ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНОЙ ЧАСТИ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ПРИ ИЗГИБЕ БАЛКИ

PROGEСT OF THE HARDWARE OF THE SYSTEM OF MONITORING OF THE STRESS DEFORMED STATE AT THE BEAM BEND

Elena V. Kuznetsova

 Candidate of Science, assistant professor State National Research Polytechnic University of Perm,

Russia, Perm

Evgeniy S. Lobov

Postgraduate Institute of continuous media mechanics of the Ural Branch of Russian Academy of Science,

 Russia, Perm

Stepan K. Gorbach

 Student, department «Dynamics and strength of machines», State National Research Polytechnic University of Perm,

 Russia, Perm 

АННОТАЦИЯ

В работе предложена методика проектирования, изготовления и тестирования аппаратной части системы мониторинга напряженно-деформированного состояния при изгибе балки. Система мониторинга инженерных (несущих) конструкций в режиме реального времени осуществляет контроль изменения состояния оснований, строительных конструкций зданий и сооружений, сооружений инженерной защиты, зон схода селей, оползней, лавин в зоне строительства и эксплуатации объекта мониторинга с целью предупреждения чрезвычайных ситуаций. Цель – разработать устройство, которое может в реальном времени регистрировать изменения напряженно деформированного состояния балки. Задачи – проектирование платы, создание принципиальной схемы и топологии платы в САПР DipTrace, создание и тестирование опытного образца.

ABSTRACT

In work the technique of design, production and testing of the hardware of a system of monitoring of the intense deformed state at a beam bend is offered. The system of monitoring of the engineering (bearing) designs in real time exercises control of change of a condition of the bases, building constructions of buildings and constructions, constructions of engineering protection, zones of mud flows, landslides, avalanches in a zone of construction and operation of an object of monitoring for the purpose of prevention of emergency situations. The purpose – to develop the device which can register changes of tensely deformed condition of a beam in real time. Tasks – design of a payment, creation of the schematic diagram and topology of a payment in DipTrace CAD, creation and testing of a prototype.

Ключевые слова: системы мониторинга, напряжения, деформации, топология, тензометрия.

Keywords: systems of monitoring, tension, deformation, topology, tenzometriya.

В процессе мониторинга контролируются следующие параметры объектов: напряженно-деформированное состояние, линейные перемещения, ускорения, вибрации, отклонение от оси нормали, раскрытие щелей и др. система мониторинга инженерных (несущих) конструкций (далее СМИК) является одной из подсистем система мониторинга инженерных систем. Актуальность применения СМИК обусловлены введением ГОСТ [1].

К основным плюсам реализации подсистемы СМИК можно отнести многократное повышение уровня надежности и безопасности инфраструктуры объектов; сокращение затрат на эксплуатацию и на страхование; уменьшение стоимости обслуживания.

Мониторинг на момент строительства и на момент эксплуатации – разные вещи. Как правило, мониторинг на момент строительства производится периодически, с использованием переносных измерительных устройств. Но мониторинг здания на момент строительства и на момент эксплуатации можно увязать друг с другом, потому что часто способы мониторинга, места расположения измерительных устройств и методы мониторинга совпадают. Однако объединять в один проект данные системы не всегда целесообразно.

Области применения: профилактика аварийных ситуаций, минимизация затрат на устранение последствий аварий; мониторинг отклонения фактических значений показателей от проектных и устранение скрытых затрат, связанных с качеством; обеспечение безопасности и целостности конструкции; возможность разветвления системы, масштабируемость; беспрепятственная интеграция в большинство аварийных систем управления; возможность автоматического оповещения об аварийной ситуации; использования ранее проложенных волоконно-оптических линий.

Проектирование и тестирование аппаратной части системы мониторинга напряженно-деформированного состояния балки проходило в несколько этапов. Первый этап – проектирование платы, на основе опыта проектирования печатных плат и особенностей метода тензометрии, применяемого в экспериментальной механике. На следующем этапе создана принципиальная схема (см. рис. 1) и топология платы в САПР DipTrace (см.рис.2).

Рисунок 1. Принципиальная схема устройства

Рисунок 2. Топология платы

Для решения поставленной задачи разберем принцип работы тензорезистора, показан на рис.3. Их действие основано на принципе изменение сопротивления металлов и полупроводников под действием деформации.

Рисунок 3. Тензорезисторы с проволочным чувствительным элементом - а) и с фольговым чувствительным элементом - б),

1-клеммы, 2- клеевой слой, 3- подложка, 4- чувствительная решетка, b–база

Сопротивление проводника R зависит от длинны l и площади S поперечного сечения и плотности  проводника [2,3]:

                                                                                    (1)

соответственно из закона постоянства объема: объем тела до деформации, во время деформации и после деформации остается постоянным, отсюда следует, что изменение сопротивления не будет происходить линейно, т. к. одновременно изменяются и длинна, и площадь поперечного сечения [4].

                                                                         (2)

R₀ - сопротивление при 0^oC  

R  – сопротивление при температуре t

α  - Температурный коэффициент сопротивления материалов

Как мы видим, сопротивление зависит от температуры проводника, т.к. эксперимент по тензометрированию требует высокую точность измерения, то изменения температуры проводника будут негативно влиять на точность измерения проводника. Для решения данной проблемы была организована термокомпенсация за счет использования двух уравновешивающих тензорезисторов, при этом два тензорезистора используются для замера продольной деформации (TR1 и TR4), а два других — для термокомпенсации (TR2 и TR3).

На рис. 4. Показан опытный образец платы аппаратной части системы мониторинга.

Рисунок 4. Опытный образец платы

Далее в соответствии со схемой на рис. 5 проводили тестирование – оценку напряженно-деформированного состояние в балочных конструкциях. На рис. 5 показана схема нагружения при тестировании опытного образца.

Рисунок 5. Схема нагружения при тестировании опытного образца

Таким образом, в работе спроектирована и изготовлена плата аппаратной части системы мониторинга напряженно-деформированного состояния. Схема уравновешена по температурам и изготовлена с условием термокомпенсации тензодатчиков. Значительно снижена погрешность [5,6], возникающая из-за разности температур проводников. Аппаратная часть в отличие от существующей аналоговой тензометрической станции имеет выходы для дальнейшей обработки и сохранении информации на ЭВМ, а также в программных пакетах. Изготовленный опытный образец имеет меньше габаритные размеры, а также упрощенную схему подключения. Спроектированная аппаратная часть может быть использована совместно тензостанциями, к которым можно подключить до 32 тензодатчиков. При этом запись идёт в автоматическом режиме с дальнейшим преобразованием результатов в графические зависимости изменение электрического напряжения от времени. Такие современные тензодатчики применяются для исследования сложных напряженных состояний в условиях, когда направление главных напряжений и деформации не известны. Необходимо отметить, что количество плат должно быть кратно количеству каналов. При этом предложенная схема аппаратной части может быть использована для термокомпенсации.

Список литературы:

1. ГОСТ [1] Р 22.1.12-2005 и Федерального закона Российской Федерации № 384-ФЗ от 30 декабря 2009 года.
2. Кузнецова Е.В. Экспериментальная механика. – Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2009. – 43 с.
3. Букетин Б.В. Экспериментальная механика. – М.: Изд.-во МГТУ им. Баумана, 2004. –136 с. 2.
4. Касаткин Б.С. и др. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений. – Киев: «Наукова думка», 1981. – 589 с.
5. Кузнецова Е.В. Специальные разделы естествознания: учебно-методическое пособие – Пермь: Издательство Перм. гос. техн. ун-та, 2006. – 88 с.
6. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. М.: Высш. шк., 2003. –334 с.