Мониторинг строительных конструкций на базе волоконно-оптических и акустических датчиков

  В современных условиях для решения задач обеспечения надежности строительного сооружения все большее значение приобретают вероятностные методы. Для применения таких методов, с одной стороны, необходим постоянный контроль напряжений и деформаций элементов сооружения, а с другой стороны - контроль прочности этих элементов. В связи с этим в задачу строительного мониторинга входит определение как статистически меняющихся параметров воздействия, так и изменения параметров сопротивления воздействию.

  В частности, это контроль динамики напряженного состояния, включающий измерение пространственного и временного распределения механических напряжений. Для решения этих задач рассмотрим контрольно-измерительные средства на базе волоконно-оптической техники.

  Волоконно-оптические измерительные системы представляют собой набор волоконно-оптических датчиков, объединенных в единую сеть той или иной топологической конфигурации с заданным алгоритмом опроса, которые целесообразно разделить на два широких класса в зависимости от роли волоконного световода, которую он играет в волоконно-оптическом датчике:

  1) световод выполняет только транзитную функцию среды-носителя для передачи оптического излучения к чувствительному элементу, расположенному в зоне измерений;

  2) световод является средой-носителем для передачи сигналов и одновременно чувствительным элементом волоконно-оптического датчика.

  В первом случае чувствительный элемент волоконно-оптического датчика представляет собой объект, инородный по отношению к световоду, обладающий свойством изменять характеристики световой волны (амплитуда, фаза, поляризация, длина волны и т.д.) вследствие изменения измеряемого физического параметра. При этом чувствительный элемент находится в контакте с точкой среды, параметры которой (или параметры некоторой окрестности которой) контролируются волоконно-оптическим датчиком. Поэтому для организации мониторинга, распределенного в некоторой трехмерной области сплошной среды, требуется наличие нескольких датчиков. Схема измерительных систем такого типа представлена на рис. 1.

  Во втором случае волоконный световод в определенном смысле суть объект и субъект измерений одновременно. При этом предполагается, что имеется взаимнооднозначное соответствие между состоянием участка световода и параметрами окружающей его среды. Измерительные системы этого типа используют свойства световода преобразовывать измеряемые воздействия в соответствующие изменения характеристик световой волны, распространяющейся по световоду. В этом случае значительно упрощается оптическая схема измерительной системы и появляется возможность осуществлять распределенный контроль состояния объекта вдоль трассы прокладки волоконного световода. Имеющиеся приборы позволяют осуществлять интегральный контроль состояния световода; когда измеряется параметр, усредненный по всей длине, либо последовательно сканировать параметры состояния световода по всей длине с пространственным разрешением DL (DL=1,0-1,5 м). Соответствующая упрощенная схема измерительных систем представлена на рис. 2.

  Изменения состояния световодов могут быть установлены, например, с помощью измерений коэффициентов пропускания, отражения (рассеяния) света, а также с помощью более сложных, но существенно более чувствительных интерферометрических схем типа Маха-Цандера, Фабри-Перо, Майкельсона и т.д.

  В этом случае диагностика состояния волоконного световода осуществляется, как правило, с помощью различных типов рефлектометров, позволяющих анализировать разновидности обратно рассеянного в световоде излучения: Релеевского, Рамановского и Бриллюэновского рассеяния. Последовательный опрос состояния участков световода достигается благодаря специальной форме возбуждающего света в виде коротких импульсов с длительностью t=(5-10).10-9 сек, определяющей локальность (пространственное разрешение) измерений DL=cЧt/2, где с - скорость света в световоде.

  Еще одним перспективным направлением в области создания систем строительного мониторинга представляется разработка методик сооружения строительных конструкций с заложением в них чувствительных элементов, соединённых в искусственную нейросеть. Это позволит осуществлять точную идентификацию типа и места повреждения на основе технологии распознавания образов. Такая технология не требует сложной математической модели и подходит для решения задачи о возможности безопасной эксплуатации любой конструкции или отдельного элемента в реальном масштабе времени. В качестве чувствительных элементов здесь предпочтительно применять акустические пьезодатчики со спектральным анализом сигналов от волн напряжений в конструкциях, находящихся под нагрузкой.

  Акустическая система мониторинга представляет собой совокупность акустических излучателей и приёмников, вводимых в будущую строительную конструкцию при заливке её бетоном. Основой акустической системы мониторинга являются пьезоэлектрические преобразователи, которые используются в качестве и излучателей, и приёмников ультразвука (рис. 3). Принцип работы пьезоэлектрических преобразователей основан на использовании прямого и обратного пьезоэффекта.

  По конструкции пьезоэлектрические преобразователи разделяются на совмещённые, у которых один пьезоэлемент служит и излучателем, и приёмником, и раздельные: один пьезоэлемент только излучает, а другой только принимает прошедшие или рассеянные бетоном ультразвуковые колебания. Частота этих колебаний может автоматически изменяться от единиц килогерц до сотен мегагерц. В ходе мониторинга бетонной строительной конструкции измеряется объемное распределение следующих параметров ультразвуковых колебаний:

  - спектральные характеристики коэффициента затухания;

  - спектральные характеристики коэффициентов рассеяния;

  - скорость распространения в продольном и поперечном направлениях бетонной конструкции;

  - энергия сигналов акустической эмиссии.

проектирование искусственного освещения