Исследование напряженно -деформированного состояния конструкций электротензометрическими методами

Цель работы: Ознакомиться с методами и средствами электротензометрирования инженерных конструкций.

Задачи работы:

1.Восстановить методики измерения сопротивления проводников при помощи электросхемы.

2.Ознакомиться с чипами тензорезисторов и правилами их установки при различных испытаниях.

3.Освоить методику измерения деформаций при помощи тензорезисторов

01. Общая часть

В связи с усложнением формы и условий работы инженерных конструкций, возрастает значение экспериментальных методов определения напряжений и деформаций. Для замера деформаций твердых тел, возникающих под действием различных нагрузок, используются специальные приборы, называемые тензометрами. Существуют различные типы тензометров: механические, оптические, струнные, пневматические, гидравлические, электрические. В настоящее время широкое применение получил метод тензоизмерений с применением тензорезисторов (датчиков сопротивления).

Достоинства тензорезисторов:

малые габариты и вес позволяют размещать тензорезисторы в самых труднодоступных местах;

абсолютная безинерционность дает возможность применять их как при статических, так и при динамических испытаниях практически в любом частотном диапазоне;

высокая стабильность позволяет использовать их в различных преобразователях механических величин;

высокая чувствительность позволяет улавливать очень малые деформации;

возможность обеспечить массовое тензометрирование в достаточно большом числе точек при дистанционном и автоматическом сборе измерительной информации в форме, удобной для обработки на ЭВМ.

Недостатки тензорезисторов:

механический контакт тензорезистора по всей длине с поверхностью детали делает его чувствительным к неоднородности материала и деформации, к трещинам, неровностям, увлажненной поверхности;

более сложные условия работы тензорезисторов, чем у тензометров с фиксированной базой, намного повышают требования к их монтажу и защите.

Но отмеченные недостатки не окажут существенного влияния на конечные результаты при правильной организации эксперимента.

02. Физические основы работы тензорезисторов

Тензорезистор - датчик омического сопротивления, служит для восприятия деформаций и является основной частью электротензометра (рис. 3.1).

Рис.3.1

Тензорезистор состоит из тензочувствительного элемента 1 в виде петлеобразной решетки из тонкой нихромовой или константановой проволока диаметром от 0,02 до 0,03 мм или такой же фольги. Чувствительный элемент может быть изготовлен также в виде монокристалла полупроводникового материала. Длина l петли называется базой тензорезистора. Чувствительный элемент 1 прикрепляется к основе 2 из изоляционного материала (бумага, лаковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего (клея, цемента). К концам проволоки припаиваются два вывода из медной проволоки 3 диаметром 0,1... 0,2 мм, служащие для соединения тензорезисторов с измерительной схемой. На объекте исследования основу тензорезистора закрепляют также посредством связующего (клей БФ-2, БФ-4, целлулоидный, циакрин и др.). При деформации объекта тенэорези-стор, наклеенный на его поверхность, будет также деформироваться и электрическое сопротивление тензочувствительного элемента будет изменяться. Электрическое сопротивление проводника, как известно, равно

где  - удельное сопротивление материала проволоки;

l - длина витка (база тензорезистора);

m - количество витков;

F - площадь поперечного сечения проволоки.

Метод электротензометрирования основан на том, что тензорезистор, работая как одно целое с поверхностью детали, получает такое же удлинение (или укорочение), как и испытываемая деталь в месте наклейки тензорезистора. При этом длина проволоки увеличивается на величину 1, а диаметр уменьшается на d . Новы длина и площадь сечения проволоки будут

l₁ = l+l, F₁ =

Вследствие изменения размеров проволоки изменяется ее электрическое сопротивление на величину и новое электрическое сопротивление становится равным

R₁= R + R.

То есть тензорезистор преобразует изменение линейной деформации в изменение электрического сопротивления. При упругих деформациях

d/d =^/ =   

где ^/- относительная поперечная деформация;

- коэффициент Пуассона материала проволоки.

Полагая, что удельное сопротивление материала тензорезистора р при деформации не меняется, найдем отношение

или

Пренебрегая величиной высшего порядка малости ( )² , имеем

Откуда

Учитывая малость величины , по сравнению с единицей, ею можно пренебречь. Тогда

S = 1 + 2- называется тензочувствительностью тензорезистора.

Отсюда видно, что относительное изменение электрического сопротивления тензорезистора пропорционально его относительной деформации.

Так как практически величина .8 очень мала, то требуется замерять весьма малые изменения электрического сигнала. Это требует применения специальной аппаратуры, называемой тензостанцией. Принцип работы тензостанций бывает различным. Благодаря своей универсальности, простоте, большой чувствительности и точности, наибольшее распространение получили мостовые схемы включения тензорезисторов (рис.3.2).

Рис.3.2. Мостовая схема

Мостовая схема состоит из четырех плеч  сопротивлений R₁, R₂, R₃, , R₄, соединенных между собой в виде четырехугольника. В одну из диагоналей схемы включен источник постоянного тока, а в другую гальванометр. Из электротехники известно, что при произвольных значениях R₁,R₂, R₃, R₄ в измерительной диагонали моста появляется ток, который находится по формуле

где I₀ - ток в диагонали питания;

- внутреннее сопротивление гальванометра. Из этой формулы видно, что если

R₁R₄ = R₂R₃, (1)

то тока в измерительной диагонали не будет. В этом случае мост уравновешен или сбалансирован.

В качестве одного из сопротивлений (рис.3.2) в мост включен тензорезистор. Тензорезистор с сопротивлением R₂ наклеен на исследуемую деталь и деформируется вместе с ней. Это рабочий тензорезистор. Но его сопротивление меняется не только вследствие деформации детали, но и при изменении температуры. (Например, константановый датчик, наклеенный на поверхность стальной детали, при изменения температуры на 1°С показывает изменение деформации, соответствующее изменению напряжения на 700 кПа). Для того чтобы исключать влияние температурной деформации на результаты замеров, во второе плечо моста включается однотипный тензорезистор с сопротивлением R₁ (обычно R₁ = R₂ ), который наклеен на вспомогательную пластинку из того же материала, что и данная деталь, но не подвергающуюся деформации. Деталь и пластина вместе с наклеенными на них тензорезисторами находятся в одинаковых температурных условиях, т.е. при изменении температуры окружающей среды сопротивления R₁ и R₄ изменятся на одинаковую величину. При этом равенство (1) не нарушится, мост останется уравновешенным. Тензорезистор R₁ называют компенсационным.

Сопротивления R₁ и R₄ (рис.3.3) выполнены в виде реохорда со скользящим контактом. Стрелка реохорда перемещается по градуированной круговой шкале.

Рис.3.3. Схема включения тензорезисторов в мостовую схему

Наиболее широко распространены равноплечевые мостовые схемы

( R₁= R= R₃ = R₄ =R₀)

Для замера одновременно в нескольких точках детали применяются многоканальные тензостанции, в которых установлено сразу несколько описанных выше схем  каналов.

В современных тензостанциях обычно производится автоматическая балансировка моста и выдача показаний на стрелочные или цифровые индикаторы либо печать.

При нагружении детали сопротивление рабочего тензорезистора R₁ изменяется и условие (1) нарушается. В измерительной диагонали появляется ток, по величине которого и судят о величине деформаций в данной точке. Числовое значение, соответствующее этой деформации, снимается с табло тензостанции.