Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследование и разработка комплекса научно-технических решений микроволнового зондирования для активного управления колебаниями зданий и сооружений

Номер контракта: 14.578.21.0110

Руководитель: Баландин Дмитрий Владимирович

Должность: заведующий кафедрой

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
колебания зданий и сооружений, повышение устойчивости, система активного управления, фазометрический комплекс, микроволновый диапазон,

Цель проекта:
Основная задача проекта - создание научно-технического задела, позволяющего разрабатывать недорогие, компактные и функциональные системы активного управления колебаниями зданий (в том числе высотных и в сейсмически опасных зонах) и сооружений (мостов, путепроводов, башен). Цели реализуемого проекта. 1. Разработка комплекса научно-технических решений в области активного управления колебаниями зданий и сооружений, позволяющих проводить измерения деформаций элементов конструкций методами микроволнового зондирования. 2. Разработка методических рекомендаций по оперативному контролю физико-механического состояния конструкций зданий, осуществляемому на основе создаваемого измерительного комплекса.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Математическая модель многоэтажного здания со встроенной системой активного управления колебаниями при действии динамических (сейсмических, ветровых, ударных) нагрузок.
2. Алгоритм обработки и преобразования сигнала микроволнового датчика смещения в составе аппаратно-программного комплекса.
3. Методические рекомендации по оперативному контролю физико-механического состояния конструкций зданий, осуществляемому на основе создаваемого измерительного комплекса.
4. Проект технического задания на ОКР по теме: «Разработка аппаратно-программного комплекса сбора и обработки данных о деформациях элементов конструкций в реальном времени для формирования сигналов управления системой активного управления колебаниями зданий и сооружений».
Разработка микроволновых датчиков дистанционного контроля позволит существенно расширить область их применение в тяжелых (неприемлемых для оптических систем) внешних условиях эксплуатации. Для этого в ходе выполнения настоящего проекта будут разработаны технические решения для создания микроволнового датчика смещения. Реализация микроволновых датчиков смещения в виде интегральной микросхемы позволит кардинально снизить габариты датчика и при этом еще более повысить его надежность и устойчивость к воздействиям внешний среды и значительно уменьшить его себестоимость. Создание предлагаемого аппаратно-программного комплекса, готового к быстрой инсталляции персоналом, не имеющим специальной подготовки, включающего недорогие, надежные и миниатюрные датчики смещения и не нуждающегося в дорогом обслуживании и ремонте позволит значительно снизить возможность возникновения катастроф и крупных разрушений, а также снизить затраты на обслуживание сложных архитектурных и промышленных объектов.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В ходе выполнения проекта будет разработан комплекс научно-технических решений в области активного управления колебаниями зданий и сооружений, позволяющий проводить измерения деформаций элементов; будет создан экспериментальный образец микроволнового датчика смещения (МДС) для формирования сигналов управления системой активного управления колебаниями колебаний зданий и сооружений и проведены его экспериментальные испытания; будет разработано программное обеспечение, реализующее алгоритм обратной связи для управления колебаниями конструкций; будет создан экспериментальный сегмент аппаратно-программного комплекса сбора и обработки данных о деформациях элементов конструкций и проведены его экспериментальные испытания; будут разработаны конструктивно-технологические принципы создания интегральной схемы МДС, обеспечивающие миниатюризацию перспективного аппаратно-программного комплекса, а также снижение его себестоимости и увеличение стойкости к внешним факторам воздействия.
При создании МДС будет использован фазометрический метод, основанный на эффекте интерференции электромагнитных волн, который состоит в измерении фазы электромагнитного колебания, излучаемого и принимаемого самим прибором и отражающегося от поверхности зондируемого объекта. Изменение расстояния от фазометрического комплекса до объекта приводит к пропорциональному изменению фазы отражённого сигнала. Использование микроволнового диапазона частот исключает недостатки лазерных фазометрических систем, которые имеют ряд серьезных ограничений на применение в полевых и промышленных условиях эксплуатации обусловленных невозможностью измерения в оптически непрозрачных средах, за препятствием, в условиях повышенной задымлённости, запылённости, высокой турбулентности газовой среды, в присутствии гидрометеоров, при быстрой деградации оптических элементов в агрессивной среде, при загрязнении или при сильной вибрации, значительных температурных вариациях, изменении влажности воздуха. Фазометрические системы микроволнового диапазона будут примерно на 3 порядка более устойчивы к воздействию перечисленных мешающих факторов по сравнению с лазерными системами. Наиболее сильным выявленным в настоящее время дестабилизирующим параметры МДС фактором является температурная нестабильность электрической длины диэлектрического волноводного тракта. Для исключения температурного дрейфа предлагается ввести в состав прибора дополнительный компенсационный канал, непрерывно контролирующий электрическую длину диэлектрического волноводного тракта. Предполагается, что это позволит на два порядка уменьшить величину температурного дрейфа параметров МДС. Тем самым, требуемые уникальные характеристики МДС будут достигнуты. В целом проект не имеет аналогов в России, а ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Результаты проекта будут востребованы, в первую очередь, индустриальным партнером проекта – ООО «АФС52», Нижний Новгород. Они дадут возможность организовать производство востребованных рынком недорогих, компактных и функциональных систем активного управления колебаниями зданий и сооружений, использующих методы микроволнового зондирования в реальном времени для формирования сигналов управления. Надежные и миниатюрные датчики смещения не будут нуждаться в дорогом обслуживании и ремонте. Использование таких систем потребителями позволит им снизить затраты на обслуживание сложных архитектурных и промышленных объектов и, одновременно, значительно снизить возможность возникновения катастроф и крупных разрушений.
ННГУ им. Лобачевского по итогам проекта получит новые компетенции в области приборостроения и проектирования интегральных микросхем микроволнового диапазона.

Текущие результаты проекта:
Выполнен аналитический обзор, проведены патентные исследования. Определен прототип микроволнового датчика смещения — фазометрический комплекс «ФМК-301», обладающий наилучшими из известных характеристиками: погрешность измерения перемещения ±15 мкм в интервале скоростей от 0 до 1000 м/с, диапазоне частот от 0 до 10 МГц, на дальности от 0,01 до 10 м. Недостатки прототипа — значительные габариты и стоимость. Проведены выбор и обоснование направления исследований и способов решения поставленных в проекте задач.