книги из ГПНТБ / Максимов Л.С. Измерение вибрации сооружений справ. пособие

формациями в которых линейна и не зависит от времени, по значениям главных деформаций можно определить главные нормальные напряже­ ния 0ь 02 и максимальное касательное напряжение тМакс:

Точность вычисления величин деформаций и напряжений по этим формулам зависит от точности определения входящих в них величин и особенно от того, насколько обеспечена в эксперименте пропорциональ­ ность между величинамии dRjR и в. Меры обеспечения необходимой точности будут рассмотрены ниже применительно к различным типам тензорезисторов. Здесь же необходимо остановиться на общих для изме­ рений со всеми типами тензорезисторов вопросах о правильном выборе базы, т. е. длины отрезка, на котором производят измерение деформа­ ций, и о компенсации влияния температуры.

Выбор базы является первым вопросом, который решается в тензо­ метрии. Действительно, например, для измерения деформаций бетона не­ обходимо выбрать базу, в несколько раз (2,5—3) превышающую размер самых крупных заполнителей, использованных при изготовлении бетона, а для исследования распределения деформаций около местных концентра­

производятся с применением розетки тензорезисторов, то база каждого из них должна быть достаточно мала, чтобы все резисторы розетки уме­ стились на площадке, в пределах которой напряжения можно было бы считать постоянными с точностью, заданной для данного эксперимента.

Компенсация влияния температуры является одним из главных усло­ вий обеспечения точности измерений с помощью тензорезисторов. Изме­ нение температуры тензорезистора может происходить из-за изменения температуры окружающей среды или из-за нагрева тензорезистора про­ ходящим через него током. При изменении на одинаковую величину тем­ пературы тензорезистора и конструкции, с которой он деформируется, его сопротивление изменится на величину

142

обычно называют суммарным ТКС тензорезистора. С помощью специаль­ ной термообработки металла чувствительного элемента тензорезистора можно так подобрать а т и Р, чтобы величина ßT была достаточно близ­ кой к нулю {208]. Тензорезисторы с ßT, близкими к нулю, называют само­ термокомпенсированными, оговаривая при этом интервалы а к и At, для которых эта самотермокомпенсация имеет место.

При работе с аппаратурой, имеющей мостовые измерительные схемы, используется также другой метод компенсации влияния температуры, на­ зываемый с х е м н ы м и заключающийся в том, что наряду с основным терморезистором в противоположное плечо измерительного моста вклю­ чают другой тензорезистор с такими же характеристиками, находящийся в тех же температурных условиях, но не деформируемый вместе с кон­ струкцией. Второй тензорезистор называют тер м о к о м п е н с а ц и о н -

его крепят таким же образом, но к недеформируемой детали из того же материала, что исследуемая конструкция, а деталь располагают по воз­ можности ближе к исследуемой конструкции. При этом также частично компенсируются и электрические наводки на измерительные цепи. При измерении одноосных деформаций компенсационный датчик может быть наклеен на ту же конструкцию перпендикулярно основному, что увеличит чувствительность измерительной схемы в (1+р) раз.

Схемный метод термокомпенсации пригоден не только для металличе­ ских, но и для любых других типов тензорезисторов и, по существу, яв­ ляется основным в тензометрии.

В настоящее время наметилось два основных способа использования тензорезисторов:

1)для непосредственного измерения деформаций в изучаемых эле­ ментах конструкций;

2)в качестве параметрических преобразующих элементов в различ­ ных датчиках неэлектрических величин (силы, давления, кинематических параметров вибрации и т. п.), в которых сначала измеряемая величина преобразуется в деформацию какого-либо элемента, а уж эта деформа­ ция измеряется с помощью тензорезисторов.

Чувствительные элементы тензорезисторов делаются из металлов, полупроводниковых материалов, электропроводящих резин или комби­ нированными. Наибольшее распространение получили металлические тен­ зорезисторы, описанные в § 5.2, и полупроводниковые (см. § 5.3). Ре­ зиновые тензорезисторы, по-видимому, весьма перспективные, пока еще находятся в стадии разработки и освоения [248]. Комбинированные тен­ зорезисторы, например резиновые капилляры, заполненные ртутью, или резиновые полоски, обмотанные тензочувствительной проволокой, при­ меняются лишь для специальных целей [59].

143

По конструкции чувствитёлыіые элементы делятся на приклеивае­

мые, закладные и свободные.

Тензорезисторы с приклеиваемым чувствительным элементом обычно представляют собой устройство, в котором чувствительный элемент и электрические выводы, предназначенные для подключения тензорезистора к схеме, укреплены на тонкой подложке из изолирующего материала — бумаги или лака (рис. 5,1, а). Они предназначены для измерения дефор­ маций в поверхностных слоях конструкций, на которые наклеиваются. Эти резисторы получили наиболее широкое применение, выпускаются серийно и потому наиболее доступны; кроме того, из них делаются и закладные.

Закладные тензорезисторы обычно внешне представляют собой бру­ сок из материала с модулем упругости, близким к модулю упругости исследуемой конструкции. Внутри бруска располагаются чувствительные элементы, ориентируемые заранее заданным образом. Эти элементы электрически изолируются от материала бруска, но связаны с ним ме­ ханически так, что деформируются совместно. Закладные тензорезисторы предназначены для измерения деформации глубинных слоев конструк­ ции, куда они устанавливаются при изготовлении последней. Провода для подключения закладных тензорезисторов к измерительной схеме вы­ водятся на поверхность конструкции.

Свободные чувствительные элементы закрепляются лишь по концам базы. Примером такого элемента является тензочувствительная прово­ лока, натянутая между двумя штифтами, укрепленными на деформируе­ мом элементе. Основное их достоинство — повышенная точность при из­ мерении длительных статических деформаций одного знака (из-за отсут­ ствия ползучести клея). Так как в них легко возбуждаются паразитные колебания, искажающие результаты измерений, а изготовление их до­ вольно сложно, эти элементы редко применяются в динамических иссле­ дованиях, причем используются главным образом в качестве упругих

циальную аппаратуру, некоторые типы которой предназначены для стати­ ческих измерений и потому здесь не рассматриваются. Универсальная ап­ паратура, позволяющая измерять статические и динамические деформа­ ции, описана в § 5.4. Там же затронуты вопросы, связанные с использо­ ванием тензорезисторов в качестве чувствительных элементов в датчи­ ках силы, давления и кинематических параметров вибрации.

§ 5.2. М ЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ТЕН ЗО РЕЗИ С ТО РЫ

Для изготовления металлических чувствительных элементов тензоре­ зисторов используются сплавы, имеющие высокий коэффициент тензочувствительности (от 0,5 до 6), низкое абсолютное значение температур­ ного коэффициента электрического сопротивления (ТКС), значение тем­ пературного коэффициента линейного расширения, наименее отличающееся от значения этого коэффициента для материала, на котором производят измерения, и удовлетворяющие ряду менее важных требований {59, 98, 171, 178, 215]. Серийные датчики, выпускаемые в настоящее время, изго­ тавливаются из константана с коэффициентом тензочувствительности 2±0,25 для проволочных и 2,1 ±0,25 для фольговых, ТКС в пределах ±15-

в форме решетки, состоящей из одной или нескольких непересекающихся петель (рис. 5.1, 5.2).

144

Проволочные решетки мотают на специальных станочках, их концы приваривают к медным выводам, все вместе приклеивают к бумажной или пленочной основе и, как правило, заклеивают тонким защитным слоем бумаги или пленки. Такая технология предопределила прямоуголь­ ную форму решетки, наиболее подходящую для измерения одноосной деформации. Проволочные решетки других форм весьма сложны в изго­ товлении и применяются редко [59].

Поскольку в петлях решетки продольные участки проволоки чере­ дуются с поперечными, то проволочная решетка обладает определенной

Р и с . 5.2. Ф орм ы р е ш е то к ф о л ь г о в ы х т ен зо р ези сто р о в

а — 2ФКПА; 6 — 2ФКПД; в - 2ФКРВ; г —t2ФКРГ; д —2ФКМВ; е — 2ФКМГ

поперечной чувствительностью, которая при исследовании одноосной де­ формации просто снижает чувствительность датчика, а при исследовании сложной деформации может, если не будет учтена, привести к искаже­

не учитываться.

Фольговые чувствительные элементы изготавливаются методом фото­ травления, что позволяет придавать им любые формы. Контактные уширения в местах крепления выводов способствуют повышению их механи­ ческой прочности. Уширения на поворотных участках решетки снижают поперечную чувствительность до ничтожно малых величин.

Отечественная промышленность выпускает серийные тензорезисторы общего назначения, указанные в табл. 5.1. В обозначении проволочных тензорезисторов первая буква П — проволочный, вторая буква К — константановый, третья буква П — пленочная основа, Б — бумажная основа, затем база в мм, номинальное сопротивление в ом и буква, указывающая6

чения те же, что и у проволочных, не считая того, что для мембранных вместо базы указан диаметр. Длина для прямых тензорезисторов указана вдоль базы, а для 2ФКРВ — вдоль стороны, на которую выведены контакты.

Для исследования строительных конструкций довольно широко при­ меняются тензорезисторы, выпускаемые заводом опытных конструкций, из­ делий и оборудования Госстроя СССР, приведенные в табл. 5.2.

Поскольку при изготовлении возможен разброс в величинах сопро­ тивления до 20%, то из большой серии, изготовленной из одного мате­ риала и по единой технологии, отбирают группы по 10—30 штук, внутри которых разброс значений не превышает 0,2—-0,4% (указывается в пас­ порте), с тем чтобы для измерений на одном объекте использовать тензо­ резисторы из одной группы. В розеточных и мембранных датчиках раз­

146

В пределах каждой группы среднеквадратичное отклонение коэффи­ циента тензочувствительности от средней величины не превосходит 1—3%, а ТКС — 1—2% (указывается в паспорте). Подбирая проволочные тензорезисторы с определенным ТКС, можно добиться их работы в режиме самотермокомпенсации.

ІО5, что является совершенно недостаточным для динамических исследо­ ваний. Действительно, например, при измерении деформаций на рамном фундаменте турбины, имеющей 3000 об/мин, такое количество циклов набирается соответственно за 3,3 или 33 мин. Недостаточной является также и номенклатура баз. Для измерения на бетонных конструкциях необходимы тензорезисторы с базами 100—150 мм. Их приходится изго­ тавливать самостоятельно или приобретать в организациях, производящих их в больших количествах для собственных нужд или нужд своих ведомств.

Кроме приведенных в табл. 5.1, выпускаются еще и однонитевые малобазные тензорезисторы из литого микропровода, но в динамике со­ оружений они применения не нашли.

Ползучесть и инерционность тензорезисторов зависят главным обра­

твотензорезисторных решеток в многоэлементных тензорезисторах. Буквенные обоз­ начения: П П —проволочный петлевой; ПН — проволочный непетлевой; К — константан: БК — бумага конденсаторная; БТ — бумага тетрадная; П — пленка БФ-2 . Числа после буквенного шифра обозначают: первое — базу, второе — сопротивле­ ние.

к изменению результатов измерения до 1—5% в час, но для измерения динамических деформаций это обстоятельство, как правило, не имеет значения. Опыты по инерционности показали, что при обычном качестве наклейки запаздывания передачи деформаций от конструкции к датчику практически не наблюдается на частотах до 50 кгц. Этого более чем достаточно для нужд динамики сооружений.

Рабочий ток через тензорезистор является величиной, от которой зависит чувствительность измерительной схемы, ибо, как видно из выра­ жений (2.25)—(2.28) и (5.4), ток или напряжение в измерительной диаго­ нали моста или напряжение на выходе потенциометрической схемы прямо пропорциональны напряжению питания и току через тензорезистор. Вопрос о допустимой величине тока тесно связан с условиями отдачи тепла тензорезистором, которая происходит главным образом за счет теплопро­ водности, в зависимости от размеров испытуемой конструкции. Для про­ волочных тензорезисторов, наклеиваемых на металл, эта величина дости­ гает 50 а/мм2, а при покрытии преобразователя байкой или фетром — 40 а/мм2. При наклейке на бетон или для закладных тензорезисторов эту величину рекомендуется снижать еще на 10 а/мм2. Для фольговых тензо­ резисторов допустимая плотность тока в 1,5—2 раза больше, чем для проволочных. Допустимый рабочий ток серийно выпускаемых тензорези­ сторов указывается изготовителем.

Точность измерения деформаций с помощью металлических приклеи­ ваемых тензорезисторов зависит от тщательности их наклейки на иссле­ дуемую конструкцию и ряда других факторов, рассматриваемых ниже.

Тип клея и технологию тензорезисторов выбирают в зависимости от условий эксперимента (материал исследуемой конструкции, влажность, температура, агрессивность среды, продолжительность нахождения в этой среде) и его подготовки (время, имеющееся на подготовку, наличие средств механизации, сушки, прогрева и т. п.), а также от вида дефор­ мации (статическая длительная или кратковременная, динамическая периодическая или импульсная). Наибольшие трудности вызывают изме­ рения длительных статических деформаций, вследствие влияния ползу­ чести клеев, и длительных периодических деформаций, вследствие изме­ нения чувствительности тензорезисторов после нескольких сот тысяч или миллионов циклов нагружения.

Клеи, применяемые при изготовлении и приклейке тензорезисторов, делятся на высыхающие и полимеризующиеся.

Высыхающие клеи — ацетонцеллулоидные применяются при динами­ ческих и кратковременных статических испытаниях, температурах от —50 до 80° С, влажности до 90% и отсутствии агрессивных воздействий. Про­ стейший ацетонцеллюлозный клей имеет следующий состав (в % по весу):

Густой быстросохнущий клей, схватывающийся через несколько ми­ нут и окончательно высыхающий при комнатной температуре через шесть — восемь часов, рекомендован Н. Г. Тисенко:

Клей можно сделать менее вязким, уменьшая содержание коллокси­ лина, но не ниже 8%, с соответствующим увеличением содержания ацетона.

Приготовление высококачественных ацетонцеллулоидных клеев до­ вольно хлопотно, так как коллоксилин надо выдерживать длительные

148

сроки (от года и более) в определенных условиях, затем высушивать до постоянного веса и т. д. (215]. Поэтому обычно эти клеи применяют лишь при многолетних массовых тензометрических работах, либо в случаях, когда удается получить их в организации, ведущей такие работы.

Полимеризующиеся клеи — бакелито-фенольные, кремнийнитроглифталевые, карбонильный, виниловые и др. требуют более трудоемких опе­ раций по наклейке, но обладают меньшей ползучестью и каждый из них дает определенные дополнительные возможности. Их полимеризацию при

промышленностью в готовом виде и при надлежащем хранении в тече­ ние двух-трех месяцев после изготовления обеспечивают особенно высокое качество приклейки. Они нейтральны, не вызывают коррозии металлов, цемента и гипса, устойчивы к действию масел и керосина, но раство­ ряются в ацетоне и спирте.

Клей БФ-2 обеспечивает работу тензорезисторов при температурах от —60 до 180°С, влажности до 95% в сильнокислой (до 20%) среде. Он полимеризуе4ся при температуре 140—160° С в течение 30—40 мин, а при комнатной температуре — двое-трое суток.

Клей БФ-4 обеспечивает работу тензорезисторов при температурах от —50 до 60° С в сильнощелочной (до 40%) среде. Он полимеризуется

и 216 (лак для предохранения наклеенных тензорезисторов от влаги) тоже поставляются промышленностью в готовом виде, полимеризуются при комнатной температуре в течение 12—18 ч и обеспечивают работу тензо­ резисторов при температурах от —50 до +70° С. Для приклеивания тен­ зорезисторов к черным металлам, алюминиевым и магниевым сплавам, бетону, дереву, гетинаксу и ряду других материалов лучшие результаты дает клей № 192т, который к тому же не меняет своих свойств при дли­ тельном хранении: клеевая пленка из него практически не подвергается старению.

К а р б о н и л ь н ы й к л е й приготавливается из карбонильного си­ ропа с 1—3% перекиси бензоила, являющейся катализатором, ускоряю­ щим процесс полимеризации. Перекись перед употреблением подсуши­ вается и растирается в фарфоровой ступке. После этого к ней добав­ ляется сироп, в котором она растворяетя в течение 20—30 мин. Через 40—60 мин после этого клей можно начинать использовать, но через 2—3 ч он становится непригодным. Клей обеспечивает работу тензоре­ зисторов при температурах от —50 до +60° С, устойчив к действию бен­ зина, керосина и масел, но набухает в спирте и ацетоне.

В и н и л о в ы й л а к ВЛ-4 применяется главным образом для на­ клейки тензорезисторов из фольги на пленочной основе, выполненной из того же лака, и обеспечивает весьма высокое (сотни мегом) сопротивле­ ние изоляции между решеткой и деталью. Поверхность конструкции перед нанесением на нее клея нагревается до 70° С и выдерживается при этой температуре в течение часа после наклейки, после чего последова­

чаях [142].

Малую ползучесть обеспечивают клеи В-58 и ВН-15 Института хи­ мии силикатов АН СССР.

149

Весьма перспективным, по-видимому, является новый клей — циа­ крин [249]. Он способствует высокому качеству наклейки, весьма стаби­ лен и технологичен.

Подготовка места для наклейки является одной из самых ответ­ ственных операций, от которой зависит точность измерений. Подготавли­ ваемая поверхность должна быть больше площадки, занимаемой тензорезистором, особенно, если на конструкции имеется слой краски, жиров, или грязи, а также если потребуется защищать резистор от влаги или даже герметизировать.

Первой операцией является очистка поверхности конструкции от ржавчины, бкалины, наплывов цементного молока, краски, жиров и грязи. Она выполняется с помощью простейших инструментов — скребков и на­ пильников, а при массовых работах — абразивных машинок с примене­ нием в необходимых случаях растворителей — ацетона, толуола, бензина и четыреххлористого углерода.

После этого переходят к выравниванию поверхности. На металлах,

т. е. до получения хорошо отшлифованной, но не до зеркального блеска, поверхности. Наличие мелких непараллельных штрихов, заметных на глаз, улучшает прилипание. При слишком глубоких штрихах образуются неров­ ности, проникающие в подложку, в результате чего ухудшается изоляция или вообще замыкаются либо рвутся витки решетки. После механической обработки бетонных поверхностей может потребоваться выравнивание, которое осуществляется тонким слоем жидкого цементного раствора. По­ верхность сырых бетонных и деревянных конструкций временно просу­ шивают нагревом и пропитывают несколькими слоями клея (с хорошей послойной просушкой) или наносят слои эпоксидной смолы. Иногда на­ клеивают на них алюминиевую фольгу толщиной 20—30 мкм. Если поверхность металла, подверженного коррозии, подготовлена заблаговре­ менно, то ее целесообразно законсервировать, покрыв слоем вазелина или солидолом.

Непосредственно перед наклейкой поверхность промывают сначала очищенным бензином (Б-70 или медицинским), затем химически чистым ацетоном и, наконец, химически чистым, полностью обезвоженным спиртом до тех пор, пока очередной ватный тампон, которым производится про­ мывка, не будет оставаться совершенно чистым. Тампон держат пинцетом не только для того, чтобы не портить кожу рук растворителями, но и потому, что жиров, переходящих в растворитель даже с чисто вымытых рук, достаточно, чтобы ухудшить качество приклейки. На промытую по­ верхность не следует дышать, чтобы исключить выпадение влаги. При подготовке поверхности на пластмассе не применяют промывочных жид­ костей, которые могли бы химически воздействовать на пластмассу либо растворить или деформировать ее.

Технологические операции, выполняемые в процессе наклейки, при­ мерно одинаковы для всех клеев. На предварительно подогретые до 20—30° С поверхности конструкции и тензорезистора наносят первый слой клея (грунтовку), дожидаются, пока он высохнет, затем на эти же по­ верхности наносят второй слой клея и прикладывают резистор к поверх­ ности конструкции. Убедившись, что резистор расположен правильно, прижимают его и удаляют излишки клея. При использовании ацетонцеллулоидных клеев грунтовку можно не делать. Прижимать резистор реко­ мендуется через полиэтиленовую пленку, к которой клей не пристает.

В течение всего времени сушки клея резистор прижимается постоян­ ным давлением от 10 до 50 н/см2 в зависимости от его размеров и гу­ стоты клея. Слишком сильное давление приводит к выдавливанию клея «насухо» с образованием воздушных прослоек и плохо проклеенных уча­

150

По данным В. В. Шабарова [160], при больших скоростях воды в ка­ честве пластификатора полиэфир МГФ-9 более стоек, но, к сожалению, он менее доступен. Эту эпоксидную композицию после сушки в тече­ ние 8—10 ч подвергают нагреву до 70—80° С в течение 2—3 ч либо оставляют отверждаться при нормальной температуре на 4—5 суток.

После каждой операции в процессе наклейки и герметизации тензоре­ зисторов рекомендуется проводить измерение их внутреннего сопротив­ ления и сопротивления изоляции между решеткой и металлоконструк­ цией. Обнаружение обрыва или замыкания на конструкцию на доста­ точно ранних стадиях позволяет заменить тензорезистор.

151