9.1. Оптические приборы

Наиболее простой амплитудоизмерительный прибор оп­тического типа - вибромарка. Вибромарка вычерчивается на бумаге в виде треугольника с основанием и длиной и наклеивается на поверхность кон­струкции, совершающей колебания в направлении стрелок (рис. 9.1). При частоте колебаний более 7 Гц четкость ли­ний исчезает и наблюдатель может измерить расстояние l до пересечения сдвоенных треугольников, а затем опреде­лить размах колебаний по формуле .

При установившихся колебаниях вибромарка позволяет приближенно определить амплитуду колебаний от 1 до 20 мм. Для измерения малых амплитуд колебаний порядка 0,1- 0,2 мм на черную бумагу наклеивают тонкую блестя­щую проволоку и освещают ее ярким светом. Ширину раз­мытого изображения проволоки измеряют микроскопом.

Рис. 9.1. Вибромарка

К более совершенным относятся зеркальные и фотогра­фические приборы.

Оптические приборы по сравнению с механическими имеют важное преимущество - безинерционность светового рычага. Принципиальная схема светового рычага (рис. 9.2) дает возможность получить многократное увеличение при ограниченных габаритах прибора. Запись показаний удобно производить на фотобумаге.

К фотографическим методам относятся: фототеневые, фотоэлектронные, скоростной киносъемки и стереофотограм-метрические. В практике испытаний строительных кон­струкций они еще не получили достаточного распростране­ния, но находят применение при испытаниях моделей.

Для измерения амплитуд колебаний высотных сооруже­ний применяются геодезические оптические приборы, среди которых наибольшего внимания заслуживает фотоэлектрическийнивелир, состоящий из лазерного передатчика и приемной станции. Лазерный передатчик устанавливается в неподвижной точке, а приемная станция - в исследуемой. Колебания фиксируются самописцем относительно опорной линии, задаваемой лучом лазера.

Всем перечисленным ранее приборам присущ общий недостаток они регистрируют параметры колебаний конструкций только в заданной точке. Преимуществом обладает фотограмметрический метод, позволяющий наблюдать за колебаниями нескольких точек или конструкции в целом. Однако и этому методу присущи недостатки, применение довольно сложных и дорогостоящих кинофототеодолитов, кинокамер или фотокамер, снабженных телеобъективами с фокусным расстоянием 300 – 1000 мм, а также понижение точности измерений и четкости изображения из-за вибрации самих фотоприборов при съемке.

Рис. 9.2. Запись показаний оптическим рычагом:

1- осветитель; 2- зеркальце с гибкой связью; 3 – барабан с фотобумагой

9.2. Вибропреобразователи и регистрирующая аппаратура

Жесткие требования к виброизмерительным приборам, касающиеся их чувствительности, точности, малой инерционности и массы, скорости измерений и возможности вести наблюдении за конструкцией до разрушения, способствова­ли широкому применению при динамических испытаниях первичных вибропреобразователей. Вибропреобразователь - входное звено электрической цепи дистанционно ра­ботающего прибора. Он преобразует измеряемую величину и другую, эквивалентную ей, которую регистрируют вторич­ным прибором, расположенным на некотором расстоянии от испытываемой конструкции. Механическую величину, воспринимаемую преобразователем, называют входной (входной сигнал), а преобразованную - выходной (выход­ной сигнал). Между этими величинами существует линей­ная или нелинейная функциональная связь. Желательно, чтобы характеристики первичного прибора были линейными.

Первичные вибропреобразователи под­разделяются на пассивные, вырабатывающие при измере­ниях электродвижущую силу, и активные, изменяющие при работе какой-либо электрический параметр, например ин­дуктивность, емкость или сопротивление. Из числа пассивных наибольшее применение нашли индукционные вибро­преобразователи, гораздо реже встречаются пьезоэлектри­ческие.

Индукционный вибропреобразователь состоит из корпуса, инерционной массы и индукционного элемента, ко­торый содержит постоянный магнит и электрическую ка­тушку. Принципиальная схема индукционного преобразо­вателя с осевой подвеской инерционной массы показана на рис. 9.3, а. Для повышения чувствительности прибора к вращательной составляющей колебаний осевую подвеску инерционной массы заменяют маятниковой (рис. 9.3, б).

Пьезоэлектрический вибропреобразователь (рис 9.4) состоит из инерционной массы, пьезоэлемента и металлических обкладок. Работа вибропреобразователя основана на свойстве некоторых веществ (кварц, пьезокерамика) электрически поляризоваться пропорционально приращению механической силы. С их помощью можно измерить параметры быстроизменяющихся динамических про­цессов: давления, перемещения, скорости и ускорения.

В числе активных вибропреобразователей имеются ин­дуктивные, емкостные и резистивные.

Индуктивный вибропреобразователь состоит из од­ной или нескольких катушек индуктивности и ферромагнит­ного сердечника — магнитопровода. За счет изменения зазора в магнитопроводе (рис. 9.5, а) или положения сердечника в катушке (рис. 9.5, б) происходит изменение индуктивного сопротивления катушки и тока цепи.

а б

Рис.9.3. Индукционные вибропреобразователи с подвеской инерционной массы:

а- осевой; б – маятниковый; 1- корпус; 2- магнитный сердечник;

3- электрическая катушка; 4 – маятниковый рычаг

Рис.9.4. Схема пьезоэлектрического вибропреобразователя:

1 – корпус; 2- инерционная масса; 3 – пьезоэлемент; 4- металлические обкладки

По из­менению тока судят о параметрах колебаний. Вибропреобразователи с переменным воздушным зазором имеют вы­сокую чувствительность, при малых перемещениях от 0,1 до 1 мм. При подвижном сердечнике можно измерять перемещения до 60 мм. Для уменьшения помех и повышения точности измерений применяют дифференциальные индуктивные виброобразователи (рис. 9.5, в) с двумя магнитными системами, включенными в противоположные плечи измерительной схемы

Емкостные виброобразователи состоят из метал­лических пластин-электродов, разделенных диэлектриком, и позволяют с большой точностью измерять линейные и угловые перемещения.

Емкость конденсатора зависит от зазора между пласти­нами (рис. 9.5), изменения площади пластин конден­сатора при их взаимном перемещении (рис. 9.6, б) или изменения диэлектрической проницаемости (рис. 9.6, в).

Емкостные вибропреобразователи обладают высокой чувствительностью, однако требуют защиты от посторонних электрических полей, реагируют на изменение температуры и влажности, поэтому для динамических испытаний строи­тельных конструкций применяются редко.

Для измерения перемещений и деформаций наиболее широко применяются резистивные вибропреобразователи.

Резистивный вибропреобразователь, или тензорезистор, закрепленный на конструкции, при ее загружении изменяет электрическое сопротивление в зависимости от деформации.

Рис.9.5. Индуктивные вибропреобразователи:

а – с переменным воздушным зазором; б - с подвижным сердечником;

в - дифференциального типа; 1- якорь; 2- сердечник; 3- обмотка

Тензорезисторы применяются как при стати­ческих, так и при динамических испытаниях конструкций. При динамических испытаниях тензорезистор является первичным прибором, сигнал которого подается на тензоусилитель и записывается вторичным прибором — осцилло­графом. К динамическим характеристикам тензорезисторов относятся: собственная частота, динамическая чувствитель­ность и динамический диапазон измерений. Собственная частота наклеенного тензорезистора составляет 100 - 300 кГц. Динамическая чувствительность тензорезпсторов зависит от их базы и длины продольной волны (рис. 9.7, а). Базу рекомендуется выбирать так, чтобы . В зависимости от конструкции решетки, вида основы и спо­соба соединения выводных проводов динамический диапазон измерений тензорезисторов находится в пределах ¹⁰⁷ -10³ симметричных циклов изменения напряжений. Наи­большей стойкостью отличаются тензорезисторы на пленоч­ной основе с петлевой решеткой из медно-никелевых пластифицированных сплавов. Повышения динамической стойко­сти тонзорезисторов достигают введением разгружающих петель (рис. 9.7, в), отгибом основы за пределами базы (рис. 9.7, б) или креплением выводных проводов под углом к оси решетки (рис. 9.7, г).

Для измерения ускорений и других параметров вибра­ций применяют также тензорезистивные вибропреобразова­тели, состоящие из упругих металлических элементов с на­клеенными в зоне наибольших деформаций тензорезисторами.

Рис. 9.6. Схемы ёмкостных вибропреобразователей

Рис.9.7. К определению базы и способов повышения

динамической стойкости тензорезисторов

Вторичные приборы для динамических испытаний ком­плектуются: усилителями, осциллографами, быстродейству­ющими самопишущими приборами, магнитографами, эпюрографами и вспомогательными приборами. Вибропреобра­зователи, имеющие на выходе сигнал достаточной величины и нечувствительные к изменениям температуры, подклю­чаются к вторичному прибору непосредственно. Если мощ­ность выходного сигнала недостаточна, применяют усили­тели.

Рис. 9.8. Схема включения активного и компенсационного

тензоризисторов при динамических испытаниях:

1 – усилитель; 2 - осциллограф

Тензометрические усилители предназначены для усиления сигналов от тензорезисторов, включенных в полумостовую или мостовую схему (рис. 9.8). Наиболее распространенными являются усилители 8АНЧ-7М, ТА-5 и универсальная тензометрическая станция с внутренней гра­дуировкой УТС-1-ВТ-12. Несущая частота усилителя 8АНЧ-7М -3,5 кГц, ТА-5 - 7,5 кГц, УТС-1-ВТ-12 - 35 кГц. Частота измеряемого процесса должна быть в 5- 7 раз ниже и находиться в пределах 0-7000 Гц.

Каждый из усилителей состоит из автономного или встро­енного блока питания, нескольких однотипных блоков, ге­нератора несущей частоты, указателя выходного тока, тумб­леров, ручек и шлицев включения, настройки, градуировки и балансировки моста. Выходы усилителей рассчитаны на подключение гальванометров светолучевых осциллографов. Принцип работы усилителей заключается в том, что рабо­чий тензорезистор, наклеенный на конструкцию, подключа­ется к прибору и предварительно балансируется при ненагруженном состоянии конструкции. Стрелка гальванометра устанавливается на ноль. При нагружении конструкции вследствие деформации тензорезистор изменяет свое сопро­тивление, происходит разбаланс моста и появляется напря­жение несущей частоты, которое усиливается и подается на фазочувствительный детектор с фоном несущей частоты. Полученный на выходе сигнал пропорционален измеряемой деформации. Этот сигнал подается па миллиамперметр или гальванометр осциллографа. В каждом блоке усилителя имеется переключатель для ступенчатого измерения коэф­фициента усиления. Приборы типа «Топаз» и «Нефрит» - усилители постоянного тока, работают па транзисторах. К усилителю «Нефрит», кроме гальванометров светолучевых осциллографом, могут быть подключены электронные осциллографы и магнитограф.

Светолучевые осциллографы предназначены для визуалынго наблюдения и синхронной записи на фотоленте функций одной или нескольких (до 30). исследуемых величин времени, называемых осциллограммами. Это обеспечивается набором гальванометров с различными собственными частотами и широким диапазоном скоростей дви­жения фотоленты. Ток от первичного прибора проходит по петле или рамке гальванометра и, взаимодействуя с магнит­ным полем, вызывает поворот зеркала пропорционально то­ку. Световой луч (рис. 9.9) проходит через систему линз и отражается от зеркала гальванометра на движущуюся фотоленту. Вращающийся зеркальный барабан дает раз­вертку изображения на экране для визуального наблюдения и позволяет выбрать скорость и масштабы так, чтобы от­дельные осциллограммы, полученные от нескольких гальва­нометров, не накладывались друг на друга и были пригод­ны для последующей расшифровки.

Рис. 9.9. Принципиальная схема светолучевого осциллографа:

1 – лампа; 2 – конденсатор; 3,6 – линзы; 4 – зеркало гальванометра;

5 – гальванометр; 7 – фотолента; 8 – зеркало; 9 – барабан; 10 - экран

Электронно-лучевые осциллографы применяются для визуального наблюдения и фотографирования высокочастотных процессов, когда светолучевые осцилло­графы непригодны. Электронно-лучевые осциллографы С 8-9А, С 8-1 и С 8-12 снабжены запоминающими элек­тронно-лучевыми трубками, обеспечивающими сохранность в течение определенного времени записанного изображения и возможность его повторного воспроизведения.

Быстродействующие самопишущие при­боры применяют для регистрации 1-9 процессов с часто­той до 100 Гц и более (рис. 9. 10). Принцип работы самопи­шущих приборов основан на повороте в магнитном поле рамки из тонкого провода, к которой прикреплен пишущий рычаг с гибкой трубкой (капилляр последней заполнен чер­нилами). Под действием электрического тока, подведенно­го к выводам рамки, создается крутящий момент, и рычаг поворачивается на соответствующий угол. На движущейся бумажной ленте получают запись изменения тока во време­ни в криволинейной системе координат. Простота работы, получение записи осциллограммы на диаграммной ленте малая чувствительность к вибрации основания - преимуще­ства приборов. Недостатки - ограниченный диапазон час­тот и относительно большая инерционность записывающей системы, малое число каналов и криволинейная система координат записи показаний приборов.

Разновидностью описанных приборов являются самопис­цы уровня, фиксирующие при записи только пиковые значе­ния сигналов.

Магнитографы (рис. 9.11) предназначены для записи на магнитную ленту и последующего многократного воспроизведения выходного сигнала от первичного прибора. Такой способ записи информации позволяет применить ав­томатизированные методы обработки результатов измере­ний на ЭВМ.

Эпюрографы позволяют воспроизводить на экране и ре­гистрировать на фотоленте мгновенные эпюры распределе­ния деформаций исследуемых конструкций. Осциллографический эпюрограф Н 031 (рис. 9.12), позволяет одновременно наблю­дать за показаниями 12 тензорезисторов на экране разме­ром 110 120 мм и регистрировать их на трех фотолентах шириной 120 мм и длиной до 10 м. Запись ведется одновре­менно на три кассеты с четырех каналов для каждой из них.

Рис. 9.10. Схема быстродействующего самопишущего прибора:

1 – подвижная рамка; 2 – спиральная пружина; 3 – магнит;

4 – пишущий рычаг; 5 – трубка для подачи чернил; 6 – чернильница;

7 – бумага с координатной сеткой

Рис.9.11. Блок – схема магнитографа:

1. подающая катушка; 2 – магнитная лента; 3 – приемная катушка; 4 – 6 – магнитные головки стирания записи и воспроизведения; 7 – генератор несущей частоты; 8 – модулятор; 9,10 – усилители записи и воспроизведения;

11 – демодулятор; 12 - генератор стирания

Рис.9.12. Схема осциллографа - эпюрографа Н031:

а – общий вид; б – экран эпюрографа;

1- кронштейн для установки фотоаппарата; 2 – приспособление для фотографирования эпюр; 3 – эпюрная кассета; 4 - измерительный блок;

5- панель управления; 6 – экран эпюрный