Устройство регистрации линейных и угловых перемещений

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в сейсмологии для регистрации линейных и угловых колебаний почвы, а также при диагностике высотных зданий на предмет деформаций, вызванных ветровыми или сейсмическими воздействиями. Устройство регистрации линейных и угловых перемещений состоит из триады волоконно-оптических гироскопов, трехосного сейсмометра, трехосного магнитометра, датчика температуры, приемника сигналов глобальной системы позиционирования (GPS-приемник) и запоминающего устройства. Достигаемым техническим результатом является упрощение конструкции за счет введение триады волоконно-оптических гироскопов для измерения трехмерной угловой ориентации устройства, а также повышение точности измерения сейсмических колебаний почвы за счет введения трехосного магнитометра и датчика температуры, показания которых используются при обработке выходных сигналов сейсмометра и триады волоконно-оптических гироскопов.

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована в сейсмологии для регистрации линейных и угловых колебаний почвы, а также при диагностике высотных зданий на предмет деформаций, вызванных ветровыми или сейсмическими воздействиями.

Известны устройства и способы регистрации угловых колебаний почвы, возникающих при распространении сейсмических волн. Например, известен способ определения угловых сейсмических колебаний по данным, получаемым от сейсмической группы [First Comparison of Array-Derived Rotational Ground Motions with Direct Ring Laser Measurements / W. Suryanto, H. Igel, J. Wassermann // Bulletin of the Seismological Society of America - Vol.96 - No. 6 - 2006 - P.2059-2071]. Сейсмическая группа представляет собой N сейсмометров, расстановленных на территории, ограниченной площади. Процедура группирования заключается в суммировании небольших интервалов сейсмических записей, полученных от каждого сейсмометра, с такими временными задержками, которые позволяют совместить обнаруженные на отдельных датчиках сигналы. Данный способ позволяет получать информацию о параметрах углового движения путем математической обработки показаний сейсмической группы, то есть через компоненты линейного движения. К недостаткам способа относятся: для получения достоверных данных в определенном диапазоне частот сигналы сейсмометров должны быть скорректированы с учетом передаточной функции каждого датчика; для повышения точности определения угловых параметров требуется увеличение количества используемых в сети приемников.

Известно применение больших лазерных гироскопов (БЛГ) для регистрации угловых сейсмических колебаний [Ring laser detection of rotations from teleseismic waves / A. Pancha [et al.] // Geophys. Res. Lett. - 2000 - P.3553-3556]. Каждый БЛГ представляет собой монолитную конструкцию с площадью резонатора, достигающей несколько десятков квадратных метров. За счет высокой разрешающей способности БЛГ позволяют с высокой точностью регистрировать угловые сейсмические колебания, вызванные телесейсмическими волнами. Но данные устройства чрезвычайно трудоемки и дороги в изготовлении, требуют специальной инфраструктуры и постоянного обслуживания.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому устройству является устройство для наземной регистрации сейсмических данных [Патент РФ 2352960, МПК G01V 1/16]. Известное устройство состоит из сейсмометра, инклинометра, компаса, GPS-приемника и запоминающего устройства, расположенных в одном корпусе на общем основании. Достоинством устройства является возможность регистрации линейных и угловых перемещений, вызванных сейсмическими колебаниями. Сейсмометр измеряет линейную компоненту сейсмического движения. Для определения вертикальной ориентации блока используются показания инклинометра. Для определения горизонтальной ориентации устройства используется компас, данные которого в сочетании с данными инклинометра также позволяют получать трехмерную ориентацию устройства.

Недостаток изобретения - это сложность конструкции, так как для определения трехмерной угловой ориентации вводится два различных прибора - инклинометр и компас.

Задачей, решаемой полезной моделью, является упрощение конструкции устройства.

Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемое устройство так же, как и известное, содержит трехосный сейсмометр, запоминающее устройство и GPS-приемник, расположенные в одном корпусе на общем основании. Но, в отличие от известного, в предлагаемое устройство введена триада волоконно-оптических гироскопов (ВОГ). Каждый гироскоп закреплен на выполненном из немагнитного материала жестком основании, каждое из которых перпендикулярно остальным двум, при этом измерительные оси сейсмометра сонаправлены с измерительными осями триады гироскопов, а выходы GPS-приемника, трехосного сейсмометра и триады волоконно-оптических гироскопов соединены со входами запоминающего устройства.

Достигаемым техническим результатом является упрощение конструкции за счет введение триады волоконно-оптических гироскопов для измерения трехмерной угловой ориентации устройства, в отличие от известного устройства, в котором для определения угловой ориентации введены два различных устройства - инклинометр и компас.

Совокупность признаков, сформулированных в п.2 формулы полезной модели, характеризует устройство регистрации линейных и угловых перемещений, в которое дополнительно введен трехосный магнитометр, измерительные оси которого сонаправлены с осями триады ВОГ, а его выходы соединены с запоминающим устройством.

Совокупность признаков, сформулированных в п.3 формулы полезной модели, характеризует устройство регистрации линейных и угловых перемещений, в которое дополнительно введен датчик температуры, выход которого соединен с запоминающим устройством.

Достигаемым техническим результатом за счет введения трехосного магнитометра и датчика температуры является повышение точности измерения сейсмических колебаний почвы, так как датчик температуры и магнитометр измеряют соответственно температурные и магнитные изменения окружающей среды, информация о которых учитывается при обработке выходных сигналов сейсмометра и триады ВОГ.

Полезная модель иллюстрируется чертежом, на котором изображен вид спереди внутренней конструкции предлагаемого устройства. Устройство регистрации линейных и угловых перемещений включает трехосный сейсмометр 1, триаду волоконно-оптических гироскопов 2, трехосный магнитометр 3, датчик температуры 4, приемник сигналов глобальной системы позиционирования (например, GPS-приемник) 5 и запоминающее устройство 6. Триада гироскопов 2 закреплена на выполненной из немагнитного материала плите-основании 7, на которой также установлены датчик температуры 4, GPS-приемник 5 и запоминающее устройство 6. Сейсмометр 1 может быть установлен на плите 7 или, как показано на чертеже, над триадой на дополнительной плите 8, на которой также может быть зафиксирован магнитометр 3.

В сейсмологии предлагаемое устройство может быть использовано для полевых измерений линейных и угловых сейсмических колебаний почвы. Устройство располагается на ровной поверхности, производится его начальная выставка с использованием магнитометра 3. Магнитометр 3 может быть использован при развертывании на месте в качестве компасного устройства - для определения начальных углов ориентации объекта K₀ ,₀,₀ по магнитному полю Земли.

При сейсмическом воздействии информацию о линейных параметрах движения почвы получают из показаний трехосного сейсмометра 1.

Информация от триады ВОГ 2 используются в полезной модели для осуществления упомянутой выше процедуры определения текущей угловой ориентации устройства K,, во время автономной работы, так что сейсмические данные могут быть скорректированы соответствующим образом, при этом повышается достоверность сейсмических измерений. В предшествующем уровне технике не имеется устройств со встроенными внутри сейсмического блока волоконно-оптическими гироскопами.

Магнитометр 3 и датчик температуры 4 выдают текущую информацию о параметрах окружающей среды - магнитном напряжении и температуре соответственно. Эти данные позволяют проводить последующую коррекцию показаний сейсмометра и гироскопов, выходные сигналы которых искажаются температурными и магнитными вариациями. Таким образом, повышается точность сейсмических измерений.

Выходные данные всех входящих в устройство приборов синхронизируются, используя сигналы GPS-приемника 5, который также выдает информацию о координатах устройства. Предлагаемое устройство позволяет производить запись и хранение выходных сигналов в запоминающем устройстве 6 и через соответствующие разъемы на корпусе производить съем информации. Это дает возможность осуществлять постобработку измерений, то есть без демонтажа устройства.

При диагностике высотных зданий на предмет деформаций, вызванных ветровыми или сейсмическими воздействиями, предлагаемое устройство регистрации линейных и угловых перемещений располагается на стене или несущей балки здания или исследуемого сооружения, далее процессы выставки и работы устройства аналогичны описанному выше для регистрации сейсмических колебаний почвы.

Описание предложенного устройства доказывает возможность достижения технического результата - упрощение конструкции за счет введение триады волоконно-оптических гироскопов для измерения трехмерной угловой ориентации устройства, а также повышение точности измерения сейсмических колебаний почвы за счет введения трехосного магнитометра и датчика температуры, показания которых используются при обработке выходных сигналов сейсмометра и триады волоконно-оптических гироскопов.

1. Устройство регистрации линейных и угловых перемещений, содержащее трехосный сейсмометр, запоминающее устройство и приемник сигналов глобальной системы позиционирования (GPS-приемник), отличающееся тем, что в устройство введена триада одноосных волоконно-оптических гироскопов, причем каждый гироскоп закреплен на выполненном из немагнитного материала жестком основании, каждый из которых перпендикулярен остальным двум, при этом измерительные оси сейсмометра сонаправлены с измерительными осями триады гироскопов, причем выходы GPS-приемника, трехосного сейсмометра и триады волоконно-оптических гироскопов соединены со входами запоминающего устройства.

2. Устройство регистрации линейных и угловых перемещений по п.1, отличающееся тем, что содержит трехосный магнитометр, оси которого сонаправлены с осями триады гироскопов, а его выходы соединены с запоминающим устройством.

3. Устройство регистрации линейных и угловых перемещений по п.1, отличающееся тем, что содержит датчик температуры, выход которого соединен с запоминающим устройством.