ЛЕКЦИЯ 5. Приборы для линейных измерений

Диапазон и требуемая точность измерений. При испытаниях де­ревянных конструкций, в особенности большепролетных, приходится изме­рять перемещения порядка нескольких сантиметров. Перемещения различ­ных точек металлических конструкций колеблются в зависимости от разме­ров испытываемого объектов - от нескольких миллиметров до десятков миллиметров. Наиболее жесткими являются железобетонные конструкции, где перемещения относительно не большие.

Особенно повышенные требования предъявляются при наблюде­нии за характером затухания приращения перемещений во времени в ходе выдерживания нагрузки. В большинстве случаев при этом необходимы из­мерения с точностью: порядка миллиметра - для деревянных конструкций; десятых и сотых миллиметра - для металлических конструкций; а в отдель­ных случаях и даже тысячных миллиметра - для железобетонных несущих и ограждающих конструкций.

Для удовлетворения всех этих требований и достижения макси­мальной объективности и достоверности выполненных измерении на прак­тике необходимы приборы с высокими метрологическими характеристика­ми.

Прогибомеры. Приборы для измерения перемещений называют прогибомерами. В зависимости от назначения прогибомеры могут иметь различную конструкцию. В одних случаях это могут быть простей­шие устройства, позволяющие замерять перемещения загруженных строи­тельных конструкций с точностью не выше 0,1... 1 мм.

При больших перемещениях такая точность бывает достаточной. В других случаях, когда требуется высокая точность измерений, достигающая 0,01мм и выше, используются более чувствительные приборы со сложными измерительными устройствами.

Рассмотрим элементарные прогибомеры.

К наиболее простым (элементарным) прогибомерам относится уст­ройство, представляющее собой две планки, одна из которых закреплена на железобетонном основании, а другая - на конструкции. По взаимному сме­щению планок судят о деформации конструкции.

Точность измерений таким устройством. как правило, невысокая, но если металлические планки тщательно выполнены и сопряжены между собой, прочно закреплены и снабжены нониусным устройством, то точ­ность измерений можно довести до 0,1 мм (рис. 4а).

Для измерения деформаций и перемещений с точностью до 0,1...0,2 мм применяют рычажные прогибомеры. При этом перемеще­ние одного плеча рычага равно перемещению конструкции, а перемещение другого плеча, фиксируемое на рабочей шкале, а К раз больше (рис. 4б, в). Недостаток таких элементарных приборов связан с тем, что они имеют небольшое увеличение (К 10...20) и одновременно в системе возможны различные люфты и неточности в соотношении плеч.

а

б

в

Рис. 4. Конструктивные схемы элементарных прогибомеров;

а - прогибомер прямого измерения.

б, в - прогибомеры с рычажными усилителями,

1- изогнутая ось загружаемой конструкции; 2 - рабочее плечо прогибомера. 3 - неподвижное плечо прогибомера; 4 - рычаг; 5 - неподвижные опоры

На практике при измерениях вертикальных перемещений строи­тельных конструкций возможны варианты установочных схем, показанные на рис.8 и рис 9.

Для более точных измерений применяют прогибомеры, в которых используется редукторная кинематическая схема. В настоящее время в ста­тических испытаниях широко используются три разновидности прогибомеров: прогибомер Максимова, прогибомер Емельянова и прогибомер Аистова, кинематические схемы которых представлены на рис. 5,6,7.

Рис.5. Кинематическая схема прогибомера Максимова:

1 - нерастяжимая нить;

2 - рабочий шкив;

3 - рабочий диск:

4 - регистрирующая стрелка

Рис.6. Кинематическая схема прогибомера Емельянова:

1 - нерастяжимая нить;

2 - рабочий шкив;

3 - рабочий диск;

4 - регистрирующая стрелка

Рнс.7. Кинематическая схема прогибомера Аистова:

1 - нерастяжимая нить, 2 - рабочий шкив; 3 - рабочий диск; 4 - регистрирующая стрелка

В прогибомере Максимова (рис.5) перемещение гибкой нерастя­жимой нити 1. охватывающей шкив 2 и соответствующей такому же пере­мещению испытываемой конструкции, вызывает поворот диска 3 на угол и стрелки 3 на угол k (k - соотношение диаметров диска и фрикци­онного барабана). При этом точность отсчета по рабочей шкале достигает 0,05 мм. Диапазон измерений - неограниченный. Одним из главных недо­статков прибора является наличие в кинематической схеме прибора - неже­сткого фрикционного соединения.

В прогибомере Емельянова (рис.6) передача вращения осуще­ствляется с помощью шестерен. При этом шкив шестерен и стрелки нахо­дятся в параллельных плоскостях. По одной шкале отмечаются целые мил­лиметры, по другой - до 0,01мм. При этом диапазон измерений в одном приборе также неограничен. Люфт зубчатого соединения устраняется с по­мощью пружины разворачивающей шестерни в противоположные стороны.

У прогибомера Аистова (рис.7) принципиальная кинематичес­кая схема практически аналогична предыдущей схеме. Однако используе­мые в ней некоторые усовершенствования позволяют одновременно на трех рабочих шкалах оценивать перемещения испытываемой конструкции со следующей точностью: на первой до 1 см (полный поворот равен 10 см), на второй- до 1мм (полный поворот равен 10 мм). на третьей - до 0,01 мм (полный поворот равен I мм).

1. При наличии доступной неподвижной точки - схема на рис.8а (прибор внизу) и схема на рис.8, б (прибор наверху). Для учета влияния осадок опор требуется установка дополнительных прогибомеров в опорных сечениях. При испытаниях строительных конструкций над водой, при от­сутствии быстрого ее течения, на дно может быть опущен тяжелый якорь (рис.8в), к которому предварительно прикрепляется нижний конец со­единительной нити (проволоки).

2. При недоступности или большом расстоянии до неподвижных точек, а также с целью исключения влияния осадок опор на практике доста­точно часто применяют систему шпренгелей. В частности, на рис.9а показан подвешенный проволочный шпренгель, который оттягивается вниз вертикальной проволокой с пружиной, обеспечивающей практическое по­стоянство натяжения шпренгеля и тем самым требуемую неподвижность точки крепления рабочей проволоки 4 и прогибомера 3.

На рнс.9б показан шпренгель, оттягиваемый подвешенным грузом, а на рис.9, в видно, как постоянство натяжения шпренгеля обес­печивается пружиной, соединяющей его вершину с верхним поясом испы­тываемой балки.

Пример установки прогибомеров для измерения горизонтальных перемещений испытываемого объекта приведен на рис.10.

Одновременно следует отмстить, что на результаты измерений пе­ремещений, с помощью рассмотренных прогибомеров значительное влия­ние оказывает изменение длины проволоки в зависимости от температуры воздуха и нагрева её лучами солнца. Так, стальная проволока длиной 1 метр при повышении температуры на 10°С удлиняется более чем на 1 мм, что должно тщательно учитываться при обработке результатов проведенных испытаний.

Индикаторы (мессуры). Для измерения небольших по абсолютной величине перемещений применяют индикаторы часового типа, которые устанавливаются на неподвижной опоре с упором подвижного измеритель­ного стержня в испытываемую конструкцию или закрепляются на испыты­ваемой конструкции с упором подвижного стержня в какую-либо неподвижную точку. Поэтому очень часто индикаторы называют контактными прогибомерами.

На практике применяют следующие индикаторы:

• с ценой деления 0.01мм и пределом измерения 0...50мм; 0...25мм;
0...10мм; 0...5мм; 0...2мм;

• с ценой деления 0,001мм и пределом измерения 0...1мм.

а б в

Рис. 8. Установка прогибомеров с проволочкой связью:

а - установка прогибомеров внизу;

б - установка прогибомеров вверху;

в - установка прогибомера с якорем.

1 - балочная система;

2 - опоры;

3 - прогибомер;

4 - рабочая нить;

5 - вертикальные опоры;

6 - якорь.

а б в

Рис. 9. Установка прогибомеров с применением рабочей нити к шпренгелю с целью исключения влияния осадок опор:

а - шпренгель с пружиной;

б - шпренгель с грузом;

в - шпренгель с закреплением пружины на конструкцию

1- балочная система;

2- опоры;

3- прогибомер;

4- шпренгель;

5- пружина;

6 - рабочая нить(проволока);

7-груз.

Индикатор часового типа (рис.11) состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размешена вся кинематическая система прибора. На лицевой стороне прибора под стеклом располагается кольцевая шкала и большая стрелка для регистрации отчета с ценой деления либо 0.01мм, либо 0,001мм. Для отсчета целых оборотов большой стрелки индикатора преду­сматривается вторая малая шкала со стрелкой.

Схемы установки индикаторов часового типа для испытаний строи­тельных конструкций могут быть идентичны ранее описанным схемам ус­тановки обычных прогибомеров с проволочной связью.

При больших расстояниях между индикаторами и точками упора между ними помещают жесткие соединительные элементы, например лег­кие штанги (рис.12). Наличие подобного рода буферных элементов связа­но, однако, с возможностью возникновения дополнительных ошибок изме­рений в результате хотя и малых, но трудно устранимых дискретных сме­шений и обмятий в дополнительных соединенных, коробления деревянных реек, изменения длины связующих металлических элементов при перемен­ной температуре и т.д.

Возможны колебания также буферных реек при порывах ветра, что делает более целесообразным применение проволочной связи с индикато­ром по схеме, представленной на рис.12.

Электромеханические измерители перемещений. В настоящее время существует большое количество электромеханических систем изме­рений, позволяющих преобразовать механические перемещения в электри­ческие сигналы, усиливаемые и передаваемые на любые расстояния от мес­та проведения статических испытаний строительных конструкций. Указан­ные системы сопрягаемы с любой вычислительной техникой, что позволяет обрабатывать полученные сигналы по запланированной программе и одно­временно управлять проводимыми экспериментами.

В частности, к подобным измерителям перемещений относятся различные конструктивные решения, основанные на преобразовании меха­нических перемещений в изменение их емкости, либо индуктивности или электрического сопротивления. Все вышеперечисленные системы преобра­зования относятся к пассивным.

Наряду с пассивными системами в технике статических испытаний существуют и активные системы преобразовании, основанные на генериро­вании непосредственно самим преобразователем электрических сигналов. Подобные системы используются в так называемых «следящих» системах, называемых сельсинами.

Сельсины - это генераторные электрические устройства для синхрон­ной передачи углов поворота. При этом запись либо углов поворота, либо линейных перемещений на регистрирующем приборе можно проводить с заданным увеличением, в отличие от обычного классического механическо­го прогибомера.

Рис. 10. Установка прогнбомеров для измерения горизонтальных перемещений стенки резервуара:

1 - стенка резервуара;

2 - временная опора:

3 - прогибомеры.

4 - рабочая нить;

5 - противовес;

6 - элемент крепления

Рис. 11. Кинематическая схема индикатора часового типа:

1 - рабочий шток с рейкой- кремальерой;

2 - возвратная пружина;

3 - зубчатые шестерни;

4 - система ликвидации люфта

Рис.12. Схема установки индикаторов при удаленных измерениях перемещений:

а- с использованием рейки-удлинителя:

б- с применением проволочной связи;

1- индикатор;

2- рейки-удлинители:

3- проволочная растяжка;

4- пружины;

5- опора;

6 - буферная неподвижная опора

На практике наиболее часто для дистанционного измерения пере­мещений используют электромеханические измерители перемещений на базе применения тензопреобразователей (рис.13а, б), которые позволяют измерять перемещения в диапазоне от 0 до 50 мм с тонкостью, превышаю­щей 0.001мм.

а

б

Рис. 13. Электромеханический измеритель перемещений:

а - в диапазоне 0.. 1 мм с ценой деления = 0,0001 мм;

б - в диапазоне 0... 10 мм с ценой деления = 0,001 мм;

1 – корпус; 2 – рабочий шток; 3 – система преобразования перемещений; 4 – тензосопротивление; 5 – пружина