Тензодатчик

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения деформации различных объектов. Технический результат: повышение точности определения относительной деформации и расширение эксплуатационных возможностей. Сущность: тензодатчик содержит преобразователь линейных перемещений, состоящий из двух взаимно перемещающихся элементов. Каждый из элементов преобразователя установлен на отдельную платформу, снабженную линейными или точечными опорами со стороны деформируемой поверхности и прижимом, действующим перпендикулярно этой поверхности. Часть опор расположена с одной стороны от линии, проходящей через среднюю точку приложения усилия прижима перпендикулярно направлению деформации. Одна или более других опор расположены с другой стороны от указанной линии. Опоры с одной стороны расположены по линии, перпендикулярной направлению деформации, и выполнены с большим коэффициентом сцепления с деформируемой поверхностью, чем опоры с другой стороны. В качестве прижима использован один или несколько постоянных магнитов. В качестве одного из элементов преобразователя могут быть использованы одна или несколько катушек индуктивности, а в качестве другого - ферромагнитный сердечник с хвостовиком и подставкой, установленной на платформу. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения деформации различных объектов, в частности для измерения деформации поверхности твердых тел, находящихся под воздействием изменяющихся во времени одноосных или двухосных (плоских) напряжений.

Известно устройство для измерения деформаций (тензодатчик), содержащее индуктивный преобразователь в виде катушки и связанного с ней сердечника, установленный в механизме передачи перемещений, взаимодействующем с испытуемой поверхностью объекта посредством подвижного и неподвижного наконечников (авт.свид. СССР № 295066, МПК G01В 7/16, 1971).

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, невозможность изменения базы измерения (исходного расстояния между наконечниками) и неудобство эксплуатации при длительных испытаниях на объектах с переменными деформациями.

Известен также тензодатчик, содержащий индуктивный преобразователь в виде корпуса с расположенной в нем катушкой и взаимодействующего с ней сердечника с подставкой, закрепляемый на поверхности деформируемого объекта (авт.свид. № 787886, МПК 3 G01В 7/16, 1980). При деформации контролируемой поверхности в направлении оси катушки сердечник перемещается относительно последней, при этом сигнал с блока преобразования эдс катушки пропорционален величине деформации.

Недостатком этого устройства является ненадежность крепления элементов индуктивного преобразователя и узкий диапазон измеряемых деформаций при использовании тензодатчика для контроля напряженного состояния твердых тел, что ограничивает эксплуатационные возможности устройства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является тензодатчик, содержащий преобразователь линейных перемещений в виде катушки индуктивности и взаимодействующего с ней сердечника с подставкой, закрепляемых на поверхности деформируемого объекта через эластичную подложку (свидетельство РФ на полезную модель №25346 от 13.02.02 г.- прототип). При деформации контролируемой поверхности центры катушки и подставки сердечника, расположенные на расстоянии, равном базе тензодатчика, смещаются относительно друг друга, и по величине смещения, отнесенного к базе, определяют относительную деформацию исследуемого участка поверхности.

Недостатком устройства-прототипа является низкая точность измерения, обусловленная неоднородностью эластичной подложки под катушкой и подставкой сердечника, приводящая к неконтролируемому смещению центров указанных элементов датчика относительно базовых точек. Устройство-прототип обладает ограниченными эксплуатационными возможностями из-за непостоянства свойств эластичных подложек (включая потерю эластичности и сужение диапазона измерения деформаций) в широком диапазоне температур. Кроме того, известное устройство имеет ограничение по минимальной базе, поскольку она обусловлена габаритами элементов датчика и не может быть менее полусуммы длин элементов датчика в направлении деформации.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности определения относительной деформации объектов и расширение эксплуатационных возможностей тензодатчика.

Указанный технический результат достигается тем, что в тензодатчике, содержащем преобразователь линейных перемещений из двух взаимно перемещающихся элементов, согласно изобретению каждый из элементов преобразователя установлен на отдельную платформу, снабженную линейными или точечными опорами со стороны деформируемой поверхности и прижимом, действующим перпендикулярно этой поверхности. Часть опор расположена с одной стороны от линии, проходящей через среднюю точку приложения усилия прижима перпендикулярно направлению деформации, а одна или более других опор расположена(ы) с другой стороны от указанной линии, причем опоры с одной стороны расположены по линии, перпендикулярной направлению деформации, и выполнены с большим коэффициентом сцепления с деформируемой поверхностью, чем опоры с другой стороны.

Каждая из платформ может быть снабжена тремя опорами, две из которых расположены с одной стороны от линии, проходящей через среднюю точку приложения усилия прижима перпендикулярно направлению деформации, а третья - с другой стороны симметрично по отношению к другим опорам, причем расстояние между средней точкой приложения усилия прижима и линией расположения первых двух опор меньше, чем расстояние от средней точки приложения усилия прижима до третьей опоры. Первые две опоры могут быть выполнены из твердого материала и заостренными или со сферической контактной поверхностью, а в качестве прижима использован один или несколько постоянных магнитов.

В качестве одного из элементов преобразователя линейных перемещений могут быть использованы одна или несколько катушек индуктивности с осью, параллельной направлению деформации, а в качестве другого элемента - металлический, например ферромагнитный, сердечник с хвостовиком и подставкой, установленной на платформу. Хвостовик сердечника соединен с подставкой с возможностью перемещения в направлении деформации и фиксации в заданном положении. Каждая из платформ с катушкой индуктивности и сердечником может быть снабжена двумя постоянными магнитами с намагниченностью, перпендикулярной деформируемой поверхности, расположенными с двух сторон от катушки и подставки сердечника в плоскости, перпендикулярной направлению деформации. Хвостовик сердечника может быть выполнен неметаллическим, неферромагнитным и гибким в направлении, перпендикулярном его оси.

Применение в тензодатчике платформ, снабженных опорами со стороны деформируемой поверхности и прижимом, действующим перпендикулярно деформируемой поверхности, позволяет увеличить точность определения относительной деформации контролируемой поверхности за счет снижения поверхности контакта (опорной поверхности) элементов датчика с деформируемой поверхностью и исключения смещения элементов относительно базовых точек. Это обусловлено тем, что поскольку часть опор каждой платформы расположена с одной стороны от линии, проходящей через среднюю точку приложения усилия прижима перпендикулярно направлению деформации (базовой линии), и выполнена с большим коэффициентом сцепления с деформируемой поверхностью (базовые опоры), чем опоры с другой стороны указанной линии (скользящие опоры), то платформы в процессе деформации контролируемой поверхности не смещаются относительно базовых линий, а перемещаются вместе с ними.

Использование трех опор, две из которых расположены с одной стороны от линии, проходящей через среднюю точку приложения усилия прижима перпендикулярно направлению деформации, а третья - с другой стороны симметрично по отношению к другим опорам, позволяет упростить устройство и снизить его габариты, а также проводить измерения на изделиях с криволинейной поверхностью. Выбор расстояния между средней точкой приложения усилия прижима и линией расположения первых двух (базовых) опор меньшего, чем расстояние от средней точки приложения усилия прижима до третьей (скользящей) опоры, способствует усилению сцепления базовых опор с деформируемой поверхностью и ослаблению сцепления с ней скользящей опоры. Этому же способствует выполнение базовых опор из твердого материала и заостренными или со сферической контактной поверхностью. Последнее, благодаря минимизации площади контактных поверхностей базовых опор, обеспечивает также более стабильную, чем для плоских опор, привязку платформ к базовым линиям деформируемой поверхности.

Применение в качестве прижима одного или нескольких постоянных магнитов упрощает устройство и обеспечивает постоянство прижима платформ независимо от перемещения их по деформируемой поверхности, а также позволяет измерять деформации на поверхностях с любым наклоном по отношению к горизонтали.

Использование в качестве одного из элементов преобразователя линейных перемещений одной или нескольких катушек индуктивности с осью, параллельной направлению деформации, а в качестве другого элемента - металлического, например ферромагнитного, сердечника с хвостовиком и подставкой, установленной на платформу, позволяет увеличить диапазон измеряемых деформаций при неизменных габаритах катушки и сердечника. Это достигается за счет того, что установка хвостовика сердечника в подставке с возможностью перемещения в направлении деформации и фиксации в заданном положении дает возможность многократно переустанавливать сердечник в катушке по мере увеличения деформации одного знака, расширяя таким образом, диапазон измерения. Установка на каждой из платформ с катушкой индуктивности и сердечником двух постоянных магнитов с намагниченностью, перпендикулярной деформируемой поверхности, и расположение их с двух сторон от катушки и подставки сердечника в плоскости, перпендикулярной направлению деформации, позволяет выравнивать усилие прижима на базовые опоры и предотвращать поворот платформ относительно одной из базовых точек в процессе деформации контролируемой поверхности.

Выполнение хвостовика сердечника неметаллическим и неферромагнитным позволяет исключить влияние материала хвостовика на показания индуктивного преобразователя перемещений, а изготовление хвостовика гибким в направлении, перпендикулярном его оси, избежать заклинивания сердечника в катушке при возникновении их несоосности.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показан тензодатчик с емкостным преобразователем линейных перемещений и прижимом платформ в виде грузов; на фиг.2 - то же, вид сверху; на фиг.3 - тензодатчик с индуктивным преобразователем линейных перемещений и прижимом в виде двух постоянных магнитов; на фиг.4 - то же, вид сверху.

Тензодатчик содержит преобразователь линейных перемещений, состоящий из двух взаимно перемещающихся элементов - пластин 1 и 2 конденсатора (фиг.1, 2), катушки 3 индуктивности (или две и более соосных друг другу катушек) и сердечника 4 (фиг.3, 4). Хвостовик сердечника 4 установлен на подставку 5 с возможностью перемещения в направлении деформации и фиксации в заданном положении. Пластины 1 и 2 конденсатора, катушка 3 и подставка 5 сердечника 4 расположены соответственно на платформах 6. Последние снабжены опорами 7 и 8 (фиг.1, 3) и прижимом в виде груза 9 (фиг.1, 2) или двух постоянных магнитов 10 (фиг.2, 4) с усилием прижима, направленным перпендикулярно деформируемой поверхности изделия 11. Предпочтительным направлением намагниченности постоянных магнитов 10 является направление, перпендикулярное деформируемой поверхности, при этом намагниченность одно из магнитов направлена в сторону деформируемой поверхности, а намагниченность другого магнита - в противоположную сторону. Это позволяет снизить (а при симметричном расположении магнитов относительно катушки полностью исключить) влияние магнитного поля постоянных магнитов на катушку индуктивности с ферромагнитным сердечником (отсутствует составляющая магнитного поля магнитов вдоль оси сердечника). При работе тензодатчика с постоянными магнитами на изделиях из неферромагнитных материалов на деформируемую поверхность в пределах зазора между ней и платформами могут быть приклеены специальные ферромагнитные накладки (на чертежах не показаны), взаимодействующие с постоянными магнитами тензодатчика.

Опоры 7 расположены с одной стороны от линии, проходящей через среднюю точку приложения усилия прижима перпендикулярно направлению деформации (фиг.1, 3), а опоры 8 расположены с другой стороны от указанной линии. Опоры 7 расположены по линии, перпендикулярной направлению деформации, и являются базовыми (база В - расстояние между линиями расположения опор 7 двух платформ). Они выполнены с большим коэффициентом сцепления (трения) с деформируемой поверхностью, чем опоры 8 (на фиг.1 опоры 7 выполнены заостренными, на фиг.3 - со сферической контактной поверхностью, а опоры 8 - с плоской поверхностью). Заостренные или сферические базовые опоры могут быть выполнены из твердого материала для лучшего сцепления с деформируемой поверхностью, а опоры 8 могут быть выполнены с элементами качения. Хвостовик сердечника 4 (фиг.3) может быть выполнен неметаллическим, неферромагнитным и гибким в направлении, перпендикулярном оси сердечника.

Тензодатчик работает следующим образом.

На контролируемую поверхность деформируемого изделия 11 (фиг.1, 3) устанавливаются платформы 6 с элементами преобразователя линейных перемещений - элементами 1 и 2 конденсатора (фиг.1, 2) или катушкой (катушками) 3, сердечником 4 и подставкой 5 индуктивного преобразователя (фиг.3, 4). Платформы устанавливаются на деформируемую поверхность таким образом, чтобы линии базовых опор 7 были расположены друг от друга на заданном расстоянии В (фиг.1, 3), и прижимаются к поверхности с помощью прижимов - грузов 9 (фиг.1, 2), постоянных магнитов 10 (фиг.3, 4) или другими видами прижимных устройств с усилием прижима, перпендикулярным деформируемой поверхности. Опоры 8, имеющие меньший коэффициент сцепления с контролируемой поверхностью (скользящие опоры), могут располагаться в зависимости от величины необходимой базы В между базовыми опорами 7 (фиг.1) или снаружи от них (фиг.3). Заостренные базовые опоры 7 могут фиксироваться также с помощью углублений (канавок) вдоль базовых линий контролируемой поверхности, а противоположные им опоры 8 иметь одну или несколько прокладок с минимальным коэффициентом трения (фиг.3).

При деформации изделия 11 базовые опоры 7 платформ 6 (фиг.1, 3) перемещаются вместе с базовыми линиями деформируемой поверхности, поскольку противоположные им опоры 8, имеющие меньший коэффициент сцепления с поверхностью изделия, перемещаются (скользят, перекатываются) по ней и не влияют на положение опор 7 относительно базовых линий. В результате измеренные абсолютные перемещения Δl элементов 1 и 2 (фиг.1, 2), 3 и 4 (фиг.3, 4) относительно друг друга, отнесенные к базе В, позволяют непосредственно определить относительную деформацию контролируемой поверхности ε=Δl/В. При этом в случае использования конденсатора Δl определяется по изменению емкости его пластин, а в индуктивном преобразователе - по изменению параметров катушки (индуктивности, комплексного сопротивления и т.д.).

Предлагаемый тензодатчик позволяет существенно упростить процедуру измерения относительных деформаций различных изделий, поскольку по сравнению с приклеиваемыми тензодатчиками (например, тензорезисторами) не требуется тщательной обработки контролируемой поверхности и сложной технологии крепления к ней датчика. Применение магнитного прижима платформ датчика при работе с ферромагнитными изделиями дает возможность измерений в труднодоступных местах объектов. Важным преимуществом предлагаемого тензодатчика является возможность его многократного снятия и повторной установки на объект, например, для промежуточных измерений в контролируемой зоне других (например, электромагнитных или акустических) параметров изделия. Кроме того, такой датчик, при необходимости, может быть прокалиброван непосредственно на контролируемом изделии, а также использован для калибровки в этих условиях других тензодатчиков (например, путем установки тензодатчика на контролируемый участок вместе с калибруемым тензорезистором).

1. Тензодатчик, содержащий преобразователь линейных перемещений из двух взаимно перемещающихся элементов, отличающийся тем, что каждый из элементов преобразователя установлен на отдельную платформу, снабженную линейными или точечными опорами со стороны деформируемой поверхности и прижимом, действующим перпендикулярно этой поверхности, часть опор расположена с одной стороны от линии, проходящей через среднюю точку приложения усилия прижима перпендикулярно направлению деформации, а одна или более других опор расположены с другой стороны от указанной линии, причем опоры с одной стороны расположены по линии, перпендикулярной направлению деформации, и выполнены с большим коэффициентом сцепления с деформируемой поверхностью, чем опоры с другой стороны.

2. Тензодатчик по п.1, отличающийся тем, что каждая из платформ снабжена тремя опорами, две из которых расположены с одной стороны от линии, проходящей через среднюю точку приложения усилия прижима перпендикулярно направлению деформации, а третья - с другой стороны симметрично по отношению к другим опорам, причем расстояние между средней точкой приложения усилия прижима и линией расположения первых двух опор меньше, чем расстояние от средней точки приложения усилия прижима до третьей опоры.

3. Тензодатчик по п.2, отличающийся тем, что первые две опоры выполнены из твердого материала и заостренными или со сферической контактной поверхностью.

4. Тензодатчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве прижима использован один или несколько постоянных магнитов.

5. Тензодатчик по п.1, отличающийся тем, что в качестве одного из элементов преобразователя линейных перемещений использованы одна или несколько катушек индуктивности с осью, параллельной направлению деформации, а в качестве другого элемента - металлический, например ферромагнитный, сердечник с хвостовиком и подставкой, установленной на платформу, причем хвостовик сердечника соединен с подставкой с возможностью перемещения в направлении деформации и фиксации в заданном положении.

6. Тензодатчик по п.5, отличающийся тем, что каждая из платформ снабжена двумя постоянными магнитами с намагниченностью, перпендикулярной деформируемой поверхности, расположенными с двух сторон от катушки и подставки сердечника в плоскости, перпендикулярной направлению деформации.

7. Тензодатчик по п.5, отличающийся тем, что хвостовик сердечника выполнен неметаллическим, неферромагнитным и гибким в направлении, перпендикулярном его оси.