Измерения деформации

в) проволочные преобразователи или тензорезисторы, основанные на изменении сопротивления тонкой константовой проволоки при ее деформации (предназначаются для измерения деформаций и, следовательно, сил, их вызывающих);

Для измерения деформаций применяются полупроводниковые приборы — тензометры, в основу работы которых положен тензо-эффект. Этот эффект заключается в том, что при приложении давления к полупроводнику с кристаллической структурой происходит изменение его удельной проводимости. Это изменение характеризуется тензочувствительностью т, равной пг= (Др/р)/(Д///), где Др/р — относительное изменение удельного сопротивления полупроводника; Д/// — относительная деформация полупроводника. Тензометры делятся на два типа: тензорезисторы и тензоди-оды. Полупроводниковый прибор, величина сопротивления которого меняется при деформации, называется тензорезистором (табл. 10.1).

Тензометрические преобразователи (тензорезисторы) основаны на явлении изменения сопротивления проводников и полупроводников при их растяжении или сжатии. Их применяют для измерения деформаций, давления, малых перемещений, вибраций и т. п. Для изготовления чувствительных элементов тензо-резисторов используют тонкую проволоку или фольгу из сплавов высокого сопротивления (константана, нихрома и др.), тензочув-

На 10.5, а — в показаны тензорезисторы из проволоки, фольги, полупроводниковой полоски. Для измерения деформаций тензорезистор приклеивают к поверхности исследуемой детали, которая подвергается в работе действию растягивающих или сжимающих усилий. При этом вместе с изменением размера детали изменяются длина и поперечное сечение проволоки или фольги и соответственно изменяется электрическое сопротивление (выходная величина) тензорезистора, который включен в измерительную схему, например мостовую.

Преобразователи деформаций. Тензорезистивные преобразовательные элементы по принципу действия являются преобразователями механических деформаций, поэтому непосредственное применение они нашли в устройствах измерения деформаций. Тензорезистивный преобразовательный элемент Rr ( 6.18, а) той или иной конструкции приклеивается к исследуемому объекту 1 так, чтобы деформация объекта полностью воспринималась тензорезистором. Приклеивание осуществляется по технологии, описанной, например, в [84]. Выводы тен-зорезистора припаивают к контактной колодке 2. Контактная колодка также приклеивается к исследуемому объекту. Для защиты тензоре-зистора от влияния внешних факторов, а также обеспечения устойчивости к механическим воздействиям тензорезистор и монтажную схему покрывают специальным герметизирующим составом.

Теория и практика струнного метода измерения деформаций разработаны Н. Н. Давиденковым [Л. 93] еще в 30-х годах. Типичный пример конструкции струнного датчика для измерения деформаций [Л. 358] изображен на 25-29. Здесь стальная круглая струна / длиной 97,5 мм закреплена по концам с помощью сухарей 2 и винтов 3. Один ее конец через регулировочный винт 4 крепится к корпусу 5, а другой — к рычагу 6. Корпус и рычаг снабжены лезвиями 7, которые при установке датчика на испытуемую деталь (крепление к детали производится струбциной) врезаются в ее поверхность. Затем вращением гайки 8 устанавливается необходимое начальное натяжение струны, которое фиксируется стопорным винтом 9, после чего струна деформируется уже вместе с деталью.

§ 29-1. Методы измерения деформаций и механических напряжений

Для измерения деформаций и механических напряжений наиболее часто используются тензосопротивления (см. § 2-3) и струнные или индуктивные тензометры (см. § 4-3, 25-5).

Проволочные тензометры на бумажной основе, а также фольговые и пленочные тензометры применяются для измерений относительных деформаций et от 0,005—0,02 до 1,5—2%. Свободные проволочные тензометры, закрепленные по концам базы, а также эластичные (см. 7-12) тензометры могут быть использованы для измерения деформаций до 6—10%. Тензосопротивления практически безынерционны и применяются в диапазоне частот от 0 до 100 кгц. Струнные тензометры используются для измерения статических деформаций от 10~3 до 5%.

На 29-3 приведена типичная структурная схема одного канала прибора для измерения деформаций. Измерительный мост М питается переменным напряжением от генератора Г несущей частоты. Модулированный сигнал несущей частоты с измерительной диагонали моста попадает на вхо;; усилителя Ус. Усиленный сигнал демодулируется фазочувствительным демодулятором Д и через фильтр 0 поступает в указатель (вибратор осциллографа) У/с. Цепи усилителя и генератора несущей частоты питаются от источника В. Для периодической поверки чувствительности служит устройство П, которое в некоторых прибора* выполняется автоматическим, а для предварительного уравновешивания моста — устройство Р. Работа и взаимодействие этих узлов прибора подробно рассмотрены в § 16-3.

В случае необходимости измерения деформаций в нескольких точках, прибор снабжается специальным переключателем.

Приборы для электрических измерений отличаются высокой чувствительностью, большой точностью, простотой и надежностью. Благодаря этому электроизмерительные приборы в настоящее время используют для измерения многих неэлектрических величин (например, измерения деформации изделия, его толщины, температуры и т. п.), для контроля и автоматизации различных производственных процессов, а также при экспериментальных исследованиях в различных отраслях науки и техники.

ниже 4-25) подобно тензосопроти-влениям используются для измерения деформации А/ других деталей и когда их естественной входной величиной можно считать перемещение А/. Обычно вследствие массивности своей магнитной цепи (см. 4-24 и 4-26) магнитоупру-гие преобразователи в качестве есте« ственной величины воспринимают значение воздействующей на них силы. В этом случае относительной магнито-упругой чувствительностью материала называют относительное изменение магнитной проницаемости Afi/fi, вызываемое единицей механического напряжения а, т. е. величину

Струнные преобразователи (см. § 25-5) относятся к преобразователям, естественной входной величиной которых является сила, и применяются без каких-либо дополнительных упругих элементов для измерения сил в диапазоне 10~5—10 н. Для измерения сил большей величины (до 0,5—1 Мн) они используются в сочетании с упругими элементами в виде кольда или какой-либо другой формы и работают в режиме измерения деформации. Один из подобных приборов, разработанный Л. Г. Эткиным, описан в § 25-5.

Путем измерения деформации диаметра ферромагнитного кольца при возбуждении в нем магнитного поля можно экспериментально подтвердить правильность формулы Максвелла для натяжения 1см. (4.24)1 и ошибочность формул для натяжения, рассмотренных в гл. 6.

Экспериментальная установка для измерения деформации диаметра сердечника, изготовленная на кафедре электромеханики МЭИ, представлена на 7.1. Сердечник / (его размеры см. в п. 5.3.7), согнутый из полосы электротехнической стали 2013, установлен внутри тороидальной обмотки 2, которая содержит w= 1340 витков и намотана на немагнитный каркас. Каркас состоит из нижнего 3 и верхнего 5 дисков и ряда стоек 4, скрепляющих это диски. Один из зубцов сердечника / закреплен на стойке 4. К другому диаметрально расположенному зубцу сердечника прикреплен немагнитный кронштейн fi, опирающийся на шарнирно закрепленную опору 15. Таким образом обеспечивается свобода деформации диаметра сердечника под действием электромагнитных сил, возникающих при возбуждении обмотки 2 постоянным током. Уменьшение диаметра сердечника AD измеряется с помощью закрепленного на опоре 9 микрометра 10, подвижная часть которого расположена напротив винта 7 в бруске 8, укрепленном на кронштейне 6. Появление электрического контакта между винтом 7 и подвижной частью микрометра 10 приводит к замыканию электрической цепи, в которую входят источник ЭДС 13 и вольтметр 12. Для уменьшения вибраций сердечника под действием различных влияющих факторов установка снабжена гидравлическим демпфирующим устройством, которое состоит из пластины 11, погруженной в сосуд с минеральным маслом 14. Отдельные части установки закреплены на достаточно жестком основании 16.

Приборы для электрических измерений отличаются высокой чувствительностью, большой точностью, простотой и надежностью. Благодаря этому электроизмерительные приборы в настоящее время используют дтя измерения многих неэлектрических величин (например, измерения деформации изделия, его толщины, температуры и т. п.), для контроля и автоматизации различных производственных процессов, а также при экспериментальных исследованиях в различных отраслях науки и техники.

Применение действительного интегрирования не ограничено определенными типами упругого элемента. Оно не требует свободного пространства, находящегося на оси симметрии, и отдельные чувствительные элементы не должны обязательно воспринимать измерительный ход упругого элемента (в свободном пространстве); им требуется измерить относительную деформацию. Эти измерения деформации могут производиться как на поверхности упругого -элемента, так и в его объеме (в специальных отверстиях). Датчик с действительным интегрированием должен иметь возможно больше чувствительных элементов. Это можно реализовать только при наличии таких чувствительных элементов, которые просты и дешевы, просто закрепляются на нужных местах упругого элемента и изготовляются совершенно одинаковыми.

^7 компенсирует изменение чувствительности от температуры; в зависимости от используемых элементов для измерения деформации преобладает температурная зависимость чувствительности, или модуля упругости упругого элемента; в первом случае тензорезистор R? должен иметь положительный температурный коэффициент сопротивления (из никелевой или медной проволоки); во втором случае — отрицательный (термистор); значения ТКС термисторов часто изменяют с помощью последовательно или параллельно включенных постоянных резисторов ( 3.63, б).

Метод длительной твердости позволяет проводить измерения деформации в процессе эксплуатации на небольших одиночных образцах и образцах в цепочку на многообразцовой установке без перерывов испытаний с построением первичных кривых ползучести.

Разработаны также физические методы (рентгеновские и ультразвуковые) определения величины остаточной деформации прямых труб и гибов паропроводов. Ультразвуковой метод может быть использован для измерения деформации отдельных

щий для точного измерения деформации. Согласно РТМ ЮСО.005.007