Измерения отдельных параметров

Лекция 3-4

При испытаниях деталей машин по большинству критериев приходится измерять:

- упругие и пластические переме­щения и деформации;

- скорости вращательных и поступательных движений;

- силы и крутящие моменты.

- толщины масляных слоев;

- точные делительные перемещения;

Кроме этого при приемо-сдаточных испытаниях и при аттестации готовой продукции необходимо знать

- величину шума;

- вибрации и амплитуды ко­лебаний;

- температуру в рабочей зоне.

При аттестации рабочих мест важную роль играет степень освещенности.

Постоянные или очень медленные перемещения измеряют стандартными приборами для линей­ных измерений.

Упругие и пластические переме­щения и деформации

Упругие и пластические перемещения на заданной базе изме­ряют тензометрами. Как и все средства измерений пере­мещений и деформаций, тензометры делятся на механические, оптические, пневматические, акустические (струнные) и электри­ческие.

Механические тензометры увеличивают измеряемое перемеще­ние с помощью механических рычажных или комбинированных рычажных и шестеренно-реечных передач. Коэффициент увели­чения 100—2000.

Оптические тензометры, в которых использован оптический рычаг или принцип интерферометра, обладают высокой чувстви­тельностью, но уступают электрическим по универсальности и удобству использования. Их применяют только в лабораторных условиях.

Пневматические тензометры основаны на изменении расхода воздуха через сопло при изменении зазора и на возникновении соответствующего перепада давления, которое измеряют мано­метром (обычно U-образным водяным). Коэффициент увеличения может быть очень большим. Пневматические приборы, как бес­контактные, удобны, в частности, для определения смещения вращающегося вала. Цена деления от 0,2 до 2 мкм.

Струнные тензометры основаны на изменении собственной ча­стоты колебаний струны от изменения ее натяжения, вызванного деформацией исследуемой детали.

Электрические методы

При испытаниях деталей машин наиболее широко применяют электрические методы измерения перемещений и соответственно электрические тензометры, основанные на измерении индуктив­ности, емкости и сопротивления.

Индуктивные датчики (рис. 1.2, а) состоят из сердечника, якоря и катушки индуктивности. При смещении якоря меняются индуктивность катушки н магнитное сопротивление магнитопровода прибора. Для измерения перемеще­ний, не превышающих нескольких миллиметров, применяют датчики с продольным смещением якоря, линейный участок характеристики которых значителен по протяженности. Применение индуктив­ных датчиков при испытаниях деталей машин ограничивается габаритами.

Емкостные датчики (рис. 1.2, б) представляют со­бой электрически изолированные пластинки (конденсатор); при смещении пластин меняется емкость конденсатора. Одной из пластин может служить поверхность одной из деталей, в том числе вращающегося вала. Основное применение имеют датчики для измерения малых перемещений с поперечным смещением пла­стин. Для средних перемещений применяют датчики с продоль­ным перемещением пластин. Для точных измерений больших перемещений применяют емкостные датчики телескопического типа с обкладками в виде труб, взаимно перемещаемых в осевом на­правлении. Емкостные датчики при испытаниях деталей машин успешно применяют, в частности, для измерения смещений валов в подшипниках скольжения.

Наибольшее распространение среди электрических методов измерения деформаций и перемещений имеют методы, основанные на тензоэффекте, т. е. на свойстве проводниковых и полупровод­никовых материалов изменять электрическое сопротивление при деформациях. Среди приборов, основанных на тензоэффекте, доминирующее применение имеют тензорезисторные датчики (тензодатчики) с чувствительным элементом в виде решетки из тонкой проволоки или фольги или в виде пластинки из полупроводникового материала. Чувствительный элемент на­клеен на бумагу, пленку или ткань, которые наклеивают на де­таль. Широкое применение тензорезисторов связано с их малыми габаритами и массой, возможностью дистанционных измерений в большом числе точек, в широких частотных и температурных диапазонах.

Проволочные тензорезисторы (рис. 1.3, а) имеют чувствительный элемент из тонкой проволоки диаметром 2—30 мкм, выполняемый для повышения выходного сигнала, в форме решетки. Наиболее распространены тензорезисторы с многовитковой петлевой решеткой вследствие простоты их из­готовления.

а) 6)

Рис. 1.3. Тензорезисторные датчики:

а — Проволочный; б — фольговый

Тензорезисторы с многовитковой беспетлевой решеткой применяют в связи с тем, что они почти свободны от попереч­ной чувствительности. Для измерения деформаций в разных на­правлениях в одной точке применяют многоэлементные тензорезисторы (розетки). Проволочные тензорезисторы изготовляют в централизованном порядке, в том числе общего назначения с активной базой от 2 до 100 мм и сопротивлением от 20 до 400 Ом, а также для низких, повышенных и высоких температур.

Фольговые тензорезисторы (рис. 1.3, б) имеют чувствительный элемент в виде решетки из константановой фольги толщиной 5—10 мкм. Они характеризуются более высокими по­казателями, чем проволочные (большим допустимым током и вы­ходным сигналом, меньшей поперечной чувствительностью, воз­можностью выполнения с малой базой от 0,3 мм). Технология из­готовления фольговых тензорезисторов основана на фотохими­ческих процессах. Тензорезисторы изготовляют нескольких ти­пов:

- одноэлементные с одной прямоугольной решеткой, но раз­ным расположением выводов;

-

- двухэлементные, состоящие из двух решеток под углом 90°;

-

- трехэлементные, состоящие из трех решеток.

-

Полупроводниковые тензорезисторы имеют чувствительный элемент в виде монокристалла кремния, германия или другого полупроводника толщиной 20—50 мкм, шириной до 0,5 мм и длиной 2—12 мм. Полупроводниковые тензо­резисторы обладают высокой чувствительностью и большим вы­ходным сигналом, но ограниченным диапазоном деформирования и зависимостью показаний от температуры.

Из других средств измерения перемещений, основанных на изменении электрического сопротивления, следует указать на потенциометрические и механотронные.

В потенциометрических приборах измеряемое перемещение передается ползунку потен­циометра. Поэтому они пригодны для измерения значительных перемещений.

В механотронных приборах в качестве датчиков используют электронные лампы, внутреннее сопротивление ко­торых меняется в зависимости от расстояний между электродами. 1

В последнее время для точных измерений больших переме­щений успешно применяют лазерную технику.

Мощным средством изучения перемещений является г о л о г р а ф и ч е с к а я интерферометрия. Исследуемая деталь экспонируется па голографическую пластинку до и после дефор­мирования или других перемещений. При этом на отпечатке по­лучаются перемещения в каждой точке поверхности. Наиболее удобно определять перемещения на плоскости. В общем случае для определения перемещений по трем координатным осям нужно снимать интерферограммы с трех направлений. Измерения могут проводиться на натурных деталях и машинах при обычном каче­стве обработки без специальных покрытий. Способ обеспечивает высокую точность измерений, характери­зуемую долями микрона