Приборы, используемые при испытаниях конструкций

Следует ли из этого, что база идеального тензометра должна быть предельно малой? В отношении абсолютно однородного и изотропного материала такой подход справедлив. Обычные строительные материалы таковыми не являются. Чтобы исключить влияние конгломератности строения материала и усреднить неоднородность их деформирования, база тензометра в 7...10 раз должна превышать размер максимального структурного элемента. Для металла база в 0,2...0,3 мм уже достаточна для осреднения, для бетона оптимальная база может достигать 100, 200 и даже 500 мм.

С другой стороны, база не должна превышать элементарный объём материала, в пределах которого напряжение можно считать однородным.

3. Идеальный тензометр должен иметь минимальную массу и жёсткость.

4. Он должен иметь широкий измерительный диапазон. Нас уже не удовлетворяет регистрация только упругих деформаций до (500...700)·10^-5 (0,5...0,7 %).

5. Он должен быть нечувствителен к влиянию окружающей среды.

6. Он должен быстро и надёжно устанавливаться и быть недорогим.

7. Он должен обеспечивать возможность дистанционной регистрации и скоростного снятия показаний.

8. При измерении динамических деформаций он должен обладать достаточной вибрационной прочностью.

Далее мы будем рассматривать реально существующие тензометры, и Вам самим предстоит определить, в какой степени они соответствуют перечисленным требованиям.

Тензометры делятся на механические, электромеханические, электрические тензометры сопротивления (тензорезисторы) и струнные (структурные тензорезисторы).

Механические тензометры чаще всего бывают рычажного типа.

Первый из них - это тензометр Гугенбергера (Хугенбергера).

Его кинематическая схема:

1 - неподвижная опора; 2 - подвижная опора;

3 - рычаг; 4 - стрелка; 5 - шкала; 6 - ползун;

7 - коромысло (поводок); 8 - зеркало; 9 - корпус

Это - двойная рычажная система, образованная подвижным рычагом и стрелкой, соединёнными поводком. Цена деления шкалы - 0,01 мм, количество делений - 50; база - 20 мм, её можно увеличить до 200 мм при помощи удлинителя. С помощью ползуна можно установить стрелку на любое деление шкалы. Масса прибора - 70 г, высота - 135 мм. Крепление - посредством струбцины.

Прибор отличается высокой точностью, имеет простую конструкцию. Однако для его установки требуется известные навыки, он очень хрупок, легко повреждается, имеет сравнительно иалый диапазон измерений (даже с учётом перестановки стрелки после исчерпания шкалы), его невозможно использовать в дождливую и ветренную погоду.

Тензометры Н.Н.Аистова ТА-2 и ТА-6.

Они - электромеханического типа. Их кинематическая схема:

1 - неподвижная призма;

2 - подвижная призма;

3 - рычаг (плоский);

4 - микрометрический винт;

5 - лимб с делениями;

6 - указатель для снятия отсчётов;

7 - счётчик оборотов;

8 - верхняя часть металлического корпуса;

9 - нижняя его часть; 10 - изоляция;

11- провода к сигнальному устройству

При работе с прибором лимб вращают до соприкосновения острия микрометрического винта с площадкой рычага. В момент касания цепь замыкается, включается звуковой сигнал (зуммер) и по шкале лимба напротив указателя берут начальный отсчёт. Затем отводят винт от рычага, размыкая цепь. После приложения нагрузки и деформирования конструкции берут новый отсчёт. Цена деления шкалы - 0,001 мм, количество делений - 100, база -20...50 мм (за счёт перемещения опорной призмы вдоль станины); её можно увеличить до 100, 150 и 200 мм при помощи удлинителей. База тензометра зависит от измеряемой деформации, модуля упругости материала и требуемой точности измерения.

Крепление - посредством струбцины. Масса прибора - 37 г, высота - 62 мм, т.е. центр тяжести расположен гораздо ниже, чем у тензометра Гугенбергера (сравните) и он более устойчив. Высокая точность, простая конструкция, удобство установки и надёжность в работе позволяют широко использовать его как в лабораторных, так и в полевых условиях. Однако снятие отсчётов по лимбу путём его вращения вручную повышает погрешность измерений. Кроме того, в момент замыкания цепи между остриём винта и площадкой рычага проскакивает искра, происходит обгорание площадки и её приходится периодически очищать от окалины.

Тензорезисторные преобразователи (тензорезисторы).

Принцип работы тензорезистора основан на изменении сопротивления проводника при его деформировании. Это свойство называется тензочувствительностью. Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и удельному сопротивлению и обратно пропорционально площади поперечного сечения: R=lr/F.

Важнейшей характеристикой тензорезистора является коэффициент тензочувствительности, равный отношению относительного изменения сопротивления к его относительной деформации: К = (DR/R)/(Dl/l).

Идеальный проводник для тензорезистора должен обладать высокой тензочувствительностью, высоким удельным сопротивлением и малым температурным коэффициентом сопротивления. Обычно используют сплав меди с никелем (константан, эдванс, элинвар -elastos (гр.) -эластичный, упругий: invariabilis (лат.) - неизменный). Их тензочувствительность сравнительно невелика (к = 1,9...2,2); есть металлы и сплавы с К до 6,5, но они не обладают стабильностью электрических и механических свойств и малым температурным коэффициентом сопротивления (~2·10^-6 град^-1).

Наиболее широко используется тензорезистор из несколько близко расположенных петель константановой проволоки, намотанных в плоскости и приклеенных к плёночной или бумажной подложке. Диаметр тензопроволоки - 0,012... 0,03 мм. Это обеспечивает высокое сопротивление проволоки, а жёсткость её оказывается значительно ниже, чем клея, которым она приклеивается. Скрепляющее и поддерживающее проволоку действие клея обеспечивает совместное деформирование тензорезистора с материалом конструкции, при этом проволока сжимается прямолинейно, не выпучиваясь и не искривляясь.

Для удобства припайки к концам проволоки привариваются токовыводы из медной проволоки диаметром 0,1...0,2 мм и длиной 20...30 мм. Расстояние между петлями называется базой тензорезистора. Выпускаются тензорезисторы с l = 5...100 мм и сопротивлением 50...400 Ом.

В форме петлевого тензорезистора заложен конструктивный недостаток - участки проволоки, приходящиеся на петли, обуславливают поперечную чувствительность. Этот фактор приводит к снижению основной характеристики - осевой тензочувствительности. Это влияние растёт с увеличением числа петель и уменьшением базы.

Этого недостатка лишены тензорезисторы беспетлевого типа, в которых решётка образована пучком параллельных тензопроволок, замкнутых в определённых местах медными перемычками.

Продолжения пучка проволок за пределы базы обеспечивает дополнительную анкеровку решётки в клеевой плёнке и существенно улучшает распределение напряжений сдвига в клее в пределах активной базы (пики напряжения срезаются за её пределами).

Поперечная чувствительность отсутствует и в фольговых тензорезисторах, имеющих решётку из тонких полосок фольги толщиной 0,003 - 0,01 мм, которую наносят на плёнку из синтетической смолы или на бумагу, пропитанную клеем. Решетку таких тензорезисторов различной формы и размеров изготавливают фотолитографическим методом. Поперечная чувствительность практически отсутствует вследствие уширения сечения фольги в зоне петель. Плоское сечение, развитое в плоскости приклейки, рациональнее круглого сечения проволоки и увеличивает площадь контакта с объектом измерения.

Полупроводниковые тензорезисторы получают электрической резкой монокристаллов германия и кремния на пластинки толщиной 0,01...0,02 мм, шириной 0,5...1 мм и длинной 2...15 мм. Последующую корректировку сопротивления осуществляют шлифовкой. Для присоединения выводных контактов по концам пластинки вплавляют в вакууме слой золота или сплав олова с сурьмой. Такие тензорезисторы имеют в 60 раз большую, чем константановая тензорешётка, тензочувствительность, но в 60 раз больший и температурный коэффициент сопротивления. Кроме того К у них зависит от температуры и величины деформации; кремний и германий хрупки. Это позволяет использовать их лишь при динамических испытаниях, когда вследствие кратковременности изменением температуры можно пренебречь.

Тензометрические клеи должны обладать следующими свойствами: хорошей адгезией (прилипанием) к тензорешётке и материалу конструкции; высокой жёсткостью при сдвиге; высокими и стабильными диэлектрическими свойствами; достаточной термогидростойкостью; технологичностью применения.

Клеи и цементы в зависимости от характера процесса схватывания и твердения делятся на три группы:

высыхающие клеи, твердение которых происходит в результате испарения излишков растворителя в нормальных условиях;

полимеризующиеся клеи;

спекающиеся цементы, требующие высокотемпературной обработки.

Кремнийнитроглифталевый клей 192Т - это частично полимеризующийся клей холодного отверждения. Это раствор коллоксилина, глифталевой смолы и смеси растворителей. В условиях нормальной температуры и влажности отвердение происходит в течении 24 часов. Недостаток - значительный коэффициент гигроскопичности. Рабочий температурный диапазон ± 50 ⁰С.

Фенолформальдегидные клеи группы БФ - это спиртовой раствор фенольной смолы и поливинилбутироля. Требует термообработки (ступенчатого нагрева до 180⁰ ...200⁰С). При естественной сушке прочность на сдвиг уменьшается на 40...50 %. Рабочий температурный диапазон - +150 ⁰С.

Винифлексовые клеи (лаки) ВЛ-4 и ВЛ-6 - горячего отверждения. Это раствор винифлекса и фуриловой смолы. Полная полимеризация наступает после ступенчатого нагрева до 160 ⁰С. Допускается кратковременное тензометрирование при t⁰ до 100⁰С.

Фуриловый клей Ф7Т - горячего отверждения. Это спирто-ацетоновый раствор фурилово-фенольной смолы. Полная полимеризация наступает после нагрева по определённому режиму (что ограничивает его применение) до 250 ⁰С. Рабочий температурный диапазон ± 200 ⁰С.

Цемент В-58 - это спекаемое связующее, применяемое для тензометрирования при t⁰ до 600...700⁰С. Он изготавливается на основе кремнийорганических соединений и требует сравнительно низкой температуры обработки - 250...300⁰С. Он обладает высокой водостойкостью и может применяться в условиях совместного действия повышенных температур и 100 % -ной влажности. Недостатки - ограниченная деформативность и сложность технологии монтажа тензорезисторов.

Цианоакрилатный клей (циакрин) быстро твердеет - в течении 40...60 мин при комнатной температуре. Однако клей моментально схватывается, что затрудняет монтаж тензорезисторов. Кроме того, клей постоянно должен хранится при температуре (-2⁰)...(-4⁰) С.

Возможно применение клеев: целулоидного, полиметилакрилового, карбинольного и др.

Подложкой тензорезисторов служит высококачественная бумага или плёнка из полимеризующихся клеев. Бумага толщиной 0,02...0,05 мм применяется для тензорезисторов, предназначенных к использованию на изотропных материалах (металл, пластмассы), толщиной 0,1...0,15 мм - на анизотропных материалах (бетон).

Плёночная подложка толщиной 0,02 - 0,05 мм применяется в малобазных тензорезисторах при тензометрировании в пластической стадии деформирования, при измерении деформаций низкомодульных материалов и вообще, когда к тензометрированию предъявляются повышенные требования.

Технология приклейки тензорезисторов.

Места наклейки зачищают до полного удаления грязи, окалины, ржавчины, пыли. Используют наждачную бумагу средних номеров. Выявленные после очистки раковины и трещины на поверхности бетона заделывают безводным зубоврачебным цементом. Зачищенную поверхность для обезжиривания промывают ацетоном или спиртом. После этого наносится грунтовка - 2-3 слоя клея с сушкой каждого слоя в течении 30...40 мин. В это же время грунтуют и тензорезисторы.

Перед наклейкой на подготовленную поверхность и подложку тензорезистора снова наносят тонкий слой клея, который просушивается в течении 10...15 мин, затем подложка покрывается более толстым слоем клея, тензорезистор укладывают на требуемое место, ориентируют, укрывают целлофановой или полиэтиленовой плёнкой, и нажатием пальца из-под него удаляют излишки клея. В течении 1...2 мин. держат тензорезистор, прижав пальцами.

Время сушки клеев холодного твердения -1...2 суток (в зависимости от окружающей температуры). Время сушки перед термообработкой полимеризующихся клеев -10...12 час. Термообработка небольших образцов производится в термостатах, больших - с помощью рефлекторов, источников инфракрасного излучения и др.

Качество приклейки проверяется после подключения тензорезисторов к регистрирующей аппаратуре. Его покрывают плёнкой, с небольшим нажимом прокатывают по нему ролик. При отсутствии непроклееных мест стрелка прибора должна отклоняться не более, чем на 1-2 деления.

Изоляция тензорезисторов.

Влага воздуха (а тем более атмосферные осадки) изменяют объём клея и подложки, их механические и динамические свойства. Увеличиваясь в объёме, клей растягивает проволоку, ухудшает сцепление между решёткой и клеем, а, следовательно, и поверхность конструкции.

Средства изоляции: парафино-вазелиновая смесь (смешивается при t⁰ =70…80 ⁰C), воск и восковые смеси. Для тензорезисторов, наклееваемых на арматуру, закладные детали и т.п. с последующим бетонированием, применяют карбинольно-цементную смесь (карбинольный клей + 20...25 % тонкомолотого портландцемента) и эпоксидно-цементную смесь (100 в.ч. эпоксидной смолы + 50...60 в.ч. портландцемента).

Схемы измерений изменения сопротивления тензорезисторов.

Изменение сопротивления тензорезисторов при незначительных деформациях конструкции составляет тысячные доли Ома. Сопротивления такого порядка можно измерить с высокой точностью лишь электрическими цепями мостового типа. Чаще всего для этой цели используют мост Уитстона. Он представляет собой 4 сопротивления, соединённых в виде замкнутой мостовой цепи. К одной из диагоналей подключён источник питания, в другую (измерительную) диагональ включён гальванометр. Мост считается сбалансированным, когда ток в диагонали АС равен 0, а это возможно, если при разветвлении тока в т. В падение напряжения на плече ВС равно падению напряжения на плече ВА, т.е. J₁R₁ = J₂R₃, и когда равны падения напряжения на сопротивлениях R₂ и R₄, т.е. J₁R₂ = J₂R₄. Разделив первое уравнение на второе, получим R₁/R₂ = R₃/R₄ или R₁·R₄ = R₂·R₃. Т.е. мост сбалансирован, когда произведения сопротивлений противоположных плеч равны.

Если R₁ - тензорезистор на конструкции, и при деформировании её сопротивление R₁ изменилось на DR₁, то баланс может нарушится. Такой метод определения изменения сопротивления одного из плеч моста путём регистрации тока в измерительной диагонали (расчёты показывают, что изменение сопротивления R₁ прямо пропорционально изменению тока в измерительной диагонали) называются методом непосредственного отчёта или методом отклонения.

Если в мостовую схему ввести дополнительную деталь - реохорд, то балансировку моста можно производить передвижением движка реохорда. Если рядом с реохордной проволокой поместить линейную шкалу, то определённой величине относительного изменения сопротивления R₁ будет соответствовать определённое перемещение движка реохорда. Определение относительного изменения сопротивления плеча моста, при котором регистрации показаний всякий раз предшествует балансировка моста, называется нулевым методом.

Для исключения температурных погрешностей тензорезисторов используется термокомпенсация. R₂ - тензорезистор, по всем параметрам идентичный R₁ (активному), приклеивается к небольшому образцу из того же материала, что и конструкция, и помещается в одинаковые с ней температурные условия. В этом случае изменение температуры вызовет одинаковое изменение сопротивления активного (R₁) и компенсационного (R₂) тензорезисторов, а так как они включены в смежные плечи, баланс моста при этом не нарушится.

Испытание строительных конструкций требует постановки большого количества активных тензорезисторов. Поэтому к мосту поочерёдно присоединяют активные и соответствующие компенсационные (чаще всего один ) тензорезисторы.

Применение гальванометра в электротехнике затруднительно. Чтобы вместо него применить микроамперметр, напряжение в цепях необходимо усилить. Стабильный же усилитель постоянного тока является сложным и дорогим прибором. Поэтому современная тензорезистивная аппаратура питается переменным током. При этом схемы очень усложняются, но принцип работы (нулевой метод) остаётся прежним. Есть приборы с ручной балансировкой (следящим уравновешиванием - ИД-2; 62; ИСД-2; 3 и др.) и автоматической балансировкой (программным уравновешиванием) моста.

Усиленный по напряжению и мощности сигнал подаётся в несложных автоматических приборах (АИД-1М; 2М; 4) на исполнительный реверсивный (работающий в двух направлениях) электродвигатель, который связан с движком реохорда кинематически и перемещает его в направлении компенсации сигнала разбаланса. Автоматическая балансировка в 10 раз по сравнению с ручной сокращает время получения отсчёта. В более сложных приборах автоматический коммутатор способен поочерёдно подключить к мосту 99 активных и 9 компенсационных тензорезисторов.

Блок-схема прибора с программным уравновешиванием:

Вместо реохорда на приборе имеется блок шунтирующих резисторов R_ш(1...n), каждый из которых может быть включен в мостовую цепь ( как добавка к R₃) с помощью управляемых реле П(1...n).

Пусть мост сбалансирован, цепь моста замкнута через какое-то реле П_i и резистор R_шi; в приборе имеется реле блока индикации (цифротроны - неоновые индикаторные лампы, позволяющие снять отсчёт визуально), через которое отсчёт, соответствующий данному сопротивлению R₁ ( и R_шi), поступил на цифротроны.

После деформации сопротивление R₁ изменится на DR₁, мост расбалансируется; усилитель (У) усилит возникающий сигнал, и нуль-орган (НО) перешлёт его в блок управления реле (УР), сразу отключив резистор R_шi; а блок УР выискивает из всех шунтирующих резисторов (шаговым способом) тот единственный, который позволит вновь уравновесить мост. Новому сопротивлению R₁ ± DR₁ (и R_ш какому-то) будет соответствовать новый отсчёт на цифротронах (это долго описывается, а происходит практически мгновенно - в течении 0,05 с ).

По этому принципу работают цифровые тензометрические мосты - ИДЦ, ЦТМ-3; 5; 7, СИИТ. Блок коммутации - на 100 каналов. На цифротронах высвечивается номер канала и результат измерения. Время одного измерения - 0,05 с. Цифропечать - унифицированный ленточный перфоратор и бумажная лента. Возможна стыковка с компьютером. В этом случае информация будет не только цифровая, но и в виде графиков, и по каждому тензорезистору.

Структурные тензорезисторы - струнные тензометры.

Работа структурных тензометров основана на зависимости частоты собственных колебаний натянутой струны f от напряжения в ней s:

,

где l - длина струны (база); р - плотность материала струны.

При деформации конструкции напряжение струны тензометра меняется на Ds = = , тогда относительная деформация

e = Ds/Е = ,

где f₁ и f₂ - частоты до и после приложения нагрузки. Определение частот производится с помощью электромагнита и регистрирующего устройства:

1 - цилиндрический корпус;

2 - стальная струна;

3 - электромагнит;

4 - анкерные диски корпуса.

Режим 1 (возбуждения колебаний): к 3 подводится импульс электрического тока ; струна притягивается и отпускается - возбуждаются свободные колебания.

Режим 2 (регистрация f): 3 переключается и работает как индукционный преобразователь - колеблющаяся струна индуцирует в катушках электрический ток той же частоты, что и частота колебаний.