Занятие № 3 Тензорезистивный метод измерения деформаций

Цель работы

Овладеть основами тензорезистивного метода измерения деформаций, технологией приклейки тензорезисторов, приемами создания мостовых схем с использованием тензорезисторов и снятия отсчетов по регистрирующим приборам.

3.2 Техническое обеспечение работы:

- отрезки стальной полосы длиной 50 см - 2 шт. и длиной 15 см - 2 шт.; на одном из длинных образцов наклеены два тензорезистора с базой 20 мм, на одном из коротких - один тензорезистор;

- бетонные призмы размером 10x10x40 см - 2 шт,; на одной из них наклеены два тензорезистора с базой 50 мм;

- отрезки арматуры периодического профиля d = 14(16) мм длиной 50 см - 2 шт.; на одном из них наклеен тензорезистор на базе 20 мм;

- бетонные балочки размером 4x4x16 см 2 шт; на одной из них наклеен тензорезистор с базой 20 мм;

- наждачная бумага средних номеров;

- карборундовый брусок или круг;

- ацетон, технический спирт кремниинитроглифталевыи клей

- паяльник, канифоль, олово;

- соединительные провода, разъемы - 2 шт.;

- прибор ИДИ-1;

- прибор ЦТМ-5.

- гидравлический пресс ПСУ-250 (тс);

- гидравлическая машина для испытания на растяжение (разрывная) МР-500 (кН).

3.3 Содержание работы'

Принцип работы тензорезистора основан на изменении сопротивления проводника при изменении его длины и поперечного сечения (это свойство называется тензочувствктельностью).

Наиболее широко применяются тензорезисторы из нескольких близко расположенных петель коястантановсй проволоки, намотанных в одной плоскости и приклеенных к подложке (рис.3.1). Диаметр тензопроволоки - 0,012... 0,03 мм, подложка - из высококачествен ной бумаги толщиной 0,02...0,05 мм (для использования на однородных материалах - стали, пластмассах) и 0,1...0,15 мм (для использования на неоднородном материале - бетоне). Расстояние между петлями 1 называется базой тензорезистора; выпускают тензорезисторы с базой 5...100 мм. К концам проволоки припаяны токювыводы. В форме петлевого тензорезистора имеется конструктивный недостаток - участки проволоки, приходящиеся на петли, обусловливают поперечную тензочувствительность, искажающую основную характеристику - осевую тензочувствительность.

Рис.3.1. Петлевой проволочный тензорезистор:

1 - тензорешетка; 2 - подложка; 3 - токовыводы

Этого недостатка лишены тензорезисторы беспетлевого типа, в которых решетка образована пучком параллельных тензопроволок, замкнутых на концевых участках медными перемычками.

Поперечная тензочувствительность отсутствует и в фольговых тензорезисторах, решетка которых создается фотолитографическим методом из полосок фольги толщиной 0,003...0,001 мм с развитым сечением на концевых участках.

Гораздо реже применяются полупроводниковые тензорезисторы, получаемые электрической резкой монокристаллов германия и кремния на пластинки толщиной 0,01...0,02 мм, шириной 0,5..Л мм и длиной 2...15 мм.

Тензорезистор наклеивают на поверхность конструкции, и он, удлиняясь или укорачиваясь вместе с ней, меняет свое сопротивление.

В качестве тензометрического клея при работе конструкции в нормальных температурно-влажностных условиях желательно применять частично полимеризующийся клей холодного отверждения - кремнии- нитроглифталевый 192 Т; в условиях нормальных температуры и влажности полное отверждение его происходит за 24 ч; рабочий температурный диапазон - от -50 °С до +50 °С. Допускается применять фенолформальдегидные клеи группы БФ, но в процессе их сушки требуется термообработка по ступенчатому режиму до 180...200 °С.

 

Изменение сопротивления тензорезистора при деформации конструкции составляет тысячные доли ома. Сопротивление такого порядка можно измерить с высокой точностью лишь электрическими цепями мостового типа (мостом Уитстона, рис.3.2). Мост считается сбалансированным, когда ток в измерительной диагонали АС равен нулю, а это возможно, если при разветвлении тока в точке В падение напряжения на плече ВС равно падению напряжения на плече ВА, т.е. IiRi = I 2 R 3, и когда равны падения напряжений на сопротивлениях R 2 и R 4, т.е. I 1 R 2 = 12^4- Разделив первое уравнение на второе, получим: R 1 /R 2 - R 3 /R 4 или R 3. R 4 = РяРз* Таким образом, мост сбалансирован, когда произведения сопротивлений противоположных плеч равны.

Если Ri - тензорезистор на конструкции, и при деформировании ее сопротивление Ri изменилось на ARi, то баланс моста нарушится, в измерительной диагонали возникнет ток, который может быть измерен. Такой метод определения изменения сопротивления одного из плеч моста путем регистрации тока в измерительной диагонали называется методом непосредственного отсчета или методом отклонения.

Рис.3.3. Мостовая схема с реохордом

Если в мостовую схему ввести дополнительную деталь - реохорд (рис.3.3), то балансировку моста можно произвести передвижением движка реохорда. Если рядом с реохордной проволокой поместить линейную шкалу, то определенной величине относительного изменения сопротивления Ri будет соответствовать определенное перемещение движка реохорда. Определение относительного изменения сопротивления плеча моста, при котором регистрации показании всякий раз предшествует балансировка моста, называется нулевым методом.

Для исключения температурных погрешностей тензорезисторов (из-за изменения температуры окружающего воздуха во время проведения испытания) используется термокомпенсация. Rz ~ тензорезистор, по всем параметрам идентичный Ri (активному), приклеивается к небольшому образцу из того же материала, что и конструкция, и помещается в одинаковые с ней условия. В этом случае изменение температуры вызовет одинаковое изменение сопротивления активного (Ri) и компенсационного (R 2) тензорезисторов, а так как они включены в смежные плечи, баланс моста при этом не нарушится.

Испытания строительных конструкций требуют постановки большого количества активных тензорезисторов. Поэтому к мосту последовательно присоединяют активные и соответствующие компенсационные (обычно один на десять активных) тензорезисторы.

Применение гальванометра в измерительной диагонали в электротехнике неудобно. Чтобы вместо него применить микроамперметр, напряжение в цепях нужно усилить. Стабильный же усилитель постоянного тока является сложным и дорогостоящим прибором. Поэтому современная тензсрезистивная аппаратура питается переменным током, их схемы чрезвычайно от этого усложняются, но принцип определения изменения сопротивления тензорезисторов - нулевой метод - используется и в них.

Имеются приборы с ручной (ИД-2;62; ИСД-2;3) и автоматической (АИД-1М;2М;4; ИДЦ-1; ЦТМ-3;5;7; СИИТ) балансировкой моста. В первом случае отсчеты снимаются по шкале типа часовой, во втором - применяется цифровая индикация (на цифротроне высвечивается номер тензорезистора и результат измерения; время одного измерения - 0,05 с). Автоматический коммутатор способен поочередно подключать к мосту 99 активных и 9 компенсационных тензорезисторов. Цифрсзые тензометрические мосты оснащены цифрспечатью (унифицированными ленточными перфораторами с бумажной лентой). Возможна их стыков;;а с компьютером, в этом случае информация будет не только цифровая, но и в виде графиков по каждому тензорезистору.

3.4 Порядок работы на занятии:

- зачистить наждачной бумагой средних номероь или карборундовыми брусками указанные преподавателем участки стального образца и' арматуры до полного удаления окалины, ржавчины и пыли; ча зачищенной поверхности не должно быть раковин и глубоких царапин;

- зачистить теми же абразивными материалами указанные преподавателем участки бетонного образца; выявленные после зачистки раковины и трещины заделать безводным зубоврачебным цементом или гипсовым раствором;

- зачищенные участки стальных и бетонного образцов обезжирить и обезводить, протерев ацетоном, а затем техническим спиртом;

- выполнить грунтовку участков, нанеся колонковой кистью нетолстый слой кремнийнитроглифталевого клея 192Т, а через 30-40 мин - еще один;

- на подготовленные поверхности образцов и подложку 7 тензо- резисторов нанести тонкий слой клея и просушить его в течение 10-15 мин;

- покрыть подложку тензорезистора более толстым слоем клея, уложить тензорезистор на требуемое место, накрыть целлофановой пленкой и нажатием пальца из-под него удалить излишки клея; подержать тензорезистор, прижав пальцами, в течение 1-2 мин. То же проделать с другими тензорезисторами, причем два из них будут являться компенсационными и наклеивать их следует на другие образцы из идентичных материалов. Время сушки наклеенных тензорезисто- ров - не менее 1 суток, поэтому дальнейшую работу проводить на образцах с уже высушенными тензорезисторами;

- спаять тензорезистивные схемы согласно рис.3.4 и 3.5;

- установить бетонную призму на опорную плиту гидравлического пресса, снять по прибору ИДЦ-1 начальные отсчеты С₀ по обоим активным тензорезисторам;

- сдавить призму усилием 25, затем 50 и 75 кН, снимая на наядой ступени нагружения отсчеты Cj по тензорезисторам;

- разгрузить призму;

- найти разности отсчетов ДСд * Cj- Со; ДСз равны относительным деформациям призмы на участке наклейки тензорезистора, увеличенным в 10⁵ раз;

- закрепить в захватах разрывной машины стальной образец, снять по прибору ИДЦ-1 начальные отсчеты 0_о по обоим активным тензорезисторам;

- растянуть образец усилием 10, затем 20 и 30 кН, снимая на каждой ступени нагружения отсчеты Cj по тензорезисторам;

- разгрузить образец;

Рис.3.4. Тензорезистивная схема при испытании стального образца и арматуры;

1 - рабочие тензорезисторы; 2 - компенсационный тензорезистор; 3 - разъём (с номерами контактов)

Рис.3.5. Тензорезистивная схема при испытании бетонной призмы

1 - рабочие тензорезисторы; 2 - компенсационный тензорезистор; 3 - разъём (с номерами контактов)

- найти разности отсчетов ACj = Cj- Со; ACj равны относительным деформациям образца, увеличенным в 10⁵ раз;

- аналогичные операции проделать с образцом из арматурной стали при тех же растягивающих усилиях;

- демонтировать обе тензорезистивные схемы.