Устройство для измерения деформации при испытаниях конструкций на прочность

 

Сущность изобретения: упругий элемент тензорезисторного устройства для измерения деформаций выполнен из двух тонкостенных колец, последовательно соединенных друг с другом по оси их симметрии. Соединение колец осуществлено узлом задания нормированной величины измеряемого параметра. В этом узле и узлах крепления упругого элемента к испытуемой конструкции выполнены базовые отверстия, предназначенные для установки на устройстве градуировочного приспособления. При использовании изобретения расширяется диапазон и повышается точность измерения. Кроме того, обеспечивается возможность градуировки устройства непосредственно на испытуемой конструкции. 7 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения деформаций конструкций при климатических и ресурсных испытаниях на прочность.

Область применения изобретения авиастроение, машиностроение, судостроение, атомная энергетика и др.

При испытаниях на прочность материалов и конструкций производят измерение деформаций в широком диапазоне диаграммы " σ - ε " при различных климатических условиях. При этом важными требованиями к измерительным устройствам являются: обеспечение высокой точности измерения, которая в значительной мере зависит от разброса номинальных сопротивлений тензорезисторов в партии, их собственной ползучести во времени, температурной компенсации и др. помехоустойчивости от воздействия электромагнитных помех, защищенности от воздействия повышенной влажности, обеспечение технологичности монтажа на поверхности конструкции, возможности периодического контроля измерительных характеристик, малых габаритных размеров и веса.

Известны устройства для измерения деформаций при испытаниях конструкций на прочность, выполненные в виде наклеиваемых тензорезисторов, содержащих диэлектрическую основу, металлическую чувствительную решетку и выводные провода [1] Недостатком известных тензорезисторов являются ограниченный диапазон измерения деформаций (до ±0,2-0,5%), неполная температурная компенсация сопротивления, наличие значительных погрешностей измерения при электромагнитных помехах, применение косвенного метода градуировки для определения чувствительности (градуируется выборка из партии тензорезисторов и по ней присваиваются характеристики всей партии) и др. Весьма сложной проблемой является защита тензорезисторов от длительного воздействия влаги, паров масел и агрессивных сред и др. Не обеспечивается периодический контроль измерительных характеристик при длительных испытаниях.

Известно устройство для измерения больших деформаций при испытаниях конструкций на прочность, содержащее упругое кольцо, жестко в одной точке закрепленное на базе, относительно которой ведется измерение, а в противоположной точке окружности на него передается деформация с испытуемой конструкции. На кольцо с внешней и внутренней стороны установлены тензорезисторы, которые преобразуют деформацию в электрический сигнал [2] Недостатком устройства является то, что оно градуируется с измерительной аппаратурой до монтажа на исследуемой конструкции. Контроль измерительных характеристик его в процессе длительной эксплуатации без демонтажа с конструкции не обеспечивается. Кроме того, при нелинейной градуировочной характеристике имеют место дополнительные погрешности, возникающие за счет монтажа на конструкции.

Известно также устройство для измерения деформаций при испытаниях конструкций на прочность, содержащее упругий элемент, выполненный в виде скобы П-образной формы, на горизонтальной площадке которой наклеены тензорезисторы, а боковые стойки в нижней части прикрепляются к исследуемой поверхности конструкции на заданной базе измерения, и измерительную аппаратуру [2] Недостатком этого устройства является наличие дополнительных погрешностей, возникающих за счет монтажа на конструкции после градуировки, невозможность периодического контроля характеристик без демонтажа с конструкции, наличие дополнительных погрешностей, обусловленных деформациями кручения, растяжения, сжатия и др.

Задача изобретения состоит в том, чтобы увеличить диапазон измерения деформаций в рабочем диапазоне температур, повысить точность измерения деформаций и снизить эксплуатационные расходы на подготовку и проведение измерений при испытаниях конструкций.

Технический результат достигается расширением диапазона измеряемых деформаций, увеличение точности измерения и уменьшением трудоемкости работ по эксплуатации при проведении измерений.

Согласно изобретению технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве для измерения деформаций при испытании конструкций на прочность, содержащем упругий элемент, узлы крепления упругого элемента, тензорезисторы, установленные на упругом элементе, и измерительную аппаратуру, упругий элемент выполнен из двух тонкостенных колец, соединенных друг с другом последовательно по оси их симметрии узлом задания нормированной величины измеряемого параметра, а в узлах крепления и узле задания нормированной величины измеряемого параметра выполнены базовые отверстия.

На фиг.1 изображен общий вид описываемого устройства; на фиг.2 вид А на фиг. 1; на фиг. 3 вид сбоку; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 представлено описываемое устройство с градуировочным приспособлением; на фиг.6 показана электрическая схема устройства; на фиг.7 представлены градуировочные характеристики устройства при работе с измерительной системой СИИТ-3.

Устройство для измерения деформаций состоит из корпуса 1, упругого элемента 2, узла 3 задания нормированной величины измеряемого параметра, тензорезисторов 4, наклеенных на поверхности упругого элемента, узлов 5 крепления упругого элемента, базовых опор 6, монтажных колодочек 7 и измерительной аппаратуры.

Корпус 1 выполнен легкосъемным и устанавливается с зазором в пазах узлов 5 крепления. Корпус одновременно выполняет роль ограничителя хода при повышении измеряемой деформации заданного диапазона. В узлах 3 и 5 выполнены базовые отверстия 8.

Упругий элемент 2 состоит из двух тонкостенных колец малой жесткости, соединенных друг с другом последовательно при помощи упомянутого узла 3. На внешней и внутренней поверхности колец в сжатой и растянутой зонах установлены восемь тензорезисторов 4, по четыре на каждом кольце, которые соединены в два измерительных моста, подключенных к монтажным колодочкам 7.

Крепление устройства на поверхности испытуемой конструкции 9 производится при помощи двух узлов 5. Соединение упругих колец 2 с узлами 3 и 5 производится при помощи точечной электросварки, а узлов крепления 5 с конструкцией 9 клеем, цементом или точечной электросваркой. Базовые отверстия 8 служат для установки на устройстве градуировочного приспособления 10 (фиг. 5). Два измерительных моста 11, в каждый из которых включены 4 тензорезистора, через коммутатор 12 подключаются к измерительному устройству 13, для управления которым, а также для сбора, обработки и представления информации о деформировании конструкции используется персональная электронная вычислительная машина (ПЭВМ) 14. Указанные выше элементы образуют измерительную систему (аппаратуру) устройства.

Устройство работает следующим образом.

Упругий элемент укрепляется на поверхности конструкции в исследуемой зоне и подключается к измерительной аппаратуре (например, к системе СИИТ-3, фиг. 6). Устройство градуируется совместно с измерительной аппаратурой при помощи градуировочного приспособления 10 и определяются коэффициенты K₁ и K₂ преобразования каждого кольца с тензорезисторами при растяжении и сжатии.

При нагружении конструкция деформируется, что приводит к изменению начальной базы измерения "l". При изменении базы измерения (изменение расстояния между точками крепления устройства) деформируются тонкостенные кольца и чувствительные решетки тензорезисторов 4, наклеенных на их поверхность. При этом изменяется начальное сопротивление R плеч измерительного моста (например, для первого кольца: сопротивления R₁ и R₃ тензорезисторов увеличиваются на величину DR₁ и ΔR₃, а R₂ и R₄ уменьшаются на величину, соответственно ΔR₂ и ΔR₄, что приводит к возникновению в измерительной диагонали первого моста электрического сигнала Aⁱ₁, пропорционального деформации поверхности конструкции, который регистрируется устройством 13 и обрабатывается ПЭВМ 14. Одновременно регистрируется и обрабатывается сигнал Aⁱ₂ с измерительного с тензорезисторами второго кольца. Деформация конструкции рассчитывается по приведенной далее формуле 5.

В случае, если при испытаниях деформация конструкции в исследуемой зоне превысит предельно допустимый диапазон измерения устройства, которому соответствует зазор в пазе между узлами 5 крепления и корпусом 1, эти части упираются друг в друга и ограничивают дальнейшее деформирование колец и тензорезисторов.

Приводимая ниже формула 5 получена следующим образом.

Деформация ε конструкции в исследуемой зоне определяется по известной формуле: , где l начальная длина конструкции или база измерения на конструкции; Δl изменение длины конструкции или базы измерения.

Для рассматриваемого случая: Δl = Δl₁+Δl₂, (2), где Δl₁ и Δl₂ удлинения базы l, определяемые по показаниям измерительных мостов.

При этом: Δl₁ = (Aⁱ₁ - A^o₁)·K₁ (3),
где A^o₁ сигнал с первого измерительного моста до нагружения конструкции;
Aⁱ₁ сигнал первого измерительного моста при i-й ступени нагружения конструкции;
K₁ коэффициент преобразования деформации в электрический сигнал первого кольца с тензорезисторами.

Для второго упругого кольца:
Δl₂ = (Aⁱ₂ - A^o₂)·K₂ (4).

Подставляя 2, 3 и 4 в формулу 1 получаем

Определение коэффициента K₁ и K₂ производится по градуировочным характеристикам A^г_1,2 = ϕ(f) (зависимость выходного сигнала A^г_1,2 от задаваемого перемещения f) устройства совместно с измерительной аппаратурой при помощи градуировочного приспособления 10 до монтажа предлагаемого устройства на конструкцию и периодически при проведении измерений на конструкции. При измерении этих коэффициентов в процессе длительных испытаний корректируются результаты обработки данных.

Таким образом, новые элементы обеспечивают устройству по изобретению следующие свойства.

1. Два упругих кольца, соединенных друг с другом последовательно обеспечивают: преобразование больших деформаций (до 5 15%) исследуемой конструкции в малые деформации (до 0,2 0,5%) в зонах наклейки тензорезисторов; возможность градуировки устройства непосредственно на конструкции после монтажа; возможность увеличения в 2-4 раза выходного сигнала измерительного моста; снижение температурных погрешностей, погрешностей от деформаций не в заданном направлении, погрешностей от электромагнитных помех, погрешностей за счет изменения коэффициентов преобразования при длительной эксплуатации и др.

2. Узел задания нормированной величины измеряемого параметра (деформации) обеспечивает возможность задания деформации при периодической градуировке устройства и, соответственно, корректирование результатов измерения.

3. Базовые отверстия на узлах крепления обеспечивают установку градуировочных приспособлений и проведение периодических градуировок устройства непосредственно на конструкции без демонтажа устройства.

Кроме того, корпус устройства обеспечивает защиту упругих колец и тензорезисторов от перегрузки при превышении деформацией конструкции диапазона измерения.

Применение устройства обеспечивает возможность измерения деформаций конструкций во всем диапазоне диаграммы " σ - ε " материала, расширение диапазона измерения деформаций в 30-50 раз, увеличение точности измерений в 2-3 раза при длительных испытаниях, сокращение расходов на подготовку и проведение измерений при испытаниях в 1,5-2 раза.

Формула изобретения

Устройство для измерения деформации при испытаниях конструкций на прочность, содержащее упругий элемент, узел крепления упругого элемента, тензорезисторы, расположенные на упругом элементе, и измерительную аппаратуру, отличающееся тем, что упругий элемент выполнен из двух тонкостенных колец, соединенных друг с другом последовательно по оси их симметрии узлом задания нормированной величины измеряемого параметра, а в узлах крепления и узла задания нормированной величины измеряемого параметра выполнены базовые отверстия.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7