Реферат по теме магистерской работы

Введение

Высотные здания относятся к категории объектов города, аварийное состояние которых может привести к катастрофическим последствиям, поэтому на каждом здании должна быть реализована комплексная система безопасности. Одним из важнейших элементов этой системы являются меры по раннему выявлению возможности обрушения здания под воздействием природно&ndashтехногенных воздействий, и, особенно, таких как ветровые нагрузки, промышленная динамика, изменения в грунтовых условиях под объектом.

Актуальность

Современные технические средства геотехнического мониторинга становятся непременным атрибутом строительства сложных зданий и сооружений. Они позволяют осуществлять оперативный контроль состояния создаваемого или эксплуатируемого строительного сооружения, с учетом полученной информации корректировать при необходимости проектные и технологические решения, повысить надежность и эксплуатационную безопасность возводимых объектов.

Невозможно заранее предусмотреть, смоделировать и учесть все варианты изменения внешних факторов (геологических, техногенных, природных, антропогенных) воздействия на строительный объект в процессе его эксплуатации. Однако, и это крайне важно реализовать при проектировании, возможно разработать и установить прибор контроля ориентации за состоянием и стабильностью основных элементов определяющих эксплуатационную безопасность сооружения &ndash фундамент, стены, перекрытия, опорные колонны, крыша, несущие и силовые элементы конструкции.

Таким образом, актуальной проблемой на сегодняшний день является разработка разнообразных приборов и систем мониторинга конструкций зданий и сооружений, и внедрение их в практику строительства.

Обзор методов

Для этого был произведен аналитический обзор существующих методов контроля:

• использование спутниковых методов измерений;
• лазерное сканирование зданий;
• метод геометрического нивелирования;
• волоконно&ndashоптические измерительные системы;
• магнитные датчики пространственной ориентации;
• использование акселерометров.

Рассмотренные методы и приборы определения пространственной ориентации объектов в пунктах среди всех недостатков, имеют один очень существенный – они слишком дороги, для использования в качестве стационарных измерительных приборов при мониторинге зданий и сооружений. В настоящее время контроль смещений, вибраций и отклонений объектов проводится городскими службами с определенными промежутками времени (раз в 5 лет), а не которые конструкции, как часто бывает в наше время, и вовсе остаются без внимания. Данный вопрос приобретает особую актуальность в связи с набирающими в настоящий момент высокими темпами строительства, особенно в неблагоприятных в геологическом отношениях районах, к которым относится наш и город. Устройства контроля, для получения массового распространения, должны обладать низкой стоимостью и в тоже время обеспечивать достаточную точность. Вследствие данных рассуждений, предлагается в качестве прототипов использовать следующие датчики пространственной ориентации. За основу датчиков контроля вертикали зданий и сооружений предлагается использовать магнитоупругие датчики пространственной ориентации объектов.

Постановка задачи контроля

Прибор определения пространственной ориентации объектов предназначен для объективного высокоточного измерения перемещений (наклона, вибраций) контролируемых объектов (зданий, сооружений) и элементов конструкций от исходного положения, передачи данных для последующего отображения, обработки, хранения, и оповещения в случае аварийных ситуаций. Проектируемое устройство предназначено для измерения cмещения, вибрации и наклона объекта. В качестве прототипа выбраны магнитоупругие датчики вертикального контроля.

В качестве рекомендуемого концептуального решения можно предложить следующее. Применение магнитных датчиков позволит преобразовать перемещения (вибрации) и отклонения объекта от вертикали в электрические сигналы.

В процессе измерений возможно производить как несколько считываний контролируемых данных через определенные промежутки времени, так и вести непрерывный во времени контроль объекта.

Мониторинг будет осуществляться с помощью беспроводной системы. Беспроводная система мониторинга включает несколько различных компонент, которые представлены на рис. 1. Система мониторинга должна обеспечивать передачу данных с контролируемых конструкций без визуального их осмотра. Данные измерений с датчиков могут передаваться к пользователю различным путем, в данном дипломе рассматривается метод передачи основанный на технологии ZigBee. Несколько датчиков объединяются в сеть образуя «узлы», которые имеют источник питания и могут передавать самостоятельно сигналы только на небольшие расстояния. Поэтому на объекте устанавливается центральное устройство, которое собирает и хранит информацию в базе данных для анализа с различных узлов. Эти данные, используются для оценки текущего состояния конструкций и в случае наступления критической ситуации выдается сообщение в виде сигнала тревоги. Центральное устройство должно выполнять также калибровку датчиков и обеспечивать перепрограммирование узлов да тчиков сохраняя в целом систему гибкой. Центральное устройство должно имеет, как правило персональный компьютер с постоянным источником питания и соответствующими программами.

рис.1 Схематическая диаграмма беспроводной системы мониторинга(3 кадра,размер 56,2кб)

Система мониторинга должна обеспечивать передачу данных с контролируемых конструкций без визуального их осмотра.Несколько датчиков объединяются в сеть образуя «узлы», которые имеют источник питания и могут передавать самостоятельно сигналы только на небольшие расстояния. Поэтому на объекте устанавливается центральное устройство, которое собирает и хранит информацию в базе данных для анализа с различных узлов. Эти данные, используются для оценки текущего состояния конструкций и в случае наступления критической ситуации выдается сообщение в виде сигнала тревоги. Центральное устройство должно выполнять также калибровку датчиков иобеспечивать перепрограммирование узлов датчиков сохраняя в целом систему гибкой.

Теоретический анализ и обоснование функций прибора

Работа магнитоупругого преобразователя основана на магнитоупругом эффекте. Как известно, ферромагнитные вещества имеют области самопроизвольного намагничивания (домены) . В ненамагниченном состоянии вещества домены ориентированы хаотично и магнитные моменты отдельных доменов компенсируют друг друга. При помещении ферромагнитного тела в магнитное поле домены ориентируются в его направления. В слабом поле ориентация частичная; в сильном поле при магнитном насыщении материала ориентируются все домены. Ориентация доменов вызывает увеличение магнитной индукции, характерное для ферромагнитных материалов.

Если на намагниченный образец ферромагнитного тела воздействовать внешней механической силой, то тело деформируется, домены изменят свою ориентацию и индукция в материале изменяется. Явление имеет упругий характер. Если силу снять, то индукция примет прежнее значение. Поскольку абсолютная магнитная проницаемость вещества

то при заданной напряженности поля Н изменение индукции В эквивалентно изменению магнитной проницаемости.

Изменение индукции или магнитной проницаемости в ферромагнитных телах при действии на них силы называется магнитоупругим эффектом.

Рассмотренное явление используется для преобразования механической силы в электрическую величину.

Магнитоупругие преобразователи могут иметь две обмотки (рис. 2).

рис.2 Магнитоупругие преобразователи с двумя обмотками

Такие преобразователи являются трансформаторными. При действии силы вследствие изменения магнитной проницаемости изменяется взаимная индуктивность М между обмотками и ЭДС вторичной обмотки Е. Формула преобразования имеет вид

При расчете преобразователя и его чувствительности нужно в соответствии с законами и правилами механики рассчитать механические напряжения о в элементах конструкции и их зависимость от измеряемой силы s = s (F).

Зависимость m _r = m _r(s) в ферромагнитных веществах в общем случае нелинейна. Однако при небольших механических напряжениях можно считать, что относительное изменение магнитной проницаемости пропорционально s :

где D m = m _r – m _{r ном} – значение магнитной проницаемости при воздействии s ; m _{r ном} – номинальная магнитная проницаемость при s = 0;

S_m – чувствительность материала.

Магнитная проницаемость m_r ном зависит от напряженности поля Н. Для увеличения D_m целесообразно работать при таких Н, при котором m _{r ном} ном максимальна. Наибольшую чувствительность S_m имеют железоникелевые сплавы, меньшую – железокобальтовые сплавы и кремниевые стали. Зная конфигурацию и размеры преобразователя и зависимость магнитной проницаемости m_r, от измеряемой силы F, можно определить зависимость сопротивления магнитной цепи, а также индуктивности L или коэффициента взаимоиндукции М преобразователя:

На рисунке представлена укрупненная функциональная схема прибора экспресс&ndashконтроля пространственной ориентации объектов (зданий и сооружений), предлагаемая для дальнейшей разработки.

рис.3 Функциональная схема прибора определения пространственной ориентации объектов

Заключение

В данной работе проведен обзор и анализ существующих методов и средств измерения контролируемого параметра. В результате анализа выявлены недостатки каждого метода и, в соответствии с современными требованиями и условиями эксплуатации, выбран в качестве чувствительного элемента магнитоупругий датчик.Поставлена задача на проектирование для разрабатываемого прибора и разработаны основные положения технического задания, в соответствии с этим разработана ориентировочная структурная схема проектируемого прибора.