II. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ,
ОСНОВАННЫЕ НА ПРЕОБРАЗОВАНИИ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ С ПОМОЩЬЮ ТЕНЗОМЕТРОВ И ТЕНЗОРЕЗИСТОРНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
2.1. Тензометры
Тензометры используют для измерения линейных деформаций, а тензорезисторные преобразователи – для измерения перемещений, усилий, давлений, крутящих моментов и других механических величин, контролируемых в процессе испытания. Принцип действия тензометров и преобразователей основан на преобразовании приращения линейного размера, соответствующего базе средства измерения, в какую-либо физическую величину, удобную для усиления и регистрации.
В зависимости от физических принципов, положенных в основу способов преобразования, тензометры делят на пять основных типов: механические, оптические, пневматические, струнные и электрические.
Они нашли широкое применение не только в практике эксперимента, но и в качестве датчиков в системах автоматического управления, используемых в различных отраслях науки.
2.1.1. Механические тензометры
В механических тензометрах осуществляют масштабное преобразование измеряемой деформации в перемещение стрелки вдоль шкалы. Для этого используют рычажные или рычажно-зубчатые передачи, обеспечивающие увеличение в 100 – 2000 раз. Наиболее известен тензометр Гугенбергера с базой 20 мм, абсолютная погрешность не превышает 0,0015%. Корпус тензометра 3 (рис. 2.1) имеет в нижней части поперечину с неподвижной призмой 1. Подвижная призма 12 является одним из концов двухплечевого рычага первого рода 10. Перемещение рычага передается с помощью траверсы 8, зафиксированной на штифтах 5, 9 пружиной 11, стрелке тензометра 4. Стрелка тензометра перемещается перед зеркальной шкалой 2. С помощью винта 6 стрелка устанавливается в нулевое положение. Высокую точность измерений тензометра обеспечивают призмы, исключающие возможность появления люфтов в цепочке масштабного преобразователя деформаций. Данные тензометры обладают высокой инерционностью, поэтому они могут применяться только при статических испытаниях.
Рычажно-зубчатые передачи нашли применение в стрелочных индикаторах, которые могут использоваться в качестве основных элементов тензометров.
Рис. 2.1. Схема механического тензометра Гугенбергера
2.1.2. Оптические тензометры
Действие как
механических, так и оптических тензометров,
основано на масштабном преобразовании
базы с помощью светового луча до
величины, удобной для наблюдения и
регистрации. В этих тензометрах роль
рычага, связанного с подвижной призмой,
выполняет световой луч, по перемещению
светового пятна которого на шкале
отсчитывается деформация. По такому
принципу изготовлен тензометр Мартенса
и другие тензометры, основное различие
между которыми заключается в реализации
различных оптических схем и систем
отсчета показаний. На рис. 2.2 показана
схема оптического тензометра с
автоколлимационной зеркальной системой
отсчета. Неподвижная призма 6 выполнена
вместе с корпусом 1, в котором размещены
шкала 2, окуляр 3 и объектив 4. Поворотное
зеркало 5 укреплено на подвижной призме
7, которая может поворачиваться. При
деформации зеркало, жестко связанное
с подвижной призмой, поворачивается на
угол j,
значение которого пропорционально
удлинению
.
Поворот зеркала вызывает отклонение
отраженного луча от вертикального
направления. При этом световое пятно
перемещается по шкале на
делений. Если угол
мал, то
и можно записать
(
и
– плечи рычага;
– высота подвижной призмы;
– расстояние от точки контакта подвижной
призмы до шкалы). Коэффициент преобразования
1250, погрешность 0,0005%.
Рис. 2.2. Схема оптического тензометра
2.1.3. Струнные тензометры
Принцип действия основан на зависимости частоты собственных колебаний струны от ее натяжения:
, (2.1)
– свободная длина
струны;
– растягивающее напряжение;
– плотность материала струны.
Схема данного тензометра представлена на рис. 2.3. Чувствительным элементом является натянутая струна. Изменение натяжения струны вызывает уменьшение или увеличение действующих в ней напряжений. Измеряя частоту колебаний, можно судить о деформации объекта. Струна 2 из ферромагнитного материала закреплена в подвижной 1 и неподвижной 4 опорах; колебания возбуждаются электромагнитом 3. При прохождении по его обмотке электрических импульсов струна колеблется и возбуждает синусоидальные сигналы, которые снимаются с выводов.
Рис. 2.3. Схема струнного тензометра
Струнные тензометры подвержены температурным погрешностям. К недостаткам можно отнести нелинейность теоретической градуировочной характеристики, а также неудовлетворительную динамическую характеристику.
Наибольшее распространение данные тензометры получили для измерения деформаций в теле крупных гидротехнических сооружений из железобетона в течение длительного времени их эксплуатации.