Система дистанционного контроля состояния резьбовых соединений строительных элементов и конструкций Российский патент 2019 года по МПК G01L1/00 

Предлагаемая система относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована при стопорении резьбовых соединений (болтов, шпилек), а также для дистанционного измерения усилий и температуры в различные резьбовые соединения строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит вероятность аварийной ситуации на строительных сооружениях, имеющих важное стратегическое значение.

Известны системы и устройства контроля состояния резьбовых соединений строительных элементов и конструкций (авт. свид. СССР №№627.557, 720.215, 860.281, 1.062.512, 1.159.153, 1.164.562, 1.193.454, 1.261.692, 1.415.048, 1.456.765, 1.481.589, 1.649.314, 1.682.264, 1.840.602; патенты РФ №№2.008.534, 2.014.579, 2.036.446, 2.082.121, 2.119.648, 2.123.672, 2.130.593, 2.247.954, 2.410.655: патенты США №№2.866.059, 3.216.475, 3.827.514, 4.107.985: патент ФРГ №2.900.614; патенты ЕР №№0.401.133, 0.927.869 и другие)

Из известных систем и устройств наиболее близким к предлагаемой системе является «Силоизмерительное устройство» (патент РФ №2.410.655, G01L 1/00, 2010), которое и выбрано в качестве базового объекта.

Известное силоизмерительное устройство содержит навинченную на резьбу стержня гайку, расположенную под гайкой подкладную шайбу, а также стопорный элемент из эластичного материала и шайбу с вуртом, размещенную на стержне со стороны соединяемой детали и обращенную вуртом 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 болтах и считывателем, силоизмерительная шайба выполнена из нержавеющей стали и размещена между подкладной шайбой и стопорным элементом из эластичного материала, в шпоночной виточке 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 обеспечивает измерения усилий и температуры в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций непосредственно в месте установки этого устройства и не позволяет производить это дистанционно, что ограничивает его потенциальные возможности.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей устройства путем дистанционного измерения усилий и температуры в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций с использованием пункта контроля дуплексной радиосвязи и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что система дистанционного контроля состояния резьбовых соединений строительных элементов и конструкций, включающее, в соответствии с ближайшим аналогом, силоизмерительное устройство, содержащее навинченную на резьбу стержня гайку, расположенную под гайкой подкладную шайбу, силоизмерительную шайбу, стопорный элемент из эластичного материала, шайбу с вуртом, размещенную на стержне со стороны соединенной детали и обращенную вуртом в сторону гайки, 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 плоской диаметром, равным диаметру подкладной шайбы, из нержавеющей стали с двумя резонаторами на поверхностных акустических волнах, 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 чувствителен 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 нанесенным на его поверхность алюминевым 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, дуплекера, 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 узкополостного фильтра и второго фазометра, второй вход которого соединен с выходом первого узкополостного 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 узкополостного фильтра и второго усилителя мощности, выход которого соединен со вторым входом дуплексера, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена четвертым и пятым перемножителями, четвертым узкополостным фильтром, фильтром нижних частот, блоком сравнения, блоком памяти, двумя аналого-цифровыми преобразователями, линией задержки, фазовым манипулятором; третьим усилителем мощности, сумматором и пунктом контроля, причем к выходу дуплексера последовательно подключены пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, четвертый узкополостной фильтр, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом дуплексера, фильтр нижних частот и блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, а выход подключен к входу задающему генератору, к выходу первого фазометра последовательно подключены первый аналого-цифровой преобразователь, линия задержки, сумматор, второй вход которого через второй аналого- цифровой преобразователь соединен с выходом второго фазометра, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополостного фильтра, и третий усилитель мощности, выход которого соединен с третьим входом дуплексера, пункт контроля выполнен в виде последовательно включенных компьютера, задающего генератора, второй вход которого соединен с вторым выходом компьютера, усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилителя высокой частоты, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополостного фильтра, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, и фильтра нижних частот, выход которого подключен к компьютеру.

На фиг. 1 изображено устройство для фиксации резьбового стержня до затяжки соединения, продольный разрез. На фиг. 2 - то же, после затяжки соединения. На фиг. 3 изображена силоизмерительная шайба, продельный разрез. На фиг. 4 представлена структурная схема считывателя. На фиг. 5 изображены функциональные схемы двух резонаторов на поверхностных акустических волнах. На фиг. 6 представлена структурная схема пункта контроля. На фиг. 7 показано взаимное расположение используемых частот. На фиг. 8 показаны временные диаграммы, поясняющие принцип работы силоизмерительного устройства.

Устройство для фиксации резьбового стержня содержит гайку 1, резьбовой стержень 2, охватывающий его в виде шайбы 3 из эластичного материала, плоскую шайбу 4, шайбу с вуртом 5 и силоизмерительную шайбу 9. При этом плоская шайба 4 и силоизмерительная шайба 9 установлены между гайкой 1 и стопорным элементом 3, шайба 5 с вуртом - между стопорным элементом 3 и соединяемой деталью 6, а диаметр плоской шайбы 4 равен диаметру силоизмерительной шайбы 9 и меньше диаметра стопорного элемента 3. В вариантах устройства для фиксации резьбового стержня 2 высота вурта 5 больше толщины стопорного элемента 3 или больше толщины стопорного элемента 3, плоской шайбы 4 и силоизмерительной шайбы 9. Наружный диаметр шайбы 4 и 9 больше наружного диаметра гайки 1. Диаметр отверстия шайбы с вуртом 5 больше диаметра отверстия стопорного элемента 3. Отверстие шайбы с вуртом 5 выполнено коническим в сторону соединяемое детали 6. Отверстие в шайбе с вуртом 5 может быть выполнено фигурным, например, в виде лепестков 7, секторов, сегментов. В фигурном отверстии шайбы с вуртом 5 боковые стенки 8 выполнены наклонными в сторону соединяемой детали 6.

Каждый резонатор 20 (21) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) выполнен в виде пьезокристалла 24 (25) с нанесенным на его поверхность алюминевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП) поверхностных акустических волн (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 их 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.

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, резонатора 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 теплопередачей.

Считыватель, содержащий последовательно включенные задающий генератор 35, первый усилитель 36 мощности, дуплексер 37, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 38, первый усилитель 42 высокой частоты, первый фазовый детектор 44, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 35, второй перемножитель 46, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 42 высокой частоты, второй узкополостной фильтр 48, первый фазометр 50, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 35, и блок 52 регистрации, второй вход которого соединен с выходом первого фазового детектора 44, последовательно подключенные к выходу дуплексера 37 второй усилитель 43 высокой частоты, второй фазовый детектор 45, второй вход которого соединен с выходом первого узкополостного фильтра 40, третий перемножитель 47, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 43 высокой частоты, третий узкополостной фильтр 49 и второй фазометр 51, второй вход которого соединен с выходом первого узкополостного фильтра 40, а выход подключен к третьему входу блока 52 регистрации, четвертый вход которого соединен с выходом второго фазового детектора 45, последовательно подключенные к выходу задающего генератора 35 первый перемножитель 39, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 35, первый узкополостной фильтр 40 и второй усилитель 41 мощности, выход которого соединен со вторым входом дуплексера 37, последовательно подключенные к выходу дуплексера 37 пятый перемножитель 55, второй вход которого соединен с выходом фильтра 56 нижней частотой, четвертый узкополостной фильтр 57, четвертый перемножитель 54, второй вход которого соединен с выходом дуплексера 37, фильтр 56 нижних частот и блок 59 сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока 58 памяти, а выход подключен ко входу задающего генератора 35, последовательно подключенные к выходу первого фазометра 50 первый аналого-цифровой преобразователь 60, линию 61 задержки, сумматор 63, второй вход которого через второй аналого-цифровой преобразователь 52 соединен с выходом второго фазометра 51, фазовый манипулятор 64, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополостного фильтра 57, и третий усилитель 65 мощности, выход которого соединен с третьим входом дуплексера 37.

Четвертый перемножитель 54, пятый перемножитель 55, фильтр 56 нижних частот и четвертый узкополостной фильтр 57 образуют демодулятор 53 фазоманипулированных (ФМН) сигналов.

Пункт контроля содержит последовательно включенный компьютер 66, задающий генератор 67, фазовый манипулятор 68, второй вход которого соединен с вторым входом компьютера 66, усилитель 69 мощности, дуплексер 70, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 71, усилитель 79 высокой частоты, второй перемножитель 75, второй вход которого соединен с выходом фильтра 76 нижних частот, узкополостной фильтр 77, первый перемножитель 74, второй вход которого соединен с выходом усилителя 79 высокой частоты, и фильтр 76 нижних частот, выход которого подключен к компьютеру 66.

Первый 74 и второй 75 перемножители, узкополостной фильтр 77 и фильтр 76 нижних частот образуют демодулятор 73 ФМН-сигналов.

Система дистанционного контроля состояния резьбовых соединений строительных элементов и конструкций работает следующим образом.

В различных строительных элементах и конструкциях, имеющих важное стратегическое значение, устанавливают силоизмерительные устройства. Для этого ввинчивают резьбовый стержень 2 в отверстие соединяемой детали 6. На резьбовой стержень 2 последовательно устанавливают шайбу с вуртом 5, стопорный элемент 3, силоизмерительную шайбу 9, подкладную шайбу 4 и гайку 1. Затем затягивают гайку 1, при этом стопорный элемент 3, деформируясь, фиксирует резьбовый стержень 2 от самопроизвольного отвинчивания.

Силу затягивания гайки 1 контролируют с помощью частот резонатора 20 на ПАВ, чувствительного к сжатию силоизмерительной шайбы 9 и установленного в шпоночной выточке 18 посредством жесткого соединительного слоя 22. В шпоночной выточке 18 устанавливается на мягкий эластичный клей 23 второй резонатор 21 на ПАВ, который 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 ωl, а второго резонатора 21 на ПАВ - равной ω₂, ω₂=2ω₁ (фиг. 7).

При сжатии силоизмерительной шайбы 9 резонатор 20 на ПАВ изменяет свою резонаненую частоту за счет деформации пьезокристалла 24 и изменения расстояния между электродами 26. В свободном (ненапряженном состоянии) резонатор 20 на ПАВ имеет резонаненую частоту ω₁. При штатном затягивании силоизмерительной шайбы 9 резонаненая частота незначительно увеличивается на величину 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 резонатора 20 на ПАВ увеличивается до значения ω₁+Δω₂.

Так как между частотой и фазой существует интегрально-дифференцированная связь, то любые изменения частоты приводят к изменению фазы. Поэтому целесообразно использовать фазовые сдвиги, связанные с изменением силы сжатия силоизмерительной шайбы 9. Любые изменения фазовых сдвигов Δϕ могут быть зафиксированы дистанционно с помощью считывателя, пункта контроля и дуплексной радиосвязи.

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 изменяется в соответствии с деформацией мембраны 34. Изменение фазы соответствующей изменению температуры окружающей среды, которое также можно дистанционно зафиксировать с помощью считывателя, пункта контроля и дуплексной радиосвязи.

На пункте контроля компьютер 66 в соответствии с заданной программой производит поочередный опрос резьбовых соединений строительных элементов и конструкций, имеющих важное стратегическое значение. Для этого командой с компьютера 66 включается задающий генератор 67, который формирует гармоническое колебание

u_c(t)=U_c⋅cos(ω_ct+ϕ_с), 0≤t≤Т_с.

Это колебание поступает на первый вход фазового манипулятора 68, на второй вход которого со второго выхода компьютера 66 подается модулирующий код M₁(t), соответствующий идентификационному номеру запрашиваемого считывателя. На выходе фазового манипулятора 68 образуется сложный фазоманипулированный (ФМН) сигнал.

где ϕ_k1(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t), который после усиления в усилителе 69 мощности через дуплексер 70 поступает в приемопередающую антенну 71, излучается ею в пространство, улавливается приемопередающей антенной 38 считывателя и через дуплексер 37 поступает на первые входы перемножителей 54 и 55. На второй вход перемножителя 54 с выхода узкополостного фильтра 57 подается опорное напряжение

u_o1(t)=U_o1⋅cos(ω_ct+ϕ_с)

На выходе перемножителя 54 образуется суммарное напряжение

u_Σ1(t)=U_н3⋅cosϕ_kl(t)+ϑ_н3cos[2(ω_ct+ϕ_k1(t)+2ϕ_c],

где

из которого фильтром 56 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение

u_н3(t)=U_н3⋅cosϕ_kl(t)

Это напряжение поступает на второй вход перемножителя 55, на выходе которого образуется напряжение

u_o1(t)=U_o⋅cos(ω_ct+ϕ_с)+U_o⋅cos[(ω_ct+2ϕ_k1(t)+ϕ_c]=2U_o⋅cos(ω_ct+ϕ_с)=U_ol⋅cos(ω_ct+ϕ_с),

где

которое используется в качестве опорного напряжения, выделяется узкополостным фильтром 57 и поступает на второй вход перемножителя 54.

Перемножители 54 и 55, фильтр 56 нижних частот и узкополостной фильтр 57 образуют демодулятор 53 ФМН-сигналов, который работает в двух режимах: переходный и стационарный.

Переходный режим образуется при включении питания, когда на нелинейных элементах образуется множество гармонических колебаний различных частот, в том числе и гармоничное колебание на частоте ω_c. Это колебание попадает в полосу пропускания узкополостного фильтра 57 и подается на второй вход перемножителя 54. Далее демодулятор 53 переходит в стационарный режим работы, который описан выше.

Низкочастотное напряжение u_н3(t), пропорциональное модулирующему коду М₁(t), с выхода фильтра 56 нижних частот одновременно поступает на первый вход блока 59 сравнения, на второй вход которого с выхода блока 58 памяти поступает модулирующий код М₁(t), который является идентификационным кодом данного считывателя. При равенстве кодов, поступающих на два входа блока 59 сравнения, последний срабатывает и формирует постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход задающего генератора 35 и включает его.

При включении задающий генератор 35 формирует высокочастотное колебание (фиг. 8, а)

u₁(t)=U₁⋅cosω₁t+ϕ₁), 0≤t≤Т₁,

где U_l, ω₁, ϕ₁, Т₁ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое после усиления в усилителе 36 мощности через дуплексер 37 поступает в приемопередающую антенну 38 и излучается ею в эфир.

Высокочастотное колебание u₁(t) с выхода задающего генератора 35 одновременно поступает на два входа перемножителя 39, на выходе которого образуется высокочастотное колебание (фиг. 8, б)

u₂(t)=U₂⋅cosω₂t+ϕ₂), 0≤t≤Т₁,

где (фиг. 7),

которое выделяется узкополостным фильтром 40 и после усиления в усилителе 41 мощности через дуплексер 37 поступает в приемопередающую антенну 38 и излучается в эфир.

Гармонические колебания u₁(t) и u₂(t) улавливаются приемопередающими антеннами 10 и 11 и через высокочастотные кабели 16 и 17 соответственно поступают на входы резонаторов 20 и 21 на ПАВ, первый из которых настроен на частоту ω₁, а второй - на частоту ω₂. С помощью ВШП электрические сигналы u₁(t) и u₂(t) преобразуются в акустические волны, которые распространяются на поверхности пьезокристаллов 24 и 25 соответственно, и отражаются набором отражателей 32 и 33. Затем отраженные акустические волны претерпевают обратное преобразование в электрические сигналы с фазовой манипуляцией (ФМН) (фиг. 8. г, д):

u₃(t)=U₃⋅cos[(ω₁t+ϕ_k(t)+Δϕ₁],

u₄(t)=U₄⋅cos[(ω₂t+ϕ_k(t)+Δϕ₂], 0≤t≤Т₂,

где ϕ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M₁(t) (фиг. 8, в), причем ϕ_k(t)=const при kτ_э<t<(k+1) τ_э и может изменяться скачком при t=kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=l, 2, …, N);

τ_э,N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен ФМН-сигнал длительностью Т₁(Т₁=τ_э⋅N);

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

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

Модулирующий код M₁(t) (фиг. 8, в) определяется внутренней структурой ВШП, носит индивидуальный характер и является идентификационным номером силоизмерительной шайбы 9, отображающим ее порядковый номер и место установки в строительном сооружении, имеющим важное стратегическое значение.

Сложные ФМН-сигналы u₃(t) и u₃(t) излучаются приемопередающими антеннами 10 и 11 в эфир, улавливаются приемопередающей антенной 38 считывается и через дуплексер 37 и усилителя 42 и 43 высокой частоты поступают соответственно на первые входы фазовых детекторов 44 и 45.

Частота настройки ω_н1 усилителя 42 высокой частоты выбирается равной частоте ω₁ (ω_н1=ω₁), а частота настройки ω_н2 усилителя 43 высокой частоты выбирается равной ω₂ (ω_н2=ω₂).

На вторые (опорные) входы фазовых детекторов 44 и 45 подаются гармонические колебания u₁(t) и u₂(t) с выходов задающего генератора 35 и узкополостного фильтра 40 соответственно. В результате синхронного детектирования на выходе фазовых детекторов 44 и 45 образуются низкочастотные напряжения (фиг. 8, е):

u_нl(t)=U_нl⋅cosϕ_k(t),

u_н2(t)=U_н2⋅cosϕ_k(t),

где

пропорциональное моделирующему коду M(t) (фиг. 8, в).

Низкочастотные напряжения u_Hl(t) и u_H2(t) фиксируются блоком 52 регистрации и одновременно поступают на первые входы перемножителей 46 и 47 соответственно. На вторые входы перемножителей 46 и 47 поступают сложные ФМН-сигналы u₃(t) и u₄(t) с выходов усилителей 42 и 43 высокой частоты соответственно. На выходы перемножителей 46 и 47 образуются следующие гармонические колебания:

u₅(t)=U₅⋅cos(ω₁t+ϕ₁+Δϕ₁),

u₆(t)=U₆⋅cos(ω₂t+ϕ₂+Δϕ₂), 0≤t≤Т₁,

где

которые выделяются узкополостными фильтрами 48 и 49 и поступают на первые входы фазометров 50 и 51 соответственно, на вторые входы которых подаются гармонические колебания u₁(t) и u₂(t) с выходов задающего генератора 35 и узкополостного фильтра 40. Фазометры 50 и 51 измеряют фазовые сдвиги Δϕ₁ и Δϕ₂, пропорциональные повышению силы сжатия и температуры силоизмерительной шайбы 9. Измеренные фазовые сдвиги Δϕ₁ и Δϕ₂ фиксируются блоком 52 регистрации и поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 60 и 62 соответственно, где преобразуются в цифровые коды M₂(t) и M₃(t), пропорциональные фазовым сдвигам Δϕ₁ и Δϕ₂. Цифровой код M₂(t) поступающий на вход линии 61 задержки, время задержки которой равно длительности Т₂ цифрового кода M₂(t) (τ₃=Т₂). Задержанный цифровой код M₂(t) и цифровой код M₃(t) поступают на два входа сумматора 63, на выходе которого суммируется суммарный цифровой код:

M_Σ(t)=M₃(t)+M₂(t).

Гармоническое опорное напряжение

u_o2(t)=U_o2⋅cos(ω_ct+ϕ_с), 0≤t≤Т_c

с выхода узкополостного фильтра 57 одновременно поступающей на первый вход фазового манипулятора 64, на второй вход которого подается суммарный моделирующий код M_Σ(t) с выхода сумматора 63. На выходе фазового манипулятора 64 формируется сложный ФМН-сигнал

u_o2'(t)=U_o2⋅cos[ω_ct+ϕ_kΣ(t)+ϕ_c, 0≤t≤Т_c,

где ϕ_kΣ(t)={0,π} - манипулирующая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с суммарным модулирующим кодом M_Σ(t);

который после усиления в усилителе 65 мощности через дуплексер 37 поступает в приемопередающую антенну 38, излучается ею в пространство, улавливается приемопередающей антенной 71 пункта контроля и через дуплексер 70 и усилитель 72 высокой частоты поступает на первые входы перемножителей 74 и 75. На второй вход перемножителей 74 с выхода узкополостного фильтра 77 подается опорное напряжение

u_o3(t)=U_o3⋅cos(ω_ct+ϕ_с)

На выходе перемножителя 74 образуется суммарное напряжение.

u_Σ2(t)=U_н4⋅cosϕ_kΣ(t)+ϕ_н4⋅cos[2ω_ct+ϕ_kΣ(t)+ϕ_c],

где

из которого фильтром 76 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение

u_H4(t)=U_н4⋅cosϕ_kΣ(t).

Это напряжение поступает на второй вход перемножителя 75, на выходе которого образуется напряжение

u_o3(t)=U_03⋅cos(ω_ct+ϕ_с)+U_o⋅cos[2ω_ct+2ϕ_kΣ(t)+ϕ_c]=2U_o⋅cos(ω_ct+ϕ_с)=U_03⋅cos(ω_ct+ϕ_с),

которое используется в качестве опорного напряжения, выделяется узкополостным фильтром 77 и поступает на второй вход перемножителя 74.

Перемножители 74 и 75, фильтр 76 нижних частот и узкополостной фильтр 77 образуют демодулятор 73 ФМН-сигналов, который работает в двух режимах: переходной и стационарный. Эти режимы описаны выше.

Низкочастотное напряжение u_н4(t) с выхода фильтра 76 нижних частот поступает в компьютер 66, где оно фиксируется и анализируются модулирующие коды M₂(t) и M₃(t), пропорциональные превышению силы сжатия и температуры силоизмерительной шайбы 9.

Разборку резьбового соединения производят в обратном порядке.

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

Опрос очередных считывателей осуществляется компьютером 66 так, как это описано выше.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с базовым объектом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает дистанционное измерение усилия и температуры в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит вероятность аварийных ситуаций в строительных сооружениях, имеющих важное стратегическое значение. Это достигается использованием пункта контроля, дуплексной радиосвязи и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Сложные сигналы с фазовой манипуляцией обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого используемый сложный ФМН-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМН-сигнала отнюдь не мала, она просто 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 приемника.

Сложные ФМН-сигналы позволяют применять 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 те же промежутки времени. Данная возможность реализуется сверткой спектра сложных ФМН-сигналов.

Для синхронного детектирования сложных ФМН-сигналов используются демодуляторы, которые обеспечивают выделение необходимого опорного напряжения, непосредственно их принимаемого ФМН-сигнала и лишены такого недостатка, как явление «обратной работы», присущей известным демодуляторам (схема Пистолькорса А.А., Сифорова В.Н., Костаса Д.В., Травина Г.А.).

Тем самым функциональные возможности известного устройства расширены.

Предлагаемая система относится к контрольно-измерительной технике и может быть использована при стопорении резьбовых соединений (болтов, шпилек), а также для дистанционного измерения усилий и температуры в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций, от состояния которых в значительной степени зависит вероятность аварийной ситуации на строительных сооружениях, имеющих важное стратегическое значение. Заявленная система содержит резьбовое соединение, считыватель и пункт контроля. Резьбовое соединение содержит гайку 1, резьбовый стержень 2, стопорный элемент 3, плоскую шайбу 4, шайбу с вуртом 5, соединяемую деталь 6, отверстие 7, боковые стенки 8, силоизмерительную шайбу 9. Силоизмерительная шайба 9 содержит приемопередающие антенны 10 и 11, разъемы 12 и 13, сквозные отверстия 14 и 15, высокочастотные кабели 16 и 17, шпоночную выточку 18, изолирующий защитный материал 19, резонаторы 20 и 21 на ПАВ, соединительный слой 22 и мягкий эластичный клей 23. Каждый резонатор 20 (21) на ПАВ содержит пьезокристалл 24 (25), электроды 26 (27), шины 28 (29) и 30 (31), набор отражателей 32 (33). Второй резонатор 21 содержит мембрану 34. Считыватель содержит задающий генератор 35, первый 36, второй 41 и третий 65 усилители мощности, дуплексер 37, приемопередающую антенну 38, первый 39, второй 46, третий 47, четвертый 54, и пятый 55 перемножители, первый 40, второй 48, третий 49 и четвертый 57 узкополостные фильтры, первый 42 и второй 43 усилители высокой частоты, первый 44 и второй 45 фазовые детекторы, первый 50 и второй 51 фазометры, блок 52 регистрации, демодулятор 53 ФМН-сигналов, блок 58 памяти, блок 59 сравнения, первый 60 и второй 62 аналого-цифровые преобразователи, линию задержки 61, сумматор 63 и фазовый манипулятор 64. Пункт контроля содержит компьютер 66, задающий генератор 67, фазовый манипулятор 68, усилитель 69 мощности, дуплексер 70, приемопередающую антенну 71, усилитель 72 высокой частоты, демодулятор 73 ФМН-сигналов, первый 74 и второй 75 перемножители, фильтр 76 нижних частот и узкополостной фильтр 77. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства путем дистанционного измерения усилий и температуры в различных резьбовых соединениях строительных элементов и конструкций с использованием пункта контроля дуплексной радиосвязи и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. 8 ил.

Система дистанционного контроля состояния резьбовых соединений строительных элементов и конструкций, включающая силоизмерительное устройство, содержащее навинченную на резьбу стержня гайку, расположенную под гайкой подкладную шайбу, силоизмерительную шайбу, стопорный элемент из эластичного материала, шайбу с вуртом, размещенную на стержне со стороны соединяемой детали и обращенную вуртом в сторону гайки, 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 плоской диаметром, равным диаметру подкладной шайбы, из нержавеющей стали с двумя резонаторами на поверхностных акустических волнах, 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 нанесенным на его поверхность алюминевым 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 высокочастотными кабелями 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 узкополостного 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 узкополостного фильтра, третьего перемножителя, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя высокой частоты, третьего узкополостного фильтра и второго фазометра, второй вход которого соединен с выходом первого узкополостного 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 узкополостного фильтра и второго усилителя мощности, выход которого соединен со вторым входом дуплексера, отличающаяся тем, что она снабжена четвертым и пятым перемножителями, четвертым узкополостным фильтром, фильтром нижних частот, блоком сравнения, блоком памяти, двумя аналого-цифровыми преобразователями, линией задержки, фазовым манипулятором, третьим усилителем мощности, сумматором и пунктом контроля, причем к выходу дуплексера последовательно подключены пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, четвертый узкополостной фильтр, четвертый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом дуплексера, фильтр нижних частот и блок сравнения, второй вход которого соединен с выходом блока памяти, а выход подключен ко входу задающего генератора, к выходу первого фазометра последовательно подключены первый аналого-цифровой преобразователь, линия задержки, сумматор, второй вход которого через второй аналого-цифровой преобразователь соединен с выходом второго фазометра, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом четвертого узкополостного фильтра, и третий усилитель мощности, выход которого соединен с третьим входом дуплексера, пункт контроля выполнен в виде последовательно включенных компьютера, задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с вторым выходом компьютера, усилителя мощности, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, усилитель высокой частоты, второго перемножителя, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополостного фильтра, первого перемножителя, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, и фильтра нижних частот, выход которого подключен к компьютеру.