Тензометри й електоротензометри

 

Тензометрією називається процес отримання значень напружень дослідним шляхом. Приладів, що безпосередньо визначають напруження, не існує. Тому напруження обчислюються по деформаціях, що вимірюються на поверхні тіла.

Деформації більшості матеріалів на етапі пружної роботи дуже малі, тому для їхнього вимірювання використовуються спеціальні прилади – тензометри.

Схема отримання нормального напруження за лінійного напруженого стану при умові виконання закону Гука така:

, (1.1)

де k – ціна поділки тензометра; D ₁ – різниця показів тензометра; – поздовжнє переміщення за напрямом головного напруження ; ε – відносне подовження (середнє у межах бази тензометра); Е – модуль пружності матеріалу.

Рис. 1.1. Схема індикатора годинникового типу

На рис. 1.2 показана схема одного з найпростіших тензометрів – шарнірно-важільного. За допомогою струбцини (на рис. не показана) тензометр прикріплюється до конструкції, упиваючись у неї двома загостреннями 2 та 3. Загострення 2 нерухомо закріплене в корпусі 1, а загострення 3, що представляє собою ромбічну призму, прикріплене до важеля 4. Призма 3 одним кінцем упирається у виріз на корпусі 1, а другим – у конструкцію. Відстань l між загостреннями 2-3 називається базою тензометра.

Рис. 1.2. Схема важільного тензометра

Деформація зразка призводить до повороту призми 3, а значить і важеля 4, з’єднаного за допомогою штифта 5 із коромислом 6, яке другим кінцем опирається на штифт 8 стрілки 7. Стрілка 7 може повертатися навколо осі 9. Отже, поворот важеля 4 призводить до руху коромисла 6 і повороту стрілки 7, нижній кінець якої показує на шкалі 10 величину лінійного переміщення у відносних одиницях. Для визначення абсолютного переміщення D l потрібно величину відносного переміщення помножити на ціну поділки тензометра k. Обчислимо k, виходячи з будови шарнірно-важільного механізму тензометра.

Так як стрижні а-b-c, c-d, f-d-q, з якими має зв’язок загострення а, є шарнірно-важільною системою, то зміщення загострення а на величину подовження D l просто пов’язується з переміщенням стрілки по шкалі з положення q в положення q ₁.

У межах малих деформацій і, відповідно, малих переміщень важільного механізму будуть справедливі співвідношення:

; .

Так як і , то .

Позначимо переміщення стрілки , а відношення . Тоді формула для визначення переміщення набуде вигляду:

.

Для даного типу тензометрів ціна поділки дорівнює k =0,001мм (для кожного екземпляра тензометра уточнюється за технічним паспортом).

Відомі й інші типи тензометрів, наприклад, дзеркальний. Складовою частиною деяких типів тензометрів є індикатор годинникового типу. Загальна назва всіх згаданих типів тензометрів – механічні тензометри.

Електротензометрія – це тензометрія з використанням електротехніки. Основним елементом електротензометрії є датчик одного опору - тензорезистор, що складається із двох шарів паперу або плівки із вклеєною дротовою решіткою (рис. 1.3). Тензорезистор наклеюється на випробувану конструкцію і разом із нею деформується.

Рис. 1.3. Схема тензорезистора, розміщеного на стрижні

Решітка робиться з тонкого дроту (0,02¼0,5‍мм) з високим опором (ніхром, манганін, константан). Відстань l називається базою датчика. Звичайна база складає 5¼20‍мм. У разі необхідності базу тензорезистора можна значно зменшити, або збільшити.

Датчик наклеюється так, щоб прямі ділянки його дротової решітки збігалися за напрямом вимірюваної деформації (рис. 1.3). При умові спільної деформації конструкції і датчика, база тензорезистора змінюється на величину , яка є абсолютним подовженням як дроту, так і конструкції (у місці наклейки датчика). Відносне подовження дроту також збігається з відносним подовженням у точці конструкції (з точністю до припустимих зсувів у шарі клею), що розглядається. Але зміна довжини провідника (а також перерізу внаслідок поперечної деформації) змінює його опір електричному струму. Хоч ця зміна й невелика, але вона дозволяє досить точно судити про деформацію конструкції і напруження в ній.

У межах малих деформацій можна прийняти, що відносна зміна опору пропорційна відносній деформації :

.

Коефіцієнт пропорційності k називається коефіцієнтом тензочутливості датчика, він приймає значення 1¼3. Його можна обчислити теоретично або визначити дослідним шляхом (таруванням датчиків). Чим k більший, тим датчик чутливіший.

Рис. 1.4. Схема мосту Уітсона

Пристрій для вимірювання деформацій будується за принципом мосту Уітсона (рис.1.4). Міст складається з опорів R1, R2, R3, R4, названих плечами мосту, і провідника АВ, названого діагоналлю мосту. Якщо дібрана величина опору задовольняє співвідношенню

, (1.2)

то в діагоналі мосту АВ струму не буде. Стріла гальванометра, увімкнутого в діагональ АВ, залишиться в нульовому положенні. У цьому разі говорять, що міст збалансований. Але найменше порушення рівності (1.2) – призводить до розбалансування мосту. У діагоналі АВ виникає струм, стрілка гальванометра G відхиляється.

Рис. 1.5. Електрична схема пристрою для вимірювання деформацій

Найпростішу електричну схему пристрою для вимірювання деформацій показано на рис. 1.5. Порівнюючи її з схемою на рис. 1.4, помічаємо наступне:

1. Опором R1 слугує датчик, що наклеюється на випробувану конструкцію (робочий, або активний датчик).

2. Опором R2 є також датчик (компенсаційний). Це такий же датчик, як і робочий, розміщений біля нього, але не наклеєний на конструкцію. Призначення компенсаційного датчика полягає в тому, щоб не допусти розбалансованості мосту внаслідок коливань температури. Справді, якщо змінюється температура, ці датчики змінюють свій опір однаково й рівність (1.2) не порушується.

3. Між опорами R3 і R4, знаходиться реохорд RX (змінний опір). Обертаючи ручку реохорда, можна змінювати опори R3 і R4 та їхнє співвідношення. Це дозволяє встановлювати стрілку гальванометра в нульове положення.

Електричні сигнали, перед тим як надійти на гальванометр, пропускаються через підсилювач у, що значно підвищує чутливість приладу.

При проведенні досліду, спочатку стрілка гальванометра поворотом ручки реохорда встановлюється на нуль, що свідчить про збалансованість мосту й відсутність струму в його діагоналі. Потім випробувана конструкція завантажується. Деформація робочого датчика призводить до зміни його опору. При цьому баланс мосту порушується. У його діагоналі з’являється струм. Стрілка гальванометра відхиляється від нульового положення. Обертанням ручки реохорда, стрілка знову повертається на нуль (поновлюється баланс мосту). За числом поділок, на які повернулася ручка, обчислюється деформація матеріалу в місці наклейки датчика. Один вимірювальний пристрій може обслуговувати не один, а кілька (навіть значну кількість) датчиків, які вмикаються почергово (виконується так званий опит датчиків).

Окрім дротових датчиків використовуються ще фольгові, напівпровідникові, тощо.

До переваг електротензометрії належить можливість постановки великої кількості датчиків, у тому числі у важкодоступних місцях конструкції, на рухомих деталях, на віддалених об’єктах – снарядах, ракетах, космічних кораблях (з передачею сигналів по радіо). Разом з осцилографом можна реєструвати швидко змінювані динамічні деформації (під час ударів, коливань). Деформації можна виміряти в широкому діапазоні (як пружну, так і пластичну), у тому числі поверхні, нагрітої до 1000‍°С.

Електротензометрія дозволяє швидко визначити діючу силу Р, якщо датчик наклеєний на зразок з відомою залежність (еталонний елемент). Це є основою “електричного вимірювання неелектричних величин”, таких як вага, тиск, прискорення й т.п.

РОЗДІЛ 3.