§ 3 Тензометры

Определение напряженного состояния строительных конструкций и их элементов является одним из основных вопросов испытания сооружений и конструкций. Значение напряжении определяют в виде произведения относительной деформации на модуль упругости материала конструкции : =Е .

Приборы, измеряющие линейные деформации (укорочения или удлинения), называются тензометрами Измерение линейных деформаций происходит на определенном участке элемента, который называют базой тензометра. Если деформацию, полученную в результате измерения, разделить на величину базы, получим относительную деформацию.

К тензометрам, применяемым при испытаниях конструкций и сооружений статическими нагрузками, предъявляют следующие основные требования : конструкция тензометра должна давать возможность изменять величину базы, так как линейные деформации, как правило, малы, то тензометр должен давать увеличенное зна­чение деформации; коэффициент увеличения должен быть таким, чтобы обеспечить необходимую точность измерения деформации; масса и габаритные размеры тензометра должны быть возможно минимальными; центр тяжести прибора должен быть максимально приближен к поверхности испытываемого элемента, чтобы положе­ние было устойчивым.

Существует несколько разновидностей тензометров. Часть из них используют только при лабораторных испытаниях, а часть— как лабораторных, так и полевых. Различают следующие виды тен­зометров механические, электромеханические, струн­ные (акустические) и элек­трические тензометры со­противления.

Тензометр Гугенбергера принадлежит к группе ме­ханических тензометров и в настоящее время находит широкое применение в прак­тике испытания строитель­ных конструкций и соору­жений (рис 1 12).

Тензометр состоит из корпуса 8со шкалой9 и рычажной системы. На исследуемый элемент он опирается в двух точках; конусом 7 и призмой6. С призмой жестко соединен подвижный рычаг4. Конус 7 наглухо соединен с корпу­сом, с верхним концом кото­рого шарнирно соединена стрелка10. Стрелка при по­мощи горизонтального ры­чага2шарнирно соединена с подвижным рычагом4. Пружина3 служит для устранения люфтов. Имеется также стопорный рычаг5, при помощи которого в нерабочем положении прибор арретируется.

Тензометр измеряет деформацию фибрового волокна элемента, длина которого равна расстоянию lмежду призмой и конусом. При деформации этого волокна в пределах базы ±Δl призма6и вместе с ней подвижный рычаг4в случае растяжения элемента повернется справа налево, при сжатии элемента—слева направо Верхний конец рычага переместится и потянет за собой стрелку/Измеряемая деформация при этом вычислится как

,

где (L / d) (S / r) -увеличение прибора, равное 1000 (см. рис I.12,6), Δn—разность отсчетов по шкале,т—цена одного деления шкалы.

Соотношение рычагов подобрано с таким расчетом, чтобы коэф­фициент увеличения тензометра равнялся 1000. Если база тензо­метра изменится на 0,001 мм,то конец стрелки на шкале пере­местится на 1мм.Одно деление на шкале равно 1мм;если отсчеты на шкале брать с точностью одного деления, то точность измерения деформации будет равна 0,001мм. База тензометра (без удлинителя) равна 20мм,число делений на шкале—50. Это значит, что деформация, соответствующая 50 делениям шкалы, равна 50мкм.

Как отмечали выше, пятидесяти делениям шкалы соответствует величина деформации, равная 50 мкм.В ряде случаев измеряемые деформации строительных конструкций и их элементов больше, чем 50мкм,поэтому возникает необходимость переставлять стрел­ку (что является недостатком тензометра Гугенбергера), для чего на верхнем конце корпуса прибора имеется ползунок 1 (см рис I. 12).

Между поверхностью шкалы и стрелкой тензометра имеется зазор, поэтому при взятии отсчета глаз наблюдателя должен рас­полагаться перпендикулярно плоскости шкалы. В противном слу­чае, при разных позициях наблюдателя по отношению к шкале тензометра одним и тем же деформациям будут соответствовать разные отсчеты по шкале На шкале тензометра имеется зеркало, в котором видно изображение стрелки . Если глаз наблюдателя направлен перпендикулярно по отношению к плоскости зеркала, стрелка совмещается со своим отражением в зеркале, и взятый отсчет при таком положении глаза наблюдателя будет соответст­вовать действительному значению деформации.

Тензометр на испытываемый элемент закрепляют специальным приспособлением — струбциной.

В ряде случаев база тензометра 20 ммбывает недостаточна. Для ее увеличения применяют специальное приспособление—удлинитель (рис 1.13) . Он состоит из пластинки, которая одним концом соединяется с тензометром маленьким болтом, на другом кон­це помещен подвижный опорный конус, передвижением которого достигается изменение величины базы При использовании удли­нителя конус, расположенный на корпусе прибора, поднимается и не соприкасается с поверхностью испытываемого элемента, таким образом тензометр опирается на испытываемый элемент только в двух точках.

Использование удлинителя дает возможность менять значение базы в пределах от 20 до 250 мм.

Тензометр Гугенбергера характеризуется сравнительно большой точностью измерения деформации (0,001 мм),малыми габаритны­ми размерами и массой, возможностью изменения величины базы, сравнительно низким положением центра тяжести Но он имеет и недостатки: требует чрезвычайно осторожного обращения, что весьма затруднительно в условиях полевых испытаний; при изме­рении деформации больше чем 50мкмстрелку необходимо переставлять; при работе в полевых условиях тензометр надо оберегать от ветра и дождя.

Электромеханический тензометр Н. Н. Аистовамодель 2 (ТА-2, ; рис 1.14) состоит из Г-образного корпуса, на котором закреплены все детали прибора. Корпус состоит из трех частей: верхней части вертикального элементаА(рис. 1.15), нижней части вертикального элементаБ,горизонтального элементаВ(станины). В нижней части станины помещены две призмы—неподвижная11и подвиж­ная14,остриями которых тензометр устанавливают на исследуе­мый элемент. Подвижная призма упирается в паз вилки13,кото­рая является продолжением горизонтального элемента Г-образно­го корпуса (рис. 1.16). Подвижная призма14жестко соединена с плоским рычагом3.Верхняя часть Г-образного корпусаАизо­лирована от нижних частейБиВ.Для этой цели между ними….

стр.28-29

…следующие достоинства: малые габаритные размеры, что дает воз­можность устанавливать их в стесненных местах; хорошую устой­чивость; только одну рычажную передачу, что повышает степень надежности и позволяет использовать их в тех случаях, когда конструкция колеблется с малыми амплитудами; без перестановки тензометра можно измерять деформации до 800 мкм. Нарядусэтим тензометр Н. Н. Аистова характеризуется недостатком: при измерении деформации вращение диска происходит вручную, при этом не исключена возможность смещения пера и взятия невер­ного отсчета.

При размыкании и замыкании электрической цепи между кон­цами пера и микрометрического винта тензометров Н. Н. Аистова образуется искра. Эта искра вызывает обгорание мест соприкосно­вения, что увеличивает сопротивление контакта и снижает точность отсчетов.

В механической лаборатории Ленинградского инженерно-строи­тельного института созданы некоторые вспомогательные приборы, которые устраняют появление искры. Из числа их наибольшее распространение получил прибор И Г. Боброва.

Электрические тензометрыпринадлежат к группе приборов, в которых для измерения деформаций использована зависимость между деформацией и омическим сопротивлением.

Определение деформаций электрическими тензометрами можно осуществлять при действии как статических, так и динамических нагрузок.

Электрический тензометр состоит в основном из двух элемен­тов тензорезистора и регистрирующей установки. Тензорезистор наклеивается на испытываемую конструкцию и после приложения нагрузки деформируется вместе с ней. Его сопротивление изме­няется, и регистрирующая аппаратура фиксирует это изменение. Регистрирующую установку ставят обычно на определенном рас­стоянии от тензорезистора.

Для электротензометрии используют как постоянный, так и переменный ток.

При испытании строительных конструкций пользуются тензорезисторами, которые изготовляются или из угля, или из металли­ческой проволоки .В настоящее время почти во всех случаях нахо­дят применение тензорезисторы, изготовленные из металлической проволоки.

Одной из основных характеристик тензорезистора является отношение относительного сопротивления ΔR:Rк относительной деформацииΔ l:l , которое называется коэффициентом тензочувствительности и представляет собой безразмерную величину

,

где R— номинальное сопротивление тензорезистора,ом;ΔR— при­ращение сопротивления тензорезистора при изменении длины наΔl; l—рабочая длина тензорезистора (база).

Изменение омического сопротивления происходит потому, что при его деформации меняется длина и диаметр проволоки.

Рабочей частью тензорезисторов является либо одна нитка (рис I 18, а), либо совокупность нескольких ниток в виде зигзагообразной решетки (рис 1.18,6), к концам которой присоединены выводящие провода 2из медных проволок диаметром 0,15—0,3мм. Тензорезистор изготовляется из проволоки с высоким электрическим сопротивлением (обычно из сплава—константана, манганина) диаметрами 2—50мкм(рис. I 18).

Проволоку тензорезистора (решетку) специальным клеем наклеивают на высококачественную бумагу 3;поверх решетки также наклеивают бумагу. Благодаря наличию верхнего и нижнего бумажных слоев проволока датчика является изолированной.

Наибольшее распространение получили многопроволочные тензорезисторы (рис. I 18,6); они обеспечивают сравнительно малую…

стр.32-33

…Качество приклейки тензорезистора оказывает большое влияние на точность измерения деформации. До приклейки тензорезистора поверхность элемента необходимо тщательно подготовить, Металлическую поверхность очищают (напильником или наждачной бумагой) от краски и коррозированного слоя, затем обезжиривают растворителем (ацетоном или толуолом) и промывают спиртом. Поверхность бетонного элемента очищают от пыли, глубокие раковины заполняют гипсом, зашлифовывают шкуркой и протирают тампоном, смоченным в растворителе, промывают спиртом и наносят тонкий слой клея, который хорошо высуши­вают. На подготовленную таким образом поверхность элемента снова наносят тонкий слой клея и высушивают его в течение определенного времени (бакелит-фенольный клей—15 мини ацетилцеллюлозный—3мин),после чего на нижнюю поверхность тензорезистора наносят тонкий слой клея, накладывают его на поверхность элемента и прикатывают резиновым валиком.

Для приклейки тензорезистора к элементу применяют тот же вид клея, которым проволока наклеена на бумагу. В процессе суш­ки клея для обеспечения должного качества шва необходимо тензорезистор пригрузить (2—4 кГ/см²).

В процессе приклейки тензорезистора его цельность и пригод­ность должны проверяться два раза: первая проверка—цельность проволок—производится тотчас же после его приклейки оммет­ром; вторая проверка—качество изоляции проволок тензорезисто­ра (слоя клея) —осуществляется измерением сопротивления слоя клея мегаомметром. При статических испытаниях сопротивление слоя клея не должно быть меньше 50 Мом.При меньших значениях сопротивления клеевого шва не исключена воз­можность утечки тока, что может исказить результаты из­мерения.

Приклейка тензорезистора требует от исполнителя большого внимания, должной квалификации и соблюдения всех правил при­клейки. Для примера отметим, что при приклейке тензорезистора при низких температурах достаточно, чтобы человек приблизил лицо к поверхности, на которую наклеивается тензорезистор, как влага, которую он выдыхает, оседает на холодную поверхность, что скажется на работе тензорезистора. Имеет значение также толщина клеевого шва, так как при больших толщинах клей может не полностью передавать деформацию элемента или иметь собст­венные деформации, что нежелательно.

Установлено, что хорошие результаты получаются при толщине клеевого шва до 0,20 мм.В таком случае деформации поверхност­ного слоя элемента и тензорезистора равны.

На точность полученных результатов влияет также качество склеивания всей поверхности тензорезистора. При наличии непро­клеенных мест участок проволоки, расположенный над ним, рабо­тает независимо, и величина деформации проволоки отличается от деформации верхнего слоя испытываемого элемента.

Излишнее количество влаги отрицательно действует на работу тензорезистора, она меняет физико-механические и изоляционные свойства бумаги и создает возможность утечки тока.

Существует несколько способов защиты тензорезистора от действия влаги. Ко всем этим способам предъявляются следующие требования : защитное средство не должно вызывать деформации тензорезистора, а также влиять на измеряемый фактор, т. е. меха­ническая прочность защитного материала должна быть возможно минимальной. Одним из простых способов защиты является покры­тие тензорезистора и выводных проводов изоляционным материа­лом При наклеивании тензорезистора ацетилцеллулоидным и ба­келитовым клеями в качестве изоляционного материала можно использовать чистый вазелин и воск.

Еще лучшие результаты дает применение следующего способа защиты. На поверхность исследуемого элемента вокруг тензоре­зистора наклеивают тонкую рамку из материала, не впитывающего воду. Внутренний объем рамки заполняют вазелином. Американ­ская фирма «Филлипс» тензорезистор, приклеенный на поверхности исследуемого элемента по всему своему контуру, рекомендует изо­лировать резиновыми предохранительными покрышками.

Одним из .достоинств тензорезистора является то, что дефор­мации испытываемого элемента измеряются за пределами упруго­сти материала тензорезистора. При этом зависимость между отно­сительными деформациями Δl:l, приращением сопротивленияΔR:Rи коэффициентом тензочувствительностиsлинейна. Это свойство объясняется равномерной деформацией проволоки тензо­резистора—при ее растяжении отсутствием появления шейки и при ее сжатии отсутствием продольного изгиба.

стр.42-43

…имеются вырезы для облегчения его веса, стержня 6,изготовлен­ного из инвара, который соединяется с корпусом при помощи пла­стинчатых пружин 7 и может перемещаться вдоль своей продоль­ной оси.

Компаратор на исследуемую конструкцию опирается двумя конусами 9,из коих левый жестко соединен с корпусом, а правый со стержнем6,на левом конце стержень имеет выступ3,на конец которого опирается шток индикатора4.Цена одного деления шка­лы индикатора равна 0,002мм.

База компараторов, изготовляемых ЛИСИ, равна 250 и 500 мм.

В комплект компаратора входят две пары опорных конусов:

низкие применяются при измерении поверхностных деформаций, высокие (глубинные)—при измерении деформаций арматуры железобетонных конструкций.

Компаратор снабжен пластинкой с двумя цилиндрическими гнездами, расстояние между которыми равно базе компаратора l. В комплект прибора входит также скоба с двумя коническими ост­риями на концах, расположенными также на расстоянии l. Эти конические острия служат для наметки кернов на поверхности испытываемого элемента. По намеченным кернам высверливают конические гнезда глубиной 0,5—1мм. Глубину гнезд подбирают с таким расчетом, чтобы вставленные в них опоры не касались дна, а упирались своими коническими поверхностями в верхние кромки гнезд (рис 127, в). При измерении на поверхностях применяют специальные пластинки из цветного металла, прикрепляемые под ножки прибора цементным или гипсовым раствором.

Измерение деформаций этими компараторами происходит сле­дующим образом: сначала компаратор устанавливают на эталон­ный стержень, для чего конусы компаратора вставляют в соот­ветствующие отверстия эталонного стержня. В этот момент по шкале индикатора берут первый отсчет с₁. Затем компаратор пере­носят на испытываемый элемент и в той же последовательности выполняют указанные выше операции и берут второй отсчетс₂. Вычисляют разность этих отсчетов

Δl₁ = c₂ – c₁.

После этого конструкцию нагружают, повторяют все вышеиз­ложенные операции и определяют разность отсчетов Δl₂.

Искомая деформация элемента

Δl = Δl₂ – Δl₁.