (Uy %ОР), и возвращается в исходное состояние при отрицательном сигнале меньше нижнего порогового уровня -Uy -UUOP- Пороговые напряжения ±Unop выбирают в зависимости от амплитуды помехи Um и амплитуды UM сигнала:
Обычно пороговые напряжения ±Unop триггера Шмитта устанавливают в диапазоне (5...20)% амплитуды выходного сигнала усилителя. Это позволяет найти компромисс между требуемой помехоустойчивостью и точностью измерений. Значения пороговых напряжений ЛЮР UM не влияют на точность измерения частоты при постоянной амплитуде резонансных колебаний изделия. Однако при измерении длительностей периодов затухающих колебаний наличие и тем более изменение пороговых уровней /ТПОР однозначно приводит к появлению методической погрешности преобразования.
Данное утверждение можно пояснить на примере разложения гармонической функции в ряд по значению аргумента ф в радианах, согласно которому значения функции аналогичны малым углам аргумента [105]
Способы и структуры построения высокочувствительных фотодатчиков вибрационных колебаний
Измерительные преобразователи оптических параметров или фотодатчики имеют некоторые специфические особенности, характерные большинству других средств измерений в той или иной степени.
Во-первых, преобразователи оптических параметров являются средством контроля в определенной точке вибрационного процесса и, следовательно, точность и надёжность результатов измерений в значительной степени определяет достоверность контроля качества продукции. Как известно, любое средство технологического контроля допускает возможность ошибок двух родов. Ошибка первого рода заключается в том, что контролируемая конструкция по существу являющаяся браком, поступает на дальнейшие использование в строительстве и брак выявляется только в процессе эксплуатации, что может привести к тяжелым последствиям. Ошибка второго рода заключается в том, что неправильно бракуется годное изделие, поэтому наличие такой ошибки приводит к расходу материалов и повышению стоимости. Обе ошибки вредны, для их исключения нужно особое внимание уделять стабильности параметров и повышению чувствительности фотодатчиков.
При вибрационных испытаниях железобетонных изделий и строительных конструкций к средствам фотоэлектрического преобразования вибрационных параметров в электрические сигналы предъявляется ряд требований: простота и надежность конструкции, экономичность и удобство эксплуатации, широкий диапазон и чувствительность преобразования, помехозащищенность и дистанционность измерения, простота градуировки и настройки, универсальность применения при проведении испытаний.
Наиболее полно всем этим требованиям удовлетворяют фотоэлектрические преобразователи механических перемещений с открытым оптическим каналом, когда источник излучения находится на определенном расстоянии от приемника светового или инфракрасного излучения. Среди них по удобст ву и бесконтактности измерений следует выделить фотодатчики отражательного типа. В отличие от акселерометров при использовании таких датчиков вибрации не нужно их устанавливать на контролируемый объект и подводить проводной канал связи для считывания результатов преобразования — достаточно просто применять отражатель света - рефлектор. Такое техническое решение позволяет значительно упростить процесс вибрационного контроля строительных конструкций в производственных условиях.
Необходимость измерений световых параметров на значительном расстоянии между источником и контролируемой конструкцией обусловлена требованиями получения оптимального диапазона преобразования механических параметров в электрические. При этом от фото датчика, контролирующего уровень освещенности зоны контроля, требуется высокая чувствительность, помехозащищенность и линейность измерительной характеристики при одновременной стабильности параметров оптической пары [92].
В связи с этим необходима разработка универсальных конструкций оп-тоэлектронных датчиков для контроля вибрации оборудования, которые должны выполнять линейное преобразование амплитуды вибрационных колебаний в электрические сигналы и иметь высокую чувствительность. Существующие способы преобразования параметров вибрации в модуляцию светового потока основаны на трех принципах: 1) установке фотоприемника на оптической оси излучателя с преобразованием встречного перемещения фотоприемника, размещенного на контролируемом объекте, относительно излучателя, формирующего широкий растр светового излучения (рис. 3.1, а). Вибрационные колебания приводят к изменению освещенности фотодатчика и модуляции его фототока [57]; 2) использование отражения светового потока от контролируемой поверхности, когда оптические оси излучателя и фотоприемника расположены под некоторым углом друг к другу (рис. 3.1, б). Достоинством такой конструкции является простота крепления отражающей пластинки на объекте для контроля вибрации ±A/z в вертикальном направлении. При этом излучатель и фотоприемник располагаются на неподвижном основании, что облегчает проведение вибрационных испытаний в производственных условиях [57]; 3) размещение оптического клина на контролируемом объекте для модуляции отраженного светового потока при горизонтальном перемещении ±А/ или вибрации объекта в горизонтальном направлении (рис. 3.1, в) [106]; 4) установка модулирующего элемента с переменной оптической плотностью на объекте для контроля в направлении, перпендикулярном оптической оси излучателя и приемника излучения (рис. 3.1, г). Такой модулятор выполняет функцию оптического клина, и его вертикальное перемещение ±&h приводит к пропорциональной модуляции светового потока [106].
Сравнение данных способов и конструкций фотодатчиков показывает, что при одинаковом расстоянии до объекта контроля и одинаковой мощности излучения все они имеют примерно одинаковую чувствительность при контроле вибрационных параметров строительных конструкций. Основным недостатком устройств с модулирующими элементами является сложность изготовления, от качества которого зависит линейность характеристики преобразования вибрации в модуляцию светового потока.
Особенности применения виброметров для контроля несанкционированного доступа
Разработка высокочувствительных фотодатчиков механических колебаний позволяет практически реализовать способы вибрационного контроля не только оценки прочностных параметров железобетонных изделий и строительных конструкций, но повысить надежность контроля несанкционированного доступа в технических системах охраны объектов [94].
Простота реализации виброчастотного метода контроля позволяет его применять в технических системах охраны и защиты информации. Теоретически такая возможность достаточно хорошо обоснована и расширяет области применения датчиков вибрации [98]. Применительно к целям контроля несанкционированного доступа техническая задача заключается в измерении амплитуды и частоты вибрации нагруженной балки при перемещении сосредоточенной нагрузки. Однако практическое использование этого явления затрудняется тем, что в случаях защиты помещений нет ударного возбуждения контролируемой конструкции, поэтому необходимо оценивать параметры не резонансных, а случайных колебаний.
Особенности вибрационного контроля охраняемых помещений заключается в выполнении следующих операций: для формирования импульсов из механических колебаний малой амплитуды необходимо выполнять сравнение выходного сигнала фотодатчика с нулевым значением, а не с уровнями порогового напряжения ± Uno? , для повышения достоверности результатов контроля в охранных устройствах нужно использовать, как минимум, два фотодатчика и реализовать логическое умножение формируемых импульсных сигналов, чтобы обеспечить надежную корреляцию с колебаниями строительной конструкции; в качестве критерия факта несанкционированного доступа следует использовать не резонансную частоту или период колебаний, а изменение частотного спектра, поэтому в блоке цифровой обработки технической сис темы охраны должно выполняться быстрое преобразование Фурье (БПФ).
Учитывая непрерывный процесс совершенствования технических характеристик датчиков и расширение их номенклатуры за счет использования как известных, так и новых принципов действия, вибрационный контроль позволяет обеспечить высокую достоверность обнаружения несанкционированного доступа нарушителей на охраняемые объекты при одновременном снижении числа ложных срабатываний. При этом вибрационный контроль состояния охраняемых объектов становится важнейшей составной частью существующих технических систем защиты и охраны информации [106].
Вибрационный метод контроля несанкционированного доступа основан на цифровой обработке данных, поступающих от малогабаритных фотодатчиков отражающего типа, установленных на стенах, и закреплении отражающих металлических пластин на потолке или на полу охраняемого здания. При физическом воздействии на объект (попытке движения по конструкции, в которую вмонтирован отражатель) возникают колебания определенной частоты, которая однозначно связанна с маркой и типом изделия. Это позволяет на основе известных математических моделей определять местонахождение нарушителя. Точность таких моделей составляет от пяти до семи процентов, что практически достаточно для целей обнаружения нарушителей.
Суть метода состоит в измерении мгновенной частоты вынужденных или затухающих механических колебаний контролируемого изделия в диапазоне от единиц до десятков герц, имеющих амплитуду до пяти миллиметров, которые длятся несколько секунд после механического воздействия (удара, движения или вибрации) и фиксируются двумя фотодатчиками с последующей цифровой обработкой данных. Такой метод обеспечивает повышенную живучесть системы охраны техническими средствами (при использовании инфракрасного излучения исключается визуальное обнаружение датчиков), не требует применения дополнительных физических линий управления и обладает малым энергопотреблением. Универсальность вибрационного метода заключается таюке в возможности его использования не только для контроля несанкционированного доступа, но и для автоматической диагностики технического состояния существующих железобетонных зданий.
Диагностика технического состояния строительных конструкций, находящихся под нагрузкой, необходима для оценки прочности (при старении, и реконструкции зданий, проведении взрывных работ в непосредственной близости к охраняемым объектам, оценке состояния сооружений после землетрясения, и т. п.). Наличие в зданиях вибрационной системы контроля несанкционированного доступа позволит использовать, при определенных условиях, линии управления системой для сохранения жизни сотрудников или обеспечения безопасности жизнедеятельности обслуживающего персонала контролируемого заведения при минимуме экономических затрат на изготовление и обслуживание такого оборудования.
В перспективном плане размещение вибрационной системы контроля на охраняемых объектах может осуществляться сравнительно просто благодаря малым габаритным размерам современных фотодатчиков и электронных компонентов. Например, скрытая установка фотодатчика с габаритными размерами 10x8x2 мм и укладка соединительных проводов типа МГТФ-0,12 непосредственно на железобетонные плиты и перекрытия зданий не представляет технических трудностей. Такие малогабаритные элементы можно сравнительно просто разместить под напольным покрытием (под линолеумом или паркетом) без видимых внешних признаков их установки.
Вибрационные фотодатчики можно устанавливать также в виде радиозакладок, позволяющих исключить проводные линии связи и осуществляющих передачу данных по радиоканалу. Для автономного электропитания современных радиодатчиков обычно используются литиевые гальванические элементы, обеспечивающие непрерывную работу в течение десяти и более лет без саморазряда элементов электропитания и окисления их контактов.
Длительность безотказной работы систем с выносными радиодатчиками ограничивается временем разряда элементов автономного питания, зави-сящего от потребляемой мощности датчиков. Для повышения надежности систем контроля можно применять импульсный принцип действия - поочередно включать радиодатчики на время измерения Т « (0,5... 1) с, а в перерывах между циклами измерений выполнять их автоматическое отключение.
