Методы измерения механических напряжений, сил и моментов Содержание

Содержание 1

Введение 2

Методы измерений деформаций и механических напряжений 5

Термоупругий метод измерения механических напряжений 10

12

Метод рентгеновской тензометрии 12

Методы измерений сил и крутящих моментов 15

Изменение силы методом уравновешивания 23

Заключение 26

Контрольные вопросы: 28

Список литературы: 29

Введение

Механические усилия, действующие на различные объекты, дел бывают сосредоточенные и распределенные. Различают сосредоточенные линейно направленные усилия – силы и вращательные усилия - крутящие моменты. Распределенные усилия делят на внешние – давления и внутренние – механические напряжения, возникающие в теле исследуемого объекта. Измерение механических усилий является неотъемлемой частью многих научных исследований, технологических процессов, медицинской диагностики …

Диапазоны измеряемых усилий весьма широки: внутренние напряжения в материалах 0 – 2000 М Па, силы 0–10 Н, моменты 0 – 10 Н * м, давления 0 –10 Па. Измерения усилий требуется производить в различных средах, в условиях действия разнообразных влияющих величин, в широком диапазоне температур – от –270 до 1200 С, в широком частотном спектре, который для механических напряжений и сил простирается от 0 до 100 к Гц, а для давлений ультразвуковых волн в гидроакустике до 10 Гц.

Методы измерений различных видов механических усилий имеют много общего. По виду непосредственно измеряемой величины их можно разделить на 4 группы, основанные на измерении:

• деформаций исследуемого объекта или упругого элемента, возникающих под действием определяемого усилия;

• параметров или свойства преобразователей, изменяющихся под действием определяемых усилий (электрическое или магнитное сопротивление, частота собственных колебаний);

• непосредственно свойств исследуемых объектов или сред, зависящих от действующих на них усилий (скорость распространения звука, теплопроводность газа, температура);

• усилия, уравновешивающего измеряемое усилие.

Первая группа методов наиболее широко используется для определения механических напряжений путем измерения деформации поверхности исследуемого объекта, а также в приборах для измерения сил, крутящих моментов и давлений.

Вторая группа применяется для построения средств измерений, основанных на использовании пьезоэлектрических, магнитоупругих и манганиновых преобразователей, естественной входной величиной которых является измеряемое усилие.

Прямой пьезоэлектрический эффект, заключающийся в электризации кристаллических тел под действием механических напряжений, широко используется для измерения сил и давлений. Поскольку преобразование механического напряжения в электрический заряд осуществляется с малой погрешностью(10 – 10 %), а собственная частота пьезоэлектрических датчиков достаточно высока (20 – 200 к Гц), то на их основе выпускаются весьма точные средства измерений для определения быстропеременных сил и давлений. Применение современных усилителей с высоким входным сопротивлением (R=10 Ом), усилителей заряда позволяет использовать пьезоэлектрический эффект для измерений не только динамических, но и квазистатических усилий.

Высокими метрологическими характеристиками обладают приборы с пьезоэлектрическими резонансными датчиками, основанными на изменении частоты резонатора под действием механического усилия. Такие датчики позволяют создавать манометры с погрешностью 0.01 –0.02 % , с верхним пределом измерения

70 М Па, а также динамометры для измерения сил в диапазоне

3 * 10 – 15 Н с погрешностью 0.02 % .

Магнитоупругий эффект, заключающийся в зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных тел μ от существующих в них механических напряжений σ, используется для измерения больших сил, вращающих моментов и давлений. Магнитоупругие датчики можно применять для измерения усилий, как в статистическом, так и в динамических режимах при частотах до нескольких к Гц. Они отличаются высокой надежностью, но и малой точностью (погрешность 1 – 5 %). Нижний предел измерения определяется магнитоупругой чувствительностью материала датчика, которая для различных материалов лежит в пределах

S=0.6…2.5 % (МПа) (1)

Верхний предел измерения манометров и динамометров ограничивается допустимым значением механического напряжения в материале магнитоупругого преобразователя, которое не должно превышать 10 – 20 % от предела упругости данного материала. В противном случае сильно возрастают погрешности линейности и гистерезиса.

Измерение давлений с помощью манганиновых преобразователей основано на свойстве манганина - изменять свое сопротивление под действием всестороннего сжатия. Барический коэффициент манганина определяется выражением (2).

К==2,7 * 10Па (2)

Поэтому такие преобразователи применяются для измерения высоких и сверхвысоких давлений (10 – 10) , в частности высоких импульсных давлений.

На зависимости свойств или параметров исследуемых объектов от действующих усилий основаны ультразвуковой, термоупругий, магнитоупругий и фотоупругий методы измерений механических напряжений, тепловой и ионизационный методы измерений вакуума, интерферометрический метод измерения давлений и т. п.

Методы уравновешивания используются при построении наиболее точных средств измерений сил, вращающих моментов и давлений.