Лабораторная работа № 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ МЕТОДОМ ТЕНЗОМЕТРИРОВАНИЯ.

Цель работы: Ознакомиться с электрическим методом изменения деформаций и тарировкой датчиков омического сопротивления.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ

В настоящее время во всех областях техники для измерения малых деформаций и напряжений широко применяют электрические методы. Электрический метод имеет преимущества перед другими методами: он высоко точен и чувствителен, позволяет измерять деформацию при динамических нагрузках.

Приборы для измерения неэлектрических величин, в частности деформаций, состоят из следующих основных элементов – датчика деформаций, усилителя, измерительного устройства и блока питания, рис.6.

Преобразователь деформаций в электрическую величину является основным элементом измерительного прибора. Тензорезисторные преобразователи это наиболее простые преобразователи. В практике измерения деформаций используются проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.

Конструктивно проволочные тензорезисторы представляют собой спираль (решетку), состоящую из нескольких петель (витков) проволоки, нанесённых на тонкую бумажную или лаковую основу. Сверху спираль зашивают такой же тонкой бумагой или плёнкой (рис.7)

Сжатие или растяжение детали вызывает пропорциональное сжатие или растяжение проволоки тензорезистора, который наклеен на эту поверхность. В результате изменяется длина проволоки, и её поперечное сечение, что приводит к изменению электрического сопротивления.

Исходное электрическое сопротивление проволоки

где ρ – удельное электрическое сопротивление материала проволоки;

S – площадь сечения проволоки;

l – начальная длина деформируемого участка проволоки;

При растяжении сопротивление проволоки увеличится на ∆R и составит R+∆R

Относительное изменение сопротивления тензорезистора определяется соотношением

где ∆l – изменение длины;

∆ρ – изменение удельного электрического сопротивления;

μ – коэффициент Пуассона.

В пределах упругой деформации отношение характеризуется постоянной величиной

где

Величина k называется коэффициентом тензочувствительности тензодатчика.

Наклейку тензодатчиков производят на поверхность очищенную и промытую бензином с помощью клея БФ-2 по специальной технологии.

Изменение сопротивления тензодатчика вызванное деформацией весьма мало и колеблется от единиц миллиома до нескольких десятых долей Ома. Для измерения сопротивления используется мостовая схема, рис.8

R_p – тензодатчик наклеенный на поверхность детали;

R_t – резистор для температурной компенсации.

Мост должен быть уравновешен. Условием равновесия является соотношение

ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

В качестве эталона деформации принимается деформация бруса равного сопротивления (рис.9). В произвольном сечении х такого бруса максимальное напряжение

Относительная деформация в том же сечении на поверхности балки

Из этой формулы видно, что в балке равного сопротивления, напряжения и деформации не зависят от абсциссы.

Рис. 9. балка равного сопротивления

Для замера деформации используется прибор ИДЦ-1. Измеритель деформаций цифровой предназначен для измерения статических деформаций в деталях и узлах машин, строительных конструкций и т.д. при помощи тензорезисторов. Прибор имеет настольное исполнение и его можно применять в любой отрасли науки и техники, где необходимо проведение испытаний и прочность материалов деталей машин. Прибор ИДЦ-1 позволяет измерять деформации в 10 точках, питание осуществляется от автономного батарейного питания или сетевого выпрямителя. Тензодатчики сопротивлением 50 и 100 Ом подключаются с помощью стандартного разъема. Таким разъемом оборудованы все лабораторные установки, требующие тензометрирования. Результаты замера выводятся на цифровое табло прибора.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Из партии датчиков выбирается для тарировки 5…6 штук с допустимым разбросом сопротивления не более 0,1…0,2 Ом.

2. На верхней и нижней поверхностях балки вдоль ее оси размещается положение датчиков, и, с помощью тонкой наждачной бумаги, готовятся под них места. Клеем БФ-2 или БФ-4 наклеивается сразу несколько датчиков.

3. Каждый датчик включается в мостовую схему в качестве рабочего сопротивления.

4. Данные тарировочной балки записываются в журнал испытаний (материал, модуль упругости, форма и размеры, эскиз, допускаемая нагрузка).

5. Балка нагружается ступенчато возрастающей нагрузкой и снимаются показания каждого датчика. Результаты заносятся в таблицу.

Таблица данных опыта.

Нагрузка, Н	Показания прибора ПДЦ 1 для датчиков					Среднее значение показателя прибора ПДЦ при р=10Н
	А1	А2	А3	А4	А5
Р0=5Н
∆Р1=10Н
∆Р2=10Н
∆Р3=10Н
Р=10Н

Таблица определения тарировочного коэффициента.

Длина ,l	Ширина, в(х)	Толщина h	Теоретическое напряжение	Относительная деформация	Тарировочный коэффициент

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как устроен тензодатчик?

2. Что такое балка равного сопротивления?

3. Что такое тарировочный коэффициент?

Лабораторная работа № 8.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПО ВЫСОТЕ СЕЧЕНИЯ БАЛКИ ПРИ ЧИСТОМ ИЗГИБЕ

Цель работы: Аналитически и экспериментально определить распределение нормальных напряжений по высоте сечения балки при частом изгибе.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Известно, что при плоском чистом изгибе балки в поперечном сечении ее возникают только нормальные напряжения. Эти нормальные напряжения могут быть определены па формуле:

где y_i - расстояние от сечения до слоя в котором мы определяем нормальные

напряжения;

I₂ - момент инерции сечения балки относительно оси Z;

Анализируя эту формулу, видим, что при y_i = 0, _i = 0. Очевидно, что в слое совпадающем с центральной осью напряжения равны нулю. Этот слой называется нейтральным.

Если взять у_і равным 1/2 высоты балки, то в этом случае напряжения будут иметь максимальные по абсолютной величине значения. Причем, в верхних волокнах будут максимальные сжимающие напряжения, а в нижних - максимальные растягивающие (рис. 10).

Рис. 10. Эпюр распределения нормальных напряжений по высоте сечения.

ОБОРУДОВАНИЕ И ОБРАЗЦЫ

Испытания проводятся на прессе МС-500 с максимальным усилием 500кН.

Пресс имеет электрогидравлический привод и оборудован динамометром.

Измерение напряжения проводится при помощи измерителя деформаций типа ИДЦ – 1 или цифрового моста ЦТМ-5.

Измеритель деформации цифровой и цифровой мост используются для измерения статических деформаций в деталях и узлах машин, строительных конструкций и т.д. при помощи тензодатчиков сопротивления, включаемых по полумоствой схеме. Эти приборы могут применяться в любой отрасли науки и техники, где необходимо проведение испытаний на прочность материалов, деталей и машин. Прибор ИДЦ-1 позволяет делать замеры в 10 точках, прибор ЦТМ-5 – в 100 точках. Питание приборов автоматическое от батарей или от сети переменного тока. Значения измерений выводятся на цифровое табло.

В качестве образца взята двутавровая балка №16, на которой наклеены электротензодатчики с базой 10 мм. Наклеено 5 тензодатчиков датчики 1 и 5 наклеены на верхнем и нижнем слоях. Здесь напряжения будут максимальными по абсолютной величине. Датчик 3 наклеен в зоне нейтрального слоя и напряжения здесь равны нулю. Датчики 2 и 4 наклеены на участках, где напряжения имеют промежуточные значения. Все датчики соединены стандартным электрическим разъемом, с измерительным прибором.

Балка на прессе устанавливается на специальной подставке на двух роликовых опорах. Усилия на балку передается в 2-х точках. Таким образом в том месте где наклеены датчики имеет место чистый изгиб. (Рис 11, 12)

Рис. 11. Схема расположения электротензодатчиков.	Рис. 10. Схема нагружения балки при чистом изгибе.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Установить образец на пресс, замерить расстояния между опо­рами и местами приложения нагрузки. Включить прибор для измерения деформации. Приложить предварительную нагрузку Р₀, которая принимается за нулевую. Снять показания прибора, которые тоже при­нимаются за нулевые.

Затем делается приращение нагрузки на величину Р_і и также снимаются показания прибора для 5 датчиков. Все данные заносятся в таблицу 1.

Далее производятся вычисление изгибающего момента, возникающего в балке и напряжений в слоях соответствующих местам наклейки тензодатчиков. Эти данные также заносятся в таблицу 1. При расчёте опытного напряжения принять значение тарировачного коэффициента К, найденное в лаборораторной работе №1

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать теоретическое обоснование, схему испытательной машины, схему нагружения образца, результаты исследования и расчетов, эпюры распределения теоретических и опытных нормальных напряжений по высоте балки и оценку погрешности опыта.

Результаты испытания

Таблица

Усилие, Н		Показания прибора ИДЦ, ед (Мi)
		1	2	3	4	5
Р0	M0	960
Р1	M1	965
Р2	M2	970
Р3	M3	980
Рср=
Напряжения опытные
Напряжения расчетные
Погрешность

Где Р – одинаковые приращения нагрузки; которые используются при расчёте напряжений

Е₀, Е_і - показания прибора ИДЦ1 соответствующие нагрузкам; К – коэффициент тарировки; _оn – значения напряжений, полученные в результате опыта; _т – значения напряжений, полученные расчетами.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как определить нормальные напряжения при изгибе?

2. Почему при постановке опыта используется случай чистого изгиба ?

3. Как определяются напряжения в материале балки опытным путем?

4. Как распределяются нормальные напряжения по высоте сечения балки?