СИСТЕМА ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ И ИНЖЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2013 года по МПК G01L1/16 

Предлагаемая система относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована для дистанционного неразрушающего контроля, оценки и прогнозирования технического состояния конструкций и инженерно-строительных сооружений производственного, спортивного, культурного и военного назначения в течение всего периода их эксплуатации.

Известны системы дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции и инженерно-строительных сооружений (авт. свид. СССР №№720.215, 860.281, 1.062.512, 1.159.153, 1.193.454, 1.200.123, 1.213.350, 1.261.629, 1.415.048, 1.456.765, 1.481.589, 1.498.664, 1.649.314, 1.682.264, 1.781.504; патенты РФ №№2.008.534, 2.014.579, 2.036.446, 2.079.289, 2.082.121, 2.119.648, 2.123.672, 2.130.593, 2.180.430, 2.224.980, 2.247.958, 2.272.993, 2.327.105, 2.357.205, 2.410.655, 2.413.055; патенты США №№2.866.059, 3.170.152, 3.216.475, 3.827.514, 4.107.985; патент ФРГ №2.900.614; патенты ЕР №№0.401.133, 0.927.869; Ренский А.Б Руководство по тензометрированию строительных конструкций и материалов. - М., 1971, с.133, с.149-155 и другие).

Из известных систем дистанционного контроля и диагностики состояния конструкции и инженерно-строительных сооружений наиболее близким к предлагаемой системе является «Силоизмерительное устройство» (патент РФ №2.410.655, G01L 1/00, 2010), которое выбрано в качестве базового объекта.

Известное устройство обеспечивает дистанционное измерение усилия и температуры в различных резьбовых соединениях инженерно-строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит вероятность аварийных ситуаций в строительных сооружениях, имеющих важное стратегическое значение. Силоизмерительное устройство содержит навинченную на резьбу стержня гайку, расположенную под гайкой подкладную шайбу, а также стопорный элемент из эластичного материала и шайбу с буртом, размещенную на стержне со стороны соединяемой детали и обращенную буртом в сторону гайки, при этом стопорный элемент выполнен в виде шайбы и расположен между шайбами с охватом резьбового стержня, подкладная шайба выполнена плоской диаметром, меньшим диаметра стопорного элемента, а наружный диаметр подкладной шайбы больше максимального торцевого размера гайки. Причем устройство снабжено плоской силоизмерительной шайбой диаметром, равным диаметру подкладной шайбы, с двумя резонаторами на поверхностных акустических волнах и считывателем, силоизмерительная шайба выполнена из нержавеющей стали и размещена между подкладной шайбой и стопорным элементом из эластичного материала, в шпоночной выточке силоизмерительной шайбы установлены два резонатора на поверхностных акустических волнах, первый из которых чувствительный к сжатию силоизмерительной шайбы посредством жесткого соединительного слоя, а второй - чувствительный к температуре окружающей среды посредством мягкого эластичного клея.

Однако известное устройство имеет ограниченные возможности, выполняет только локальные функции и не обеспечивает достоверного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерно-строительных сооружений, удаленных на значительное расстояние от пункта контроля.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем достоверного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерно-строительных сооружений, удаленных на значительное расстояние от пункта контроля.

Поставленная задача решается тем, что система дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерно-строительных сооружений, включающая, в соответствии с ближайшим аналогом, силоизмерительное устройство, содержащее навинченную на резьбу стержня гайку, расположенную под гайкой подкладную шайбу диаметром, равным диаметру подкладной шайбы, с двумя резонаторами на поверхностных акустических волнах, шайбу с буртом, размещенную на стержне со стороны соединяемой детали и обращенную буртом в сторону гайки, стопорный элемент из эластичного материала и считыватель, при этом стопорный элемент выполнен в виде шайбы и расположен между шайбами с охватом резьбового стержня, подкладная шайба выполнена плоской диаметром, меньшим диаметра стопорного элемента, а наружный диаметр подкладной шайбы больше максимального торцевого размера гайки, силоизмерительная шайба выполнена из нержавеющей стали и размещена между подкладной шайбой и стопорным элементом из эластичного материала, в шпоночной выточке силоизмерительной шайбы установлены два резонатора на поверхностных акустических волнах, первый из которых чувствительный к сжатию силоизмерительной шайбы посредством жесткого соединительного слоя, а второй - чувствительный к температуре окружающей среды посредством мягкого эластичного клея, резонаторы на поверхностных акустических волнах через сквозные отверстия высокочастотными кабелями связаны соответственно с приемопередающими антеннами, каждый резонатор на поверхностных акустических волнах выполнен на пьезокристалле с нанесенными на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь состоит из двух гребенчатых систем электродов, нанесенных на поверхность пьезокристалла, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, которые, в свою очередь, соединены высокочастотным кабелем с приемопередающей антенной, во втором резонаторе на поверхностных акустических волнах между встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей размещена мембрана, считыватель выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первого усилителя высокой частоты, первого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя высокой частоты второго узкополосного фильтра, первого фазометра, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и блока регистрации, второй вход которого соединен с выходом первого фазового детектора, последовательно подключенных к выходу дуплексера второго усилителя высокой частоты, второго фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, третьего перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, третьего узкополосного фильтра и второго фазометра, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, а выход подключен к третьему входу блока регистрации, четвертый вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, последовательно подключенных к выходу задающего генератора первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого узкополосного фильтра и второго усилителя мощности, выход которого соединен с вторым входом дуплексера, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена пунктом контроля, состоящим из радиостанции и связанной с ней электронно-вычислительной машины, и m объектами контроля, каждый из которых состоит из радиостанции и связанного с ней считывателя, причем радиостанции пункта контроля и объектов контроля связаны между собой радиоканалами, каждая радиостанция содержит последовательно включенные генератор высокой частоты, фазовый манипулятор, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом первого генератора, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, усилитель второй промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с вторым выходом первого гетеродина, полосовой фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом второго гетеродина, второй вход фазового манипулятора пункта контроля через электронно-вычислительную машину соединен с выходом фазового детектора, второй вход фазового манипулятора каждого объекта контроля через последовательно включенные преобразователь аналог-код и формирователь модулирующего кода соединен с выходом блока регистрации считывателя, выход фазового детектора каждого объекта контроля через блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, подключен к входу задающего генератора считывателя, частоты ω_г1 и ω_г2 гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты ω_пр2

ω_г2-ω_г1=ω_пр2,

радиостанция, размещенная на пункте контроля, выполнена с возможностью излучения сложных сигналов с фазовой манипуляцией на частоте

ω₃=ω_г2=ω_пр1,

где ω_пр1 - первая промежуточная частота, а приема - на частоте

ω₄=ω_г1=ω_пр3,

где ω_пр3 - третья промежуточная частота, а радиостанция, размещенная на каждом объекте контроля, выполнена с возможностью излучения сложных сигналов с фазовой манипуляцией на частоте ω₄, а приема - на частоте ω₃.

Структурная схема предлагаемой системы представлена на фиг.1. Структурная схема радиостанции 55, размещенной на пункте контроля 53, представлена на фиг.2. Структурная схема радиостанции 59.j, размещенной на каждом объекте контроля 57.j (j=1,2, …, m), представлена на фиг.3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов, показана на фиг.4. Структурная схема считывателя 60.j представлена на фиг.5. Временные диаграммы, поясняющие работу считывателя 60.j, изображены на фиг.6. Устройство для фиксации резьбового стержня до затяжки соединения изображено на фиг.7, продольный разрез. То же, после затяжки соединения на фиг.8. Силоизмерительная шайба изображена на фиг.9, продольный разрез. Функциональные схемы двух резонаторов на поверхностных акустических волнах показаны на фиг.10.

Пункт контроля 53 содержит радиостанцию 55, связанную с электронно-вычислительной антенной 54 и приемопередающей антенной 56.

Каждый объект контроля 57.j содержит радиостанцию 59.j, связанную со считывателем 60.j и приемопередающей антенной 58.j (j=1,2, …, m, m - количество объектов контроля) (фиг.1).

Каждая радиостанция 55 (59j) содержит последовательно включенные генератор 61 (61j) высокой частоты, фазовый манипулятор 62 (62.j), первый смеситель 64 (64.j), второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина 63 (63.j), усилитель 65 (65.j) первой промежуточной частоты, первый усилитель 66 (66.j) мощности, дуплексер 67 (67.j), вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 56 (58.j), второй усилитель 68 (68.j) мощности, второй смеситель 70 (70.j), второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина 69 (69.j), усилитель 71 (71.j) второй промежуточной частоты, перемножитель 72 (72.j), второй вход которого соединен с вторым выходом первого гетеродина 63 (63.j), полосовой фильтр 73 (73.j) и фазовой детектор 74 (74.j). Второй вход фазового манипулятора 62 через электронно-вычислительную машину 54 соединен с выходом фазового детектора 74. Второй вход фазового манипулятора 62.j через последовательно включенные преобразователь 78.j аналог-код считывателя 60.j и формирователь 75.j модулирующего кода соединен с выходом блока 52.j регистрации считывателя 60.j. Выход фазового детектора 74.j через блок 77.j сравнения, второй вход которого соединен с блоком 76.j памяти, подключен к входу задающего генератора 35.j считывателя 60.j (фиг.2, 3).

Считыватель 60.j содержит последовательно включенные задающий генератор 35.j, первый усилитель 36.j мощности, дуплексер 37.j, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 38.j, первый усилитель 42.j высокой частоты, первый фазовый детектор 44.j, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 35.j, второй перемножитель 46.j, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 42.j высокой частоты, второй узкополосный фильтр 48.j, первый фазометр 50.j, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 35.j, блок 52.j регистрации, второй вход которого соединен с выходом первого фазового детектора 44.j, и преобразователь 78.j аналог-код, выход которого является выходом считывателя 60.j. К выходу дуплексера 37.j последовательно подключены второй усилитель 43.j высокой частоты, второй фазовый детектор 45.j, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра 40.j, третий перемножитель 47.j, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 43.j высокой частоты, третий узкополосный фильтр 49.j и второй фазометр 51.j, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра 40.j, а выход подключен к третьему входу блока 52.j регистрации, четвертый вход которого соединен с выходом второго фазового детектора 45.j. К выходу задающего генератора 35.j последовательно подключены первый перемножитель 39.j, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 35.j, первый узкополосный фильтр 40.j и второй усилитель 41.j мощности, выход которого соединен со вторым входом дуплексера 37.j (j=1, 2, …, m)(фиг.5).

Силоизмерительная шайба 9 содержит приемопередающие антенны 10 и 11, разъемы 12 и 13, сквозные отверстия 14 и 15 для высокочастотных кабелей 16 и 17, шпоночную выточку 18, резонаторы 20 и 21 на ПАВ, изолирующий защитный материал 19 (силикон, компаунд и т.д.), соединительный слой 22 (клей, припой), мягкий эластичный клей 23 с хорошей термопередачей (фиг.9).

Каждый резонатор 20 (21) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) выполнен в виде пьезокристалла 24(25) с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП) ПАВ и набором отражателей 32(33). ВШП состоит из двух гребенчатых систем электродов 26(27), нанесенных на поверхность пьезокристалла 24(25). Электроды 26(27) каждой из гребенок соединены друг с другом шинами 28(29) и 30(31), которые, в свою очередь, связаны высокочастотным кабелем 16(17) с приемопередающей антенной 10(11). Во втором резонаторе 21 между ВШП и набором отражателей 33 установлена мембрана 34 (фиг.10).

Система дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерно-строительных сооружений работает следующим образом.

Чувствительным элементом системы является силоизмерительная шайба 9, в шпоночной выточке 18 которой установлено два резонатора 20 и 21 на ПАВ, первый 20 из которых чувствительный к сжатию силоизмерительной шайбы посредством жесткого соединительного слоя 22, а второй 21 - чувствительный к температуре окружающей среды посредством мягкого эластичного клея 23 (фиг.9).

Ввинчивают резьбовой стержень 2 в отверстие соединяемой детали 6 (фиг.7). На резьбовой стержень 2 последовательно устанавливают шайбу 5 с буртом, стопорный элемент 3, силоизмерительную шайбу 9, подкладную шайбу 4 и гайку 1. Затем затягивают гайку 1, при этом стопорный элемент 3, деформируясь, фиксирует резьбовой стержень 2 от самопроизвольного отвинчивания (фиг.8).

Силу затягивания гайки 1 контролируют с помощью частот резонатора 20 на ПАВ, чувствительного к сжатию силоизмерительной шайбы 9. Второй резонатор 21 на ПАВ не реагирует на деформацию сжатия шайбы 9, но чувствует температуру окружающей среды.

Частота резонаторов 20 и 21 на ПАВ определяется расстоянием между электродами 26 и 27. Резонансная частота первого резонатора 20 на ПАВ выбирается равной ω₁, а второго резонатора 21 на ПАВ - равной ω₂, ω₂=2ω₁, ω₂-ω₁=ω_пр2 (фиг.4).

При сжатии силоизмерительной шайбы 9 резонатор 20 на ПАВ изменяет свою резонансную частоту за счет деформации пьезокристалла 24 и изменения расстояния между электродами 26. В свободном (ненапряженном состоянии) резонатор 20 на ПАВ имеет резонансную частоту ω_с=ω₁. При штатном затягивании силоизмерительной шайбы 9 резонансная частота 1 незначительно увеличивается на Δω₁.

Если происходит самопроизвольное откручивание гайки 1, то резонансная частота резонатора 20 на ПАВ начинает возвращаться к своей исходной частоте ω₁, а если возникает слишком большое давление, которое ведет к увеличению силы сжатия силоизмерительной шайбы 9, то частота ω₁ резонатора 20 на ПАВ увеличивается до значения ω₁+Δω₂. Так как между частотой и фазой существует интегрально-дифференциальная связь, то любые изменения частоты приводят к изменению фазы. Поэтому целесообразно использовать фазовые набеги Δφ_i, связанные с изменением силы сжатия силоизмерительной шайбы 9 (i=1, 2, …, n). Любые изменения фазовых сдвигов Δφ_i могут быть зафиксированы на пункте 53 контроля дистанционно с помощью считывателя 60.j (j=1, 2, …, m) и соответствующего радиоканала.

Во втором резонаторе 21 на ПАВ изменение температуры окружающей среды воздействует на мембрану 34, вызывая ее деформацию. Скорость ПАВ в области мембраны 34 изменяется и фаза отраженной от решетки 33 акустической волны также изменяется в соответствии с деформацией мембраны 34.

Изменение фазы соответствует изменению температуры окружающей среды, которое также можно дистанционно зафиксировать на пункте 53 контроля с помощью считывателя и соответствующего радиоканала.

При этом радиостанции, установленные на пункте 53 контроля и объектах контроля 57.j (j=1, 2, …, m), обеспечивают дуплексную радиосвязь между ними с использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией на двух частотах W₁ и W₂, что обеспечивает развязку радиоканалов.

Дежурный оператор на пункте 53 контроля с использованием ЭВМ 54 (или компьютера) имеет возможность дистанционно организовать контроль и диагностику состояния объектов контроля 57.j (j=1, 2, …, m) путем соответствующего опроса. Программа опроса может самой различной.

Дежурный оператор на пункте контроля 53 с помощью ЭВМ 54 (или компьютера) включает радиостанцию 55. При этом генератором 61 высокой частоты формируется гармоническое колебание (фиг.2)

U_c1(t)=V_c1Cos(ω_ct+φ_c1), 0≤t≤T_c,

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 62, на второй вход которого подается модулирующий код, например М₁(t), с выхода ЭВМ 54. Это означает, что запрос будет послан на первый объект контроля 57.1. Модулирующий код M₁(t) в этом случае соответствует идентификационному номеру первого объекта контроля 57.1. На выходе фазового манипулятора 62 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (Фмн)

U₇(t)=V_c1Cos[ω_ct+φ_k1(t)+φ_c1], 0≤t≤T_c,

где φ_k1(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t), который поступает на первый вход смесителя 64, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 63

U_г1(t)=V_г1Cos(ω_г1t+ω_г1).

На выходе смесителя 64 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 65 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты

U_пр1(t)=V_пр1Cosω_пр1t+φ_k1(t)+φ_пр1, 0≤t≤T_c,

где ;

ω_пр1=ω_c+ω_г1=ω₃ - первая промежуточная (суммарная) частота (фиг.4);

ω_пр1=ω_с1+ω_г1.

Это напряжение после усиления в усилителе 66 мощности через дуплексер 67 поступает в приемопередающую антенну 56, излучается ею в эфир на частоте ω_пр1=ω₃, улавливается приемопередающей антенной 58.1 и через дуплексер 67.1 и усилитель 68.1 мощности поступает на вход смесителя 70.1, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 69.1

U_г1(t)=V_г1Cos(ω_г1t+φ_г1).

На выходе смесителя 70.1 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 71.1 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

U_пр2(t)=V_пр2Cosω_пр2t+φ_k1(t)+φ_пр2, 0≤t≤T_c,

где ;

ω_пр2=ω₃-ω_г1 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ω_пр2=ω_пр1-ω_г1;

которое поступает на первый вход перемножителя 72.1, на второй вход которого со второго выхода подается напряжение гетеродина 63.1

U_г2(t)=V_г2Cos(ω_г2t+φ_г2).

На выходе перемножителя 72.1 образуется напряжение

U₈(t)=V₈Cos[ω_г1t-φ_k1(t)+φ_г1], 0≤t≤T_c,

где ;

которое выделяется полосовым фильтром 73.1 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 74.1, на второй (опорный) вход которого подается напряжение U_г1(t) со второго выхода гетеродина 69.1. В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 74.1 образуется низкочастотное напряжение

U_н3(t)=V_н3Cosφ_k1(t), 0≤t≤T_c,

где ;

пропорциональное модулирующими коду M₁(t).

Это напряжение поступает на первый вход блока 77.1 сравнения, на второй вход которого подается модулирующий код M₁(t) с выхода блока 76.1 памяти, который является идентификационным номером первого объекта контроля 57.1. Так как указанные коды равны, то на выходе блока 77.1 сравнения образуется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход задающего генератора 35.1 и включает его, т.е. включает считыватель 60.1.

Следует отметить, что сигнал U_пр1(t), излучаемый радиостанцией 55 пункта контроля 53, принимается радиостанциями и другими объектами контроля 57.j (j=1, 2, …, m), но срабатывает блок 77.1 сравнения только первого объекта контроля 57.1, который и запрашивался дежурным оператором.

Частоты ω_г1 и ω_г2 гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты (фиг.4)

ω_г2-ω_г1=ω_пр2.

При включении считывателя 60.1 задающим генератором 35.1 формируется высокочастотное колебание (фиг.6,а)

U₁(t)=V₁Cos(ω₁t+φ₁), 0≤t≤T₁,

которое после усиления в усилителе 36.1 мощности через дуплексер 37.1 поступает в приемопередающую антенну 38.1 и излучается ей в эфир.

Высокочастотное колебание U₁(t) c выхода задающего генератора 35.1 одновременно поступает на два входа перемножителя 39.1, на выходе которого образуется высокочастотное колебание (фиг.6,б)

U₂(t)=V₂Cos(ω₂t+φ₂), 0≤t≤T₁,

где ;

ω₂=2ω₁; φ₂=2φ₂; ω₂-ω₁=ω_пр2 (фиг.4),

которое выделяется узкополосным фильтром 40.1 и после усиления в усилителе 41.1 мощности через дуплексер 37.1 поступает в приемопередающую антенну 38.1 и излучается ей в эфир.

Гармонические колебания U₁(t) и U₂(t) улавливаются приемопередающими антеннами 10 и 11 и через высокочастотные кабели 16 и 17 поступают на входы резонаторов 20 и 21 на ПАВ, первый из которых настроен на частоту ω₁, а второй - на частоту ω₂ (фиг.9, 10). С помощью ВШП электрические сигналы U₁(t) и U₂(t) преобразуются в акустические волны, которые распространяются по поверхности пьезокристаллов 24 и 25 соответственно, отражаются отражателями 32 и 33. Затем отраженные акустические волны претерпевают обратное преобразование в электрические сигналы с фазовой манипуляцией (Фмн) (фиг.6,2,д):

U₃(t)=V₃Cos[ω₁t+φ_k1(t)+φ₁+Δφ₁],

U₄(t)=V₄Cos[ω₂t+φ_k1(t)+φ₂+Δφ₂],

где φ_k1(t) - манипулирующая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М₁(t) (фиг.6,в), причем φ_k1(t)=const при κτ_э<t<(κ+1)τ_э и может изменяться скачком при t=κτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (κ=1, 2, …, N);

τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен Фмн-сигнал длительностью T₁ (T₁=τ_эN);

Δφ₁ - фазовый сдвиг, обусловленный величиной силы сжатия силоизмерительной шайбы 9;

Δφ₂ - фазовый сдвиг, обусловленный величиной изменения температуры окружающей среды.

Модулирующий код M₁(t) (фиг.6,в) определяется внутренней структурой ВШП, носит индивидуальный характер и является идентификационным номером силоизмерительной шайбы 9, отображающий ее порядковый номер и место установки в строительном сооружении, имеющим важное стратегическое значение.

Сложные Фмн-сигналы U₃(t) и U₄(t) излучаются приемопередающими антеннами 10 и 11 в эфир, улавливаются приемопередающей антенной 38.1 считывателя 60.1 и через дуплексер 37.1 и усилители 42.1 и 43.1 высокой частоты поступают соответственно на первые входы фазовых детекторов 44.1 и 45.1.

Частота настройки ω_н1 усилителя 42.1 высокой частоты выбирается равной частоте ω₁(ω_н1=ω₁), а частота настройки ω_н2 усилителя 43.1 высокой частоты выбирается равной ω₂(ω_н2=ω₂).

На вторые (опорные) входы фазовых детекторов 44.1 и 45.1 подаются гармонические колебания U₁(t) и U₂(t) с выходов задающего генератора 35.1 и узкополосного фильтра 40.1 соответственно. В результате синхронного детектирования на выходе фазовых детекторов 44.1 и 45.1 образуются низкочастотные напряжения (фиг.6,е)

U_н1(t)=V_н1Сosφ_k1(t),

U_н2(t)=V_н2Сosφ_k1(t),

где , ;

пропорциональные модулирующему коду M₁(t) (фиг.6,в).

Низкочастотные напряжения и фиксируются

блоком 52.1 регистрации и одновременно поступают на первые входы перемножителей 46.1 и 47.1 соответственно. На вторые входы указанных перемножителей поступают сложные Фмн-сигналы U₃(t) и U₄(t) с выходов

усилителей 42.1 и 43.1 высокой частоты соответственно. На выходах перемножителей 46.1 и 47.1 образуются следующие гармонические колебания:

U₅(t)=V₅Cos(ω₁t+φ₁+Δφ₁),

U₆(t)=V₆Cos(ω₂t+φ₂+Δφ₂), 0≤t≤T_c,

где

которые выделяются узкополосными фильтрами 48.1 и 49.1 и поступают на первые входы фазометров 50.1 и 51.1 соответственно, на вторые входы которых подаются гармонические колебания U₁(t) и U₂(t) с выходов задающего генератора 35.1 и узкополосного фильтра 40.1. Фазометры 50.1 и 51.1 измеряют фазовые сдвиги Δφ₁ и Δφ₂, пропорциональные превышению силы сжатия и температуры силоизмерительной шайбы 9. Измеренные фазовые сдвиги Δφ₁ и Δφ₂ фиксируются блоком регистрации 52.1, которые вместе с низкочастотными напряжениями поступают на вход преобразователя 78.1 аналог-код, где преобразуются в цифровой код, который поступает на вход формирователя 75.1 модулирующего кода M₂(t). Последний поступает на второй вход фазового манипулятора 62.1. На первый вход последнего подается гармоническое колебание с выхода генератора 61.1 высокой частоты (фиг.3)

U_c2(t)=V_c2Cos(ω_ct+φ_с2), 0≤t≤T_c.

На выходе фазового манипулятора 62.1 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (Фмн)

U₉(t)=V_c2Cos[ω_ct+φ_k2(t)+φ_с2], 0≤t≤T_c,

где φ_k2(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М₂(t),

который поступает на первый вход смесителя 64.1, на второй вход которого с первого выхода гетеродина 63.1 подается напряжение

U_г2(t)=V_г2Cos(ω_г2t+φ_г2).

На выходе смесителя 64.1 образуется напряжение комбинационных частот. Усилителем 65.1 выделяется напряжение третьей промежуточной (разностной) частоты

U_пр3(t)=V_пр3Cosω_пр3t-φ_k2(t)+φ_пр3, 0≤t≤T_c,

где ;

ω_пр3=ω_г2-ω_с - третья промежуточная (разностная) частота;

φ_пр3=φ_г2-φ_с2.

Это напряжение после усиления в усилителе 66.1 мощности через дуплексер 67.1 поступает в приемопередающую антенну 58.1, излучается ей в эфир на частоте ω₄=ω_пр3, улавливается приемопередающей антенной 56 пункта 53 контроля и через дуплексер 67 и усилитель 68 мощности поступает на первый вход смесителя 70, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 69

U_г2(t)=V_г2Cos(ω_г2t+φ_г2).

На выходе смесителя 70 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 71 выделяется напряжение второй промежуточной (разностной) частоты

U_пр4(t)=V_пр4Cosω_пр2t+φ_k2(t)+φ_пр4, 0≤t≤T_c,

где ;

ω_пр2=ω_г2-ω_пр3 - вторая промежуточная (разностная) частота;

φ_пр4=φ_г2-φ_пр3,

которое поступает на первый вход перемножителя 72, на второй вход которого подается напряжение U₂₁(t) гетеродина 63. На выходе перемножителя 72 образуется напряжение

U₁₀(t)=V₁₀Cos[ω_г2t+φ_k2(t)+φ_г2], 0≤t≤T_c,

где ;

которое выделяется полосовым фильтром 73 и поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 74, на второй вход которого подается напряжение U_г2(t) гетеродина 69. На выходе фазового детектора 74 образуется низкочастотное напряжение

U_н4(t)=V_н4Cosφ_k2(t), 0≤t≤T_c,

где ;

пропорциональное модулирующему коду М₂(t).

Это напряжение содержит информацию об идентификационном номере М₁(t) силоизмерительной шайбы 9 (первом объекте контроля 57.1), ее усилии сжатия и температуре. Эти данные фиксируются в ЭВМ 54 и анализируются дежурным оператором. Процедура запроса других объектов контроля осуществляется аналогичным образом.

Разборка резьбового соединения производится в обратном порядке.

Следовательно, повышается надежность стопорения за счет деформации элемента 3 и схватывания шайб 4 и 5 с разных сторон. Применение фигурного отверстия 7 с наклонными стенками 8 обеспечивает возможность центрирования стержня 2 и повышение надежности его фиксации.

Силоизмерительное устройство может быть использовано не только для болтов, но и для шпилек. Указанные элементы являются центральными во многих конструкциях и инженерно-строительных сооружениях.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с базовым объектом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает достоверный контроль и диагностику состояния конструкций и инженерно-строительных сооружений, удаленных на значительное расстояние от центрального пункта контроля. Это достигается применением дуплексной радиосвязи между центральным пунктом контроля и объектами контроля с использованием сложных сигналов с фазовой манипуляцией на двух частотах ω₃ и ω₄, чем обеспечивается развязка радиоканалов.

Сложные Фмн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность сложных Фмн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный Фмн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного Фмн-сигнала отнюдь не мала, она просто равномерно распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных Фмн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных Фмн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемников.

Сложные Фмн-сигналы открывают новые возможности в технике передачи дискретных сообщений и их защиты от несанкционированного доступа. Указанные сигналы позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность выделять сложные Фмн-сигналы среди других сигналов и помех, действующих в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Данная возможность реализуется сверткой спектра сложных Фмн-сигналов.

Основной особенностью резонаторов на ПАВ является малые габариты, большой срок службы, отсутствие источников питания и возможность формировать сложные сигналы с фазовой манипуляцией при их облучении гармоническими колебаниями.

Тем самым функциональные возможности базового объекта расширены.

Заявленное устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для дистанционного контроля, оценки и прогнозирования технического состояния конструкций и инженерно-строительных сооружений. Устройство содержит пункт контроля, состоящий из радиостанции и связанной с ней электронно-вычислительной машины, и объекты контроля, каждый из которых состоит из радиостанции и связанного с ней считывателя и силоизмерительного устройства. Каждая радиостанция содержит генератор высокой частоты, фазовый манипулятор, первый гетеродин, первый смеситель, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, первый дуплексер, приемопередающую антенну, второй усилитель мощности, второй гетеродин, второй смеситель, усилитель второй промежуточной частоты, перемножитель, полосовой фильтр и фазовый детектор. Радиостанция объекта контроля, кроме того, содержит формирователь модулирующего кода, блок памяти и блок сравнения. Считыватель содержит задающий генератор, первый и второй усилители мощности, дуплексер, приемопередающую антенну, первый, второй и третий перемножители, первый, второй и третий узкополосные фильтры, первый и второй усилители высокой частоты, первый и второй фазовые детекторы, первый и второй фазометры, блок регистрации и преобразователь аналог-код. Устройство для фиксации резьбового стержня содержит гайку, резьбовой стержень, стопорный элемент из эластичного материала, плоскую шайбу, шайбу с буртом, соединяемую деталь, отверстие в шайбе с буртом, боковые стенки и силоизмерительную шайбу. Силоизмерительная шайба содержит приемопередающие антенны, разъемы, сквозные отверстия для высокочастотных кабелей, шпоночную выточку, резонаторы на ПАВ, изолирующий защитный материал, соединительный слой, мягкий эластичный клей. Каждый резонатор на ПАВ содержит пьезокристалл, электроды, шины, набор отражателей. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства. 10 ил.

Система дистанционного контроля и диагностики состояния конструкций и инженерно-строительных сооружений, включающая силоизмерительное устройство, содержащее навинченную на резьбу стержня гайку, расположенную под гайкой подкладную шайбу, плоскую силоизмерительную шайбу диаметром, равным диаметру подкладной шайбы, с двумя резонаторами на поверхностных акустических волнах, шайбу с буртом, размещенную на стержне со стороны соединяемой детали и обращенную буртом в сторону гайки, стопорный элемент из эластичного материала и считыватель, при этом стопорный элемент выполнен в виде шайбы и расположен между шайбами с охватом резьбового стержня, подкладная шайба выполнена плоской диаметром, меньшим диаметра стопорного элемента, а наружный диаметр подкладной шайбы больше максимального торцевого размера гайки, силоизмерительная шайба выполнена из нержавеющей стали и размещена между подкладной шайбой и стопорным элементом из эластичного материала, в шпоночной выточке силоизмерительной шайбы установлены два резонатора на поверхностных акустических волнах, первый из которых чувствительный к сжатию силоизмерительной шайбы посредством жесткого соединительного слоя, а второй чувствительный к температуре окружающей среды посредством мягкого эластичного клея, резонаторы на поверхностных акустических волнах через сквозные отверстия высокочастотными кабелями связаны соответственно с приемопередающими антеннами, каждый резонатор на поверхностных акустических волнах выполнен на пьезокристалле с нанесенными на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем поверхностных акустических волн и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь состоит из двух гребенчатых систем электродов, нанесенных на поверхность пьезокристалла, электроды каждой их гребенок соединены друг с другом шинами, которые, в свою очередь, соединены высокочастотным кабелем с приемопередающей антенной, во втором резонаторе на поверхностных акустических волнах между встречно-штыревым преобразователем и набором отражателей размещена мембрана, считыватель выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, первого усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первого усилителя высокой частоты, первого фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя высокой частоты, второго узкополосного фильтра, первого фазометра, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и блока регистрации, второй вход которого соединен с выходом первого фазового детектора, последовательно подключенных к выходу дуплексера второго усилителя высокой частоты, второго фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, третьего перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, третьего узкополосного фильтра и второго фазометра, второй вход которого соединен с выходом первого узкополосного фильтра, а выход подключен к третьему входу блока регистрации, четвертый вход которого соединен с выходом второго фазового детектора, последовательно подключенных к выходу задающего генератора первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, первого узкополосного фильтра и второго усилителя мощности, выход которого соединен с вторым входом дуплексера, отличающаяся тем, что она снабжена пунктом контроля, состоящим из радиостанции и связанной с ней электронно-вычислительной машины, и m объектами контроля, каждый из которых состоит из радиостанции и связанного с ней считывателя, причем радиостанции пункта контроля и объектов контроля связаны между собой радиоканалами, каждая радиостанция содержит последовательно включенные генератор высокой частоты, фазовый манипулятор, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом первого гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом второго гетеродина, усилитель второй промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен со вторым выходом первого гетеродина, полосовой фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с вторым выходом второго гетеродина, второй вход фазового манипулятора пункта контроля через электронно-вычислительную машину соединен с выходом фазового детектора, второй вход фазового манипулятора каждого объекта контроля через последовательно включенные преобразователь аналог-код и формирователь модулирующего кода соединен с выходом блока регистрации считывателя, выход фазового детектора каждого объекта контроля через блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, подключен к входу задающего генератора считывателя, частоты ω_г1 и ω_г2 гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты ω_пр2:
ω_г2-ω_г1=ω_пр2,
радиостанция, размещенная на пункте контроля, выполнена с возможностью излучения сложных сигналов с фазовой манипуляцией на частоте
ω₃-ω_г2=ω_пр1, где
ω_пр1 - первая промежуточная частота, а приема - на частоте
ω₄-ω_г1=ω_пр3, где
ω_пр3 - третья промежуточная частота, а радиостанция, размещенная на каждом объекте контроля, выполнена с возможностью излучения сложных сигналов с фазовой манипуляцией на частоте ω₄, а приема - на частоте ω_пр3.