Для измерения фибровых деформаций

Тензорезисторы. Для измерения фибровых деформаций используют тензорезисторы, принцип работы которых основан на изменении сопротивления проводника при его деформации. В этих приборах различают две основные части: первичный измерительный преобразователь – тензорезистор, воспринимающий деформации исследуемого элемента, и вторичный прибор – регистрирующее устройство, соединенное измерительным трактом с тензорезистором. Благодаря малым размерам, невысокой стоимости и возможности вести измерения дистанционно тензорезисторы получили широкое распространение в практике статических и динамических испытаний строительных конструкций. Для этой цели применяются проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы. На рисунке 17 показано конструктивное решение тензорезисторов, к которым предъявляются следующие требования:

- должны иметь высокую чувствительность к статическим и динамическим деформациям;

- база измерения деформации должна соответствовать задачам исследования;

- наличие малой массы и жесткости (сопротивления деформированию);

- широкий измерительный диапазон, дистанционная регистрация и быстрое снятие отсчетов;

- быстрая установка, низкая стоимость и нечувствительность к влиянию окружающей среды.

В таблице 5 приведены характеристики тензорезисторов.

Таблица 5 - Характеристики тензорезисторов

Характеристика	Тензорезисторы
проволочные	фольговые
петлевые	беспетлевые
1.Основа	бумажная	пленочная	комбинированная фольговая
2. База l,мм - допустимая - рекомендуемая	2…100 5…50	1…300 3…300	0,3…200 3…30
3.Коэффициент - тензочувствительности, - относительной поперечной чувствительности,	1,8…5,6   0,02…0,05	2,0…5,6	2,0…2,3   0,01…0,02
4. Диапазон измерения,%
5. Ползучесть, %	до 1	до 0,1	до 0,5
6. Допустимый ток, мА	10…30	5…50	20…100

Проволочные тензорезисторы (петлевые и безпетлевые) (рисунок 18) выпускают базой 5... 100 мм с сопротивлением от 50 до 400 Ом. Проволочные петлевые тензорезисторы представляют собой зигзагообразную решетку, выполненную из тонкой проволоки диаметром 2-30 мкм, которая наклеивается на бумажную или пленочную основу. Материалом для проволоки служат сплавы с высокой температурной стабильностью и большим удельным электрическим сопротивлением (константан, эдванс, элинвар и др.).

В основе работы тензорезисторов лежит тензометрический эффект – изменение электрического сопротивления проволоки R при деформации.

R=ρl/F,

где ρ – удельное сопротивление, F – площадь поперечного сечения проволоки.

 

а) общий вид б) кинематическая схема

а, б – проволочные; в, г - фольговые

1 - проволочная решетка; 2 - основание (подложка);

3 - выводные проводники из фольги или медной проволоки; 4 – литой микропровод

Рисунок 18 - Проводниковые тензорезисторы

Между относительной деформацией проволочной решетки ε и относительным изменением сопротивления ΔR/R в пределах упругих деформаций существует линейная зависимость:

ΔR/R=εη,

где η – коэффициент тензочувствительности, определяемый по формуле:

 

где – коэффициент эластосопротивления.

Фольговые тензорезисторы обладают высокой степенью технологичности, возможностью получения проводника любой формы, лучшими условиями закрепления и более высокими метрологическими характеристиками (см. табл. 5). Толщина фольги 4...6 мк, материал - константан (для обычных) и нихром для высокотемпературных, решетка (проводник) изготавливается методом фотолитографии.

С помощью регистрирующего устройства (АИД-4, ТИССА-В-485/65) в процессе испытания определяют фактическое напряженное состояние, однако напряжение – величина условная и не поддается непосредственному измерению. Напряжение определяют косвенным способом, измеряя деформации материала, при помощи автоматического измерителя деформаций АИД-4 (рисунок 19), а затем расчетом, используя закон Гука (в упругой стадии работы) или функциональную зависимость между приведенными напряжениями (в пластической стадии работы).

 

Рисунок 19 - Автоматический измеритель деформаций АИД-4

 

Автоматический измеритель деформации АИД-4 имеет шкалу, разбитую на 100 делений. Шкала имеет две стрелки – большую и малую. Отсчет записывается в виде трехзначного числа, в котором первая цифра берется по малой стрелке, а две другие – по большой. Цена деления прибора с=1×10^-5.

Недостатком аппаратуры типа АИД является необходимость делать вручную переключение по точкам измерения (тензорезисторам) и необходимость снимать большое число показаний путем визуального отсчета через определенные промежутки времени.

Изменение сопротивления проволочного тензорезистора настолько мало, что его измерение возможно с помощью весьма чувствительной аппаратуры и электрических цепей мостового, потенциометрического или дифференциального типа. Принципиальное устройство регистрирующей аппаратуры при замере деформаций с помощью тензорезисторов представляет собой схему измерительного моста. На рисунке 20а показана схема неуравновешенного моста (моста Уитстона), а на рисунке 20б – схема уравновешенного моста.

а) неуравновешенный мост б) уравновешенный мост.

R₁ – активное сопротивление; R₂ – компенсационное сопротивление,

R₃ и R₄ – сопротивления, включенные в плечи моста;

r₁ и r₂ – автоматически регулирующиеся сопротивления реохорда; Г – гальванометр

Рисунок 20 - Схемы измерительных мостов

 

Мостовая схема (рисунок 20а) рассчитана на измерение приращений сопротивления тензорезистора. Изменяя сопротивления R₁ и R₂ в третьем и четвертом плечах моста, добиваются равенства R₂ R₃= R₁ R₄, где R₁ и R₂ соответственно сопротивления активного и компенсационного резисторов. При выполнении этого условия разность потенциалов на вершине измерительной диагонали bd равна нулю. Деформация элемента конструкции и наклееного активного (рабочего) тензорезистора приводит к изменению его сопротивления. Балансировка моста нарушается, и по измерительной диагонали идет ток, регистрируемый гальванометром. Изменение температуры приводит к одинаковому изменению сопротивления рабочего и компенсационного тензорезисторов и на показания прибора не влияет.

Более современный преобразователь показаний тензорезисторов компьютерный измерительный комплекс «ТИССА-В-485/65» (рисунок 21). Измерительный комплекс «ТИССА-485/65» обеспечивает синхронное измерение сигналов от тензометрических резисторов по 64 измерительным каналам с частотой дискретизации сигнала в диапазоне от 1 до 10 Гц. При этом комплекс позволяет производить измерения в двух режимах: пошаговое измерение – используется при испытаниях статической нагрузкой; непрерывное измерение – для испытаний динамической нагрузкой. Результаты измерений могут быть представлены в одном из двух предложенных форматов:

- для каждого тензорезистора в виде диаграммы, описывающей изменение относительных деформаций во временном базисе (в интервале нагрузки);

- в виде диаграммы, описывающей изменение относительных деформаций в одном временном промежутке (при одном уровне прикладываемой нагрузки) по всем или группе тензометрических резисторов.

Программное обеспечение указанной измерительной системы обеспечивает возможность экспорта данных в другие программные комплексы, а также вывода результатов измерений на печать.

 

1 – основной измерительный модуль; 2 – блок согласования тензорезисторов

Рисунок 21 – Общий вид измерительного комплекса «ТИССА-В-485/64»

 

Структурная схема компьютерного измерительного комплекса для регистрации деформаций «ТИССА-В-485/65» приведена на рисунке 22. Измерительный комплекс включает в себя следующие основные модули:

- блоки согласования тензорезисторов (БСТ 1 – БСТ 8);

- блоки аналого-цифровых преобразователей (БАЦП 1 – БАЦП 8);

- блок управления и интерфейса с компьютером (БУС);

- блок питания (БП).

Блоки согласования тензорезисторов (БСТ 1 – БСТ 8) предназначены для включения регистрирующего элемента (тензорезистора) в четвертьветвевой измерительный мост. Организация подобной схемы включения тензорезисторов обеспечивается использованием в ней дополнительных образцовых резисторов. Каждый из блоков БСТ 1 – БСТ 8 обеспечивает одновременное подключение восьми измерительных тензорезисторов. Блоки согласования тензорезисторов (БСТ 1 – БСТ 8) выполнены в виде восьми выносных модулей, подключаемых к основному измерительному модулю (рисунки 21, 22). Для защиты от случайных механических воздействий каждый из блоков помещен в защитный алюминиевый корпус.

Рисунок 22 – Структурная схема