Устройство для определения усилий в элементах подземных сооружений

Авторы патента:

G01L1/24 - путем измерения изменения оптических свойств напряженных материалов, например путем фотоупругого анализа напряжений

Изобретение относится к подземному строительству и может быть использовано для определения усилий в элементах подземных сооружений при воздействии динамических нагрузок. Целью изобретения является повышение точности измерений. Устройство содержит полярископ, между поляризатором 3 и анализатором 6 которого установлены модель 4 горного массива с отверстием и нагружающий блок 10. В отверстии модели 4 установлены фотоупругие элементы 5, выполненные в виде блоков фотоупругих стержней. Выход полярископа оптически сопряжен со сверхскоростным фоторегистратором 9, а система синхронизации осуществляет синхронизацию момента времени начала действия динамической нагрузки на модель, длительности светового импульса и периода фоторегистрации. При воздействии динамической нагрузки в фотоупругих стержнях возникают упругие волны, скорость распространения которых подбирается по зависимости A<SB POS="POST">I</SB>=L<SB POS="POST">ст</SB><SP POS="POST">.</SP>N/&Tgr;<SP POS="POST">.</SP>2<SP POS="POST">I-1</SP>, где L<SB POS="POST">ст</SB> - длина I-го фотоупругого стержня в блоке

&Tgr; - длительность исследуемого процесса

N - число фотоупругих стержней в блоке

A<SB POS="POST">I</SB> - скорость распространения упругих продольных волн в I-том стержне блока. Упругие волны в фотоупругих стержнях создают разность хода оптических лучей, что обуславливает возникновение интерференционных полос, фиксируемых фоторегистратором 9. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 L 1/24

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Я А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4311195/24-10 (22) 27.10.87 (46) 15.06.90, Бюл. ¹ 22 (72) А.Д. Борулев и Д.В. Косцов (53) 622.031.3.001.5(088.8) (56) Хесин Г.Л. Метод фотоупругости.

М.: Стройиздат, 1975, т. 2, с. 214-220.

Авторское свидетельство СССР № 312941, кл. Е 21 С 39/00, 1969.

Юревич Г.Г. и др. Охрана горных выработок от воздействия взрывов.

М.: Недра, 1972, с. 22-32, с ° 73-78. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УСИЛИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ (57) Изобретение относится к подземному строительству и может быть использовано для определения усилий в элементах подземных сооружений при воздействии динамических нагрузок.

Целью изобретения является повьппение точности измерений. Устройство содержит полярископ, между поляризатором

3 и.анализатором 6 которого установлены модель 4 горного массива с отверстием и нагружающий блок 10. В от„SU„„1571438 А1 верстии модели 4 установлены фотоупругие элементы 5, выполненные в виде блоков фотоупругих стержней. Выход полярископа оптически сопряжен со сверхскоростным фоторегистратором 9,а система синхронизации осуществляет синхронизацию момента времени начала действия динамической нагрузки на модель, длительности светового имвЂ” пульса и периода фоторегистрации. При воздействии динамической нагрузки в фотоупругих стержнях возникают упругие волны, скорость распространения которых подбирается по зависимости

1 вЂ” ст и а==

1 э и где 1,. вЂ” длина .-го фотоупругого стержня в блоке; вЂ” длительность исследуемого процесса; n вЂ” число фотоупругих стержней в блоке; а вЂ” скорость распространения упругих продольных волн в i-том стержне блока.

Упругие волны в фотоупругих стержнях создают разность хода оптических лучей, что обуславливает возникновение интерференционнмх полос, фиксируемых фоторегистратором 9. ? ил.

1571438

Цель изобретения вЂ” повышение точности измерений.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема преобразователя; на фиг.2 мо,:: ь скального массива с отверстием, внутри которого установлены блоки фотоупругих стержней; на фиг. 3 форма волны напряжений, воздействующей на подземное сооружение, l5

Устройство для определения усилий в элементах подземных сооружений состоит из источника 1 импульсного света, объектива 2, поляризатора 3, модели 4 горной породы, имеющий отверстие с. расположенными в нем блоками 5 фотоупругих стержней, регистрирующей анализатора 6, аппаратуры 7, .состоящей из объектива 8, сверхскоростного фоторегистратора 9, нагружающего блока 10 и блока 11 синхро45 низации.

Блоки 5 фотоупругих стержней имеют торцовую часть 12, которая повторяет профиль моделируемой обделки в месте их установки.

Фотоупругий преобразователь работает следующим образом.

Свет от импуль-ного света проходит в объектив 2, поляризатор 3 и попадает в отверстие модели горного массива 4, где установлены блоки Аотоупругих стержней 5, воспринимающие динамические нагрузки от нагружающего блока 10. Далее свет проходит анализатор 6, объектив 8 и попадает во входной зрачок сверхскоростного фоторегистратора 9. Момент времени, фиксирующий начало действия динамической нагрузки, синхронизируется с помощью блока ll синхронизации с передним фронтом светового импульса источника 1 света и начачом длительности периода фоторегистрации.

При действии динамической нагруэ50 ки на фотоупругие стержни 5 в них возникают упругие волны, обуславливающие явление фотоупругости, приводящее к возникновению интерференционных полос, фиксируемых фоторегистратором 9, Материал фотоупругих стержней должен быть выбран из условия появления в каждом стержне счетного числа полос. Для динамических процессов (динамической фотоупругости) это число должно быть не менее двух.

Динамическая нагрузка, передаваемая на стержни> будет равна напряжениям, разрушающим модель, и напряжениям, действующим на торцы фотоупругих стержней. Например, откольное разрушение, связанное с интерференцией падающей и отраженной от контура выработки волн, происходит при напряжениях превьппающих предел прочности материала модели на растяжение RP. Так как толщина фотоупругих стержней равна толщине модели,. то максимальное напряжение в стержнях будет соизмеримо с Р . Отсюда условие выбора фоP точувствительности материал стержней должно битв следующим: динамическая нагрузка на стержень с максимальным напряжением (; „ должна вызывать появление двух полос, т.е. Q К где G« вЂ” максимальное напряжение в импульсе, распространяющемся в фотоупругом стержне, Верхний диапазон нагрузки на стержни ограничен пределом прочности материала на сжатие К, Обычно соотношение Rc/Е для скальных пород и бетона составляет 10, т.е. R /R =10. Отсюда максимальное напряжение в импульсе +c =Rc будет вызывать появление 20 полос, которые могут быть зарегистрированы.

Характеристика материала стержня, отражающая его фотоупругие свойства, является цена полосы, по напряжениям (1,О) (р 0 . Учитывая условие получения в стержне не менее двух полос от нагрузки, по закону Брюстера получим (о) р, .Д р,,1

03 г1((-) 2 У (s,о) где 6 вЂ” цена полосы материала по напряжениям;

d - толщина стержня в направлении просвечивания; ш((:) вЂ” порядок полосы, Для варьирования длительности регистрации процесса воздействия разрушенного массива на тюбинговую обделку можно испольэовать стержни различной длины, соединяемые затем в блоки. Длина i-ro стержня в этом блоке

9 2 бУДУт равна 1ст, где 7( заданная длина импульса напряжений;

n - -число стержней в блоке.

l571438

Фиа 2

i 1

Длина импульса напряжений зависит от свойств материала стержней, в частности от скорости распространения упругих продольных волн в стержнях и длительности воздействия импульса напряжений, Скорость распространения упругих волн в стержнях подбирается по эависимости а

1 Э

r 2 где 1 вЂ” длина i ãî фотоупругого стержня в блоке; г вЂ” длительность исследуемого процесса;

n вЂ” число фотоупругих стержней в блоке, а; вЂ” скорость распространения упругих продольных волн в

i-том стержне блока.

Собранный блок из фотоупругих стержней помещают в отверстие моде1 ли и проводят нагружение. Получен,ная волновая картина будет состоять из и фрагментов, в данном случае иэ четырех. По первому стержню можно судить о первой четверти всего исследуемого процесса, по второму о первой и второй четверти и т.д. Таким 30 образом, по одной полученной кинограмме получают фиксацию всего процесса действия динамической нагрузки на подземное сооружение. Расшифровка кинограммы дает :воэможность определить напряжение сжатия (7, в каждом х-ом стержне. Далее производят расчет усилия в каждом i-ом стержне по формуле N.; = G;. F;, где F; вЂ” площадь поперечного сечения i-ого стерв ня, формула изобретения

Устройство для определения усилий в элементах подземных сооружений, содержащее расположенные по ходу оптического луча источник импульсного света, объектив, поляризатор, модель горного массива с отверстием и фотоупругим элементом и регистрирующую аппаратуру, а также блок нагружения и систему синхронизации, соединенную с блоком нагружения, источником импульсного света и регистрирующей аппаратурой, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерений, фотоупругий элемент выполнен в виде блоков фотоупругих стержней, изготовленных из различных фоточувствительных материалов, цена полосы по напряжениям которых равна где R вЂ” прочность материала модели на растяжение;

d вЂ” толщина стержней в направлении просвечивания, а длину i-ro фотоупругого стержня выбирают в соответствии с зависимостью h 2

1 ст У где 9 вЂ” заданная длина импульса напряжений; и вЂ” число фотоупругих стержней в блоки, 1571438

Составитель Б. Маслов

Редактор А. Долинич Техред H,ÄHäûê Корректор С. Шевкун

Заказ 1505

Тираж 476

Подписное.3НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина, 101

Устройство для определения усилий в элементах подземных сооружений

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при определении остаточных напряжений

Способ определения остаточных напряжений в объектах из поликристаллических материалов // 1543258

Изобретение относится к экспериментальным методам определения механических напряжений в прозрачных кристаллических материалах и может быть использовано в квантовой электронике и оптоэлектронике

Способ регистрации распределения внутренних напряжений // 1530946

Способ определения цены полосы оптически чувствительных материалов // 1525490

Изобретение относится к исследованию фотоупругих материалов

Способ исследования гармонических напряжений в образце // 1525489

Изобретение относится к исследованию напряженного состояния деталей и конструкций

Способ определения механических напряжений в конструкциях // 1471091

Волоконно-оптическая система измерения давления // 1454055

Изобретение относится к приборостроению и позволяет повысить точность измерения давления при дистанционном контроле параметров объектов за счет расширения полосы пропускания и повышения устойчивости к внешним воздействиям

Поляризационно-оптический измеритель // 1447055

Изобретение относится к измери тельной технике н может быть исполь-; Ковано для измерения усилий, давлений И Других механических величин

Пьезооптический измеритель механических величин // 1446496

Оптический датчик давления // 1425483

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет повысить точность измерения давления

Пьезооптический измеритель механических величин // 2109258

Оптический способ измерения силы // 2115100

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к средствам измерения силы, вызывающей деформацию или перемещение чувствительного элемента, регистрируемые оптическими средствами

Лазерный интерферометрический преобразователь силы (варианты) // 2142122

Волоконно-оптические датчики давления и система измерения давления, их включающая // 2205374

Волоконно-оптический датчик температуры и деформации // 2248540

Изобретение относится к области измерительной техники, телеметрии и оптоэлектроники и может быть использовано для контроля деформаций крупных сооружений, в электротехнической промышленности при измерении температурных режимов трансформаторов, в геологической разведке при измерении распределения температуры вдоль скважин, в авиационной промышленности при контроле деформаций конструкций летательных аппаратов и т.д

Оптический тактильный датчик // 2263885

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тактильным датчикам оптического типа

Средство определения напряжений // 2319941

Материал, чувствительный к давлению // 2335511

Изобретение относится к полимерному материалу, обладающему оптически детектируемым откликом на изменение нагрузки (давления), включающему полиуретановый эластомер, адаптированный для детектирования изменения нагрузки, содержащий алифатический диизоцианат, полиол с концевым гидроксилом и фотохимическую систему, включающую флуоресцентные молекулы для зондирования расстояния, модифицированные с превращением в удлиняющие цепь диолы, в котором мольное соотношение диолов и полиолов находится в диапазоне от приблизительно 10:1 до около 1:2, а фотохимическая система выбрана из группы, состоящей из системы эксиплекса и резонансного переноса энергии флуоресценции (FRET)

Способ контроля механических напряжений в кремниевой структуре пленка sio2 - подложка si // 2345337

Изобретение относится к электронной технике, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении кристаллов ИС и дискретных полупроводниковых приборов

Оптический тактильный датчик и способ восстановления распределения вектора силы с использованием указанного датчика // 2358247

Изобретение относится к устройству и способу определения вектора силы и может быть использовано в тактильном датчике для руки робота