Способ измерения механических напряжений

 

Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности. Испытываемый образец помещают в выбираемое в зависимости от его материала переменное магнитное поле, направляют луч света. Изменение намагниченности засвеченного участка поверхности образца под действием переменного внешнего магнитного поля приводит к изменению интенсивности отраженного от испытываемого образца света за счет магнитооптического эффекта и регистрируется фотоприемником , в цепи которого возникают два сигнала: постоянный - пропорциональный интенсивности света, отраженного от образца в отсутствие магнитного поля, и переменный - пропорциональный глубине модуляции света за счет магнитооптического эффекта, возникающей при перемагничивании образца. При этом о механических воздействиях на испытываемый образец можно судить по увеличению или уменьшению (в зависимости от знака постоянной магнитострикции) магнитооптического эффекта , измеряемого при фиксированном значении переменного магнитного поля. Величина поля зависит от исследуемого материала . 1 ил. сл с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

s G 01 В 11/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ4ЕТЕЛЬСТВУ, с

: QO

О Ы1 (21) 4782774/28 (22) 11,01..90 (46) 15.10.92,Бюл,N. 38 (71) М ГУ им.M.Â.Ë омоносова (72) Е.Е.Чепурова, Г.С.Кринчик, А.В.Штайн и

В.Ф.Новиков (56) Katagiri М.,Watarava М.,Hyigawa М.

Sparp К, Optical pressure censor with

pedestal mounted photoelastic element, 1988. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ MEXAHИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ (57) Изобретение относится к контрольноизмерительной технике. Цель изобретения — повышение чувствительности.

Испытываемый образец помещают в выбираемое в зависимости от его материала переменное магнитное поле, направляют луч света. Изменение намагниченности засвеченного участка поверхности образца под действием переменного внешнего магнитИзобретение относится к контрольноизмерительной технике и может быть использовано при создании устройств и приборов для измерения механических напря>кений в узлах, изготовленных из магнитоупорядоченных материалов.

Известны способы измерения механических напря>кений с помощью магнитоупругих датчиков, основанные на обратном магнитострикционном эффекте, состоящем

so влиянии упругих напряжений на намагниченность, Магнитоупругие датчики имеют самые разнообразные конструкции. В любом случае датчик представляет собой магнитопровод из магнитострикционного материала, который закрепляется или соприкасается с поверхностью испытываемой, Ы „„1768963 А1 ного поля приводит к изменению интенсивности отраженного от испытываемого образца света за счет магнитооптического эффекта и регистрируется фотоприемником, в цепи которого возникают два сигнала; постоянный — пропорциональный интенсивности света, отраженного. от образца в отсутствие магнитного поля, и переменный - пропорциональный глубине модуляции света за счет магнитооптического эффекта, возникающей при перемагничивании образца. При этом о механических воздействиях на испытываемый образец можно судить по увеличению или уменьшению (a зависимости от знака постоянной магнитострикции) магнитооптического эффекта, измеряемого при фиксированном значении переменного магнитного поля.

Величина поля зависит от исследуемого материала, 1 ил, детали. О величине приложенных напряжений к испытываемой детали судят по изменению магнитной проницаемости или ЭДС используемого магнитопровода.

Недостатком указанных способов являеiñÿ нестабильность измеряемых величин вследствие сильного влияния на работу магнитоупругих датчиков явлений магнитного гистерезиса и остаточного намагничивания.

Наиболее близким по технической сущ ности является способ измерения механических напряжений, основанный на использовании пьезооптического эффекта (фотоупругости), состоящего в появлении под действием упругих напряжений оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах. Пьезооптический

1768963

50 эффект является следствием зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации и проявляется в виде двойного лучепреломления и дихроизма. В поляризационно-оптических датчиках используются оптически-чувствительные материалы, изготовленные в виде прямоугольных пластинок, Пластинки крепятся на поверхность испытываемой детали. При одноосном растяжении или сжатии оптическичувствительное вещество приобретает свойства оптически-одноосного кристалла с оптической осью, параллельной оси растя>кения или сжатия, Линейно-поляризованн ый свет, проходя через поляризационно-оптический датчик, при наличии упругих напря>кений испытывает линейное двулучепреломление Ь (Л ив разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн). О приложенных к испытываемой детали механических напряжениях судят по величине

Лп, Поляризационно-оптические тензометры относятся к датчикам накладного типа.

Недостатками данного способа являются невысокая чувствительность и ограничение типов исследуемых образцов, что обусловлено TGM, что на величине выходного сигнала датчика накладного типа сказывается зазор между датчиком и исследуемым материалом, а сам датчик имеет определенную форму заданных размеров.

Целью изобретенич является повышение чувствительности измерения механических напря>кений и расширение объектов исследования.

Цель изобретения достигаем тем, что исследуемый объект помещают в зазор тороидального магнита, поляризованное излучение фокусируют на поверхности объекта в пятно, размером много меньше характерных размеров неоднородностей распределения напря>кений, воздействие осуществляют переменным магнитным полем на частоте, отличной от сетевой, в качестве регистрируемых характеристик выбирают значения постоянной и переменной составляющих интенсивности отраженного излучения, механические напряжения в точке определяют по соотношению составляющих с использованием градуировочной кривой, сканируя поверхность объекта сфокусированным излучением, определяют распределение напря>кений по двум направлениям.

В предложенном способе впервые используются эффекты магнитоотра>кения (магнитооптические эффекты), состоящие в

2ц

40 изменении линейно-поляризованного света, отраженного от магнитоупорядоченного материала, подвергаемого механическим воздействиям. Таким образом, предложенный способ- соответствует критерию "Существенные отличия".

На чертеже представлена схема, реализующая предлагаемый способ.

Способ осуществляется следующим образом. В дугообразный магнит 1 с намагничивающей обмоткой 2 помещают испытываемую деталь 3 (пластинка, проволока и т,д,), Свет от источника света 4 пройдя поляризатор 5, падает на образец.

Отраженный свет собирается на фотоприемнике 6, В намагниченную обмотку 2 от звукового генератора 10 через усилитель мощности 11 подается переменный ток, обеспечивающий перемагничивание образца (в том числе от М, до — Ms, М вЂ” намагниченность насыщения испытываемого материала).

Изм нение намагниченности засвеченного участка поверхности детали под действием переменного внешнего магнитного поля приводит к изменению интенсивности отраженного от испытываемого обоазца света за счет магнитооптического эффекта.

Удобно применение экваториального эффекта Керра (ЭЭК), а также меридианального интенсивного эффекта (МИЭ), В первом случае магнитное поле, прикладываемое к образцу, и плоскость падения света перпендикулярны. ЭЭК измеряется íà P — компоненте падающего света. Во-втором— магнитное поле и плоскость падения света параллельны. МИЭ измеряется при некотором промежуточном (между P — и S — волнами, вектор Е лежит соответстьенно параллельно и перпендикулярно плоскости падения света) поло>кении плоскости поляризации, Изменение интенсивности отраженного от испытываемого образца света регистрируется фотоприемником 6, в цепи которого возникают два сигнала: постоянный — пропорциональный интенсивности света, отраженного от образца в отсутствие магнитного поля, и переменный — пропорциональный глубине модуляции света за счет магнитооптического эффекта, возникающей при перемагничивании образца, Первый сигнал измеряется микровольтметром постоянного тока 8, второй — селективным усилителем 7 с синхронным детектором 9

Отношение показаний синхронно детектора 9 и микровольтметра 8 определяют величину магнитооптического эффекта д.

Известно, что при постоянной напряженности магнитного поля и воздействии на

1768963 образец внешних механических напряжений (растяжения или сжатия) в нем должны обнаружиться изменения намагниченности (ма гн итоу п руги и эффект). Ма гнитоуп руги и эффект и связанная с ним магнитоупругая энергия обусловлены наличием магнитострикции в кристалле. Магнитоупругая энергия создает дополнительные, выгодное и невыгодное, энергетические направления

М (магнитоупругая анизотропия). В результате ход кривых намагничивания определяется конкурирующими вкладами магнитоупругой энергии и кристаллографической магнитной анизотропии.

В материалах, имеющих отрицательный знак магнитострикции, одностороннее растяжение стремится установить векторы М> в плоскости, перпендикулярной направлению растя>кения. Кривые намагничивания при этом вырождаются в прямые линии, ибо в этом случае требуется гораздо большее поле Н, чтобы сориентировать векторы М> в направлении приложенного поля, В материалах, обладающих положительной магнитострикцией, кривые намагничивания по мере увеличения упругого рас.гя>кения приобретают прямоугольный вид.

Измерение кривых намагничивания возмо>кно с помощью магнитооптических эффектов, при этом о механических воздействиях на испытываемый образец можно судить по увеличению или уменьшению (в зависимости от знака постоянной магнитострикции) магнитооптического эффекта, измеряемого при фиксированном значении переменного магнитного поля. Величина поля зависит от исследуемого материала.

Изобретение иллюстрируется следующим г римером.

Стальную проволоку диаметром 0,2 мм помещают во внешнее переменное магнитное поле, равное 200 Э. Направляют на нее луч света, и измеряют магнитоотражение д в зависимости от напряжения растяжения, прикладываемого к проволоке, Обнаруженное увеличение д с ростом и рило>кенного напряжения свидетельствует о том, что испытываемая деталь характеризуется положитеR ьной магнитострикцией.

Минимальное значение магнитооптического эффекта д (в относительных едини5

50 цах), измеряемое с помощью используемой методики, равно 5 .10 . Это означает, что

-5 минимальное регистрируемое напряжение, приложенное к исследуемому образцу, составляет 5-10 МПа, что практически на порядок меньша по сравнению с тензометрами, описанными выше.

В предложенном способе предусмотрена фокусировка луча света в пятно диаметром до нескольких микрон и сканирование его по поверхности испытываемого материала. Это позволяет измерять распределение напряжения в продольном и поперечном направлениях относительно оси приложенных механических нагрузок, а также изучать различные типы образцов — вплоть до микропроволок и пленочных покрытий.

Таким образом, при данном способе измерения механических напряжений повышается чувствительность и отношение сигнал / шум, не сказывается качество поверхности испытываемой детали, допустимы измерения распределения напряжений в продольном и поперечном направлениях относительно оси приложенных механических нагрузок, расширяются типы измеряемых образцов.

Формула изобретения

Способ измерения механических напряжений, заключающийся в том. что направляют в сторону исследуемого объекта поляризованное излучение, осуществляют воздействие на объект, регистрируют характеристики излучения и по ним судят о механических напряжениях, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения чувствительности, исследуемый обьект помещают в зазор тороидального магнита, поляризованное излучение фокусируют на поверхности объекта в пятно, размером много меньше характерных размеров неоднородностей распределения напряжений, воздействие осуществляют переменным магнитным полем на частоте, отличной от сетевой, в качестве регистрируемых характеристик выбирают значения постоянной и переменной составляющих интенсивности отраженного излучения. механические напряжения в точке определяют по соотношению составляющих с использованием градуировочной кривой. сканируя поверхность объекта сфокусированным излучением, определяют распределение напряжений по двум направляющим, 1768963

Составитель Е, Чепурова

Редактор Н. Соколова Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор П. Гереши

Заказ 3638 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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