Прибор для измерения деформации растяжения

Деформации измеряются тензометрами, тензорезисто- рами, компараторами (деформации сжатия и растяжения) и сдвигомерами (деформации сдвига).

Механические тензометры — это приборы, в которых использован принцип неравноплечего рычага для увеличения небольших деформаций верхнего слоя испытываемого элемента до видимых невооруженным глазом перемещений конца стрелки. В практике применяют тензометры Гугенбергера (рис. 1.5). Основными частями тензометра Гугенбергера являются рычажная система и шкала. На испытываемую конструкцию 1 опираются неподвижная призма 2 и подвижная призма 9, жестко соединенная с рычагом 7. Горизонтальное коромысло 5 передает перемещения стрелке 6, прикреплённой к неподвижному рычагу 3 на шарнире 4.

При деформации А поверхностного волокна испытываемой конструкции на базе I призма 9 и прикрепленный к ней рычаг 7 перемещаются относительно шарнира 4, вследствие чего стрелка 6 показывает приращение длины базы:

=Д1 (Ш) • (5/л) =Ап ‘ т’

где Ап — разность отсчетов на шкале; (Ыф • (8/г) — увеличение прибора, равное 1000; т — цена деления шкалы — 0,001 мм.

База тензометра может изменяться в пределах 20—250 мм с помощью специального удлинителя, входящего в комплект прибора. На шкале прибора расположено зеркало, служащее для достижения постоянного положения глаза наблюдателя при различных отсчетах. При взятии отсчета изображение стрелки в зеркале совмещается со стрелкой; при этом взгляд наблюдателя постоянно перпендикулярен шкале прибора, что уменьшает ошибку при взятии отсчета. Прибор прост в обращении, не требует специальной подготовки персонала для работы с ним

11 — механического Гугенбергера; 6 — электромеханического; / — испытываемая конструкция; 2 — неподвижная призма; 3 — неподвижный рычаг; 4 — шарнир; 5 — коромысло; 6 — стрелка; 7 — по- дпижный рычаг; 8 — шкала; 9 — подвижная призма; 10 — тензоре- аисторы; 11 — упругий элемент; Г — крепления тензометра

Вместе с тем тензометры Гугенбергера требуют тщательной установки призм (без излишнего прижима, но с достаточно плотным примыканием к конструкции), с ними необходимо осторожно обращаться, во время проведения испытаний нельзя прикасаться к приборам во избежание смещения их от первоначального положения.

Несколько более точен электромеханический тензометр, представляющий собой упругий стальной элемент 11, прикрепленный к испытываемой конструкции закладными деталями 12 и деформируемый совместно с ней. Деформации замеряют с помощью тензорезисторов 10.

Наиболее точные данные о деформациях можно получить с помощью электрических тензометров, которые позволяют измерять деформации с помощью электрических параметров (омическое сопротивление, емкость, индуктивность и др.). В основанных на этом принципе электроизмерительных приборах различают две основные части:

тензометр, который деформируется совместно с исследуемым элементом конструкции и преобразует деформацию в изменяемый электрический параметр; г регистрирующая установка, которая регистрирует изменение электрического параметра, причем шкала установки отградуирована в единицах деформаций.

Известны несколько видов тензометров: омического сопротивления, емкостные, индуктивные, пьезоэлектрические, ферромагнитные и др. Применение ряда тензометров требует очень сложной аппаратуры и электрических измерительных цепей. Наиболее широко используются тензометры омического сопротивления, называемые тензорезисторами.

Рис. 1.6. Типы тензорезисторов:

а — проволочный; б — фольговый; в — ж — типы проволочных тензорезисторов (в — петлевые; г, д — беспетлевые; е, ж — розетки); и — л — типы фольговых тензорезисторов; 1 — подложка; 2 — основа; 3 — решетка; 4 — выводы

Распространенные в практике фольговые и проволочные тензс^езисторы представляют собой зигзагообразную решетку из фольги толщиной 0,005—0,01 мм или из тонкой проволоки диаметром 0,02—0,05 мм (рис. Ь6). Фольговая решетка изготовляется вытравлением лишних частей фольги. Проволочная решетка наклеивается специальным клеем на полоску тонкой бумаги, называемую основой. К концу рететки припаиваются выводы, изготовленные из медной про- иолоки диаметром 0,15—0,3 мм или из фольги. Выводы прочно закрепляются на основе, чтобы при натяжении сочинительных проводов, припаиваемых к выводам тензоре- шстора и идущих к регистрирующему прибору, решетка не работала на дополнительные усилия. С целью предохранения от возможных механических воздействий при наклейке тензорезисторов на решетку сверху наклеивается гонкая бумага.

Тензорезисторы наклеивают специальными клеями (индивидуальными для каждого типа тензорезисторов) на подготовленную поверхность конструкции. При нагружении конструкции тензорезистор деформируется совместно с поверхностным слоем конструкции (для обеспечения совместной деформируемости наклейка должна производиться с соблюдением ряда правил). При деформации тензорезистора изменяются длина и площадь поперечного сечения проволоки (фольги) и ее омическое сопротивление (в пределах тысячной доли Ома), что дает возможность замерять изменение сопротивления приборами, построенными по мостовой измерительной схеме.

Все тензорезисторы чувствительны к изменению температуры. С целью устранения влияния температуры на показания тензорезисторов в мостовую измерительную схему вводят компенсационные тензорезисторы. Эти тензорезисторы находятся в совершенно идентичных условиях по ср&внению с активными тензорезисторами, наклеенными па нагружаемую конструкцию, но не подвергаются силовым воздействиям.

Недостатком проволочных тензорезисторов является их поперечная тензочувствительность, так как небольшие участки проволоки в местах перегибов решетки расположены в поперечном направлении по отношению к направлению замеряемых деформаций. Определенную погрешность в результаты вносит и слой дополнительного клея между решеткой и основой. Фольговые тензорезисторы не имеют этих недостатков, так как поперечные участки фольги сильно утолщены.

Наиболее высокочувствительными тензорезисторами (но вместе с тем и наиболее дорогими) являются полупроводниковые тензорезисторы, представляющие собой тонкую пластинку полупроводника с присоединенными к ней выводами. Эти тензорезисторы исключительно чувствительны к изменениям температуры, требуют очень осторожного обращения вследствие хрупкости пластинки полупроводника.

Основной характеристикой тензорезистора является его тензочувствительность, устанавливающая связь между относительным изменением сопротивления и деформацией  в направлении измерения. Коэффициент тензочувствительности тензорезистора c относительным изменением сопротивления и деформацией  в направлении измерения. Коэффициент тензочувствительности тензорезистора.

Значение коэффициента тензочувствительности существенно зависит от материала решетки. В качестве материала проводника для проволочных тензорезисторов используют константан, нихром, элинвар и эдванс; для фольговых — преимущественно константан и нихром, а при работе тензорезисторов в агрессивных средах — сплав титана; в качестве чувствительного элемента в полупроводниковых тензорезисторах применяют монокристаллический полупроводник (обычно германий и кремний) толщиной 20—50 мкм, шириной до 0,5 мм, длиной 2—12 мм. Коэффициент тензочувствительности составляет для проводниковых тензорезисторов 1,9—6, а для полупроводниковых он зависит от наличия примесей и может достигать 200.

Важной характеристикой тензорезистора является его база /, то есть длина решетки или чувствительного элемента (рис. 1.6). Тензорезисторы изготовляют с базой от 1 до 200 мм. В практике испытаний строительных конструкций используют тензорезисторы с базой 5—200 мм, причем выбор базы связан с однородностью материала конструкции и градиентом напряжений в исследуемой области.

На погрешность показаний тензорезисторов оказывают влияние многочисленные факторы: тщательность подготовки поверхности элемента конструкции (особенно бетонной), размер базы измерения, соблюдение правил наклейки, гидроизоляция тензорезисторов, коммутация, проверка сопротивления между решеткой и конструкцией.

Поверхность для наклейки тензорезисторов готовится следующим образом: металлическую поверхность очищают от краски и продуктов коррозии при помощи напильника, затем наждачной бумагой доводят участок наклейки до гладкой блестящей поверхности. Бетонную поверхность очищают от пыли и грязи, заполняют все раковины гипсом, после высыхания затвердевшего гипса участок наклейки снова зачищают шлифовальной шкуркой до получения
гладкой поверхности, обезжиривают ватным тампоном, смоченным в ацетоне или толуоле, промывают спиртом. Затем поверхность покрывают тонким слоем клея, который хорошо высушивают.

Рекомендации по наклейке тензорезисторов зависят от типа тензорезистора, вида основы, вида клея, возможности создания усилия, прижимающего тензорезистор к конструкции в период приклеивания, возможности горячего отверждения клея (что уменьшает его ползучесть). Наилучшая толщина клеевого шва — до 0,2 мм, при этом деформации поверхностного слоя конструкции и тензорезистора равны.

Качество проклейки всей поверхности тензорезистора оказывает большое влияние на погрешность измерений. При наличии непроклеенных мест (что бывает, если после приклейки тензорезистор не прижат к поверхности конструкции) деформация решетки тензорезистора отличается от деформации поверхностного слоя элемента конструкции, и возникают дополнительные погрешности.

Большое значение имеет гидроизоляция тензорезисторов, особенно при испытаниях натурных конструкций, проводимых без укрытия этих конструкций. Хорошие результаты дает изоляция чистым вазелином, воском (они наносятся внутрь рамки из водостойкого материала, наклеенной вокруг тензорезистора), карбинольно-цементной пастой (паста является также хорошей защитой от механических повреждений). При наклейке тензорезисторов на арматуру, расположенную в бетоне, до бетонирования наилучшие результаты дает изоляция тензорезисторов полиэтиленовой рубашкой, выполняемой путем заливки расплавленного полиэтилена в разъемную форму.

Правильная установка тензорезисторов заключается в использовании проводов примерно одной длины, объединении их в равномерно расположенные на конструкции группы, закрепленные от возможных подвижек при помощи временных закреплений (например, пластилиновых шайб), использовании многожильных экранированных проводов, недопущении взаимных перемещений проводов и кабелей во1 .время испытаний во избежание различных наводок.

Рис. 1.7. Мостовые схемы:

а — с использованием метода- отношений; б — с использованием нулевого метода; Ка — активный тензорезистор; Кк — термокомпенсационный тензорезистор; К — реохорд; РА — амперметр; ЗА — переключатель; 1 — испытываемая конструкция; 2 — бетонный кубик

Для измерения деформаций в одном направлении используются одиночные тензорезисторы. При исследованиях плоского напряженного состояния применяют розетки; имеются заранее изготовленные тензорезисторы, на одной основе которых нанесены фольговые тензорезисторы, составляющие розетку, в том числе и компенсационный тензорезистор. Для создания розетки из проволочных тензорезисторов их наклеивают в разнообразных сочетаниях (см. рис. 1.6).

Измерение деформаций производится приборами, построенными по мостовой схеме. Во внешние плечи моста включены активные тензорезисторы с сопротивлением непосредственно воспринимающие деформации конструкции, и компенсационный тензорезистор с сопротивлением А?к, помещаемый в одинаковые с активными тензорезисторами условия в непосредственной близости от них, но не подверженный деформациям. Во внутренние плечи моста включены тензорезисторы с сопротивлениями и /?2. Мост будет сбалансирован (то есть ток в его измерительной диагонали будет равен нулю), если будет соблюдаться условие

#а • #1 = ‘ Я2.

При использовании мостовой схемы применяют два метода измерений (рис. 1.7):

метод отклонений, при котором изменение сопротивления рабочего (активного) тензорезистора определяется по силе тока, возникшего в измерительной диагонали первоначально сбалансированного моста после его разбаланси- ровки при испытаниях;

нулевой метод, когда относительные изменения сопротивления А Я определяют балансировкой моста с помощью включенного в цепь реохорда.

Второй метод является более совершенным и чаще применяется для испытаний. В настоящее время регистрирующие приборы балансируют мост автоматически (табл. 1.2).

Более совершенными приборами являются серийно выпускаемые цифровые тензометрические мосты ЦТМ-3, ЦТМ-5 с выводом на цифропечать. В конструкции этих мостов имеются устройства для ввода в ЭВМ. В КИСИ и НИИСК созданы тензометрические автоматизированные комплексы (ТАК), которые тоже позволяют получать печатные данные и вводить их в ЭВМ для обработки и построения графиков. В Новочеркасском политехническом институте создан автоматический испытательный стенд, в котором весь процесс испытания и обработки информации вплоть до построения графиков автоматизирован.

Для автоматизации процесса измерений и ввода информации в ЭВМ служат измерительно-информационные системы, обладающие быстродействием и позволяющие производить автоматический съем данных при большом числе тензорезисторов (табл. 1.3).

В отдельных случаях применяются другие виды тензометров. Оптико-механические тензометры представляют собой усовершенствованные конструкции механических тензометров и отличаются от первых тем, что в качестве измерительного элемента используется световой луч. Струнные тензометры основаны на свойствах стальной струны изменять частоту собственных колебаний в зависимости от степени ее натяжения (рис. 1.8). Натянутая струна прикрепляется своими концами к элементу, чтобы деформации элемента под нагрузкой вызывали изменение натяжения струны, а следовательно, и частоты ее колебаний. Частота собственных колебаний струны

где /1; /2 — частоты собственных колебаний до и после приложения нагрузки; Е — модуль упругости материала струны.

Рис. 1.8. Струнные тензометры:

1 — струна; 2 — электромагнит; 3 — подвижная призма; 4 — выводы; 5 — регулировочный винт на неподвижной призме

Рис. 1.9. Компараторы:

а — механический; 6 — оптический; 1 — индикатор; 2 — корпус; 3 — инварный брус; 4 — пружина; 5 — ножки; 6 — микроскопы; 7 — пластина с делениями

Для измерения деформаций испытываемых конструкций в течение длительного времени (недели, месяца, года) применение обычных тензометров невозможно, их трудно оградить от сотрясения, влаги, пыли. В таких условиях используются компараторы (рис. 1.9). В отличие от обычных тензометров с помощью компараторов можно измерить деформации, возникшие в материале еще в процессе изготовления, и проследить за изменением их в процессе эксплуатации сооружений.

Для измерений на выбранном участке элемента намечаются две риски, расстояние между которыми равно базе прибора. Аналогичные риски наносятся на эталоне, изготовленном из специального металла с очень малым коэффициентом температурного расширения. Компаратор устанавливается на эталоне, и опоры прибора совмещаются с рисками. Берется отсчет, отвечающий расстоянию сх между рисками эталона. Затем компаратор переносится на исследуемый элемент, где после совмещения опор с рисками берется новый отсчет, соответствующий расстоянию между рисками на элементе с2, и вычисляется разность А/х = сг —

5. с2. После деформации исследуемого элемента под нагрузкой берется второй отсчет, отвечающий изменившемуся расстоянию с3 между рисками на элементе и определяется разность А/2 — Сх — с3. Величина деформации элемента на базе измерения

Следовательно, для определения деформации элемента под нагрузкой нет надобности измерять абсолютные величины сх и с3, а достаточно знать их разность до и после при ложения нагрузки. Известны оптические и механические компараторы.

Деформации сдвига можна замерять механическим сдви- гомером конструкции Н. Н. Аистова. В сдвигомере Аистова использован электромеханический тензометр, который замеряет деформации сдвига между соседними волокнами испытываемого элемента. Для этого прибор прикрепляют к элементу и опирают на него в трех точках двумя призмами и одним конусом. Взаимный сдвиг волокон вызывает перемещение одной опоры относительно других, что и фиксируется тензометром.