Струнные тензометры

Основной характеристикой тензорезистора является его коэффици­ент тензочувствительности, т.е. отношение относительного изменения электросопротивления AR/R тен­зорезистора к вызывающей это изменение деформации Е = ts.Ul исследуемо­го материала, где l - длина базы тензорезистора.

Для изготовления тензорезисторов используются обычно сплавы меди и никеля (константан, элинвар и др.), характеризующиеся высоким коэффициентом тензочувствительности К, постоянством значений К в тре­буемом диапазоне деформаций, большим удельным омическим сопротив­лением р = R/AI (где А - поперечное сечения проводника, которое может быть взято достаточно малым) и практически постоянством значений р при колебаниях температуры, возможных в условиях пользования тензорезисторами при испытаниях строительных конструкций.

Следует отметить, что с помощью тензорезисторов измеряется от­носительное удлинение к, а не изменение Δℓ длины базы (как у механиче­ских тензометров).

Однако длина базы имеет существенное значение и для тензорези­сторов, поскольку при исследованиях материалов с неоднородной структу­рой для получения усредненных значений деформаций в рассматриваемой зоне длина базы должна в несколько раз превосходить размеры наиболее крупных составляющих материала. Однако при исследовании деформаций в зонах концентрации напряжений длину базы следует брать по возможно­сти наименьшей.

При испытаниях строительных конструкций используют проволоч­ные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.

Петлевые проволочные тензорезисторы (рис. 2.8, а) из тонкой про­волоки (диаметром 12...30 мк), приклеенной к бумажной или пленочной подложке, были еще сравнительно недавно основным типом приборов, применявшихся при испытании сооружений. Эти тензорезисторы (с базой обычно от 5 до 100 мм) удобны в работе и несложны в изготовлении. Одна­ко им свойственна в большинстве случаев поперечная чувствительность, обусловленная наличием закруглений, соединяющих прямые участки тензорешетки и воспринимающих деформации, направленные перпендикуляр­но к продольной оси тензорезистора. Наличие поперечной чувствительно­сти тензорезистора снижает его осевую тензочувствительность.

От этого недостатка свободны беспетлевые тензорезисторы (рис.2.8, б) с низкоомическими медными перемычками. Из-за отсутствия поперечной тензочувствительности и лучших условий передача деформа­ций (ввиду продолжения прямолинейных участков тензорешетки и за пере­мычки) база их может быть уменьшена до 2...3 мм.

В настоящее время все большее распространение получают фоль­говые тензорезисторы (рис.2.8, в) из металлической фольги толщиной не более 4...6 мк. Этим тензорезисторами при изготовлении фотолитографским способом могут быть приданы любые очертания, требуемые условия­ми эксперимента. Вследствие низкой поперечной чувствительности и плос­кого сечения элементов тензорешетки, они имеют при той же площади се­чения более развитую поверхность приклейки, что улучшает условия их работы.

Полупроводниковые тешорезисторы (рис.2.8. г) по сравнению с рассмотренными выше типами обладают значительно большей тензочувствительностью, меняющейся, однако, при деформации и при изменениях температуры. Несмотря на это, они эффективно применяются в упругих элементах различных измерительных приборов (например, динамометров), где большое значение имеет их высокая чувствительность, а отмеченные недостатки могут быть компенсированы.

Рис. 2.8. Типы тензорезисторов:

а - проволочный петлевой; б - проволочный беспетлевой; в - фольговый; г - полупроводниковый;1 - тензочувствитсльные элементы; 2 - низкоомные перемычки; 3 - выводные кон­такты; 4 - подложка («основа») и наклеенный над тензорешеткой защитный слой тонкой бумаги; I - база тензорезистора

Тензорезисторы, применяемые при испытаниях сооружений, долж­ны давать возможность измерения деформаций в диапазоне до 10^s: при исследовании упругой стадии работы материала-до (5...7)-10³ и упруго-пластической до 10 и более необходимым условием является также ста­бильность показаний тензорезисторов, их влагостойкость т.п.

Влияние температурных погрешностей, обусловленных темпера­турным коэффициентом изменения сопротивления тензонитей и разно­стью температурного коэффициента расширения материала тензорезистора а, и исследуемого материала и,,, исключаю! установкой компенсационных тензоре зисторов.

В случаях, когда установка компенсационных тензорезисторов не­возможна или они не могут быть помещены в те же температурные усло­вия, используют так называемые самокомпенсированные тензорезисторы, материал которых должен удовлетворять условию Р = (а_м - а,)-К, где К -коэффициент тензочувствительности тензорезисгора.

Повышенные требования предъявляются к глубинным тензорезисторам разной конструкции, закладываемым в толщу схватывающегося ма­териала (например, бетона), ко]да должна быть обеспечена их безотказная работа в течение длительного времени.

Изменения сопротивления тензорезисторов в процессе испытаний весьма малы (тысячные доли ома). Для измерения столь малых колебаний сопротивлении применяют в большинстве случаев мостовые измеритель­ные схемы (рис. 2.9).

Рис.2.9. - Измерительные мосты: а - схема моста Уитстона; 6 - мост с реохордом; R ₁, R₂, R₃, R₄ -сопротивления, включенные в плечи моста; r₁ и r₂ - сопротивление реохорда.

Во внешние плечи моста включены «рабочий» тензорезистор с со­противлением Ri, воспринимаюший наблюдаемые деформации, и «компен­сационный» тензорезистор с сопротивлением R₂ - R, помещаемый в оди­наковых с ним температурных условиях в непосредственной близости от рабочего, но не подверженный воздействию измеряемых деформаций. Во внутренние плечи включены тензорезисторы с сопротивлениями Rj и R₄, помещаемые в регистрирующем приборе и связанные с рабочим и компен­сационным тензорезисторами электропроводами. Как известно, мост будет сбалансирован (т.е. ток в его измерительной диагонали bd будет равен ну­лю) при условии

Возможны два метода измерений:

1) метод отклонений (называемый также «методом непосредственных отсчетов»), когда изменение сопротивления ARj рабочего тензорезистора определяется по силе тока, возникающего в измерительной диагонали ранее сбалансированного моста, нулевой метод (более совершенный), при котором относительные

2) изменения сопротивления AR/ и определяют балансировкой моста с по­
мощью включенного в цепь (рис.2.26, б) реохорда тп изменением отношения сопротивлений r/r. Этот метод является основным при статических
испытаниях.

В настоящее время разработано большое количество различных систем коммутаторов, которые позволяют последовательно присоединять к отсчетному устройству большое количество (до нескольких сот) тензорезисторов. При использовании автоматически действующей аппаратуры на регистрацию показаний каждого тензорезистора требуется всего несколько секунд. Поэтому возможен непосредственный ввод данных в ЭВМ для их обработки.

Все это, а также дешевизна, крайне малый вес, малые габариты тензорезисторов и возможность крепления (приклейки) в любых точках исследуемой конструкции, обусловливают широкое их применение на прак­тике.

Сдвигомеры

Приборы, измеряющие деформации сдвига, называются сдвигомерами. Широкое распространение из этой группы приборов получил тензо­метр - сдвигомер Аистова (ТСА)/ Он может быть использован как тензо­метр или сдвигомер. При этом кинематическая схема указанного сдвигомера практически полностью аналогична представленному выше электроме­ханическому тензометру на рис. 2.23, с той лишь разницей, что у тензометра-сдвигомера Аистова имеется еще дополнительно оснастка (рис. 2.27) для установки прибора на строительную конструкцию, состоящую из нескольких элементов, между которыми в процессе испытания возможны сдвиго­вые деформации.

Рис. 4.1. Дополнительная оснастка и схема установки тензометра-сдвигометра на строительную кон­струкцию.