Часть 3 Приборы и системы для анализа напряженно-деформированного состояния

3.1. Средства натурной тензометрии

При исследовании способности изделий выдерживать различные механические нагрузки проводят как измерения самих нагрузок (сил, моментов), так и измерения деформаций, которые испытывает конструкция изделия или ее отдельные элементы. Область измерений, предметом которой является исследование деформаций, называется тензометрией (от латинского tensus– напряженный).

Одним из наиболее распространенных методов измерения деформаций является метод хрупких покрытий. Тензочувствительное покрытие наносится на поверхность исследуемого объекта. В результате воздействия некоторых усилий объект подвергается деформациям, а на покрытии появляются мелкие трещины. Анализируя места концентрации трещин и их плотность можно восстановить значения деформации в каждой точке объекта. В этом случае пользуются зависимостью между плотностью трещин и величиной деформации, которая снимается с помощью тарировочной балки – сужающегося к одному конце стержня, толстый конец которого жестко закреплен, а к тонкому концу которого прикладывается усилие. На тарировочной балке нанесено то же покрытие, что и на объекте, а величина деформации в каждой точке может быть однозначно определена теоретически по перемещению тонкого конца. Недостатком данного метода измерения деформаций является то, что он применим только для анализа статических деформаций и максимального значения динамических деформаций.

Менее распространен другой метод измерения статических деформаций – метод муаровых сеток, который заключается в нанесении на поверхность объекта мелкой сетки и последующем его фотографировании в нормальном и в деформированном состояниях. При совмещении этих двух фотографических изображений в местах деформаций визуально наблюдается муар – последовательность темных и светлых полос.

Для того, чтобы измерять не только статические, но и динамические деформации, прибегают к использованию информационно-измерительных тензометрических систем, осуществляющих электрические измерения. В качестве первичного преобразователя в таких системах выступает тензорезистор– резистор, меняющий свое сопротивление при деформации.

Ранее уже упоминалось о полупроводниковых (кремниевых) тензорезисторах. Другим типом преобразователей являются проволочные тензорезисторы,представляющие собой размещенную на специальной подложке проволоку (см. рис.3.1). Тензорезистор состоит из тонкой проволоки диаметром 0.015 – 0.05 мм, уложенной в форме решетки между двумя эластичными изоляционными пластинами из тонкой бумаги, или пленками лака. В настоящее время также используется тензорезистор из травленой фольги толщиной 0,005-0,025 мм. Фольговый тензорезистор обеспечивает большую площадь поверхности резистора, и, как следствие, его большую теплоотдачу. Поэтому, повышается допустимая плотность тока, и увеличивается чувствительность тензорезистора.

Так как изменение тензорезистора невелико, то используется мостовая схема включения тензорезисторов с использованием переменного тока. Одна из главных трудностей применения тензорезисторов состоит в их сильной температурной зависимости (близкой по порядку с зависимостью от деформации). Для компенсации этого, в соседнее плечо моста включается идентичный тензорезистор, расположенный рядом с рабочим, но не испытывающий деформации. Подложка закрепляется на исследуемом объекте (приклеивается или приваривается), и при его деформациях происходит изменение длины (растяжение или сжатие) проволоки, что приводит к изменению ее электрического сопротивления. При установке тензорезисторы ориентируют в направлении максимальных деформаций, а если такое направление не известно, то применяют розетку из трех тензорезисторов, установленных под углом 120⁰. П

Рис. 3. 1. Проволочный тензорезистор

одключаются терморезисторы, по мостовой схеме, простейший вариант которой изображен на рис. 3.2. Компенсационный резисторR_К, идентичный измерительному, служит для исключения температурной погрешности, связанной с изменением сопротивления тензорезистораR_Тпри изменении температуры. С помощью подстроечного резистораR1добиваются баланса моста (нулевой выходной сигнал) при отсутствии деформаций. В этом случае выходной сигнал тензометрического моста будет определяться выражением:

Рис. 3. 2. Мостовая схема включения

3.1

Всвязи с определенными трудностями, связанными с построением усилителя постоянного тока для очень слабых сигналов, питание моста часто осуществляется от источника переменного напряжения. В этом случае величина деформации оценивается по амплитуде выходного сигнала (3.1), а ее тип (растяжение или сжатие тензорезистора вдоль базы) - по фазе выходного сигнала. В случае, когда сопротивление тензорезистора увеличивается по сравнению с номиналом, фаза выходного сигнала будет противоположна фазе напряжения питания (положительной полуволне напряжения питания соответствует отрицательная полуволна выходного сигнала).

С

Рис. 3. 3. Схема тензометрического усилителя

хема усилителя, предназначенного для работы с тензорезисторным мостом, питающимся от источника переменного напряжения, показана на рисунке 3.3. Переменное выходное напряжение с тензорезисторного мостаR_Tпоступает на нормирующий усилительНУ, образованный трансформаторным усилителем и усилителем переменного тока. После прохождения масштабирующего усилителяМУсигнальное напряжение поступает на вход фазового детектораФД, на выходе которого появляется постоянное напряжение, соответствующее амплитуде входного сигнала. Знак выходного напряжения определяется соотношением фаз измеряемого сигнала и опорного напряжения, которое совпадает по фазе с напряжением питания.

На выходе этой усилительной схемы стоят фильтр низких частот ФНЧдля подавления помех и дополнительный усилитель мощностиУМ. Установка нуля усилителя осуществляется с помощью делителя на резисторахR1иR2.

В таблице 3.1 приводятся характеристики некоторых серийных усилителей, предназначенных для использования в тензометрических информационно-измерительных системах.

Таблица 3.1.

Модель	ТА-5	8АНЧ-7М	Топаз-1	Топаз-2
Напряжение питания	Переменное 220 В или 110 В	Переменное 220 В или 110 В	Постоянное 10 – 15 В	Постоянное 10 – 15 В
Число каналов	4	8	10	3
Напряжение на мосту	6 В, 7 кГц	7 В или 14 В, 3,5 кГц	Постоянное 9 В	Постоянное 9 В
Максималь- ный выходной ток	35 мА	30 мА	12 мА	12 мА