Приборы для линейных измерений
Содержание материала
- Приборы для линейных измерений
- Прогибомеры
- Кинематическая схема прогибомера Максимова
- Кинематическая схема прогибомера Емельянова
- Индикаторы (мессуры)
- Установка прогибомеров
- Электромеханические измерители перемещений
- Сельсины
- Кинематическая схема индикатора часового типа
- Схема установки индикаторов при удаленных измерениях перемещений
- Электромеханический измеритель перемещений
- Клинометры
- Клинометр с уровнем
- Клинометры с отвесом - маятником
- Оптический клинометр
- Тензометры
- Электромеханические тензометры
- Струнные тензометры
- Тензорезисторные тензометры
- Типы тензорезисторов
- Мостовые измерительные схемы
- Сдвигомеры
- Все страницы
Диапазон и требуемая точность измерений. При испытаниях деревянных конструкций, в особенности большепролетных, приходится измерять перемещения порядка нескольких сантиметров. Перемещения различных точек металлических конструкций колеблются в зависимости от размеров испытываемого объектов - от нескольких миллиметров до десятков миллиметров. Наиболее жесткими являются железобетонные конструкции, где перемещения относительно не большие.
Особенно повышенные требования предъявляются при наблюдении за характером затухания приращения перемещений во времени в ходе выдерживания нагрузки. В большинстве случаев при этом необходимы измерения с точностью: порядка миллиметра - для деревянных конструкций; десятых и сотых миллиметра - для металлических конструкций; а в отдельных случаях и даже тысячных миллиметра - для железобетонных несущих и ограждающих конструкций.
Для удовлетворения всех этих требований и достижения максимальной объективности и достоверности выполненных измерении на практике необходимы приборы с высокими метрологическими характеристиками.
Прогибомеры. Приборы для измерения перемещений называют прогибомерами. В зависимости от назначения прогибомеры могут иметь различную конструкцию. В одних случаях это могут быть простейшие устройства, позволяющие замерять перемещения загруженных строительных конструкций с точностью не выше 0,1... 1 мм.
При больших перемещениях такая точность бывает достаточной. В других случаях, когда требуется высокая точность измерений, достигающая 0,01мм и выше, используются более чувствительные приборы со сложными измерительными устройствами.
Рассмотрим элементарные прогибомеры.
К наиболее простым (элементарным) прогибомерам относится устройство, представляющее собой две планки, одна из которых закреплена на железобетонном основании, а другая - на конструкции. По взаимному смещению планок судят о деформации конструкции.
Точность измерений таким устройством. как правило, невысокая, но если металлические планки тщательно выполнены и сопряжены между собой, прочно закреплены и снабжены нониусным устройством, то точность измерений можно довести до 0,1 мм (рис. 4а).
Для измерения деформаций и перемещений с точностью до 0,1...0,2 мм применяют рычажные прогибомеры. При этом перемещение одного плеча рычага равно перемещению конструкции, а перемещение другого плеча, фиксируемое на рабочей шкале, а К раз больше (рис. 4б, в). Недостаток таких элементарных приборов связан с тем, что они имеют небольшое увеличение (К10...20) и одновременно в системе возможны различные люфты и неточности в соотношении плеч.
а
б
в
Рис. 4. Конструктивные схемы элементарных прогибомеров;
а - прогибомер прямого измерения.
б, в - прогибомеры с рычажными усилителями,
1- изогнутая ось загружаемой конструкции; 2 - рабочее плечо прогибомера. 3 - неподвижное плечо прогибомера; 4 - рычаг; 5 - неподвижные опоры
На практике при измерениях вертикальных перемещений строительных конструкций возможны варианты установочных схем, показанные на рис.8 и рис 9.
Для более точных измерений применяют прогибомеры, в которых используется редукторная кинематическая схема. В настоящее время в статических испытаниях широко используются три разновидности прогибомеров: прогибомер Максимова, прогибомер Емельянова и прогибомер Аистова, кинематические схемы которых представлены на рис. 5,6,7.
Рис.5. Кинематическая схема прогибомера Максимова:
1 - нерастяжимая нить;
2 - рабочий шкив;
3 - рабочий диск:
4 - регистрирующая стрелка
Рис.6. Кинематическая схема прогибомера Емельянова:
1 - нерастяжимая нить;
2 - рабочий шкив;
3 - рабочий диск;
4 - регистрирующая стрелка
Рнс.7. Кинематическая схема прогибомера Аистова:
1 - нерастяжимая нить, 2 - рабочий шкив; 3 - рабочий диск; 4 - регистрирующая стрелка
В прогибомере Максимова (рис.5) перемещение гибкой нерастяжимой нити 1. охватывающей шкив 2 и соответствующей такому же перемещению испытываемой конструкции, вызывает поворот диска 3 на угол и стрелки 3 на угол k (k - соотношение диаметров диска и фрикционного барабана). При этом точность отсчета по рабочей шкале достигает 0,05 мм. Диапазон измерений - неограниченный. Одним из главных недостатков прибора является наличие в кинематической схеме прибора - нежесткого фрикционного соединения.
В прогибомере Емельянова (рис.6) передача вращения осуществляется с помощью шестерен. При этом шкив шестерен и стрелки находятся в параллельных плоскостях. По одной шкале отмечаются целые миллиметры, по другой - до 0,01мм. При этом диапазон измерений в одном приборе также неограничен. Люфт зубчатого соединения устраняется с помощью пружины разворачивающей шестерни в противоположные стороны.
У прогибомера Аистова (рис.7) принципиальная кинематическая схема практически аналогична предыдущей схеме. Однако используемые в ней некоторые усовершенствования позволяют одновременно на трех рабочих шкалах оценивать перемещения испытываемой конструкции со следующей точностью: на первой до 1 см (полный поворот равен 10 см), на второй- до 1мм (полный поворот равен 10 мм). на третьей - до 0,01 мм (полный поворот равен I мм).
1. При наличии доступной неподвижной точки - схема на рис.8а (прибор внизу) и схема на рис.8, б (прибор наверху). Для учета влияния осадок опор требуется установка дополнительных прогибомеров в опорных сечениях. При испытаниях строительных конструкций над водой, при отсутствии быстрого ее течения, на дно может быть опущен тяжелый якорь (рис.8в), к которому предварительно прикрепляется нижний конец соединительной нити (проволоки).
2. При недоступности или большом расстоянии до неподвижных точек, а также с целью исключения влияния осадок опор на практике достаточно часто применяют систему шпренгелей. В частности, на рис.9а показан подвешенный проволочный шпренгель, который оттягивается вниз вертикальной проволокой с пружиной, обеспечивающей практическое постоянство натяжения шпренгеля и тем самым требуемую неподвижность точки крепления рабочей проволоки 4 и прогибомера 3.
На рнс.9б показан шпренгель, оттягиваемый подвешенным грузом, а на рис.9, в видно, как постоянство натяжения шпренгеля обеспечивается пружиной, соединяющей его вершину с верхним поясом испытываемой балки.
Пример установки прогибомеров для измерения горизонтальных перемещений испытываемого объекта приведен на рис.10.
Одновременно следует отмстить, что на результаты измерений перемещений, с помощью рассмотренных прогибомеров значительное влияние оказывает изменение длины проволоки в зависимости от температуры воздуха и нагрева её лучами солнца. Так, стальная проволока длиной 1 метр при повышении температуры на 10°С удлиняется более чем на 1 мм, что должно тщательно учитываться при обработке результатов проведенных испытаний.
Индикаторы (мессуры). Для измерения небольших по абсолютной величине перемещений применяют индикаторы часового типа, которые устанавливаются на неподвижной опоре с упором подвижного измерительного стержня в испытываемую конструкцию или закрепляются на испытываемой конструкции с упором подвижного стержня в какую-либо неподвижную точку. Поэтому очень часто индикаторы называют контактными прогибомерами.
На практике применяют следующие индикаторы:
• с ценой деления 0.01мм и пределом измерения 0...50мм; 0...25мм;
0...10мм; 0...5мм; 0...2мм;
• с ценой деления 0,001мм и пределом измерения 0...1мм.
а б в
Рис. 8. Установка прогибомеров с проволочкой связью:
а - установка прогибомеров внизу;
б - установка прогибомеров вверху;
в - установка прогибомера с якорем.
1 - балочная система;
2 - опоры;
3 - прогибомер;
4 - рабочая нить;
5 - вертикальные опоры;
6 - якорь.
а б в
Рис. 9. Установка прогибомеров с применением рабочей нити к шпренгелю с целью исключения влияния осадок опор:
а - шпренгель с пружиной;
б - шпренгель с грузом;
в - шпренгель с закреплением пружины на конструкцию
1- балочная система;
2- опоры;
3- прогибомер;
4- шпренгель;
5- пружина;
6 - рабочая нить(проволока);
7-груз.
Индикатор часового типа (рис.11) состоит из цилиндрического корпуса, внутри которого размешена вся кинематическая система прибора. На лицевой стороне прибора под стеклом располагается кольцевая шкала и большая стрелка для регистрации отчета с ценой деления либо 0.01мм, либо 0,001мм. Для отсчета целых оборотов большой стрелки индикатора предусматривается вторая малая шкала со стрелкой.
Схемы установки индикаторов часового типа для испытаний строительных конструкций могут быть идентичны ранее описанным схемам установки обычных прогибомеров с проволочной связью.
При больших расстояниях между индикаторами и точками упора между ними помещают жесткие соединительные элементы, например легкие штанги (рис.12). Наличие подобного рода буферных элементов связано, однако, с возможностью возникновения дополнительных ошибок измерений в результате хотя и малых, но трудно устранимых дискретных смешений и обмятий в дополнительных соединенных, коробления деревянных реек, изменения длины связующих металлических элементов при переменной температуре и т.д.
Возможны колебания также буферных реек при порывах ветра, что делает более целесообразным применение проволочной связи с индикатором по схеме, представленной на рис.12.
Электромеханические измерители перемещений. В настоящее время существует большое количество электромеханических систем измерений, позволяющих преобразовать механические перемещения в электрические сигналы, усиливаемые и передаваемые на любые расстояния от места проведения статических испытаний строительных конструкций. Указанные системы сопрягаемы с любой вычислительной техникой, что позволяет обрабатывать полученные сигналы по запланированной программе и одновременно управлять проводимыми экспериментами.
В частности, к подобным измерителям перемещений относятся различные конструктивные решения, основанные на преобразовании механических перемещений в изменение их емкости, либо индуктивности или электрического сопротивления. Все вышеперечисленные системы преобразования относятся к пассивным.
Наряду с пассивными системами в технике статических испытаний существуют и активные системы преобразовании, основанные на генерировании непосредственно самим преобразователем электрических сигналов. Подобные системы используются в так называемых «следящих» системах, называемых сельсинами.
Сельсины - это генераторные электрические устройства для синхронной передачи углов поворота. При этом запись либо углов поворота, либо линейных перемещений на регистрирующем приборе можно проводить с заданным увеличением, в отличие от обычного классического механического прогибомера.
Рис. 10. Установка прогнбомеров для измерения горизонтальных перемещений стенки резервуара:
1 - стенка резервуара;
2 - временная опора:
3 - прогибомеры.
4 - рабочая нить;
5 - противовес;
6 - элемент крепления
Рис. 11. Кинематическая схема индикатора часового типа:
1 - рабочий шток с рейкой- кремальерой;
2 - возвратная пружина;
3 - зубчатые шестерни;
4 - система ликвидации люфта
Рис.12. Схема установки индикаторов при удаленных измерениях перемещений:
а- с использованием рейки-удлинителя:
б- с применением проволочной связи;
1- индикатор;
2- рейки-удлинители:
3- проволочная растяжка;
4- пружины;
5- опора;
6 - буферная неподвижная опора
На практике наиболее часто для дистанционного измерения перемещений используют электромеханические измерители перемещений на базе применения тензопреобразователей (рис.13а, б), которые позволяют измерять перемещения в диапазоне от 0 до 50 мм с тонкостью, превышающей 0.001мм.
Рис. 13. Электромеханический измеритель перемещений:
а - в диапазоне 0.. 1 мм с ценой деления = 0,0001 мм;
б - в диапазоне 0... 10 мм с ценой деления = 0,001 мм;
1 – корпус; 2 – рабочий шток; 3 – система преобразования перемещений; 4 – тензосопротивление; 5 – пружина
Клинометры
Углы наклона элементов, подлежащие определению при испытаниях в пределах расчетных нагрузок, как правило, не велики. В большинстве случаев приходится учитывать доли градуса и минуты, а при испытаниях особо жестких железобетонных конструкций – и секунды. Приборы и приспособления, применяемые для измерения столь малых углов, должны обладать высокой чувствительностью.
При загружениях за пределами расчетных нагрузок, и в особенности при приближении к стадии разрушения, угловые перемещения начинают резко возрастать, и для определения их оказываются более целесообразны геодезические методы и фотосъемка.
Ниже рассмотрим основные типы клинометров и приспособлений для измерения малых угловых перемещений.
Способ жесткого рычага
К наблюдаемому сечению крепится металлическая консоль (рис. 14). Линейные перемещения двух точек консоли, обусловленные наклоном сечения, измеряют с помощью прогибомеров. Зная разность перемещений на базе В определяем угол наклона а.
Рис. 14. Измерение угла наклона при помощи жесткой консоли;
1 - испытываемый элемент; 2 - жесткая консоль: 3 - соединительная проволока; 4 и 5 - прогибомеры; 6 - неподвижные опоры для крепления прогибомеров; а1 и а2 - линейные перемещения, измеренные прогибомерами
Клинометр с уровнем
Кинематическая схема их показана на рис. 15. Высокочувствительный уровень 2 приводится в горизонтальное положение вращением микрометренного винта 3. Отсчеты берутся по шкале барабана 4 микрометренного винта. Разность отсчетов при положениях, показанных на рис. 2.19. а и б, дает значение искомого угла а.
Рис. 15. Клинометры с уровнем:
1 - исследуемая конструкция; 2 - высокоточный уровень. 3 - микрометренный винт. 4 - барабан микрометренного винта со шкалой; 5 - шарнирная опора
Клинометры с отвесом - маятником
Схема прибора показана на рис. 16. Отвес 2 опирается при помощи призмы 3 на опору, расположенную внутри корпуса 4 клинометра. Положение отвеса фиксируется микрометренным винтом 5. Отсчеты берутся по шкале 6 барабана винта с ценой деления в 5''. Разность отсчетов, соответствующих положениям рис. 16, а и б дает определяемый угол наклона.
Во избежание смещения отвеса микрометренным винтом контакт их отмечается электросингналом (при соприкосновении острия винта 5 с отвесом 2 замыкается слаботочная электрическая цепь).
Рис. 16. Клинометр с отвесом-маятником:
1 - исследуемая конструкция; 2 - отвес; 3 - опорная призма; 4 - корпус прибора; 5 - микрометренный винт; 6 - барабан
Рассмотренный прибор не требует связи с каким либо репером, что является (в особенности при длительных наблюдениях) серьезным преимуществом представленного клинометра по сравнению с другими.
Оптический клинометр
К наблюдаемой точке прикрепляется небольшое зеркальце (отсюда и другое название - «зеркальный способ»). Зеркало 1 (рис. 17) ориентируется так чтобы с помощью зрительной трубы 2 (обычно, геодезического инструмента) мог быть сделан отсчет по шкале 3 измерительной рейки, расположенной рядом с инструментом.
При изменении наклона исследуемого элемента на угол а зеркальце проворачивается вместе с ним на тот же угол, что сопровождается поворотом «оптического рычага» СВ на угол 2α.
Зная расстояние L между рейкой и Зеркальцем и изменение а отсчетов по рейке, находим значение а из соотношения
Для облегчения ориентировки зеркало шарнирно крепится к установочной струбцине так, чтобы оно могло проворачиваться вокруг двух взаимно перпендикулярных осей I и II.
Применение зеркального способа особенно целесообразно при наблюдении за отдаленными точками сооружения, трудно доступными во время испытания. Другая область применения - наблюдения за изменением углов наклона весьма гибких элементов (например, на моделях), где исключена установка сравнительно тяжелых клинометров или крепление консолей с прогибомерами.
Рис. 17. Схема измерения углов наклона с помощью оптического клинометра:
1 - зеркало в положении до деформации и 1 - после деформации; 2 - зрительная
труба; 3 - шкала зрительной рейки; а = АВ - разность отсчетов по рейке до и после деформации
Тензометры
Тензометры применяются для измерения линейных деформации поверхностных волокон элементов конструкций при статических испытаниях.
Величина измеренной тензометром деформаций может быть использована для вычисления приращения напряжения по закону Гука при известном значении модуля упругости материала или для определения модуля упругости при известном значении напряжения.
По конструктивному признаку можно выделить четыре разновидности тензометров: механические, электрические, струнные, тензорезисторные.
Механические тензометры
Механические тензометры представлены рядом типов различного конструктивного оформления. Остановимся несколько подробнее на одном наиболее распространенном рычажном тензометре (Гугенбергера), схематически показанном на рис. 18.
а б
Рис. 18. Кинематическая схема рычажного тензометра а - начальное положение;
6 - смешение рычагов после деформации (показаны пунктиром); 1 - испытываемый элемент; 2 - острие неподвижной и 4 - подвижной ножек; 3 - неподвижная и 5 - подвижная ножки; 6 - ось вращения ножки 5; 7 - передаточный стерженек; 8-стрелка; 9-ось вращения стрелки; 10-шкала; l-база тензометра
Как видно из рисунка, при деформации исследуемого материала конец стрелки 8 тензометра перемещается вдоль шкалы 10 с миллиметровыми делениями в новое положение с/ (на схеме взят случай сжатия).
Увеличение k прибора определиться при этом из соотношения
где a, b, r, s- плечи рычагов.
∆- изменение расстояния между точками опирания 2 и 4.
Чаще всего тензометры данного типа выпускаются с тысячекратным увеличением, что при базе l = 20 мм дает возможность оценивать определяемую деформацию до = 10-4. Имеются образцы данных тензометров с увеличением и несколько тысяч раз и базой до 2 мм используемых при измерениях, например, в зонах концентрации напряжений.
Электромеханические тензометры
Наиболее распространенными в настоящее время среди указанных тензометров нашли электромеханические тензометры Аистова (рис.19).
Рис. 19. Кинематическая схема электромеханического тензометра:
1 - основание тензометра; 2 - направляющая; 3 - нижняя база тензометра; 4 - опорный нож; 5 - винт фиксирующий; 6 - верхняя база тензометра; 7 - электрические клеммы; 8 - микрометрический винт; 9 - счетчик оборотов лимба; 10 - система крепления счетчика; 11 - муфта микрометрического винта; 12 - натяжная гайка; 13-указатель отсчетов; 14 - лимб; 15-перо; 16-вилка; 17-подвижная призма; 18 - испытываемая конструкция
Корпус тензометра состоит из стойки и основания. Стойка прибора разделена электроизоляционной прокладкой на две части 3 и 6. К нижней поверхности основания 1 прикреплена направляющая 2, по которой при настройке прибора на нужную базу перемещается опорный нож 4. Фиксация ножа на направляющей производится винтом 5.
На противоположном конце основания имеется вилка 16. в гнездо которой входит подвижная призма 17. жестко соединенная с пером 15. В верхней части 7 стойки прибора находится муфта 11, через которую проходит микрометрический винт 8 с укрепленным на нем лимбом 14. Конец винта, обращенного к перу, имеет форму конуса.
С левой стороны на муфте находится кронштейн с указателем (индексом) отсчетов 13 и счетчик 9 регистрации оборотов лимба. Стержень счетчика оборотов упирается в торец микрометрического винта. С правой стороны на муфте имеется натяжная ганка 12, служащая, как и у клинометра Анстова, для устранения люфта между муфтой и винтом. Провода от источника питания подсоединяются к клеммам 7.
Тензометр крепится к исследуемому изделию струбциной. Методика снятия отсчетов с тензометра Анстова такая же, как и с электромеханического клинометра.
Струнные тензометры
В этих приборах дистанционного действия использована зависимость между частотой f собственных колебаний и натяжением струны, определяемая выражением
где l- длина струны, - плотность ее материала.
Струнные тензометры применяются как приставные (рис. 20, а), так и закладываемые в толщу материала конструкций, например в бетон массивных гидротехнических сооружений. В этом случае (рис. 20, б) струна 2 защищается от соприкосновения с бетоном трубками 5, жестко соединенными с дисками 4, втопленными в кладку.
При деформации бетона расстояние L между дисками меняется, что сопровождается изменением натяжения струны. Если f1 и f2 - последовательно замеренные частоты се собственных колебаний, то значение деформации может быть найдено из выражения
где Е - модуль упругости материала струны.
Для возбуждения колебаний используется помещенный рядом со струной электромагнит 6, в котором возникшие колебания струны, в свою очередь, индуцируют переменный ток той же частоты f, определяемой с помощью регистрирующих устройств, соединенных с тензометром проводами 7.
Для исключения влияния температуры и других возможных воздействий, влияющих на получаемые результаты, рядом с группами заложенных в бетон «рабочих» тензометров помещают «компенсационный» прибор, размещаемый таким образом, чтобы деформации бетона на него не действовали. Учитываются также показания заложенных в кладку телетермометров и т.д.
Струнные тензометры применяют главным образом для длительных измерений, поскольку существенным их преимуществом по сравнению с тензорезисторами являются то. что на частоту колебаний струны не влияют возможные утечки тока и изменения омического сопротивления в соединительных коммуникациях, с чем приходится серьезно считаться и принимать соответствующие защитные меры при пользовании тензорезисторами.
а б
Рис. 20. Струнные тензометры: а - приставной (или «накладной») тензометр; 6 - закладной тензометр;
1 - испытываемая конструкция; 2 - натянутая стальная струна; 3 - опоры для крепления струны; 4 - жесткие диски; 5 - ограждающие трубки; 6 - электромагнит; 7 - соединительные провода; l - длина струны; L - расстояние между средними сечениями дисков 4.
Тензорезисторные тензометры
В настоящее время для измерения деформаций при испытаниях сооружений, строительных конструкций и деталей наиболее широко используются тензорезисторные тензометры, в основу которых положены тензорезисторы различной конструкции.
Тензорезисторы предназначены для дистанционных измерений деформаций.
Принцип действия тензорезисторов основан на изменении омического сопротивления R проводников и полупроводников при деформации.
Основной характеристикой тензорезистора является его коэффициент тензочувствительности
т.е. отношение относительного изменения электросопротивления ∆R/R тензорезистора к вызывающей это изменение деформации исследуемого материала, где l - длина базы тензорезистора.
Для изготовления тензорезисторов используются обычно сплавы меди и никеля (константам, элинвар), характеризующиеся высокий коэффициентом тензочувствительности К, постоянством значений К в требуемом диапазоне деформаций, большим удельным омическим сопротивлением = R/AI (где А - поперечное сечения проводника, которое может быть взято достаточно малым) и практически постоянством значений при колебаниях температуры, возможных в условиях пользования тензорезисторами при испытаниях строительных конструкций.
Следует отметить, что с помощью тензорезисторов измеряется относительное удлинение , а не изменение ∆l длины базы (как у механических тензометров).
Однако длина базы имеет существенное значение и для тензорезисторов, поскольку при исследованиях материалов с неоднородной структурой для получения усредненных значений деформаций в рассматриваемой тоне длина базы должна в несколько раз превосходить размеры наиболее крупных составляющих материала. Однако при исследовании деформаций в зонах концентрации напряжений длину базы следует брать по возможности наименьшей.
При испытаниях строительных конструкций используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.
Петлевые проволочные тензорезисторы (рис. 21а) из тонкой проволоки (диаметром 12...30 мк), приклеенной к бумажкой или пленочной подложке, были еще сравнительно недавно основным типом приборов, применявшихся при испытании сооружений. Эти тензорезисторы (с базой обычно от 5 до 100 мм) удобны в работе и несложны в изготовлении. Однако им свойственна в большинстве случаев поперечная чувствительность, обусловленная наличием закруглений, соединяющих прямые участки тензорешетки и воспринимающих деформации, направленные перпендикулярно к продольной оси тензорезистора. Наличие поперечной чувствительности тензорезистора снижает его осевую тензочувствительностъ.
а б
в г
Рис. 21. Типы тензорезисторов: а - проволочный петлевой; б - проволочный беспетлевой.
в - фольговый; г - полупроводниковый; 1 - тензочувствительные элементы; 2 - низкоомные перемычки; 3 - выводные контакты; 4 - подложка («основа») и наклеенный над тензорешеткой защитный слой тонкой бумаги; l - база тензорезистора.
От этого недостатка свободны беспетлевые тензорезисторы (рис.21б) с низкоомическими медными перемычками. Из-за отсутствия поперечной тензочувствительности и лучших условий передача деформаций (ввиду продолжения прямолинейных участков тензорешетки и за перемычки) база их может быть уменьшена до 2.. .3 мм.
В настоящее время все большее распространение получают фольговые тензорезисторы (рис.21в) из металлической фольги толщиной не более 4...6 мк. Этим тензорезисторами при изготовлении фотолитографским способом могут быть приданы любые очертания, требуемые условиями эксперимента. Вследствие низкой поперечной чувствительности и плоского сечения элементов тензорешетки. они имеют при той же плошали сечения более развитую поверхность приклейки, что улучшает условия их работы.
Полупроводниковые тензорезисторы (рис.21г) по сравнению с рассмотренными выше типами обладают значительно большей тензочувствительностью, меняющейся, однако, при деформации и при изменениях температуры. Несмотря на это, они эффективно применяются в упругих элементах различных измерительных приборов (например, динамометров), где большое значение имеет их высокая чувствительность, а отмеченные недостатки могут быть компенсированы.
Тензорезисторы, применяемые при испытаниях сооружений, должны давать возможность измерения деформаций в диапазоне до 10 -5: при исследовании упругой стадии работы материала - до (5...7) ∙103 и упруго-пластической до 10 -1 и более. Необходимым условием является также стабильность показаний тензорезисторов, их влагостойкость т.п.
Влияние температурных погрешностей, обусловленных температурным коэффициентом изменения сопротивления тензонитей и разностью температурного коэффициента расширения материала тензорезистора αт и исследуемого материала αи, исключают установкой компенсационных тензорезисторов.
В случаях, когда установка компенсационных тензорезисторов невозможна или они не могут быть помешены в те же температурные условия, используют так называемые самокомпенсированные тензорезисторы. материал которых должен удовлетворять условию (αи - αт)∙К, где К - коэффициент тензочувствительности тензорезистора.
Повышенные требования предъявляются к глубинным тензорезисторам разной конструкции, закладываемым в толщу схватывающегося материала (например, бетона), когда должна быть обеспечена их безотказная работа в течение длительного времени.
Изменения сопротивления тензорезисторов в процессе испытаний весьма малы (тысячные доли ома). Для измерения столь малых колебаний сопротивления применяют в большинстве случаев мостовые измерительные схемы (рис. 22).
а б
Рис. 22. Измерительные мости: а - схема моста Уитстона; б - мост с реохордом;
R1, R2, R3, R4 - сопротивления, включенные в плечи моста; r1 и r2- сопротивление реохорда
Во внешние плечи моста включены «рабочий» тензорезистор с сопротивлением R1 воспринимающий наблюдаемые деформации, и «компенсационный» тензорезистор с сопротивлением R2 = R1, помещаемый в одинаковых с ним температурных условиях в непосредственной близости от рабочего, но не подверженный воздействию измеряемых деформаций. Во внутренние плечи включены тензорезисторы с сопротивлениями R3 и R4 , помещаемые в регистрирующем приборе и связанные с рабочим и компенсационным тензорезисторами электропроводами. Как известно, мост будет сбалансирован (т.е. ток в его измерительной диагонали bd будет равен нулю) при условии
R1∙ R4= R2∙ R3 ()
Возможны два метола измерений:
1) метод отклонений (называемый также «методом непосредственных отсчетов»), когда изменение сопротивления ∆R1 рабочего тензорезистора определяется по силе тока, возникающего в измерительной диагонали ранее сбалансированного моста.
2)нулевой метод (более совершенный), при котором относительные изменения сопротивления ∆R1/ R1 определяют балансировкой моста с помощью включенного в цепь (рис.22б) реохорда тп изменением отношения сопротивлений r1/r2. Этот метод является основным при статических испытаниях.
В настоящее время разработано большое количество различных систем коммутаторов, которые позволяют последовательно присоединять к отсчетному устройству большое количество (до нескольких сот) тензорезисторов.
Вес это, а также дешевизна, крайне малый вес, малые габариты тензорезисторов и возможность крепления (приклейки) в любых точках исследуемой конструкции, обусловливают широкое их применение на практике.
Сдвигомеры
Приборы, измеряющие деформации сдвига, называются сдвигомерами. Широкое распространение из этой группы приборов получил тензометр - сдвигомер Аистова (ТСА). Он может быть использован как тензометр или сдвигомер. При этом кинематическая схема указанного сдвигомера практически полностью аналогична представленному выше электромеханическому тензометру на рис. 23. с той лишь разницей, что у тензометра-сдвигомера Аистова имеется еще дополнительно оснастка (рис. 23) для установки прибора на строительную конструкцию, состоящую из нескольких элементов, между которыми в процессе испытания возможны сдвиговые деформации.
Рис. 23. Дополнительная оснастка и схема установки тензометра-сдвигометра на строительную конструкцию