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 измерений 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 простей­
шие устройства, позволяющие замерять перемещения загруженных строи­
тельных 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 конусным устройством, то точ­ность измерений можно довести до 0,1мм (рис. 1, а).

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

Рис. 1. Конструктивные схемы элементарных прогибомеров:

а- прогибомер прямого измерения; б, в- прогибомеры рычажными усилителями; 1- изогнутая ось загружаемо 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. 5 и рис. 6.

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. 2, 3, 4.

Рис.2. Кинематическая схема прогибомера Максимова: 1-нерастяжимая нить; 2-рабочий шкив; 3-рабочий диск; 4-регистрирующая стрелка

Рис.3. Кинематическая схема прогибомера Емельянова

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

Рис.4. Кинематическая схема прогибомера Аистова

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

В прогибомере Максимова(рис.2.) перемещение гибкой нерастя­жимой нити I, охватывающей шкив 2 и соответствующей такому же пере­мещению испытываемой конструкции, вызывает поворот диска 3 на угол

∆ф и стрелки 3 на угол k∆ф (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.3.) 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.4.) 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: 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 1 мм).

1.При наличии доступной неподвижной точки - схема на рис.5., а (прибор внизу) и схема на рис.6., б (прибор наверху). Для учета влияния осадок опор требуется установка дополнительных прогибомеров в опорных сечениях. При испытаниях строительных конструкций над водой, при от­сутствии быстрого её течения, на дно может быть опущен тяжелый якорь(рис.5., в), 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.2., а 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 рис.6., б показан шпренгель, оттягиваемый подвешенным грузом, а на рис.6., 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.7.

Одновременно следует отметить, 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 называю! 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) а)

б) б)

в) в)

Рис.5. Установка прогибомеров с Рис.6. Установка прогибомеров с

проволочной связью. применением рабочей нити к шпренгелю с

а-установка прогибомеров внизу; целью исключения влияния осадок опор:

б-установка прогибомеров вверху; а-шпренгель с пружиной;

в-установка прогибомеров с якорем. б-шпренгель с грузом;

1-балочная система; 2-опоры; 3-прогибомер; в-шпренгель с закреплением пружины на

4-рабочая нить; 5-вертикальные опоры; конструкцию.

6-якорь. 1-балочная система; 2-опоры; 3-прогибомер;

4- шпренгель; 5-пружина;

6-рабочая нить (проволока); 7-груз.

.

Индикатор часового типа (рис.9.) состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размещена вся кинематическая система прибора. На лицевой стороне прибора под стеклом располагается кольцевая шкала и большая стрелка для регистрации отчета с ценой деления либо 0,01 мм, 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.9.). Наличие подобного рода буферных элементов связано, однако, с возможностью возникновения дополнительных ошибок измере­ний в результате хотя и малых, но трудно устранимых дискретных смеще­ний и обмятий в дополнительных соединениях, коробления деревянных реек, изменения длины связующих металлических элементов при перемен­ной температуре и т.д.

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.

Наряду с пассивными системами в технике статических испытаний существуют и активные системы преобразования, 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.7. 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.

Рис.8. Установка прогибомеров для измерения горизонтальных перемещений стенки резервуара:

1-стенка резервуара; 2- временная опора; 3-прогибомеры; 4-рабочая нить;

5-противовес; 6-элемент крепления.

Рис.9. Кинематическая схема индикатора часового типа:

1 - рабочий шток с рейкой-кремальерой;

2 - возвратная пружина;

3 - зубчатые шестерни;

4 - система ликвидации люфта

Клинометры

Углы наклона элементов, подлежащие определению при испытани­ях в пределах расчетных нагрузок, как правило, не велики. В большинстве случаев приходится учитывать доли градуса и минуты, а при испытаниях особо жестких железобетонных конструкций - и секунды. Приборы и при­способления, применяемые для измерения столь малых углов, должны об­ладать высокой чувствительностью.

При загружениях за пределами расчетных нагрузок, и в особенно­сти при приближении к стадии разрушения, угловые перемещения начина­ют резко возрастать, и для определения их оказываются более целесообраз­ны геодезические методы и фотосъемка.

Ниже рассмотрим основные типы клинометров и приспособлений для измерения малых угловых перемещений.