Тензометри й електоротензометри

Тензометрією називається отримання значень напружень дослідним шляхом. Приладів, що безпосередньо визначають напруження, не існує. Тому напруження обчислюються по деформаціях, що вимірюються на поверхні тіла.

Деформації більшості матеріалів на етапі пружної роботи дуже малі, тому для їхнього вимірювання використовуються спеціальні прилади – тензометри.

Схема отримання нормального напруження за лінійного напруженого стану, при умові виконання закону Гука, наступна:

,

де D₁ – різниця показів тензометра; - поздовжнє переміщення за напрямом головного напруження ; k - ціна поділки тензометра; ε - відносне подовження (середнє у межах бази тензометра); Е – модуль пружності матеріалу.

На рис. 2 показана схема одного з найпростіших тензометрів – шарнірно-важільного. За допомогою струбцини (на рисунку не показана) тензометр прикріплюється до конструкції, впиваючись у неї двома загостреннями 2 та 3. Загострення 2 нерухомо закріплене в корпусі 1, а загострення 3, що представляє собою ромбічну призму, прікріплене до важіля 4.Призма 3 одним кінцем упирається у виріз на корпусі 1, а другим – у конструкцію. Відстань між загостреннями 2-3 називається базою тензометра l.

Деформація зразка призводить до повороту призми 3, а значить і важіля 4, з’єднаного за допомогою штифта 5 з коромислом 6, яке другим кінцем опирається на штифт 8 стрілки 7. Стрілка 7 може повертатися навколо осі 9. Отже, поворот важіля 4 призводить до руху коромисла 6 і стрілки 7, нижній кінець якої показує на шкалі 10 величину лінійної переміщення Dl. Для визначення Dl потрібно знати ціну поділки тензометра k. Обчислимо k, виходячи з будови шарнірно-важільного механізму тензометра.

Так як стрижні а-b-c, c-d, f-d-q, з якими має зв’язок загострення а, представляють собою шарнірно-важільну систему, то зміщення загострення а на величину подовження Dl просто пов’язується з переміщенням стрілки по шкалі із положення q в положення q₁.

В межах малих деформацій і відповідно малих переміщень важільного механізму будуть справедливі співвідношення:

; .

Так як , , то .

Позначимо переміщення стрілки , а відношення . Тоді формула для визначення переміщення набуде вигляду:

.

Для даного типу тензометрів ціна поділки дорівнює k=0.001мм (для кожного екземпляра тензометра уточнюється за технічним паспортом).

Відомі й інши типи тензометрів, наприклад дзеркальний. Складовою частиною деяких типів тензометрів є індикатор годинникового типу. Загальна назва усіх згаданих типів тензометрів – механічні тензометри.

Електротензометрія – це тензометрія з використанням електротехніки. Основним елементом електротензометрії є датчик одного опору - тензорезистор, що складається з двох шарів паперу або плівки з вклеєною дротовою решіткою (рис. 3). Тензорезистор наклеюється на випробувану конструкцію і разом з нею деформується.

Решітка робиться з тонкого дроту (0,02... 0,5мм) з високим омним опором (ніхром, манганін, константан). Відстань l називається базою датчика. Звичайна база складає 5... 20 мм. У разі необхідності базу тензорезистора можна значно зменшити, або збільшити.

Датчик наклеюється так, щоб прямі ділянки його дротової решітки збігалися за напрямом вимірюваної деформації (рис. 3). Якщо деформація конструкції і датчика спільна, то база тензорезистора змінюється на величину , яка є абсолютним подовженням як дроту, так і конструкції (у місці наклейки датчика). Відносне продовження дроту також збігається з відносним подовженням у точці конструкції (з точністю до припустимих зсувів у шарі клею), що розглядається. Але зміна довжини провідника (а також перерізу внаслідок поперечної деформації) змінює його опір електричному струму. Хоч ця зміна й невелика, але вона дозволяє досить точно судити про деформацію деталі і напруження в ній.

У межах малих деформацій можна прийняти, що відносна зміна омного опору пропорційна відносній деформації :

Коефіцієнт пропорційності k називається коефіцієнтом тензочутливості датчика і приблизно дорівнює 1...3. Його можна обчислити теоретично або визначити дослідним шляхом (таруванням датчиків). Чим k більший, тим датчик чутливіший.

Вимірювальний пристрій будується за принципом моста Уітсона (рис.4). Міст складається з опорів R₁, R₂, R₃, R₄, названих плечами мосту, і провідника АВ, названого діагоналлю мосту. Якщо величина опору дібрана так, що

, (*)

то в діагоналі мосту АВ струму не буде і стріла гальванометра, увімкнутого в діагональ АВ, залишиться на нулі. У цьому разі говорять, що міст збалансований. Але найменше порушення рівності (*) – призводить до розбалансування мосту. У діагоналі АВ виникає струм, стрілка гальванометра G відхиляється.

Найпростішу електричну схему вимірювального пристрою показано на рис. 5. Порівнюючи її з початковою схемою (рис. 4), помічаємо наступне.

1. Роль опору R₁, відіграє датчик, приклеєний до випробуваної конструкції (робочий, або активний датчик).

2. Як опір R₂ використовується також датчик (компенсаційний). Це такий самий датчик, як і робочий, розміщений біля нього, але не приклеєний до конструкції. Призначення компенсаційного датчика – не допусти розбалансованості мосту внаслідок коливань температури. Справді, якщо змінюється температура, ці датчики змінюють свій опір однаково й рівність (*) не порушується.

3. Між опорами R₃ і R₄, включений реохорд R_х (змінний опір). Обертаючи ручку реохорду, змінюємо опори R₃ і R₄ та їхнє співвідношення. Це дає змогу "налаштовувати" міст, тобто приводити стрілку гальванометра до нуля, якщо вона на нулі не перебуває.

Електричні сигнали, перед тим як надійти на гальванометр, пропускаються через підсилювач у, що значно підвищує чутливість приладу.

При проведенні досліду, спочатку стрілка гальванометра поворотом ручки реохорда встановлюється на нуль, що свідчить про збалансованість мосту і відсутність струму в його діагоналі. Потім випробувана конструкція завантажується. Через деформацію робочого датчика його опір змінюється, баланс мосту порушується, в його діагоналі з’являється струм і стрілка гальванометра відхилиться від нуля. Обертанням ручки реохорда, стрілка знову повертається на нуль (поновлюється баланс мосту). За числом поділок, на які повернулася ручка, обчислюється деформація матеріалу в місці наклейки датчика. Один вимірювальний пристрій може обслуговувати не один, а кілька (навіть значну кількість) датчиків, які ввімкнуто почергово (виконується так званий опит датчиків).

Окрім дротових датчиків використовуються ще фольгові, напівпровідникові тощо.

До переваг електротензометрії належить можливість постановки великої кількості датчиків, у тому числі у важкодоступних місцях конструкції, на рухомих деталях, на віддалених об’єктах – снарядах, ракетах, космічних кораблях (з передачею сигналів по радіо). Разом з осцилографом можна реєструвати швидко змінювані динамічні деформації (під час ударів, коливань). Деформації можна виміняти у широкому діапазоні (як пружну, так і пластичну), у тому числі поверхні, нагрітої до 1000⁰ С.

Якщо датчик наклеєно на зразок з відомою залежність (еталонний елемент), то електротензометрія дозволяє швидко визначити діючу силу р. Це є основою “електричного вимірювання неелектричних величин”, таких як вага, тиск, прискорення і т.п.