1.2. Индикатор (контактный) часового типа.

Рис. 3 Схема прибора:

1-упорный штифт ;2-зубчатая кремальера; 3-передаточные шестерни;

4-стрелка; 5-шкала; 6-пружина для устранения зазоров между зубьями шестерен; 7-шестерня, натягиваемая пружиной 6;

8-шкала числа оборотов.

Применяются:

• с ценой деления шкалы 5 0,01 мм – предел измерения (ход штифта 1) 0….10 мм

• с ценой деления шкалы 5 0,001 мм – предел измерения 0….4 мм

Рис. 4 Крепление индикатора к стойке или конструкции

а) – в качестве прогибомера;

б) – в качестве измерителя линейных перемещений

Пример снятия отсчётов по индикатору часового типа:

При статическом испытании стальной сварной фермы (Е=2,06∙10⁵ МПа) индикатор с ценой деления 0,01 мм и базой 200 мм, установленный на уровне Z₀ пояса (∟180×11 с А=38,8 см²) до загружения показал значение отсчёта 542, а после загружения – 564. Определить величину напряжений в поясе фермы, а также значение нагрузки Р, действующей на центральный нижний узел фермы.

Решение:

Перемещение фибрового волокна:

Относительная деформация:

Напряжения:

Нагрузка:

Индикаторы часового типа могут быть использованы и для динамических испытаний.

1.3 Тензометр Гугенбергера.

Пример снятия отсчётов по тензометру Гугенбергера:

При испытании фермы использован тензометр Гугенбергера с базой ,который до загружения дал отсчёт 12, а после загружения 38.

Решение:

Перемещение фибрового волокна Относительная деформацияНапряженияНагрузка

Рис. 5 Общий вид и схема тензометра:

а) – схема установки прибора; б) – кинематическая схема.

1-испытываемый элемент;2,3-подвижная и неподвижная ножки;

4-ось вращения ножки 2;5-передаточный стержень;6-стрелка;

7-ось вращения стрелки;8-шкала;

9-винт перемещения стрелки (при ∆С>50 мкм); l -база тензометра (l=20мм)

Цена деления прибора равна 0,001 мм. Тензометр оснащается удлинителем, позволяющим увеличить базу измерения до 250 мм.

2. Приборы для измерения деформаций

2.1 Тензорезисторы

Тензорезисторы – измерительные преобразователи, имеют чувствительный элемент в виде проводникового или полупроводникового резистора, приклеенного на основе из какого-либо неметаллического материала (бумага, пленка).

Использование тензорезисторов подобного рода для тензометра обусловлено тензоэффектом, т.е. свойством проводниковых или полупроводниковых материалов изменять электрическое сопротивление при деформировании.

Величина тензоэффекта проводниковых материалов определяется преимущественно изменением геометрических размеров резистора, а полупроводниковых — удельного сопротивления.

Тензоэффект характеризуется выходным сигналом в виде относительного изменения сопротивления резистора . Относительное изменение выходного сигнала к вызвавшей по относительной деформации при фиксированных значениях параметров тока, температуры, влажности и т.д. называетсякоэффициентом тензочувствительности резистора.

[1]

Величины К_Т приводятся в паспортных данных на тензорезисторы.

Рис. 6 Коэффициент тензочувствительности резистора

При упругой работе конструкции величина напряжений определяется по выражению:

[2]

2.1.1. Проволочные одноэлементные тензорезисторы (рис. 2.2.) имеют тензонить — проволоку диаметром 12…30 мм из константана (эдванса) сплава Cu-Ni-Mn или нихрома (тофета) сплава Ni-Cr.

Рис. 7 Проволочные тензорезисторы:

а) – петлевые; б) – безпетлевые

1-тензонить; 2-подложка; 3-низкоомные перемычки;

4-выводные контакты; l_Т – база тензорезистора.

Петлевые и беспетлевые тензорезисторы промышленного производства выпускаются с номинальным сопротивлением R=60…400 Ом, базой измерения =5…100 мм, коэффициенты тензочувствительности =1,9…2,3.

Для метрологии петлевых тензорезисторов большое значение имеют радиус закругления петель или расстояние между петлями решетки. При оптимальном расстоянии, равном 10 диаметрам тензопроволоки, сохраняются необходимые условия для рассеяния тепла от нагрева тензорезистора питающим током и заметно не проявляется влияние поперечной чувствительности.

Преимущество безпетлевых тензорезисторов перед петлевыми — отсутствие поперечной тензочувствительности, обусловленной поперечными деформациями элементов конструкций.

2.1.2. Фольговые тензорезисторы изготавливаются фотолитографическим способом из тонкой константановой фольги (t=2…5 мкм). Предварительно нанесенная на фольгу клеевая пленка служит подложкой тензорезистора. В зависимости от формы тензорешеток они бывают:

• одноэлементные прямоугольные для линейных измерений;

• 2-х или 3-х элементные прямоугольные или розеточные для измерений на участках с плоским напряженным состоянием;

• специальные, используемые в качестве тензопреобразователей в мембранных чувствительных элементах;

• в виде цепочек малобазовых одно- или двухэлементных тензорешеток на общей основе для измерения деформаций в зонах концентраций напряжений.

Рис. 8 Фольговые тензорезисторы:

а) – одноэлементный прямоугольный тензорезистор;

б,в) – двух- и трехэлементные розеточные тензорезисторы С;

г) – специальные;д) – в виде цепочки малобазных тензорешёток;

1 – тензорешетка;2 – подложка из клеевой пленки

Их база =0,3…30 мм; =50…400 Ом; =2…2,3. Фольговые тензорезисторы малочувствительны к поперечным деформациям, имеют эффект отвода тепла, что повышает в 3…4 раза, по сравнению с проволочными, плотность питающего тока и получить больший выходной сигнал.

Определение деформации тензорезисторами можно проводить при действии как статических, так и динамических нагрузок. Можно использовать как постоянный, так и переменный ток.

2.1.3. Полупроводниковые тензорезисторы разделяются на следующие типовые модификации в зависимости от материала чувствительного элемента:

• монокристаллические кремниевые, вырезанные из массивных монокристаллов в направлениях кристаллизации;

• германиевые, изготавливаемые из тонких дендритных лент и нитей, выращенных из переохлажденных растворов или газовых фаз;

• поликристаллические, получаемые методом горячего напыления технического висмута в вакууме.

Кремниевые тензорезисторы имеют базу =1,4…6,4 мм; сопротивление =90…160 Ом, а германиевые — =5…10 мм, =50…500 Ом. Подложка поликристаллических транзисторов пленочная, а монокристаллические могут использоваться и без подложки.

Преимущество тензорезисторов над механическими тензометрами за-ключается в возможности контроля деформаций конструкций стадии, близкой к разрушению, а также внутри конструкции. Тензорезисторы кре-пятся к элементам конструкций фенолформальдегидныи (БФ-2; БФ-4; БФ-6) или кремнийнитроглифталевыми клеями.

На (рис. 2.3.) изображена принципиальная схема работы тензостанции с использованием моста Уитстона.. При воздействии нагрузки конструкция деформируются, изменяется величина , балансировка моста нарушается. Появляется разность потенциалов в цепи по диагонали AB. Вручную или автоматически реохордом электрический ток, регистрируемый гальванометром, понижается до нуля. Мост балансируется и по шкале тензостанции берется отсчет. Разность отсчетов по тензостанциям с автоматической балансировкой моста Уитстона дает величину , умноженную на цену деления тензостанции. Тарировка тензорезисторов не производится, если при испытаниях применяется тензостации типа АИД и ЦТМ с автоматической балансировкой моста Уитстона, т.к. разность отсчетов по тензостанциям дает значения относительной деформации с точностью, равной цене деления шкалы тензостанции.

Рис. 9 Принципиальная электрическая схема измерительного моста Уитстона

ИК – испытываемая конструкция; R_a -тензорезисторы активные;

R_к - тензорезисторы компенсационные (компенсирующие влияние колебаний температуры окружающей среды и д.т.);

R1, R2 - внутренние сопротивления тензостанции; R – реохорд;

Г – гальванометр; И.П. – источник питания

Вывод: во время лабораторной работы мы ознакомились с принципом действия, устройством, а также с правилами установки приборов для измерения перемещений и деформаций на конструкциях и ее элементах.

Ответы на контрольные вопросы

1. Какое минимальное количество прогибомеров для определения прогиба необходимо использовать при испытании однопролетной балки, работающей на поперечный изгиб?

Ответ: При испытании однопролетной балки необходимо использовать не менее трех прогибомеров, два из которых устанавливаются в местах опирания балки, третий располагается под (над) центром балки (см. рис. 4).

2. Покажите места установки и способы крепления прогбомеров с проволочной связью на испытываемой конструкции в виде ж/б плиты покрытия пролетом 6 м?

Ответ:

3. Влияет ли температура на показания прогибомеров с проволочной связью?

Ответ: Температура влияет на показания приборов: для вычисления возможной погрешности, связанной с линейным температурным расширением металлических частей приборов, необходимо регистрировать температуру окружающей среды в месте проведения испытаний и, при необходимости, ввести поправку на температуру.

4. Каков диапазон измерения прогибомера 6ПАО и какова его точность?

Ответ: Диапазон измерения 6 ПАО – неограничен (ограничен длиной нити), точность 0,01 мм.

5. Каковы достоинства и недостатки удлинителя, используемого при работе с индикатором?

Ответ:

Достоинства: позволяет определять очень малые относительные деформации

Недостатки: увеличивается погрешность.

6. Возможно ли расширение диапазона измерения механическим тензометром Гугенбергера в процессе испытания?

Ответ: Расширить диапазон измерения тензометром Гугенбергера можно винтом перемещения стрелки (поз.9, рис. 5).

7. Какие существуют способы крепления механических тензометров?

Ответ:

• с помощью струбцины

• с помощью упоров

8. Как проверить качество установки тензометров?

Ответ: Стрелка не должна двигаться.

9. Как найти значение относительной деформации по разности отсчетов на тензометре Гугенбергера базой 150 мм, установленном на испытываемой конструкции?

Ответ: База – 150 мм, отсчеты 23 и 35, цена деления 0, 001 мм.

(35-23)*0,001=0,012.

10. Какие физико-механические свойства материала конструкции являются решающим при выборе базы измерения?

Ответ: Однородность, изотропность, т.е. структура материала.

11. Изложите технологию наклеивания тензорезисторов. Как оценить качество наклейки тензорезистора.

Ответ: До прикладывания тензорезистора поверхность необходимо тщательно подготовить. Металлическую поверхность очищают напильником, либо наждачной бумагой от краски и коррозии, затем обезжиривают растворителем (ацетоном, толуолом) и промывают спиртом. Поверхность бетонного элемента очищают от пыли, глубокие раковины заполняют гипсом, зашлифовывают шкуркой и протирают тампоном, смоченным в спирте и наносят тонкий (до 1 мм) слой клея и высушивают его до отлипа (бакелит-фенольный – 15 мин, ацетил-целлюлозный – 3 мин), после чего на нижнюю поверхность тензорезистора наносят тонкий слой клея, накладывая его на поверхность элемента по рискам, например плёнкой, и прикатывают резиновым валиком с усилием 0,2–0,4 МПа. В процессе сушки клея для обеспечения качества шва необходимо пригрузить тензорезистор усилием 2–4 кг/см². На каменную, бетонную и деревянную поверхности наносят не менее 2 слоев клея с высушиванием каждого (огрунтовка поверхности). При наклейке на металлическую поверхность под выводные провода подкладывается стеклоткань. При необходимости выполняется гидроизоляция тензорезистора эпоксидно-цементной смесью. Минимально допустимое сопротивление изоляции 10…15Мом. Для кратковременной гидроизоляции тензорезистора в условиях повышенной влажности допускается применять парафино­–вазелиновую или восковую смесь.

11. Объясните физический смысл явления поперечной тензочувствительности проволочных петлевых тензорезисторов?

Ответ: Поперечная тензочувствительность проявляется в нелинейности распределения электрического сопротивления по участкам нити в связи с различием продольных и поперечных деформаций на петлевых зонах и основной части тензорезистора, что в, свою очередь, вносит определённую погрешность в результаты испытаний.

11. Каково функциональное назначение компенсационных тензорезисторов при испытании конструкции?

Ответ: Компенсационные тензорезисторы устанавливаются на ту же испытываемую (либо аналогичную) конструкцию в нерабочей ее части с целью обеспечения работы активных (рабочих) и пассивных (компенсационных) тензорезисторов в идентичном температурно-влажностном режиме (во-избежание погрешности показаний измерительного моста).

11. Охарактеризуйте достоинства и недостатки приборов для измерения перемещения и деформаций.

Ответ: Тензорезисторы позволяют измерять деформации любых конструкций в стадии близкой к разрушению, следить за развитием деформаций в любом направлении, а также даёт возможность измерения деформаций на внутренних поверхностях объемных конструкций.

Недостаток - невозможность измерения значительных деформаций.

11. Покажите схему включения тензорезисторов по схеме моста Уитсона.

Ответ: См рис. 9.

Лабораторная работа №2

Тарирование приборов

Цель работы: определить тарировочные коэффициенты на механических приборах для измерения перемещений и тензорезисторах с применением тензостанции с ручной балансировкой моста Уитстона типа Ид-61м.

Тарирование — проверка показаний приборов путем сравнения с показателями контрольного (эталонного) прибора.

Тарирование механических приборов производится на тарировочной машине (рис. 11). Точность показаний контрольного прибора должна не менее чем в 10 раз превышать точность показаний проверяемого прибора. Разность отсчетов по тензометру Гугенбергера или индикатору, умноженная на тарировочный коэффициент, дает истинное значение абсолютного перемещения.

Рис. 11 Тарировочная машина

а) – схема установки тензометра Гугенбергера;б) – то же, индикатора;

1-станина; 2-стальная балка; 3-прорезь;

4,5-упоры для закрепления приборов на балке;

6-штифт для подъема упора 5; 7-уровень; 8-микрометр;

9-барабан; 10-лимб с делениями;11-нониус;

12-шкала полных оборотов лимба; 13-тензометр Гугенбергера;

14-металический стержень для крепления прибора к балке;

15,16-неподвижная и подвижная призмы тензометра; 17-индикатор;

18-упорный штифт индикатора; 19-инвентарная антапка;

20-установочный винт.