Измерение напряжений методом тензометрии

Для измерения напряжений (деформаций) методом тензометрии применяют различные по принципу действия и конструкции приборы, называемые тензометрами.

Механические тензометры. Тензометры этого типа часто исполь­зуют при испытаниях мостов и других сооружений статическими на­грузками. Из механических тензометров при испытании мостов наибо­лее широко применяют тензометры различных конструкций (Гуген-бергера, Аистова) с двухрычажной кинематической схемой (рис. 4.7). Жесткая станина 1 тензометра с левой стороны имеет острую неподвиж­ную ножку, а с правой — треугольный вырез для опирания призмы, являющейся малым плечом рычага первого рода 4. Верхняя часть этого рычага (плечо А) шарнирно при помощи коромысла 2 соединена с дру­гим рычагом (стрелкой) второго рода 3, прикрепленным шарнирно к станине 1. Расстояние между неподвижной ножкой и подвижной

¹ От греческого "холос" (весь, полный) и "графио" (пишу). 122

призмой является базой S. При установке острая ножка и призма при помощи, струбцин прижимаются и врезаются в поверхность элемента. При деформации испытуемого элемента на базе S нижний конец рыча­га 4 (призма) переместится на расстояние AS. Это в свою очередь вызовет перемещение п нижнего конца рычага 3 (стрелки), которое определяют по шкале с миллиметровыми делениями. Отношение

—-— = т называется передаточным числом или коэффициентом

увеличения тензометра. Значение m для различных моделей прибора колеблется от 800 до 2000. Шкала обычно имеет 40 миллиметровых делений. Следовательно, максимальное значение AS, которое может

быть измерено без перестановки стрелки, равно Щ мм.

Конструктивное оформление прибора показано на рис. 4.8. Принци­пиальная кинематическая схема обеих моделей одна и та же. Станина 2 опирается на конструкцию с помощью неподвижной / и подвиж­ной 9 ножек. Рычаг 8, являющийся продолжением подвижной ножки, соединен со стрелкой 5 с помощью коромысла 6, удерживаемого в ра­бочем положении пружиной 7. Установка стрелки на нуль производит­ся изменением положения верхней части стойки 3 после ослабления винта 4. Во второй модели установка стрелки осуществляется вращени­ем винта 10, перемещающим колодку 11, на которой закреплена ось стрелки.

Обычно тензометры имеют собственную постоянную базу S = = (10 — 20) мм. В некоторых моделях собственная база тензометра мо­жет иметь два значения. Это достигается путем перестановки пластинок с треугольными вырезами для опирания подвижной призмы. В тех слу-

Рис. 4.7. Кинематическая схема двухрычажного тензометра: 1 - станина; 2 - коромысло; 3 — рычаг (стрелка) второго рода; 4 — рычаг первого рода; а - малое плечо рычага 4; А -большое плечо рычага 4; П — перемещение стрелки по шка­ле; S — база тензомера; AS— измеряемая деформация

i

чаях, когда длина базы тензометра недостаточна, к прибору привинчи­вают удлинители, увеличивающие базу до 500 мм.

Для установки тензометра пользуются различными струбцинами и другими приспособлениями. От качества установки тензометра зависит его работа. Тензометр должен быть прижат к испытуемой поверхности силой 20—30 Н. Чрезмерное прижатие прибора может привести к выкра­шиванию ножей призмы и другим повреждениям, слабое — к проскаль­зыванию. Правильность установки тензометра проверяют путем откло­нения стрелки прибора на 2-4 деления в сторону. При правильной уста­новке прибора стрелка не должна "ползти" по шкале, а после несколь­ких колебаний должна возвращаться в первоначальное положение. Из­меряемую деформацию (напряжение) определяют по разности отсчетов по шкале прибора до и после нагружения конструкции (элемента). Ме­ханические тензометры благодаря простоте конструкции, малому весу, сравнительно высокой точности и надежности измерений, а также воз­можности быстрой подготовки к измерениям широко используют при статических испытаниях мостов.

Тензометры ГугенберГера имеют недостатки, заключающиеся в ограниченности измерения деформаций (до 40 мкм) без перестановки стрелки, сложности работы на открытом воздухе в ветреную погоду, наличии мертвого хода в шарнирных соединениях. Эти недостатки в значительной степени исключены в тензометрах ТА-2 конструкции Аистова Н. Н. с электроконтактом и переменной базой измерения. Этот прибор имеет станину 5 (рис. 4.9), опирающуюся на две ножки, расстоя­ние между которыми может изменяться. Собственная база тензометра S составляет 20-50 мм, а при наличии удлинителей может изменяться

Рис. 4.8. Двухрычажный тензометр-

« - первая модель; б - вторая модель;

J - неподвижная ножка; 2 - станина;

J - стоика; 4, 10 - винты- т

' ' винты, J _ стрел-

ка, б-коромысло; 7-пружина; 8- рычаг; 9 - подвижная ножка- // -подвижная колодка

Рис. 4.9. Тензометр Н. Н. Аистова ТА-2 со счетчиком оборотов лимба: 1 — струбцина для крепления тензометра; 2 — счетчик оборотов лимба; 3 — лимб; 4 — стойка; 5 — станина с переменной базой; 6 — звуковой индикатор (телефон); 7 — блок питания

до 200 мм. Подвижная призма соединена со стойкой 4. Остальная часть прибора смонтирована на верхней части станины, изолированной от ниж­ней. В верхней части станины расположен микрометренный винт с лим­бом 3 и счетчиком оборотов 2. Установив тензометр на конструкции, его закрепляют струбциной 1, подключают блок питания 7 и вывинчи­вают микрометренный винт вращением лимба 3 до контакта со стой­кой 4. Контакт определяется по электросигналу (звонку или свечению лампочки). В этот момент берут отсчет С₁ по шкале лимба 3. После снятия отсчета лимб отводят в обратную сторону до прекращения сиг­нала.

 

 

Рис. 4.11. Схема проволочных тензорезисторов:

а - петлевая; б - беспетлевая; 1 - воспринимающая решетка; 2 -изолирующая подкладка; 3 - выводы; 4 - низкоомные медные пе­ремычки

+ 40 % Ni), нихрома (80 % Ni + 20 % Си) и др., обладающих высоким омическим сопротивлением. К концам проволочных петель припаяны выводы 3 — медные проводники диаметром 0,1-0,2 мм или полоски медной фольги сечением 0,05 х 0$ мм длиной 20-30 мм. Для пленочной основы используются бакелитовый лак, клей БФ-2 и специальные компо­зиции. Тензорезисторы, изготовленные на пленке из клея БФ, работо­способны при температурах от минус 40° до плюс 70 °С, на бакели­товом лаке — до плюс 200 °С. Для измерений при более высоких темпе­ратурах используют датчики, приклеиваемые на клеях В-58, ВН-15 (до 400 ⁹С) или цементах Б-56, ВН-12 (до 800 °С) и др.

Основными характеристиками проволочных тензорезисторов явля­ются: база измерения 5, омическое сопротивление ^.величинакоторо­го с точностью до 0,1 Ом указывается в паспорте, и чувствительность тен-зорезистора, характеризуемая коэффициентом тензочувствительностит?. Проволочные тензорезисторы изготавливают с базами от 2 до 150 мм с омическим сопротивлением от 50 до 2000 Ом. Наиболее распространены тензорезисторы с базами 5—50 мм и сопротивлением 50—400 Ом. Коэффициент тензочувствительности проволочных тензорезисторов на­ходится в пределах от 2 до 3,5 (для константановых т? = 2,0 - 2,1; для нихромовых 1? = 3,5). Линейный характер зависимости AR — /(e), например, для константановой проволоки практически сохраняется до е = 0,01. Следовательно, используя тензорезисторы из этой прово­локи, можно измерять деформации в стальных элементах при работе их и за пределами упругости.

Закругления в решетке проволочных тензорезисторов делают их чувствительными к поперечным деформациям, что влияет на точность измерений особенно с уменьшением базы тензорезистора. От этого недо­статка свободны беспетлевые тензорезисторы с низкоомными медными перемычками 4 (рис. 4.11, б). Из-за отсутствия поперечной тензочувст­вительности и лучших условий передачи деформаций (ввиду продолже­ния прямолинейных участков тензорешетки и за перемычки) база их мо­жет быть уменьшена до 2—3 мм.

Иногда используют тензорезисторы, не имеющие подложки — со сво­бодным подвесом проволоки. Основным достоинством их является

большая стабильность показаний пои длительных измерениях (из-за от­сутствия ползучести клея). Однако из-за сложности изготовления, требующего определенных навыков, такие тензорезисторы имеют огра­ниченное распространение.

Эластичные преобразователи являются разновидностью проволоч­ных тензорезисторов. Они представляют собой резиновый или пластико­вый капилляр с внутренним диаметром 0,1-0,5 мм, заполненный ртутью или электролитом и снабженный проволочными выводами. Крепление таких преобразователей к элементам конструкции производится с по­мощью скоб или манжет. Основное достоинство таких преобразовате­лей — возможность измерять весьма большие деформации материалов (до 40-50%).

Фольговые тензорезисторы являются дальнейшим развитием прово­лочных тензорезисторов. В отличие от последних они имеют решетку не в виде круглого провода, а в виде тонких полосок фольги прямо­угольного сечения толщиной 4-12 мкм, наносимых на лаковую основу. Благодаря большей площади соприкасания полосы фольгового тензо­резистора с объектом измерения его теплоотдача значительно выше, чем у проволочного, что позволяет увеличить силу тока, протекающего через тензорезистор (до 0,2 А), а следовательно, и повысить его чувст­вительность. Другое преимущество фольговых тензорезисторов заклю­чается в возможности изготовления решеток любого рисунка, наиболее удовлетворяющих условиям измерений фотолитографским способом. Прямоугольные решетки (рис. 4.12, а) используют для измерения ли­нейных деформаций, розеточные (рис. 4.12, б) - при плоском напря­женном состоянии.

Тензочувствительность фольговых тензорезисторов такая же как и проволочных (г? ~ 2), верхний предел измерения относительных дефор­маций е = 0,3 %, температурный диапазон работоспособности от ми­нус 40 до плюс 70 °С, номинальное сопротивление 50-400 Ом.

В последние годы находят применение полупроводниковые тензо­резисторы, имеющие ряд существенных преимуществ перед проволоч­ными и фольговыми тензорезисторами. Их чувствительность в 50-60 раз больше, они имеют малые размеры, высокий уровень выходного сигнала, исключающий иногда применение сложных и дорогих усилите-

Рис. 4.12. Фольговые тензорезисторы с прямоугольной (а) и розеточной (ff\ wr.u струкциями решеток ^( ' ^кон" 5 Зак. 1188 «29

У

 

Рис. 4.13. Схемы наклейки тензорезисторов при напряженных состояниях:;

а — одноосном; б — двухосном с известным направлением главных осей; б — то же при неизвестном направлении главных осей

лей. Сопротивление и тензочувствительность полупроводниковых тен­зорезисторов при одних и тех же размерах в зависимости от технологии изготовления может изменяться в большом диапазоне (сопротивление от < 50 Ом до 50 кОм, а коэффициент тензочувствительности от 25 до 200).

Наибольшее распространение получили полупроводниковые тензо-резисторы на основекремния и германия. Они имеют базу от 0,5 до 10мм, номинальное сопротивление 50 — 500 Ом при коэффициенте тензочувст­вительности г] — 25 - 75. Полупроводниковые датчики, изготовленные на основе кремния и германия, химически инертны и выдерживают на­грев до 500—540 °С. Линейность изменения сопротивления сохраняется при относительных деформациях до ±0,1 %; предельная относительная деформация достигает ±0,4 %. К недостаткам полупроводниковых тен­зорезисторов следует отнести их малую механическую прочность, малую гибкость и высокий разброс основных характеристик.

Для измерения напряжений тензорезистор наклеивают на испытуе­мый элемент специальным клеем, который обеспечивает передачу по­верхностных деформаций элемента на тензорезистор. Решетку тензоре-зистора располагают по направлению измеряемой деформации. На иссле­дуемый элемент в одной точке (зоне) наклеивают: при одноосном на­пряженном состоянии — один тензорезистор с прямоугольной решет­кой (рис. 4.13, а), а при двухосном — два (рис. 4.13, б), если известны направления главных осей и три — если их направления неизвестны (рис. 4.13, в). Группа из двух и более тензорезисторов, наклеенных для измерения напряжений в одной точке, называется розеткой. При плос­ком напряженном состоянии удобно пользоваться тензорезисторами с розеточной решеткой с соответствующей схемой ее расположения.

Для наклейки тензорезисторов при испытании мостов применяют клей БФ-2, БФ-4, циакрин и др. Тензорезисторы могут наклеиваться на 130

любые материалы. Поверхность в местах наклейки тензорезисторов тща­тельно очищается и обезжиривается. Очищенная поверхность должна иметь незначительную шероховатость, без крупных пор и углублений. Следует помнить, что от качества клея и наклейки тензорезисторов в значительной степени зависит точность измерения напряжений, посколь-I ку измеряемая деформация должна полностью передаваться с поверх­ности элемента через слой клея на решетку тензорезистора. Небольшие размеры и масса тензорезисторов, возможность измерения напряжений как при статических, так и при динамических воздействиях, простота установки и высокая надежность и универсальность обеспечивают широ­кое применение их при испытаниях искусственных сооружений.

Для измерения больших деформаций (перемещений) могут приме­няться индукционные датчики, которые основаны на использовании зависимости между индукционным сопротивлением катушки, вклю­ченной в цепь переменного тока, и магнитным полем, зависящим от из­меряемой деформации. Индукционный датчик (рис. 4.14) состоит из корпуса 3, внутри которого смонтирована катушка 4. В катушку 4 входит сердечник 5, соединенный со стойкой 2. Стойка 2 одним кон­цом с помощью пластинчатого шарнира соединена с корпусом, а другим, острым, опирается на испытуемый элемент. На корпусе имеется непод­вижная призма 6, которой он также опирается на испытуемый элемент. Сердечник со стойкой соединен регулировочным винтом 1, позволяю­щим регулировать положение сердечника относительно катушки. Рас­стояние между точками опирания прибора является базой измерения S. При изменении расстояния между опорными точками сердечник пере­местится относительно катушки, что вызовет изменение ее индукцион­ного сопротивления, которое регистрируется измерительным устрой­ством.

Для измерения больших деформаций можно использовать емкост­ные датчики, в которых реализуется зависимость емкостного сопротив­ления конденсатора от зазора между пластинами. При этом измеряемая деформация вызывает изменение зазора. Принципиальная конструктив­ная схема емкостного датчика аналогична схеме индукционного (вместо

Рис. 4.14. Принципиальная схема индук­ционного датчика:

1 — регулировочный винт; 2 — стойка; •? - корпус; 4 — катушка; 5 — сердеч­ник; 6 — неподвижная призма

5*

* 1

Рис. 4.15. Принципиальная схема _зп
тротензометрической установки- *'

*_та- активный датчик; R _ _к '

сационныи датчик; R, Д™_ „„„ "**■
ры; У - усилитель; А - р^гистрир^
щий прибор ^1риРУЧ.

I

U О------- '

индукционной катушки и сердечника устанавливается конденсатор с из­меняемым зазором между пластинами).

Индукционные и емкостные датчики, как правило, съемные, т, е. могут использоваться многократно для различных измерений, в отличие от проволочных, фольговых и других тензорезисторов, которые наклеи­вают на конструкцию без последующего переноса на другое место. Одна­ко они имеют значительную массу, что ограничивает их применение при динамических испытаниях.

В ЦНИИСе разработаны электронно-оптические датчики (автор А. И. Синявский), принцип действия которых основан на изменении све­тового потока в зависимости от измеряемой деформации (перемеще­ния), преобразуемого в аналоговый электрический сигнал. На этом прин­ципе разработаны конструкции и организовано малосерийное производ­ство датчиков для измерения напряжений, линейных перемещений от 0,001 мм до 1000 мм, угловых перемещений до 40", регистрации напря­жений при ударных воздействиях. Датчики обладают высокой чувстви­тельностью, поэтому в ряде случаев их можно использовать без усилите­лей электрических сигналов.

Основным преимуществом этих датчиков является многократность их использования (съемность). Они имеют сравнительно небольшие га­баритные размеры и массу, работают на постоянном токе, в связи с чем линии связи (кабели) не требуют экранной защиты-

Электроизмерительные устройства измеряют и регистрируют изме­нения электрических величин, передаваемых датчиками.

Рассмотрим принципиальную схему электротензометрической уста­новки с использованием моста Уитстона (рис 4.15). Датчик, установлен­ный на элементе конструкции и включаемый в одно из плеч электриче­ского моста R, называется активным или рабочим. В два нижних плеча включены сопротивления R₁ и R₂. Для исключения влияния тем­пературы в соседнее с активным датчиком плечо подключают аналогич­ный датчик R_rK, который называется компенсационным или темпера­турным. Его устанавливают на образец, не подвергающийся силовым воздействиям, и материал которого имеет тот же коэффициент линейно-132

Метод непосредственного отсчета осуществляется по неравновесной схеме электрического моста. Питание электрического моста может осу­ществляться постоянным и переменным током высокой частоты. Мосты, питаемые постоянным током, применяют для измерения деформаций при кратковременных испытаниях статической и низкочастотной дина­мической нагрузками. При длительных испытаниях статической нагруз­кой и при испытаниях динамической нагрузкой с частотой до 300 Гц при­меняют электрические мосты, питаемые переменным током высокой частоты (до 6-8 кГц).

Ток из диагонали электрического моста (см. рис. 4.15) через усили­тель У: подается на регистрирующий прибор # (гальванометр, осцил­лограф или магнитограф). Усилители дают возможность значительно по­вышать чувствительность электроизмерительных устройств. Необходимо иметь в виду, что усилители усложняют электроизмерительные устрой­ства и могут давать дополнительные погрешности при измерениях. Ста­тические и динамические испытания при частотах до 20 Гц с использова­нием тензорезисторов можно проводить без усилителей, но при этом необходимо иметь высокочувствительные гальванометры или осцил­лографы.

Процесс измерений по методу непосредственного отсчета заключает­ся в следующем. До загружения испытуемой конструкции выполняют приблизительную балансировку электрического моста путем изменения сопротивлений в плечах R_t и R_r Балансировку заканчивают при ка­ком-то отличном от нуля показании прибора, которое записывают. Затем создают испытательную нагрузку, которая вызовет деформацию в зоне установки датчика. В результате произойдет изменение силы тока в диагонали электрического моста. Это изменение силы тока можно за­регистрировать путем снятия отсчета по прибору П. По разности отсче­тов, снятых при ненагруженном и нагруженном состояниях, определяют величину изменения силы тока в диагонали моста, а по ней величину от­носительной деформации (напряжения) в испытуемом элементе ■

,v Рис. 4.16. Принципиальные схемы гальванометра (а) и записывающего устройства осциллографа Н044.1 (б):

1 — рамка (петля) из тонкой проволоки; 2 — постоянный магнит; 3 -
зеркальце; 4 - лампочка; 5 - конденсор; 6 - сферическая линза;
7 - цилиндрическая линза; 8 - барабан с фотолентой; 9 - плоские зерка­
ла; 10 - цилиндрическое зеркало; 11 - экран наблюдения; 12 ____ импульс-

, ная лампа продольного графления; 13 — лампа отметки времени

Осциллограф представляет собой комплекс приборов и механиз­мов, смонтированных в одном блоке. Одним из основных приборов осциллографа является чувствительный гальванометр. Гальванометр (рис. 4.16, а) представляет собой рамку из тонкой проволоки 2, за­крепленную на специальных пружинных подвесках в поле постоянного магнита 2. На рамке прикреплено маленькое зеркальце 3, Через рам­ку 1 пропускают ток из диагонали электрического моста. При проходе тока через рамку возникнет крутящий момент, который будет повер­тывать рамку на угол, пропорциональный силе тока. Так как сила тока в pajMKe изменяется пропорционально измеряемой деформации, то и УеЛ поворота рамки будет изменяться пропорционально ей. Таким обра­зом, устанавливается прямая зависимость между углом поворота рамки гальванометра и измеряемой деформацией.

Рассмотрим принципиальную схему записывающего устройства магнитоэлектрического осциллографа (рис. 4.16,6). Запись измеряемой. Деформации на осциллографе производится следующим образом. Свето­вой поток от лампочки 4 через конденсор 5, состоящий из двух ци­линдрических линз, в виде горизонтальной полосы света попадает на окошки гальванометров, установленных в магнитном блоке. Световой поток, пройдя через сферические линзы 6 и отразившись от зеркаш 3 на рамках гальванометров в виде вертикально расположенных световых полосок, направляется на цилиндрическую линзу 7, фокусирующую

 

Рис. 4.17. Схема электрического моста, применяемого при методе нулевого из­мерения

световые полоски в точки на плоскости записи на фотоленте 8. При колебаниях рамки гальванометра вместе с ней колеблется зеркало, и меняется угол отражения в горизонтальной плоскости. Отраженный луч света перемещается в горизонтальной плоскости, и если при этом пере­мещается фотолента, то на ней запишется развернутый во времени про­цесс изменения измеряемых деформаций (напряжений). Часть световой полоски, отраженная зеркалом 3 на рамке гальванометра, попадает на зеркало 9, затем на вогнутое цилиндрическое зеркало 10, которое отражает свет на матовый экран 11 визуального наблюдения. На ленте, кроме записи исследуемых процессов, производятся продольное граф­ление бумаги и запись отметок времени с помощью ламп 12 и 13.

В зависимости от частоты записываемого процесса устанавливается скорость перемещения фотоленты.

Современные осциллографы позволяют одновременно записывать от одного до 24 и более процессов. При испытании мостов применяют осциллографы НОЗОА, Н044.1, Н044.2, регистрирующие от 12 до 24 процессов. Широко применяются осциллографы (магнитографы), в которых запись исследуемых процессов производится на магнитной ленте. Расшифровка записи на магнитной ленте выполняется на ЭВМ с помощью специальной приставки.

В настоящее время применительно к электронно-оптическим датчи­кам ЦНИИСа разработана портативная измерительная система с автоном­ным питанием для проведения испытаний в полевых условиях с записью процессов изменения измеряемых деформаций и перемещений в цифро­вом коде. При этом используются малогабаритный компьютер и устрой­ство для регистрации измерений.

Зависимость между величинами действительных и записанных (за­регистрированных) деформаций устанавливают путем тарировки.

Метод нулевого измерения основан на применении равновесной схемы электрического моста с питанием постоянным то­ком. Рассмотрим одну из возможных схем электрического моста 136

(рис 4.17). Здесь, как и при методе непосредственного отсчета, в одно из плеч включен рабочий датчик /?_тя, а в соседнее с ним плечо — ком­пенсационный #_тк. Сопротивления плеч R₁ и R₂ обычно регулируют подключенным к ним переменным сопротивлением (реохордом) R. При использовании в качестве сопротивлений R и R проволочных тензорезисторов их наклеивают на балочку с разных сторон. Регулиро­вание сопротивлений R и R производят путем изгиба этой балочки. Применяют и комбинированную систему регулирования сопротивле­ний R_t и R₂-

Измерения выполняют следующим образом: до загружения испы­туемой конструкции путем регулирования сопротивлений R_y и R₂ балансируют электрический мост (при сбалансированном мосте гальва­нометр Я должен показывать "нуль") и снимают отсчет но шкале рео­хорда. После этого нагружают испытуемую конструкцию. Возникшие при этом напряжения вызовут изменение сопротивления рабочего дат­чика, что приведет к нарушению баланса электрического моста, в резуль­тате чего гальванометр покажет наличие тока в его диагонали. Изменяя сопротивления R и R, необходимо вновь сбалансировать мост. После балансировки моста снимают отсчет по реохорду. По разности от­счетов, снятых по реохорду в незагруженном и загруженном состоянии, определяют величину деформации (напряжения) в зоне-установки ра­бочего датчика. Зависимость между измеряемой деформацией (напря­жением) и изменением сопротивления реохорда определяют путем та­рировки.

Электроизмерительные устройства для определения деформаций по методу нулевого отсчета значительно проще и компактнее, чем при­меняемые по методу непосредственного отсчета.

В настоящее время широкое распространение получили тензометри-ческие устройства, в которых балансировка моста и запись отсчетов производятся автоматически непосредственно на перфоленту, которая затем обрабатывается на ЭВМ. Такая установка обеспечивает измерение по большому числу рабочих датчиков (до нескольких сотен), включе­ние которых также происходит автоматически в определенной последо­вательности.

JHpn испытаниях мостов успешно используются тензометрические установки типа ЦТМ с автоматической балансировкой моста и цифро­вой записью на бумажной ленте (рис. 4.18).

Мы рассмотрели схемы электрического моста с одним рабочим датчиком. Однако мост Уитстона позволяет производить включение нескольких рабочих датчиков. Используя различные схемы установки датчиков на элементе конструкции и включения их в схему электриче­ского моста, можно получить усиление электрического сигнала в диаго­нали и, следовательно, повышение точности измерений, а также иметь возможность измерять как полные деформации (напряжения) от всех действующих силовых факторов (М, Q, TV), так и от отдельных. Напри-

Рис. 4.18. Цифровойтензометрическиймост ЦТМ-5:

1 - перфоратор; 2 — печатающая машинка; 3— блок коммутации; 4 - блок

измерения

мер, в сжато-изогнутом элементе необходимо измерить напряжения только от нормальной силы и отдельно от изгибающего момента. В этом случае тензорезисторы наклеивают, как показано на рис. 4.19, а. Вклю­чение тензорезисторов в схему электрического моста приведено на рис. 4.19, б, в. При нагружении элемента центрально приложенной про­дольной силой элемент равномерно деформируется, и в обоих тензоре-зисторах произойдет одинаковое изменение омического сопротивления. Изгибающий момент при симметричном сечении элемента вызовет в тензорезисторах одинаковые по абсолютной величине, но разные по зна-

Рис. 4.19. Схемы расположения (а) и включения (б, в) тензорезисторов для из­мерения напряжений в сжатоизогнутом элементе: ^_та1» Л J — рабочие тензорезисторы; R — компенсационный тензорезистор

-ку изменения омического сопротивления. Если оба тензорезистора бу­дут включены в одно плечо (см. рис. 4.19, б), то в нем при нагрузке произойдет суммарное изменение омического сопротивления обоих тен­зорезисторов, вызванное приложением нормальной силы (от изгибаю­щего момента оно будет равно нулю). Это вызовет соответствующее приращение тока в диагонали, который будет в два раза (при одинако­вых характеристиках тензорезисторов) больше, чем полученный при измерении напряжений от этой силы одним тензорезистором. При вклю­чении тензорезисторов в разные плечи моста (см. рис. 4.19, в) изменение омического сопротивления тензорезисторов вследствие приложения нормальной силы не вызовет дополнительного тока в диагонали (про­изойдет взаимная компенсация, как при включении компенсационного тензорезистора), но ток в ней появится вследствие изменения омическо­го сопротивления тензорезисторов от действия изгибающего момента.

Отмеченные особенности работы электрического моста часто исполь­зуют для создания различных датчиков комбинированного типа, что дает возможность создавать оригинальные приборы и приспособления с вы­сокой точностью измерения деформаций (напряжений) при статических и динамических воздействиях. В качестве примера рассмотрим мало-базный электромеханический датчик (тензометр), разработанный в МИИТе (авторское свидетельство № 142462). Прибор предназначен для измерения напряжений (деформаций) в зонах их концентрации на базе до 1 мм. Для регистрации измеряемых деформаций в нем используются тензорезисторы, наклеенные на тонкой, слегка изогнутой пластинке.

Малобазный электромеханический датчик (рис. 4,20, а) состоит из стойки 7 с наглухо прикрепленными к ее нижней части двумя щечка­ми 4, между которыми свободно размещается рычаг первого рода 1. Стойка соединена с рычаг-См первого рода шарнирно посредством оси 5

при свободном опирании на нее щечек.
В верхней части с внутренней стороны стойка 7 и рычаг 1 имеют
вырезы под углом около 60°, в которые упирается тонкая слегка изог­
нутая стальная пластинка 3 с наклеенными на ней тензорезисторами.
Для уравновешивания распора от пластинки и создания в пластинке на­
чального предварительного напряжения стойка и рычаг стянуты спираль-
нойзиружиной 2. Нижние концы стойки и рычага заточены и закалены;
отш служат опорами датчика при его установке на испытуемый эле­
мент. Для его закрепления применяют струбцину, прижимной конец ко­
торой треугольного сечения входит в овальное отверстие 6 в щечках,
имеющее в нижней части вырез под углом около 80°. Ребро струбцины
опирается в вершине угла выреза в щечках, обеспечивая шарнирность
соединения и хорошую центровку прижимной силы в пределах базы из­
мерения. Масса прибора около 4г. _f

При изменении расстояния между точками опирания датчика (базы) Деформация передается через рычаг на пластинку. В рассматриваемой модели датчика рычаг первого рода имеет отношение плеч 4:1. Следо-

■ 3,

 

Малобазный датчик имеет высокую чувствительность. При исполь­зовании современных усилителей точность измерения деформаций с применением этого датчика может достигать 0,01 мкм. Его можно ис­пользовать для измерения деформаций как при статических, так и при динамических испытаниях мостов. Большим преимуществом прибора является съемность, т. е.возможность многократного использования его для измерений.

В качестве датчиков широко используют просто изогнутые пластин-I ки с наклеенными тензорезисторами, концы которых шарнирно закреп­ляют (опирают) в точках, между которыми требуется измерить дефор­мацию.

43. Приборы и способы измерения перемещений при статических воздействиях

При статических испытаниях для измерения различного рода линей­ных и угловых перемещений широко используются механические при­боры. В зависимости от величины измеряемых перемещений, их вида и требуемой точности измерений применяют различные приборы и при­способления.

Индикаторы (мессу ры). Для измерения небольших линейных пере­мещений (до 2—30 мм) широко используют индикаторы с ценой деления 0,001—0,01 мм. Рассмотрим индикатор часового типа (рис. 4.21).,Прин­цип его работы состоит в следующем. В корпусе 1 свободно переме-

Рис. 4.20. Малобазный электромеханический датчик:

а — конструкция датчика; б, в — схемы включения и наклейки тензоре-зисторов; 1 — рычаг первого рода; 2 - спиральная пружина; 3 - изогнутая пластинка; 4 — щечки; 5 - ось; 6 — отверстие для струбцины; 7 - стой­ка; Г, Н — тензорезисторы

вательно, деформация, передаваемая на пластинку, будет увеличена в четыре раза. Изменение изгиба пластинки от измеряемой деформации приведет к изменению сопротивления тензорезисторов, наклеенных на пластинке. На пластинку наклеивают четыре или два тензорезистора со­противлением 100-200 Ом и базой 10-20 мм по два (рис. 420, б) или по одному (рис. 4.20, в) с каждой стороны пластинки с включением их в схему электрического моста. В первом случае активными являются все четыре плеча, а во втором — два. Это позволяет получить соответ ~ ствующее увеличение тока в диагонали моста,

Изогнутая стальная пластинка и спиральная пружина создают в при­боре "внутреннюю напряженность", Что при наличии небольшого числа шарнирных соединений практически полностью исключает "мертвый" ход.

Рис. 4.21. Общий вид индикатора (а) и его кинематическая схема (б):

1 — корпус; 2 - шток; 3, 4, 6, 7 — шестеренки; 5 - большая стрелка; 8 —

малая стрелка

щается в продольном направлении шток 2. В средней части штока имеет­ся зубчатая нарезка (рейка), входящая в зацепление с шестеренкой 3, жестко соединенной с другой шестеренкой 4. Последняя входит в за­цепление с шестеренкой 6, закрепленной на одной оси с большой^стрел-кой 5. Вращение с шестеренки 6 передается на шестеренку 7 и на ма­лую стрелку 8. Кинематическая передача в индикаторе с ценой деле­ния 0,01 мм рассчитана таким образом, что при перемещении штока на 1 мм большая стрелка делает один оборот. Циферблат имеет 100 деле­ний по окружности. Маленькая стрелка показывает число целых милли­метров. Индикаторы с ценой деления 0,01 мм имеют, как правило, пере­мещение штока 10 мм.

Индикаторы с ценой деления 0,001 мм обладают ходом штока 2 мм. Таким образом, эти приборы можно использовать для измерения сравни­тельно небольших перемещений.

При испытаниях индикатор'укрепляют так, чтобы обеспечить пере­дачу измеряемых перемещений на шток в продольном направлении. Закрепление индикаторов осуществляют при