Приборы для определения линейных перемещений и деформаций.
При испытании конструкций, их элементов и моделей приходится измерять всевозможные деформации:
a) Прогибы балок, ригелей, рам, сводов, арок, ферм и т.д.; выгибы стоек, колонн.
b) Углы поворота сечений элементов конструкций.
c) Продольные деформации отдельных фибр (волокон) элементов конструкции при растяжении или сжатии.
d) Относительные перемещения волокон (фибр) при сдвиге.
По роду деформаций, которые измеряются, приборы называют: прогибомерами, клинометрами, тензометрами, сдвигомерами.
Все приборы, применяемые при испытаниях, должны отвечать следующим требованиям:
1. Обладать точностью, соответствующей чувствительности прибора.
2. Иметь простую конструкцию, с возможно меньшим числом передаточных механизмов и частей.
3. Холостой ход прибора должен абсолютно отсутствовать или быть сведенным до минимума.
4. Установка прибора должна осуществляться просто, быстро и надежно.
5. Шкалы приборов должны быть четкими и удобными для наблюдения.
6. Приборы, по возможности, должны обладать большим диапазоном измерения деформаций без уменьшения точности их показаний.
Имеются некоторые второстепенные требования: малый вес, небольшой размер, отсутствие хрупких частей и т.д.
Рассмотрим приборы наиболее пригодные для полевых испытаний.
Геодезические приборы.
При проведении испытаний крупных конструкций (ферм, арок) для измерения их перемещений используют геодезические приборы: нивелир и теодолит. Применение этих приборов оказывается удобным в тех случаях, когда подход наблюдателя к конструкции затруднен или когда отсутствует неподвижная точка, относительно которой производят измерения, и нельзя применить другие приборы.
Нивелир применяется для измерения вертикальных прогибов. В точках измерения деформаций шарнирно подвешивают рейку с делениями, чтобы она всегда сохраняла вертикальное положение. Установка нивелира производится на жесткое основание. При длительных испытаниях необходимо иметь надежный репер, относительно которого следует периодически проверять установку нивелира. Количество наблюдаемых точек можно устанавливать в объеме попадания их шкал в визирную плоскость нивелира.
Теодолит применяется для измерения горизонтальных перемещений (устойчивость узлов сжатого пояса фермы из плоскости конструкции).
Точность измерений определяется качеством приборов и шкал реек. Обычно геодезические рейки (деление 1 см) дают точность ~ 0,2 см.
Рис. 5.1 Прогибомеры.
Прибор для измерения перемещений отдельных точек конструкции называется прогибомером. Обычно их точность 0,01 - 0,1 мм.
Кустарные прогибомеры - при значительных прогибах и отсутствие необходимости в большой точности можно пользоваться двумя рейками (рис. 5.3). Одна из них прикрепляется к исследуемой конструкции, а другая - к неподвижному основанию. Соприкасающиеся поверхности гладко простроганы. После установки реек наносят общую прямую линию. После загружения конструкции рейка опустится на f, это и будет соответствовать прогибу конструкции.
Для более точного измерения прогибов (0,1 - 0,2 мм) можно изготовить кустарный прогибомер. Устройство его приведено на рис. 5.4.
На строганной доске, укрепленной на неподвижном предмете, устанавливается стрелка, которую можно изготовить, например, из кровельного железа. Она свободно вращается вокруг т. О. Стрелка не должна быть слишком короткой, так как при малой длине не достигается требуемое увеличение и точности измерения. Требуемые размеры даны на чертеже в мм. На расстоянии 1/10 длины от т. О делают два отверстия, в которых крепятся две проволоки. Одна соединяет ее с испытуемой конструкцией, другая - с грузом. Между доской и стрелкой помещается миллиметровая бумага.
Точность такого приспособления зависит от тщательности изготовления прибора.
Существуют дистанционные и контактные прогибомеры. Чаще применяют первые.
Прогибомер ПМ-2 (Максимова Н.Н.).
Рис. 5.5 Общий вид прогибомера Н.Н. Максимова ПМ-3
Прибор состоит из металлического корпуса, в котором на подшипниках вращается барабан (2), соединенный с маленьким барабаном (3). Барабан (2) касается роликов (4), соединенных со стрелкой (5). На корпусе помещена шкала (6), по которой отсчитывают прогиб. Связь между прогибомером и конструкцией осуществляется проволокой, верхний конец которой закреплен на конструкции, а к нижнему подвешен груз. Проволока перекинута через барабан (3) и при перемещении узла, к которому она прикреплена, вращает этот барабан и передаточный механизм со стрелкой.
Одно деление по шкале соответствует прогибу 0,1 мм. Полному обороту стрелки соответствует прогиб в 10 мм (0,1 х 100). Число полных оборотов фиксируется на специальном барабане (2), его шкале, которая видна в прорезе.
В прогибомере ПМ-3 вместо фрикционной передачи предусмотрена зубчатая, которая исключает проскальзывание, как это было у предыдущей модели, но обладает некоторым люфтом, обусловленным зазорами между зубьями.
Прибор состоит из металлического корпуса, в передней части которого под стеклом имеются три шкалы: большая шкала показывает прогибы в долях мм; малая левая - в см; малая правая - в мм. Внутри корпуса имеется система шестерен.
Шестерня 5 насажена на ось стрелки, показывающей прогибы в см и соединена с роликом 4. Ролик выступает с тыльной стороны корпуса и на него перематывается проволока, устанавливающая связь между конструкцией и прогибомером. На общую ось насажены также шестерни 6,7, показывающие деформации в мм. Одновременно шестерня 5 находится в зацеплении с малой шестерней 6. Сидящая на одной с ней оси шестерня ведет шестеренку 8, на ось которой насажена стрелка большой шкалы, имеющей 100 делений.
Точность измерения - 0,01 мм, диапазон - 100 мм.
Для устранения холостого хода - люфта, шестерня 5 сделана двойной - одна закреплена наглухо на оси, вторая насажена свободно. Между этими шестернями имеется распорная пружина, которая стремится повернуть шестерни навстречу друг другу, благодаря чему шестерни 5 и 6 постоянно находятся в контакте с люфт исключен.
Прогибомер винтом 1 закреплен к пластине, которая может крепиться к треноге или непосредственно к струбцине.
В металлическом корпусе 1 под стеклом имеется шкала делений, в центре которой имеется стрелка 2. В пределах большой шкалы имеется малая шкала с центральной стрелкой. Через корпус проходит металлический стержень 7, который может перемещаться. На средней части стержня нарезаны канавки, в которые входят зубцы малой шестеренки. На ось этой шестеренки насажена шестеренка большего диаметра 4, связанная с нижележащей маленькой шестеренкой 6, на оси которой насажена большая стрелка 2.
Во избежание люфта в приборе предусмотрена дополнительная шестеренка 8, находящаяся в зацеплении с шестеренкой 6. Спиральная пружина 9 связана с шестерней 8, все время поддерживая стержень 7 в крайнем положении и обеспечивает постоянное зацепление зубьев шестеренок. При нажатии на стержень в противоположном направлении он преодолевает сопротивление пружины и перемещается, приводя в движение все шестеренки и одновременно обе стрелки.
Коэффициент передачи шестеренки подобран так, что передвижению конца стержня на 1 мм соответствует поворот большой стрелки на 360о. Цена деления - 0,01 мм (0,002 и 0,001 мм). Ход штока 10 мм, 2 и 1 мм.
Индикаторы характеризуются сравнительно высокой точностью измерения деформаций (0,01 - 0,001 мм), небольшими габаритными размерами (диаметр корпуса 55 мм) и малой массой 150 г. недостаток - малый ход штока - 10 мм без перестановки.
Прогибомер Емельянова. Прибор имеет точность измерения деформаций 0,01 мм и неограниченный диапазон измерений.
Состоит из корпуса 1 в виде цилиндрической коробки, которая поддерживается стержнем 2, закрепляемым в струбцине. На стержне 2 на двух шарикоподшипниках вращается шкив 3 , наглухо соединенный с шестерней 4. Эта шестерня сцеплена с трубкой 5, сидящей на одной оси с шестерней 6, в свою очередь сцепленной с трубкой 7, на оси которой насажена стрелка 8.
Прибор соединяется с конструкцией аналогично прогибомеру Максимова.
Тензометры.
приборы, измеряющие линейные деформации (укорочение, удлинение) называются тензометрами. Измерение линейных деформаций происходит на определенном участке элемента, который называют базой тензометра. Деление величины полученной деформации на базу прибора дает относительную деформацию, величина которой необходима при расчете напряжений.
Требования к тензометрам:
Þ Конструкция тензометра должна позволять измерять величину базы.
Þ Прибор должен давать увеличение деформаций.
Þ Коэффициент увеличения должен быть таким, что обеспечить необходимую точность измерения деформаций.
Þ Масса и габаритные размеры тензометра должны быть по возможности минимальны.
Þ Центр тяжести прибора должен быть приближен к поверхности испытуемого элемента для большей его устойчивости.
Тензометры бывают: механические, электромеханические, струнные (акустические) и электротензометры - тензорезисторы.
Тензометр Гугенбергера (механический).
Находят широкое применение в практике испытаний конструкций и сооружений.
Состоит из корпуса (8) со шкалой (9) и рычажной системы. На исследуемый элемент он опирается в двух точках: конусом (7), призмой (6). С призмой жестко соединен подвижный рычаг - 4. Конус - 7 наглухо соединен с корпусом, с верхним концом которого шарнирно соединена стрелка - 10. Стрелка при помощи горизонтального рычага - 2 шарнирно соединена с подвижным рычагом - 4. Пружина - 3 служит для устранения холостого хода. 5 - стопорный рычаг. 1 - ползунок.
Тензометром измеряются деформации волокон на участке L между конусом - 7 (неподвижная точка) и призмой - 6 (подвижная точка).
Точность измерения - 0,001 мм.
База тензометра (без удлинителя) равна 20 мм. Число делений на шкале - 50 (50 мкм). Отсчет берется по совмещенному отражению стрелки в зеркальце и стрелки.
Тензометр на испытуемый элемент закрепляют струбциной.
Измеряемая деформация вычисляется так:
где 
- увеличение прибора, равное 1000.
- разность отсчетов по шкале.
m - цена одного деления шкалы.
Удлинители базы 20 - 250 мм.
Тензометр характеризуется сравнительно большой точностью измерения деформаций (0,001 мм), малыми габаритными размерами и массой, возможностью изменения величины базы, сравнительно низким расположением центра тяжести.
Недостатки: требует осторожного обращения, что затрудняет работы в полевых условиях; при измерениях деформаций более 50 мкм стрелку необходимо переставлять; в полевых условиях его следует оберегать от ветра и дождя.
Кроме упомянутого тензометра существует целый ряд тензометров других типов (электромеханический тензометр Аистова, струнные тензометры, индуктивные и проволочные тензометры).
4. Электрические тензометры (тензорезисторы + регистрирующая установка).
Электрические тензометры принадлежат к группе приборов, в которых для измерения деформаций использована зависимость между деформацией и омическим сопротивлением.
Определение деформаций электрическим тензометром можно осуществлять при действии статических и динамических нагрузок.
Электрический тензометр состоит из двух элементов: тензорезистора и регистрирующей аппаратуры. Тензорезистор наклеивается на испытуемую конструкцию и после приложения нагрузки деформируется вместе с ней. Изменяющееся сопротивление его фиксирует регистрирующая аппаратура.
Рассмотрим отдельно принципы конструирования тензорезисторов и применяемую регистрирующую аппаратуру.
А)Тензорезисторы.
Тензорезисторы изготавливают из угля или металлической проволоки. В настоящее время почти во всех случаях изготавливают из проволоки.
Одной из основных характеристик тензорезистора является отношение относительного сопротивления 
к относительной деформации 
, которое называется коэффициентом тензочувствительности и представляет собой безразмерную величину
где R - номинальное омическое сопротивление тензорезистора (ом).
R - приращение сопротивления тензорезистора при изменении длины на 
.
L - рабочая длина (база) тензорезистора.
Изменение омического сопротивления проволоки происходит вследствие изменения ее длины и диаметра при деформировании.
Рабочей частью тензорезисторов является либо одна нитка, либо совокупность нескольких ниток в виде зигзагообразной решетки, к концам которой присоединены выводящие провода из меди диаметром 0,15 - 0,3 мм.
Для изготовления решетки тензорезистора применяется проволока с высоким электрическим сопротивлением - константан (60% меди и 40% никеля) диаметром 2 - 50 мкм.
К проволоке предъявляют следующие требования:
· Наличие линейной зависимости между удлинением и относительным изменением сопротивления в возможно более широкой области.
· Большая величина отношения между относительным изменением сопротивления и относительным удлинением (коэффициент тензочувствительности).
· Отсутствие гистерезиса.
· Высокое удельное сопротивление, позволяющее получить при заданном диаметре проволоки большое сопротивление на единицу длины проволоки и, следовательно, высокую чувствительность тензорезистора.
· Малый термический коэффициент удельного сопротивления.
· Одинаковый с материалом исследуемой детали линейный коэффициент теплового расширения, так как при наличии этой разницы в проволоке возникают температурные напряжения при колебаниях температуры, что приводит к погрешности измерения.
· Малая термоэлектродвижущая сила по отношению к меди, так как при статических измерениях и питании тензометра постоянным током наличие термоэлектродвижущей силы может искажать результаты измерений.
· Хорошая свариваемость и легкость пайки, хорошая обрабатываемость.
· Независимость характеристик проволоки от предварительной обработки для возможности выдерживать узкие допуски при изготовлении тензорезисторов.
Константан обладает почти всеми достоинствами. Также применяется проволока с содержанием 65% Ni, 20% Fe, и 15% Cr. При динамических испытаниях применяют проволоку "изоэластик" (52% Fe, 36% Ni, 8% Cr, 3,5% Mn, Si, Cu, V, 0,5% Mo).
Наивыгоднейший диаметр проволоки - 0,02 мм.
В тензорезисторах из фольги вместо проволоки круглого сечения используется тонкая лента фольги из сплава меди с никелем. Лента может иметь прямоугольное поперечное сечение размером 0,0125 х 0,25 мм. Так как площадь такой ленты на порядок больше площади поперечного сечения круглой проволоки (0,02 мм), то сопротивление тензорезистора из фольги примерно в 10 раз меньше сопротивления проволочного тензорезистора.
Основание тензорезистора служит для механического закрепления проволоки и для электрической изоляции ее от деталей, на которые наклеивается тензорезистор.
Требования к материалу основания тензорезистора:
· Отсутствие гистерезиса.
· Отсутствие ползучести.
· Нечувствительность к действию сырости.
· Стойкость при нагревании.
· Хорошая склеиваемость.
· Гибкость.
· Механическая прочность.
· Хорошие изолирующие свойства.
Всем этим требованиям, кроме п.п. 3 и 4, очень хорошо удовлетворяет бумага. Поэтому в условиях нагрева до 700С можно использовать тензорезисторы с основанием из бумаги толщиной 0,05 мм.
Требованиям п.п. 3 и 4 очень хорошо удовлетворяют пластмассы типа лаков, из которых изготавливают основание тензорезисторов. Тензорезисторы с таким основанием пригодны до температур 1500С, однако требованиям п.п. 5 и 6 они удовлетворяют хуже, чем бумага.
Часто бумагу пропитывают смолой (фенольной - 150-2000С - бакелитовые тензорезисторы). Применяют пленку из эпоксидной смолы толщиной 0,05 мм (1400С).
При очень высоких температурах 78000С проволоку без основания накладывают непосредственно на деталь, закрепляя спеццементом, например, "задерейзен".
Клей назначается для крепления проволоки к основанию и тензорезистора к детали. Требования к клею:
· Отсутствие гистерезиса.
· Отсутствие ползучести.
· Нечувствительность к воздействию сырости.
· Стойкость при нагревании.
· Прочность.
· Малая химическая активность.
Выводные проводники должны обеспечивать надежное присоединение к проволоке тензорезистора и обладать достаточной механической прочностью (0,15 - 0,3 мм).
Проволочный тензорезистор в целом как составная конструкция должен удовлетворять следующим требованиям:
· Размещение большого числа петель проволок на малой площади для измерения деформаций на малой площади (в точке).
· Хороший отвод тепла от проволоки к исследуемой детали для возможности питания тензорезистора током, достаточным для обеспечения высокой чувствительности.
· Тензорезистор должен обладать малой чувствительностью к удлинению в поперечном направлении.
· Обеспечение защиты проволоки от механических повреждений.
· На тензорезисторе должны иметься разметочные линии, указывающие расположение проволоки.
· Тензорезистор не должен требовать длительной подготовки к использованию.
· Должен быть прост в изготовлении.
· Верхняя граница измеряемых частот должна быть достаточно высокой.
В соответствии с различным расположением проволоки на плоском основании различают следующие типы тензорезисторов:
§ С параллельной решеткой (многопроволочные).
§ С плоской катушкой.
§ С одиночной проволокой.
§ Тензорезистор напряжения.
§ Тензорезистор с поперечными перемычками.
Наибольшее распространение получили многопроволочные тензорезисторы (рис. "а"). Они обеспечивают сравнительно малую величину базы при большом значении омического сопротивления.
Омическое сопротивление тензорезисторов при статических испытаниях применяется от 100 до 400 ом.
Коэффициент тензочувствительности в зависимости от материала проволоки равен 1,8 - 2,2.
Основные размеры тензорезисторов в целях унификации размеров нормированы - 5; 10; 20; 30; 50; 75; 100 и 200 мм. При испытании металлических конструкций используют тензорезисторы с базой до 50 мм; бетонных и железобетонных - 50 - 200 мм.
Масса тензорезистора примерно равна 0,01 г.
Некоторые специальные тензорезисторы выпускает МИСИ в основном для научно-исследовательских целей (см. вкладку). Специфика тензорезисторов МИСИ позволяет расширить область их применения и измерять деформации весьма низкомодульных материалов, а также регистрировать упруго-пластические деформации в зонах с высоким градиентом напряжений.
Особое внимание следует уделять технологии наклейки тензорезистора на испытуемую деталь.
Б)Регистрирующая аппаратура.
Для регистрации омического сопротивления тензорезисторов при их питании переменным током (или постоянным) применяются мостовые схемы.
На рисунке 5.6 приведена принципиальная схема электроизмерительной установки, работающей по принципу моста Уитстона.
В одну диагональ ВД моста включен регистрирующий прибор, а в другую АС - источник тока. Тензорезистор, наклеенный на конструкцию, включен в одно из плеч моста (Rа). Во второе плечо включен компенсационный (температурный) тензорезистор Rк; он наклеен на такой же материал, что и Rа, но этот элемент не подвержен нагрузкам.
Rа и Rк устанавливают близко друг от друга. Так как они включены в смежные плечи моста, то нарушение температурного режима, соответствующего изменению деформаций - сопротивления, не вызовет его разбаланса.
Измерение показаний тензорезистора осуществляется:
1. Методом непосредственного измерения.
2. Методом нулевого измерения.
1 метод - применяется при статических и динамических испытаниях. В этом случае изменение омического сопротивления, Rа, вызванное деформацией его решетки, определяется по изменению тока в диагонали моста ВД. Применяется неуравновешенная схема моста.
2 метод - применяется только при статических испытаниях. Изменение омического сопротивления (в ом) Rа определяют по реохорду.
Значения измеряемых деформаций в относительных единицах зависят в основном от материала конструкции и задач испытания, в большинстве случаев они меняются от 1х10-5 до 1х10-1. Для столь чувствительных измерений применяют электронные усилители.
Для регистрации омического сопротивления применяются приборы: с ручной балансировкой ИД-2; ИД-62; ИСД-2; ИСД-3 и др.; автоматические ЭИД-3, ЭИД-3М, АИ-1, АИ-2, АИД-1М, АИД-2М и др.
АИ-1 и АИ-2. Предназначены для измерения деформаций при действии статических нагрузок. Диапазон измерения деформаций равен 1х10-2, цена деления - 1х10-5. При измерении деформаций применяются тензорезисторы сопротивлением не более 400 ом, коэффициент тензочувствительности которых может меняться в пределах 1,8 - 2,25. Один полный оборот стрелки (на 3600) происходит на 1,5 сек. Питание от переменного тока, масса - 9 кг. Имеется переключатель для измерения напряжений одновременно в нескольких точках (поочередное включение).
АИ-2 - измерение статических деформаций 1х10-1 с использованием тензорезисторов сопротивлением 80-250 ом и коэффициентом тензочувствительности 1,8-2,2.
АИД-1М - предназначен для статических испытаний с измерением деформаций в одной или нескольких точках. Для этого имеется коммутирующее устройство.
Измерение деформации электротензометрами имеет следующие достоинства:
1) Малые габаритные размеры.
2) Малая масса тензорезисторов.
3) Стабильность показания тензорезисторов.
4) Возможность установки тензорезисторов в труднодоступных местах и дистанционное взятие отсчета.
5) Сравнительная дешевизна тензорезистора.
Недостатки:
1) Релаксация проволоки и клеевого шва.
2) Однократное использование тензорезистора.
3) Невозможность использования тензорезистора после тарировки.
4) Результаты тарировки небольшого числа тензорезисторов распространяются на всю партию.
Компараторы.
Применяются при длительных статических испытаниях - прибор сравнения.
Измерение деформаций компаратором производится следующим образом: на поверхность исследуемого элемента наносят две риски, на расстоянии (базе) друг от друга 250, 500, 1000 мм.
В комплект компаратора входят стержень, изготовленный из материала с низким коэффициентом линейного температурного расширения, например, сплав Н-36 ("инвар") 
. На нем нанесены две риски. На испытуемом элементе на расстоянии, примерно, равному эталону, наносят два штриха.
Сначала компаратор устанавливают на эталонный стержень и берут отсчет. После этого измеряют расстояние между рисками на конструкции. Устанавливают первоначальную разность 
. Затем конструкцию загружают, находят 
от действия сил. Разность 
и будет искомой деформацией.
Компараторы могут быть: оптические и механические.
Литература: Д.Е. Долидзе "Испытание конструкций и сооружений".
Клинометры.
Приборы для измерения углов поворотов, сечений или отдельных элементов конструкций (балок, ригелей, колонн или конструкций в целом).
Существуют: рычажный клинометр (лаб. ЛИСИ); клинометр Столпани; клинометр Н.Н. Аистова.
Сдвигомеры.
Измеряются деформации сдвига.
Простейшие способы: штангенциркулем (низкая степень точности); индикатором (отсчет до загружения и после).
Специальные приборы: тензометр-сдвигомер Н.Н. Аистова, сдвигомер Штейгера.
Дата: 2019-02-02, просмотров: 683.
