14 Принципы измерений механических напряжений, сил, моментов и давлений
Механические усилия, действующие на различные объекты, разделяются на сосредоточенные и распределенные. Различают сосредоточенные линейно направленные усилия – силы и вращательные усилия – крутящие моменты. Распределенные усилия подразделяются на внешние – давления и внутренние – механические напряжения, возникающие в теле исследуемого объекта. Измерение механических усилий необходимо во всех отраслях народного хозяйства, является необходимой частью многих научных исследований, технологических процессов, медицинской диагностики и др.
Диапазоны измеряемых усилий широки: внутренние напряжения в материалах 0 – 2000 МПа, силы 0 – 109 Н, моменты 0 – 108 Н∙м, давле- ния 0 – 1010 Па.
14.1 Принципы измерений деформации и механических напряжений
Измерение деформаций и механических напряжений применяется при исследовании физических свойств материалов и прочностных испытаниях различных деталей, строительных конструкций и сооружений, а также земной коры и горных пород. В большинстве методов измерений механических напряжений преобразователем воспринимается абсолютное или относительное значение деформации, поскольку естественной входной величиной применяемых при этом преобразователей является перемещение. Измерять механические напряжения можно термоупругим, магнитоупругим, ультразвуковым и фотоупругим методами.
При измерении деформации ее сначала преобразуют в перемещение концов чувствительного элемента тензометра, расстояние между которыми называется базой. При этом используются два метода крепления преобразователя к объекту испытания.
В первом случае преобразователь наклеивается на испытуемую деталь. Недостатками являются разовое использование, большой разброс параметров, неточность градуировки.
Во втором преобразователь, включающий в себя первичный преобразователь (тензорезистивный, индуктивный, электрооптический и др.), прикрепляется к исследуемому объекту при помощи специальных устройств, выполняемых в виде опорных призм, ножевых, щуповых, пружинных, магнитных и других захватов.
Рис. 14.1. Индуктивный тензометр
Перемещение ножевой опоры 2 (рис. 14.1) при деформации испытуемого образца 1 передается сердечнику 3 индуктивного датчика 4, который при помощи струбцины 5 укрепляется на образце.
Достоинством является отсутствие упругого элемента. Погрешность таких тензометров лежит в пределах 0,5 – 1,5 %.
14.1.1 Термоупругий принцип измерения механических напряжений
Принцип основан на термоупругом эффекте, заключающемся в изменении температуры упругого тела при его деформации. Принцип применим только для измерения переменных механических напряжений, так как изменение температуры за счет термоупругого эффекта относительно мало.
Термоупругий принцип не применим для измерения статических напряжений, не дает возможность получения информации о компонентах и направлении исследуемых деформаций.
Основанная на термоупругом принципе измерительная система содержит двухзеркальное сканирующее устройство, обеспечивающее развертку изображения исследуемой поверхности, светоделитель и детектор. Регистрирующее инфракрасное излучение с выхода светоделителя подается в канал регистрации дисплея, который позволяет наблюдать поле двуосного напряженного состояния поверхности исследуемого объекта.