Выполнили: МЕЦЛЕР АНДРЕЙ и

васильев даниил

Тензометрический метод диагностирования

Разрушение любого твердого тела происходит в том случае, если в результате роста субмикроскопических трещин освобождается некоторая энергия , которой достаточно для создания новых трещин. При определенной концентрации субмикротрещин начинается их слияние и происходит образование первоначально микро-, а затем уже и магистральной трещины. Разрушение происходит и в том случае, когда коэффициент интенсивности напряжений превосходит некоторую критическую величину для данного материала.

Таким образом, значения предельных напряжений, которые может выдержать материал, во многом связаны с числом и размерами неоднородностей, которые инициируют пластические деформации, субмикротрещины, микротрещины, магистральные трещины и разрушение.

Диагностирование состояния данных объектов проводиться довольно широким спектром методов, одним из которых является тензометрический метод.

Тензометр — это прибор, позволяющий измерить величину деформации изделия на локальном (базовом) участке. Полученная информация позволяет определять напряжения в изделии, разрабатывать более совершенные конструкции, предупреждать аварийные ситуации.

Тензометры используются для оптимального натяжения полотен ленточных пил, растяжек, стержневой и проволочной арматуры. В строительстве – для определения напряжений внутри железобетонных конструкций зданий, мостов, плотин, наровне с измерителями прочности бетонна. В машиностроении – для контроля наиболее ответственных деталей агрегатов, например, лопаток турбин. В текстильной промышленности – для регулирования натяжения движущейся пряжи, нитей.

Широкий круг задач и условий проведения измерений обусловил наличие тензометров, отличающихся по своему назначению и принципу действия.

 «Старейшими» тензометрами, появившимися в связи с появлением математических методов в исследовании материалов, являются механические. Поэтому рассмотрение принципа действия тензометров начнем именно с них.

Механические тензометры

Принцип работы механического тензометра базируется на прямой зависимости линейного удлинения испытуемого образца от напряжений в его поперечном сечении при действии деформирующей нагрузки.

Рис. 1.Схема механического тензометра рычажного типа.

Механический тензометр  (рис. 1) закрепляется на поверхности образца 1, опираясь на нее двумя призмами 2 и 3. Призма 2 является подвижной и расположена на расстоянии L от неподвижный призмы 3. Расстояние L является базовым. Рычажная система 4 вместе с подвижной призмой 2 воспринимает изменение размера образца при действии деформирующих сил. Она выполняет роль преобразователя незначительного изменения размера L в существенное перемещение указателя 5 по шкале 6. Коэффициент усиления определяется соотношением длин плеч рычажной системы и обычно лежит в пределах от 1000 до 12000.

Преимуществом механических тензометров является простота их конструкции и отсутствие необходимости в дополнительной аппаратуре. Из недостатков следует отметить значительные габариты, небольшое даваемое увеличение, невозможность дистанционного отсчета показаний и трудность измерения деформаций в условиях циклических нагрузок.

Резистивный тензометр

Резистивные тензометры представляют популярную группу универсальных приборов для контроля растяжения или сжатия контролируемого изделия. В качестве чувствительного элемента в тензометрах этого типа используются тензорезисторы. Принцип действия тензорезистора базируется на изменении электрического сопротивления при деформации его вместе с изделием. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки, уложенный змейкой на изоляционной основе. Для увеличения чувствительности в тензометрах используют по несколько тензорезисторов, включаемых по мостовой схеме.

Как и в механическом тензометре, во всех электрических тензометрах измеряется изменение базового расстояния. Тензодатчики встраиваются  в конструкцию элементов тензометра воспринимающих воздействие деформирующих сил.  Одна из конструкций тензометра, широко применяемая в строительстве и горном деле при заливке бетона, приведена на рис. 2.

Рис.2. Тензометр в исходном состоянии (а) и при действии растягивающих усилий (б).

Конструктивно тензометр состоит из мостовой схемы с тензорезисторами в ее плечах. Элементы схемы расположены внутри полого стержня 1 с базой равной расстоянию между силовоспринимающими фланцами 2 и 3 (рис. 2а) Внешние растягивающие силы внутри бетонной конструкции, воздействуя на фланцы, удлиняют стержень. Удлинение равно расстоянию перемещения фланца из положения 2 в положение 4 (рис. 2б). При этом изменяется сопротивление плеч моста и информация по кабелю 5 передается на средства обработки данных.

Преимуществом резистивных тензометров является простота изготовления, высокая точность при низкой стоемости. Недостатком же является изменение начального коэффициента передачи и рабочего коэффициента передачи при изменении температуры.

Струнные тензометры

Чувствительным элементом струнного тензометра служит отрезок стальной проволоки, закрепленной внутри трубки к ограничивающим  торцы крепежными блоками. Принцип работы тензометра заключается в наличии зависимости частоты колебаний проволоки (струны) от ее натяжения.

Устанавливается датчик на поверхности контролируемого изделия путем приварки шаблона, с помощью болтовых соединений или клея. Датчик является изделием многоразового использования. Съем информации с помощью кабеля.

Емкостные тензометры

В емкостных тензометрах роль чувствительного элемента выполняет конденсатор переменной емкости. Принцип работы этого вида тензометров основан на зависимости емкости конденсатора от величины зазора между его пластинами.

На рис.3 представлен один из возможных вариантов емкостного тензометра.

Рис. 3. Схема устройства емкостного тензометра.

Тензометр крепится на объекте контроля 1 посредством точечной сварки 2. Измерительный конденсатор 3 закреплен на ветвях силоизмерительной рамки 4, воспринимающей растяжение или сжатие объекта. Таким образом величина зазора однозначно связана с величиной деформирующей силы. Следует отметить, что эта зависимость носит нелинейный характер.

Индуктивные тензометры

В настоящее время выпускаются индуктивные тензометры двух видов. Первый – это тензометры с опорными призмами и регулируемой базой. Второй – с ножевыми опорами для работы с изделиями стержневого вида. В обеих чувствительным элементом служит катушка индуктивности с подвижным сердечником.

Катушка индуктивности закрепляется неподвижно на объекте. Подвижный сердечник соединен с ним через подвижную призму или нож и изменяет свое положение под воздействием деформирующей силы. Это перемещение приводит к изменению индуктивности или взаимоиндуктивности катушки. Зависимость электрических параметров катушки индуктивности от положения ее подвижного элемента положено в основу работы тензометров этого типа.

Оптический тензометр

оптические тензометры отличаются от механических тем, что вращательное движение второй призмы приводит к изменению положения приклеенного небольшого зеркала - изменению положения светового пятна от отраженного луча на шкале. На этом принципе основаны тензометры Мартенса, Берга и др. Увеличение измеряемой величины иногда достигает нескольких сотен или тысяч раз. Оптические тензометры могут быть изготовлены с большей чувствительностью, чем механические. Их база измерений может быть уменьшена до 2 мм при точности измерений 10 мм. Конечно, при этом используются микроскопы либо специальные системы линз и зеркал. В некоторых приборах такого типа увеличение достигает 10 тыс. раз.

Схема оптического тензометра с фотодиодом: Рычаги 7, ось вращения которых находиться в корпусе тензометра 4, закреплены на образце 6 зажимами 5. На одном из рычагов закреплена считывающая головка 1, в которой размещены источник света и фотодиод, а на другом рычаге прозрачная шкала 3 со штрихами 2. При деформации объекта считывающая головка перемещается вдоль шкалы, а фотодиода поступают на вторичную аппаратуру импульсы, число которых пропорционально деформации.

Оптические тензометры ( катетометры) отличаются большой точностью и вместе с тем сложностью. Их основной недостаток заключается в трудоемкости и периодичности проведения замеров.

Выполнила: Улыбина Светлана

Тензометрический метод

Тензометрия (от лат. tensus — напряженный и греч. metron — мера) — способ измерения напряженно-деформированного состояния конструкции. Базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали с помощью тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры.

Тензометрический датчик (тензодатчик) — это специальное оборудование для измерения деформации конструкции под воздействием какой-то силы (сила тяжести, сила давления).  Под действием силы (веса груза) происходит деформация упругого элемента вместе с тензорезистором. В результате изменения сопротивления тензорезистора, можно судить о силе воздействия на датчик, а следовательно, и о весе груза.

Тензодатчик состоит из (см. Рисунок 1):

1.Упругий элемент - тело воспринимающее нагрузку, изготавливается преимущественно из легированных углеродистых сталей предварительно термообработанные, для получения стабильных характеристик. Конструктивно может быть изготовлен в виде стержня, кольца, тел вращения, консоли. Широкое распространение получили конструкции в виде стержня (или нескольких стержней);

2.Тензорезистор - фольговый или проволочный резистор, приклеенный к упругому элементу (стержень), изменяющий свое сопротивление пропорционально деформации упругого элемента, которая в свою очередь пропорциональна нагрузке;

3.Корпус датчика - предназначен для защиты упругого элемента и тензорезистора от механических повреждений и влияния окружающей среды. Имеет различное исполнение IP (Ingress Protection Rating) в соответствии с международным стандартом IEC 60529 (DIN 40050, ГОСТ 14254-96);

4.Герметичный ввод (кабельный разъем) - предназначен для подключения тензодатчика ко вторичному прибору (весовой индикатор, электронный усилитель, АЦП ) при помощи кабеля. Возможны варианты подключения по 6-ти и 4-х проводной схеме. Тензодатчики комплектуются, кабелями различной длинны, существуют конструкции с возможностью замены кабеля;

Тензометрирование является основным методом исследования прочности, деформативности, надежности конструкций и материалов. Критерием прочности обычно служит напряженное состояние, которое, однако, не может быть оценено прямыми методами. Как правило, напряженное состояние определяется через деформации или какие-либо сопутствующие изменению напряжения эффектами (изменение оптических или магнитных свойств, частотных характеристик и т.п.).

Тензометрические методы объединяют большинство известных способов оценки напряженного состояния, однако чаще под тензометрией понимают совокупность прямых методов и средств измерения деформаций. Для перехода к напряжениям используют специальные зависимости, связывающие напряжения и деформации в упругой и за пределами упругой работы материала.

Тензометрические исследования имеют большое значение вследствие усложнения форм и условий эксплуатации конструктивных элементов, поскольку при этом существенно снижаются точность и достоверность инженерных расчетов.

Тензометрические методы могут быть использованы для решения многих задач связанных с эксплуатацией инженерных конструкций, задач, решение которых аналитическими и численными методами невозможно.

Одно из уникальных изобретений, которое когда-либо изобрело человечество, это тензометры. Они применяются почти во всех отраслях промышленности, там, где использование любого другого датчика просто невозможно.

Тензометр -

        прибор для измерения деформаций, вызываемых механическими напряжениями в твёрдых телах.

Тензометры применяются для измерения линейных деформации поверхностных волокон элементов конструкций при статических испытаниях.

По конструктивному признаку можно выделить четыре разновидности тензометров:

механические, электрические, струнные, тензорезисторные.

струнный: предназначены для измерения деформаций в железобетонных конструкциях. Измерительный сенсор датчика состоит из струнного элемента прикрепленного к специальным фланцам на концах корпуса датчика и вторичного преобразователя в виде электромагнитной катушки.

При нагрузке на конструкцию в ней возникает напряжение, которое вызывает деформацию, то есть изменение ее линейных размеров. При сжимающем напряжении конструкциясокращается,а при растягивающем напряжении—вытягивается.

1.7.2. В области упругой деформации изменение линейных размеров конструкции всегда строго пропорционально применяемойнагрузке. При переходе в область пластичной деформации увеличение нагрузки вызывает постоянную деформациюконструкции.

В основу работы струнноготензометра положен принцип зависимости частоты колебаний струны от степени её натяжения.При деформации конструкции,на которой установлен датчик, изменяется натяжение струны. Натяжение струны прямо пропорционально деформации.

1.7.11. Корпус струнного тензометра состоит из металлической трубки, в ее полость помещена высокопрочная стальная струна. Струна натянута между двумя концевыми блоками,

которые предназначены для передачи нагрузок с наблюдаемой конструкции (блоки привариваются или прикрепляются к конструкции). Посередине корпуса датчика установленаэлектромагнитная катушка для возбуждения колебанийструны и считыванияихчастоты.Кэлектромагнитной катушкеподключен сигнальный кабель,соединяющий тензометр со считывающим устройством, по которому передаются данные сдатчика.

Струнные тензометры

Чувствительным элементом струнного тензометра служит отрезок стальной проволоки, закрепленной внутри трубки к ограничивающим  торцы крепежными блоками. Принцип работы тензометра заключается в наличии зависимости частоты колебаний проволоки (струны) от ее натяжения.

Устанавливается датчик на поверхности контролируемого изделия путем приварки шаблона, с помощью болтовых соединений или клея. Датчик является изделием многоразового использования. Съем информации с помощью кабеля.

В основу работы электрических тензометров положен принцип измерения изменения параметров электрической цепи, например сопротивления, индуктивности или емкости. Электрические тензометры имеют особенное значение при исследовании динамических нагрузок, поскольку электрические тензометры значительно легче выполнить малоинерционными, чем тензометры механические или оптико-механические. Однако и для статических измерений электрические тензометры находят широкое применение

В настоящее время для измерения деформаций при испытаниях сооружений,

строительных конструкций и деталей наиболее широко используются тензорезисторные тензометры, в основу которых положены тензорезисторы различной конструкции. Тензорезисторы предназначены для дистанционных измерений деформаций. Принцип действия тензорезисторов основан на изменении омического сопротивления проводников и полупроводников при деформации.

Сущность тензометрического метода заключается в том, что в процессе нагружения детали измеряются деформации поверхностных волокон. По найденным деформациям на основе закона Гука вычисляются действительные напряжения. Таким образом, исходным является предположение, что материал детали упруг и изотропен. Метод тензометрирования при экспериментальном исследовании деталей машин может быть применен не только в условиях, статических нагрузок, но и в условиях динамических нагрузок, большей частью соответствующих рабочим условиям. В ряде случаев является целесообразным при измерении значительных деформаций изготовлять модель детали в увеличенном масштабе. В этом случае рассматриваемый метод обеспечивает большую точность, измерения.

 Примеры использования тензометров

На рис.4 показаны примеры использования двух типов тензометров.

Рис. 4. Тензометры в работе.

На рис.4 слева показан вариант применения механического тензометра для контроля натяжения ленточного полотна. На рис.4 справа – использование электрического тензометра для контроля несущих конструкций. Появление трещин вызывает скачкообразное увеличение показаний тензометра, что обычно предшествует разрушению материала.