Расчет значений рабочих напряжений для безотказной работы электростатического измерителя направления малых отклонений

Введение. Для контроля положения конструкций и грунтового массива используют периодические геодезические наблюдения. Поскольку наиболее опасным видом деформации здания является крен, рассмотрены существующие методы его определения. На начальном этапе при обнаружении крена для своевременного принятия превентивных мер важна информация не столько о величине крена, сколько о его направлении. Поэтому задача определения направления отклонения от вертикали при малых углах отклонений является актуальной. Для повышения чувствительности рассматриваемого измерительного устройства предлагается использовать силовое действие электрического поля.
Цель работы. Расчет значений электрических напряжений, обеспечивающих надежную работу рассматриваемого устройства в зависимости от его геометрических размеров и характеристик применяемых материалов.
Материалы и методы. В устройстве используются проводящие, полупроводящие и диэлектрические материалы. Расчет основан на анализе сил, действующих на вертикально подвешенный груз в присутствии электрического поля. Рассматриваются условия равновесия и нестабильности положения груза, возникающего за счет сильной положительной обратной связи в электрическом поле.
Результаты. Выполнен расчет, позволяющий обеспечить обоснованный выбор геометрических и электрофизических характеристик разработанного устройства. Получена формула для значений используемых электрических напряжений, обеспечивающих его безотказную работу. Рассчитанные значения искомых напряжений оказались приемлемыми для практических применений. Предложены основные элементы конструкции устройства и один из возможных способов регистрации информационного сигнала.
Заключение. Разработанное устройство в условиях нестабильности положения груза в достаточно сильном электрическом поле отличается тем, что позволяет измерять направление отклонения даже при его значении, стремящемся к нулю. В то же время при таких малых отклонениях становятся существенными неточность изготовления устройства и влияние случайных факторов. В работе предложены способы решения этих проблем.

1. Analysis of rockburst driving mechanism based on unbalanced force / C. Y. Li, F. S. Xie, P. X. Qin, Y. Zhang, Q. Yang, Y. R. Liu, Z. S. Li // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 861, no. 3. № 032047. doi: 10.1088/1755-1315/861/3/032047

2. Vibration monitoring of civil engineering struc-tures using contactless vision-based low-cost iats proto-type / R. Paar, A. Marendić, I. Jakopec, I. Grgac // Sen-sors. 2021. Vol. 21, no. 23. № 7952. doi: 10.3390/s21237952

3. Fatigue Crack Prediction Method for Aluminum Alloy Based on Fiber Bragg Grating Array / L. Sun, C. Liu, M. Jiang, L. Zhang, F. Zhang, Q. Sui, L. Jia // Chinese J. of Lasers. 2021. Vol. 48, no. 13. № 1306003. doi: 10.3788/CJL202148.1306003

4. Ultrasonic sensors enabling early detection of emergency trends and analysis of structure inclination and stability by means of highly accurate level meas-urements / L. Ornoch, P. Popielski, A. Olszewski, A. Kasprzak // Sensors. 2021. Vol. 21, № 5. P. 1–14. doi: 10.3390/s21051789

5. Sivagami A., Jayakumar S., Kandavalli M. A. Struc-tural health monitoring using smart sensors // AIP Conf. Proc. 2020. Vol. 2281. № 020034. doi: 10.1063/5.0026292

6. Accuracy and functional assessment of an origi-nal low-cost fibre-based inclinometer designed for struc-tural monitoring / K. Ćmielewski, K. Karsznia, J. Kuchmister, P. Gołuch, I. Wilczyńska // Open Geosci-ences. 2020. Vol.12, № 1. P. 1052–1059. doi: 10.1515/geo-2020-0171

7. Шеховцов Г. А., Шеховцова Р. П. Современные геодезические методы определения деформаций инженерных сооружений / ННГАСУ. Н. Новгород, 2009. 156 с.

8. Бузыканов С. Датчик наклона на основе твер-дотельного акселератора // Современная электрони-ка. Схемные решения. 2004. С. 42–45.

9. Давыдов С. Ю., Мошников В. А., Федотов А. А. Адсорбция газов на полупроводниковых оксидах: изменение работы выхода // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30, № 17. С. 39–44.

10. Анализ локальных областей полупроводни-ковых нанообъектов методом туннельной атомно-силовой микроскопии / Н. А. Лашкова, Н. В. Пермя-ков, А. И. Максимов, Ю. М. Спивак, В. А. Мошников // Науч.-техн. ведомости СПбГПУ. Физ.-мат. науки. 2015. Т. 213, № 1. С. 31–42. doi: 10.5862/JPM.213.3

11. Мошников В. А., Максимов А. И. Наночасти-цы, наносистемы и их применение // Сенсорика, энергетика, диагностика. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2020. 280 с.

12. Налимова С. С., Мякин С. В., Мошников В. А. Управление функциональным составом поверхности и улучшение газочувствительных свойств металло-оксидных сенсоров посредством электронно-лучевой обработки // Физика и химия стекла. 2016. Т. 42, № 6. С. 773–780.

13. Pshchelko N. S., Sevryugina M. P. Modeling of physical and chemical processes of anodic bonding technology // Advanced Materials Research. 2014. Vol. 1040. P. 513–518. doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1040.513

14. Пат. RU 201631 U1 G01C 9/00 (2006.01). Устройство для определения направления малых отклонений / Н. С. Пщелко, О. С. Царева. Опубл. 24.12.2020. Бюл. № 36.

15. Пщелко Н. С., Царева О. С. Физические осно-вы использования электрического поля для повы-шения точности определения направления малых углов отклонений // Прикладная физика. 2021. № 3. С. 60–65. doi: 10.51368/1996-0948-2021-3-60-65