PRESSURE SENSORS BASED ON FIBER-OPTIC MATERIALS IN AUTOMATED CONTROL SYSTEMS OF THE BUILDING FOUNDATION
Abstract and keywords
Abstract (English):
This paper proposes a new method of control voltages and loads associated with the building foundation, basis of which are presented in the work the fiber optic sensors. The basis of control system is a set of ten sensors of different length, placed on different sides of the wall panel at the foundation level. The control system also includes the formation of the single remote control where the information about all the sensors is transmitted. The sensor design is certainly new and it is based on the analysis of the radiated modes. To obtain the emitted modes in the system a weak light beam with the given parameters is continuously transmitted. The schemes and the overall design of all these elements of the monitoring system are presented. The proposed system of voltage control in the basement of the building has a high sensitivity, reliability and stability.

Keywords:
sensor, optical fiber, building foundation, pressure control, radiated mode
Text
Введение В настоящее время во многих ведущих странах мира активно развиваются проекты зданий нового типа, в которых всеми коммуникационными и иными линиями управляет автоматизированная система. Эта система берет под контроль также и другие функции по управлению зданием, в частности контроль за состоянием здания, систему безопасности, информирование жильцов и оповещение при аварийных и чрезвычайных ситуациях и ряд других функций. Такие проекты часто носят название «Умный дом» [1-3]. Одним из важных элементов мониторинга состояния здания является контроль его фундамента. Отметим, что одна из наиболее важных характеристик контроля - отслеживание в непрерывном режиме проседания грунта под зданием в его различных частях. В этом случае при неравномерном проседании грунта в разных частях здания отдельные части могут, ввиду их провисания из-за просевшего грунта, лопнуть и дать трещины по стенам и перекрытиям. При значительных масштабах растрескивания здание становится аварийным, непригодным для проживания, и его необходимо разрушить во избежание случайных и иных случаев повреждения и гибели людей. Таким образом, проседание фундамента здания и отсутствие контроля за этим процессом может привести к большим финансовым потерям, социальным издержкам и серьезным организационно-финансовым проблемам для местного руководства. Кроме того, контроль за состоянием фундамента позволяет выявить также и противоположные по характеру проявления случаи, связанные с перегрузкой фундамента, например, в результате размещения тяжелого оборудования, работы мощных механических устройств, дополнительных застроек здания над последним этажом. Таким образом, контроль за характером давления на фундамент здания, его величиной и направленностью - важная функция проектов «Умный дом». Именно анализу этой задачи и посвящены наши исследования. Данная задача является предметом теоретического и практического интереса уже в течение длительного времени. Имеются нормативные документы, регламентирующие порядок контроля компонентов и элементов зданий, в том числе и фундаментов [4], имеются значительные практические наработки, готовые устройства контроля состояния фундаментов зданий и соответствующие датчики [5]. Нами предлагается новый метод контроля, обладающий рядом преимуществ по сравнению с существующими методами. Сравнение различных вариантов построения датчиков контроля фундамента Опишем существующие методы контроля состояний фундаментов зданий. В настоящее время в геотехническом и строительном мониторинге существует достаточно обширный набор инструментов и методик для контроля стабильности конструкций и грунтов основания, динамики развития деформаций, а также их перераспределения в процессе эксплуатации объекта. Для нас наибольший интерес представляют первичные датчики, которые предназначены для регистрации различных параметров, характеризующих напряженно-деформированное состояние отдельных или группы конструкций. Датчиками регистрируются такие параметры, как наклоны, осадка, деформация, давление, пространственные координаты, частоты и колебания (ускорения, скорости), температура, влажность. Перечислим основные типы первичных датчиков. 1. Тензометры, позволяющие измерить величину деформации изделия на локальном участке. В строительстве тензометры используются для определения напряжений внутри железобетонных конструкций зданий, мостов, плотин. Наиболее известны тензометры механического и электрического типа. В свою очередь, электрические тензометры по принципу действия (который определяется типом чувствительного элемента) подразделяются на резистивные, струнные, емкостные, индуктивные. 2. Датчики давления, которые подразделяются на емкостные, пьезоэлектрические, оптоэлектронные, магнитные, ртутные, пьезорезонансные, резистивные. 3. Волоконно-оптические датчики давления, деформаций. В настоящее время в развитых странах среди технологий мониторинга строительных конструкций доминирующие позиции начинают занимать различные измерительные системы на базе волоконной оптики. Это связано со следующими их достоинствами по сравнению с другими типами датчиков: - высокая помехозащищенность; - высокая чувствительность; - индифферентность к различным агрессивным факторам; - высокая надежность и большой ресурс эксплуатации; - пожаро- и взрывобезопасность. Наиболее известный принцип работы этих датчиков связан с изменением характера преломления луча света, пересекающего оптоволокно, при давлении на него: а) либо используется изменение коэффициента преломления при давлении на оптоволокно, что приводит к сдвигу выходящего из оптоволокна преломленного луча; по величине смещения луча можно делать выводы о величине давления; б) либо давление вызывает изгиб оптоволоконной линии и, как следствие, отклонение пересекающего оптоволокно луча. Датчики обладают достаточно высокой чувствительностью и значительным диапазоном применения. Так, например, датчики давления одного из известных производителей оптоволоконных датчиков, ООО «Мониторинг-Центр», имеют порог чувствительности не более 2 % и диапазон измерения от 0 до 10 кгс/см2 . Нами используется другой принцип работы датчиков, впервые предложенный в [6-8]: при продольном давлении на оптоволокно изменяются характеристики мод, проходящих через сердцевину оптоволоконной линии. Эти изменения анализируются на торцах волокна, либо анализируются излучаемые моды, выходящие через внешнюю оболочку оптоволокна. По характеру этих изменений можно сделать заключение о величине давления. Основное достоинство этих датчиков по сравнению с предыдущими вариантами реализации оптоволоконных датчиков - высокая чувствительность излучаемых мод к изменениям коэффициента преломления, а значит, и к величине вызвавшего эти изменения давления. Это позволяет выявить изменения в давлении на фундамент здания уже на начальной стадии их возникновения. Основная проблема практической реализации датчиков - высокая стоимость лавинных фотодиодов, которые предлагается использовать для съема и фиксации характеристик излучаемых мод. Однако, по-видимому, в ближайшие годы стоимость лавинных диодов значительно понизится, возрастет их чувствительность, что обеспечит условия для их массового использования. Предлагаемый вариант сбора данных Нами предлагается новый вариант конструкции датчика контроля давления на фундамент здания, основой которого являются оптоволоконный чувствительный элемент, а принципом работы - контроль величины излучаемых мод на основе лавинных диодов. Одно из основных достоинств указанного датчика - его высокая устойчивость к различным коррозийным и температурным воздействиям. Кроме того, отсутствие в чувствительном элементе датчика значимых по номиналу источников питания позволяет эксплуатировать его в условиях повышенной пожаро- и взрывоопасности без риска возникновения аварийных ситуаций. Это абсолютно необходимо в условиях возможного скопления газа или других горючих и взрывоопасных веществ в подвалах зданий. Далее, говоря о точности, которой достигают волоконно-оптические датчики, можно дать такую обобщенную оценку: точность составляет в среднем от 0,1 до 0,5 %, в зависимости от измеряемого физического параметра. При этом точность измерения параметра сочетается с точностью определения местонахождения исследуемой зоны и может достигать сколь угодно малых практически значимых величин. Опишем прежде всего датчиковое устройство (панель датчиков), которое и является основной единицей контроля давления на фундамент. Панель состоит из 5 пар датчиков (рис. 1), чувствительным элементом которых являются оптоволоконные линии, причем датчики одной пары имеют одинаковую длину. Длина чувствительных элементов в разных парах составляет 90, 70, 50, 30 и 10 см соответственно. Выбор указанной схемы размещения чувствительных элементов обусловлен следующими мотивами: чувствительные элементы в разных парах контролируют изменения давления в зоне здания шириной в один метр, примыкающей к фундаменту; чувствительные элементы одной пары предназначены для контроля боковых перекосов в стенах здания. Рис. 1. Структура панели датчиков Основание панели крепится к фундаменту здания, а чувствительные элементы замуровываются в стенах зданий, причем элементы одной пары равной длины размещаются по разные стороны стены - наружной и внутренней. Для повышения чувствительности верхние окончания элементов могут снабжаться горизонтально расположенными отростками, которые жестко соединены с соответствующими элементами. Данные с чувствительных элементов снимаются (считываются) с помощью фотонных диодов аналогично тому, как это делается в [6], и передаются в систему контроля состояния фундамента, которая может быть расположена на достаточно удаленном расстоянии как внутри здания, так и в любой другой точке земной поверхности - в этом случае могут быть использованы сетевые технологии. Для работы чувствительного элемента через подводящие световоды в постоянном режиме подается очень небольшой по величине поток света с заданными физическими параметрами. На конце световода могут находиться приемники из светопоглощающих материалов, либо концы могут быть выведены наружу, обеспечивая очень слабое освещение примыкающей к датчику зоны, что может представлять интерес для подвальной зоны. Непосредственно конструкция каждого отдельного датчика приведена на рис. 2 (для удобства размещения материала датчик представлен в горизонтальном виде). Здесь 1 - светодиод, жестко соединенный с отростками 2, которые и воспринимают давление стеновых конструкций. Основной принцип работы датчика [6]: изменения в давлении на отростки приводят к продольному растяжению световода, что, в свою очередь, влечет изменение коэффициента преломления в световоде. Последнее отражается на мощности излучаемых мод, что и фиксируется с помощью лавинных диодов. Таким образом, отростки 2 вместе с кожухом 4 чувствительного элемента воспринимают внешнее натяжение, воздействуют на сердцевину волновода 3 как на чувствительный элемент датчика. Датчик крепится к фундаменту через панель 5. Через световод 6 к чувствительному элементу подается световой луч с требуемыми физическими характеристиками. Рис. 2. Конструкция датчика Описанные выше панели датчиков размещаются вдоль периметра всего здания. Данные от всех панелей датчиков собираются в пункте контроля состояния здания. Их обработка может проводиться на основе схемы, приведенной на рис. 3. Для стабилизации работы лавинных фотодиодов применительно к колебаниям температуры и ее сезонным изменениям в систему введен тракт температурной корректировки на основе датчика температуры (на рис. 3 - датчик ИС TMP275). На основе данных этого датчика изменяется рабочее напряжение диода; цепь корректировки включает микроконтроллер, цифроаналоговый преобразователь и преобразователь напряжения - на схеме Emco Q04. Выходные сигналы из лавинных фотодиодов после усиления поступают в панель в плату сбора данных, а затем передаются для обработки в компьютер. Рис. 3. Схема световых приемников и обработки данных Практическая реализация приведенной схемы предполагает также разработку технологии монтирования панелей датчиков в конструкцию здания, что является предметом отдельных исследований. Заключение Таким образом, нами получены следующие результаты. 1. Проведен сравнительный анализ существующих датчиков контроля состояния фундамента здания. Обоснована приемлемость использования оптоволоконных датчиков в качестве основных элементов сбора данных о состоянии фундамента здания. 2. Предложен вариант построения оптоволоконного датчика для контроля давления на фундамент здания, что актуально как в случае проседания отдельных частей фундамента, так и при повышении давления на отдельные фрагменты фундамента. Приведены общая схема датчика, описание системы съема данных о давлении на фундамент и размещения датчиков. Полученные результаты могут быть использованы при создании различных проектов автоматизированных систем контроля состояний зданий и сооружений.
References

1. URL: http://www.promserv.ru/loadcells.html.

2. URL: http://titan.bkc.com.ua/ru/datchiki.

3. Neugodnikov A. P. Koncepciya monitoringa stroitel'nyh konstrukciy na baze volokonno-opticheskih datchikov / A. P. Neugodnikov, I. V. Rubcov, F. A. Egorov i dr. // Novyy ural'skiy stroitel'. 2004. № 10.

4. Inaudi D. State of the Art in Fiber Optic Sensing Technology and EU Structural Health Monitoring Projects / D. Inaudi // SMARTEC SA, Manno, Switzerland.

5. Tarakanovskiy V. K. Obzor sovremennyh sredstv monitoringa sostoyaniya konstrukciy i gruntov osnovaniy vysotnyh zdaniy / V. K. Tarakanovskiy. URL: http://www.pamag.ru/pressa/overview-means-mgss.

6. Popov G. A. Datchik vesa na osnove izluchaemyh mod planarnogo opticheskogo volnovoda / G. A. Popov, A. V. Alekseev // Datchiki i sistemy. 2010. № 8 (135). S. 38-43.

7. Popov G. A. O zavisimosti ugla polnogo vnutrennego otrazheniya ot dliny volny sveta dlya razlichnyh materialov, ispol'zuemyh pri izgotovlenii opticheskih volokon / G. A. Popov, A. V. Alekseev // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. 2008. № 1 (42). S. 117-121.

8. Popov G. A. Ob ocenke izluchaemoy moschnosti v simmetrichnyh slabonapravlyayuschih planarnyh volnovodah so stupenchatym profilem pokazatelya prelomleniya / G. A. Popov, A. V. Alekseev // Vestn. Sarat. gos. tehn. un-ta. 2009. № 4 (43), vyp. 2. S. 62-68.