Способ определения деформаций конструкций при испытаниях в условиях знакопеременных температурных напряжений и датчик для определения деформаций

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к методам и устройствам определения деформаций авиационных конструкций. Целью изобретения является повышение точности определения деформаций конструкций при испытаниях в условиях знакопеременных температурных напряжений. Датчик деформаций содержит тензочувствительный элемент 3, нагревательный элемент 6 и термочувствительный элемент 7, связанные с коммутатором 11 и измерительным преобразователем 12 измерительного тракта. При реализации способа датчик деформаций устанавливают на испытываемую конструкцию, подключают к нему измерительную аппаратуру, осуществляют функциональную калибровку и градуировку измерительного тракта. Датчик подвергают термосиловому воздействию, подавая от измерительного преобразователя 12 импульс тока заданной мощности к нагревательному элементу 6, измеряют сопротивление датчика по сигналу тензочувствительного элемента 3. Подвергают испытываемую конструкцию одноразовому силовому воздействию эксплуатационных нагрузок, дополнительно измеряют сопротивление датчика. Деформацию конструкции определяют по зависимости сопротивления датчика от значений термосилового воздействия и силового воздействия эксплуатационных нагрузок. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения деформаций механических конструкций, конструкций тензометрических датчиков деформации, а также методам контроля их работоспособности, и может быть использовано для определения деформации конструкций объектов, работающих в условиях знакопеременных температурных напряжений в течение длительного времени эксплуатации.

Известен [1] способ определения деформации конструкций в условиях знакопеременных температурных напряжений, состоящий в том, что соединенные в мостовую схему тензодатчики устанавливают на конструкцию, при этом один или два тензодатчика измеряют деформацию, являясь рабочими, а три или два не воспринимают деформаций от эксплуатационнных нагрузок, но подвергаются деформациям знакопеременных температурных напряжений, являясь компенсационными. На выходе нормализатора, присоединенного к тензомосту, снимают сигнал, величина которого пропорциональна деформациям от эксплуатационных нагрузок.

Недостатком способа является неточное определение передаточной функции тензомоста на длительном интервале исследований или эксплуатации объекта, так как она в значительной мере зависит от качества присоединения, в частности приклеивания тензорезистора, и качества самого тензорезистора, которые меняются в зависимости от времени и условий эксплуатации объекта.

Известен способ контроля качества приклеивания тензорезистора [2], основанный на подаче импульса тока в тензорезистор, измерении изменения сопротивления и сравнении его с изменением сопротивления эталонного наклеенного тензорезистора.

Известен [3] также способ контроля качества наклеивания тензорезисторов путем подачи импульса тока выбранной длительности с учетом того, что тепловой поток не успевает подойти и распространиться к поверхности объекта.

Недостатками известных способов контроля являются; подача импульса тока повышенной амплитуды в тензочувствительную решетку датчика, что может привести к его отказу и при этом достигается незначительный эффект ее линейного расширения за счет термостабилизации материала решетки; сопоставление результатов измерения с показаниями контрольных датчиков, которые в процессе эксплуатации еще нужно куда-то устанавливать и подключать; отсутствие возможности функциональной калибровки всего тракта измерения (датчик-измерительные трассы-измерительный преобразователь-регистратор).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является [4] конструкция датчика деформаций и способ определения деформации.

Датчик деформации содержит две ножевые опоры, измеритель перемещений в виде скобы с закрепленными на ней тензочувствительным и термочувствительным элементами, термостабильный стержень с термоизолирующими прокладками на концах, соединенный со свободным концом скобы, термокомпенсирующий стержень с закрепленным на нем нагревательным элементом. Термокомпенсирующий стержень одним концом через прокладку соединен с термостабильным стержнем, а другим концом через прокладку - с ножевой опорой.

Датчик деформаций устанавливают на конструкции посредством ножевых опор, укрепленных на скобе. Подключают к нему измерительную аппаратуру. Перед определением деформаций производят функциональную калибровку или градуировку всего измерительного тракта, что и обеспечивает высокую точность измерений. Градуировку осуществляют термосиловым воздействием, подключая напряжение к нагревательному элементу датчика, который заставляет удлиняться термокомпенсирующий стержень, там самым обеспечивая заданную деформацию скобы и соответственно размещенного на ней тензорезистора.

После достижения равных этапов приращения заданной температуры измеряют сопротивление датчика.

Величину деформаций конструкций определяют на основе показаний датчика с учетом зависимости его сопротивления от термосилового воздействия, произведенного при градуировке.

Предложенный способ проведения измерений и датчик деформаций позволяет повысить точность измерений за счет исключения систематических погрешностей в измерительном тракте.

Однако этот датчик из-за сложной и громоздкой механической конструкции, ее тепловой и механической инерционности, ненадежности крепления его опор не может обеспечить при длительных квазистатических нагрузках в условиях знакопеременного температурного напряжения необходимую точность измерения деформации.

Недостатком способа измерения деформации является невысокая точность определения взаимосвязи между тарировочными характеристиками, получаемыми при силовом и термосиловом нагружениях.

Целью изобретения является повышение точности определения деформаций конструкций при испытаниях в условиях знакопеременного температурного напряжения.

Поставленная цель для способа достигается тем, что в способе определения деформаций конструкции при испытаниях в условиях знакопеременного температурного напряжения, заключающемся в том, что на испытываемую конструкцию устанавливают тензорезисторный датчик деформаций, подключают к нему измерительную аппаратуру, перед проведением испытаний осуществляют функциональную калибровку всего измерительного тракта, тензорезисторный датчик подвергают термосиловому воздействию путем подключения напряжения к его нагревательному элементу, измеряют сопротивление датчика и определяют деформацию конструкции по зависимости сопротивления датчика от значений термосилового воздействия, дополнительно подвергают конструкцию одноразовому силовому воздействию эксплуатационных нагрузок, дополнительно измеряют сопротивление датчика, а деформации конструкции определяют с учетом зависимости сопротивления датчика от значений силового воздействия эксплуатационных нагрузок.

Поставленная цель для устройств достигается тем, что датчик для определения деформаций, содержащий тензочувствительный элемент с изолирующей подложкой для крепления к испытываемой конструкции и нагревательный элемент, снабжен теплопроводной пластиной и термочувствительным элементом, пластина установлена в контакте с тензочувствительным элементом, а термочувствительный и нагревательный элементы установлены на пластине.

При подаче импульсов тока на нагревательный элемент, установленный на пластине, тензочувствительная решетка датчика испытывает нагрузки, возникающие от комплексного термосилового воздействия с учетом подкрепляющего воздействия конструкции через клеевое соединение датчик-конструкция, причем термосиловое воздействие определяется линейным расширением дополнительной пластины и тепловым потоком, поступающим в конструктивные элементы датчика, при этом достигаются деформации, равные по величине деформациям от силового воздействия на конструкцию в процессе эксплуатации.

Идентифицируя результаты измерения от термосилового воздействия с однократно проведенными результатами измерения при поэтапном тарировочном нагружении конструкции и внося коррекцию на температурные приращения получают градуировочную функциональную характеристику всего измерительного тракта системы.

На фиг. 1 изображен датчик деформации, общий вид; на фиг.2 - схема измерительного тракта с использованием датчика деформации.

Датчик деформации (фиг.1) содержит тензорезистор, установленный на детали конструкции 1 и изготовленный путем намотки с закреплением на подложке 2 тензочувствительного элемента 3 из тензопроволоки и закрытием его оболочкой 4 из тогоже связующего.

На токоизолирующей прокладке 5 установлены нагревательный элемент 6 решетчатого типа и термочувствительный элемент 7 также решетчатого типа, которые расположены за пределами выводов 8 тензопроводки на теплопроводной пластине 9, изготовленной из материала, имеющего такой же коэффициент температурного расширения, как и испытываемая конструкция. Например: нагревательный элемент 6 может быть изготовлен путем травления из фольги константана, а термочувствительный элемент 7 - путем травления из фольги меди, нанесенных на подложку из клея ВЛ-6 и потом наклеенный на пластину 9.

Измерительный тракт, содержащий датчик деформаций, включает в себя термочувствительный элемент датчика 7, два вывода которого с одной стороны через измерительные трассы 10 идут на коммутатор 11, а с другой стороны - на коммутатор и на тензорешетку 3, второй вывод которого через измерительные трассы 10 идет на коммутатор 11 и на первый вход нагревательного элемента 6, второй выход которого соединен измерительной трассой с коммутатором, выход которого связан с измерительным преобразователем 12, один выход которого связан с регистратором 13, а другой с коммутатором.

Измерительный преобразователь 12, подавая импульс тока заданной мощности на нагреватель 6, измеряет сигналы с тензорезистора 3 об изменении его сопротивления при нагревании для дальнейшего вычисления на их основе калибровочной характеристики с температурной коррекцией.

Продолжительность нагрева тензорезистора, величина тока нагрева определяются опытно-расчетным путем, таким образом, чтобы деформация пластины от нагрева была сопоставима по величине с величиной деформации конструкции при ее силовом нагружении.

В рассматриваемом случае, когда тензорезистор изготовлен из проволоки константана толщиной 0,03 мм, подложка связующего и оболочки из клея ВЛ-6, пластина из фольги алюминия Д16М, нагревательный элемент из фольги константана, термочувствительный элемент из фольги меди, импульс тока равен I=200 мА и имеет продолжительность не более 1 с.

Способ определения деформации конструкции при испытаниях или эксплуатации в условиях знакопеременного температурного напряжения реализуется следующей последовательностью операций: на испытываемую конструкцию устанавливают тензорезисторный датчик деформаций; подключают к нему измерительную аппаратуру, осуществляют функциональную калибровку или градуировку всего тракта, при этом тензорезисторный датчик подвергают термосиловому воздействию путем подключения напряжения к его нагревательному элементу и измеряют сопротивление датчика. Подвергают конструкцию одноразовому силовому воздействию эксплуатационных нагрузок, дополнительно измеряют сопротивление датчика. Деформацию конструкции определяют по зависимости сопротивления датчика от значений термосилового воздействия и силового воздействия эксплуатационных нагрузок.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ В УСЛОВИЯХ ЗНАКОПЕРЕМЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ.

1. Способ определения деформаций конструкций при испытаниях в условиях знакопеременных температурных напряжений, заключающийся в том, что на испытуемую конструкцию устанавливают тензорезисторный датчик деформаций, подключают к нему измерительную аппаратуру, перед проведением испытаний осуществляют функциональную калибровку всего измерительного тракта, тензорезисторный датчик подвергают термосиловому воздействию путем подключения напряжения к его нагревательному элементу, измеряют сопротивление датчика и определяют деформации конструкции по зависимости сопротивления датчика от значений термосилового воздействия, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, дополнительно подвергают конструкцию одноразовому силовому воздействию эксплуатационных нагрузок, дополнительно измеряют сопротивление датчика, а деформации конструкции определяют с учетом зависимости сопротивления датчика от значений силового воздействия эксплуатационных нагрузок.

2. Датчик для определения деформаций конструкций при испытаниях в условиях знакопеременных температурных напряжений, содержащий тензочувствительный элемент с изолирующей подложкой для крепления к испытуемой конструкции и нагревательный элемент, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, он снабжен теплопроводной пластиной и термочувствительным элементом, пластина установлена в контакте с тензочувствительным элементом, а термочувствительный и нагревательный элементы установлены на пластине.

3. Датчик по п.2, отличающийся тем, что нагревательный элемент выполнен в виде решетки из высокоомного материала.

4. Датчик по п.2, отличающийся тем, что термочувствительный элемент выполнен в виде решетки из термочувствительной проволоки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2