Контроль механических нагрузок, возникающих в строительных конструкциях и сооружениях в процессе их эксплуатации, является очень важной научно-технической задачей. От него зависит безопасность объектов, своевременность проведения ремонта, продление сроков эксплуатации.
В настоящее время на практике применяют несколько видов датчиков, которые измеряют такие нагрузки. Среди них можно отметить тензодатчики, струнные и оптико-волоконные датчики. У каждого из этих видов имеются свои достоинства и недостатки, однако главной серьезной проблемой остается возможность измерения механических нагрузок не по всей длине конструкции, а только в локальных местах, в конкретных точках, куда устанавливаются датчики.
В Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН впервые в мире были разработаны протяженные датчики нагрузок на основе тензочувствительных аморфных ферромагнитных микропроводов. Тонкий аморфный провод диаметром 50-120 мкм из Co - сплава методом Улитовского – Тейлора вытягивается в стеклянной оболочке с быстрым охлаждением и затем очищается от стекла.
В таком аморфном проводе металл не имеет строгой кристаллической решетки и за счет этого обладает уникальными свойствами: высокой прочностью (3200 МПа), сверхупругостью, пластичностью, коррозионной стойкостью, высокими магнитными свойствами, линейной тензочувствительностью.
В настоящее время могут изготовляться аморфные датчики нагрузок длиной от 0,5 до 100 м. Датчики состоят из тензочувствительного элемента (аморфного микропровода) и блока измерения сигнала. Физический принцип работы такого датчика очень прост: при изменении нагрузок в аморфном проводе меняется его электросопротивление, которое измеряется прибором и переводится в соответствующие нагрузки. Таким способом можно измерять растяжение, сжатие, изгиб конструкций, внутреннее давление, удары, разрушения, вибрацию.
Аморфные датчики нагрузок (АДН) можно разделить на следующие типы:
- по месту расположения (поверхностные и встраиваемые);
- по контролируемому материалу (композит, металл, бетон, грунт);
- по размеру (локальные и протяженные);
- по снимаемому сигналу (резистивные и электромагнитные);
- по механизму съема сигнала (контактные и бесконтактные).
К преимуществам аморфных датчиков относятся:
1. Маленькие размеры, простота монтажа и закладки датчиков.
2. Возможность мониторинга нагрузок в режиме on-line по всей длине протяженной конструкции (у конкурентов – только в месте закладки датчика).
3. Низкая стоимость датчиков и измеряемого оборудования.
4. Наличие дополнительных функций (мониторинг температуры, ударов, разрушений, идентификация и др.).
Широкое применение аморфные датчики нагрузок могут найти в строительстве.
В транспортном строительстве с их помощью можно контролировать водо-, газо-, и нефтепроводы, автомобильные и железные дороги. В инфраструктурном строительстве - мосты, переходы, тоннели, аэропорты, взлетно-посадочные полосы. В гидротехническом строительстве можно контролировать нагрузки плотин, дамб, свай, береговой защиты, в энергетическом строительстве - АЭС, ГЭС, ЛЭП и др.
Для контроля трубопроводов аморфные датчики закладываются вдоль (и/или) вокруг трубы. Они определяют механические нагрузки, давление, температуру, разрушение труб, утечки носителя в режиме on-line. На данный неразрушающий способ мониторинга нагрузок трубопроводов получен патент.
Проведенный комплекс испытаний на железной дороге доказал возможность использования новых аморфных датчиков нагрузок не только для позиционирования подвижного состава, но и для мониторинга важных параметров железнодорожной инфраструктуры (нагрузок и деформаций рельсовых плетей, температуры). Внедрение аморфных датчиков позволит обеспечить повышение безопасности железных дорог, снижение ущерба от аварий, а также уменьшение затрат на ремонт и эксплуатацию пути.
Закладка аморфных датчиков нагрузок в покрытие автодорог может обеспечить:
- контроль количества, веса, скорости автомобилей, нагрузки на ось;
- регулирование потоков;
- мониторинг состояния полотна;
- включение дорожных знаков в темное время суток;
- нарушение разметки;
- учет парковок автомобилей.
Использование АДН в промышленном и жилищном строительстве позволит осуществлять мониторинг нагрузок ответственных зданий и сооружений: аквапарков, складов, хранилищ, спортивных объектов, концертных залов и пр.
Особо важно контролировать нагрузки протяженных инфраструктурных объектов мостов, переходов, туннелей.
Отдельное применение аморфных датчиков нагрузок возможно в условиях Арктики и Крайнего Севера. Это и безаварийная эксплуатация нефте- и газопроводов в арктических условиях, контроль ледовых переправ, взлетно-посадочных полос, геотехнический мониторинг состояния фундаментов в зоне вечной мерзлоты.
Протяженные аморфные датчики могут применяться для мониторинга нагрузок гидротехнических и защитных сооружений: ГЭС, дамб, плотин, осуществлять контроль нагрузок защитных стенок и опор от насыпей, селей, снежных лавин.
Также возможно использование АДН в специальной строительной технике для контроля давления баллонов, цистерн, нефте- и газохранилищ, мониторинга веса козловых и мостовых кранов.
В настоящее время в лаб.№24 ИМЕТ РАН ведутся научные разработки аморфных датчиков нагрузок под конкретные объекты и условия эксплуатации. Как показывает опыт первых исследований, инвестиции в НИОКР по теме аморфных датчиков нагрузок окупаются в течение нескольких лет. Подробнее на https://amorphous-wires.ru