книги / Тензодатчики для экспериментальных исследований

ТЕНЗОДАТЧИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

Тензодатчики широко применяются для исследования деформированного состояния конструкций, изготовлен­ ных из различных материалов, находящихся под воздей­ ствием силовых и тепловых нагрузок.

Разработка методов и средств для измерения дефор­ мированного состояния конструкций, моделей, образцов зависит от рода нагрузок — будут это статические нагруз­ ки при повышенной и переменной температуре или ди­ намические нагрузки. При измерении деформаций, вы­ званных динамическими нагрузками, исследователя интересуют частота, форма и амплитуда колебаний де­ формаций, возникающих в исследуемом элементе конст­ рукции. Основной измерительной характеристикой для тензодатчиков, предназначенных для измерения динами­ ческих деформаций, является чувствительность к дефор­ мации. Ползучесть тензодатчиков при быстрых измене­ ниях деформации не успевает проявляться. Температур­ ное приращение сопротивления и изменение сопротивле­ ния за счет снижения сопротивления изоляции не будут входить (если температура и другие факторы будут изме­ няться медленнее, чем деформация) как погрешности в измерение амплитуды деформации, они вызовут только смещение нулевой линии, относительно которой записы­ вается на осциллограмме кривая динамических дефор­ маций.

При измерении статических или квазистатических деформаций нельзя не учитывать изменение сопротивле­ ния от температуры, которое может значительно иска­ зить результат измерения. Изменения сопротивления за счет ползучести, снижения сопротивления изоляции тен­ зодатчика при нагревании, действия влаги и других фак-

торов войдут непосредственно в результат измерения как погрешность. Поэтому задача создания тензодатчи­ ков для измерения статических деформаций является бо­ лее сложной, особенно для условий повышенных темпе­ ратур.

Приведенные ниже различные типы тензодатчиков разработаны в основном для измерения статических де­ формаций при климатических и повышенных температу­ рах. Эти тензодатчики изготовляются с чувствительным элементом из константановой или из железохромалюминиевой проволок.

1. ТЕНЗОДАТЧИКИ С ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ИЗ КОНСТАНТАНОВОЙ ПРОВОЛОКИ

Константановая проволока

Константан — это медноникелевый сплав, который содержит несколько компонентов, образующих при раз­ личных концентрациях непрерывный ряд твердых раство­

проволоки равна примерно 2 как в области упругих, так и в области пластических деформаций. Тензочувствитель­ ность проволоки мало меняется при увеличении темпе­ ратуры. Константан имеет относительно малый темпера­ турный коэффициент сопротивления {(3= (2-1-3) • 10-5]. Предварительным отжигом можно существенно изменить температурный коэффициент сопротивления константано­ вой проволоки. Проволока микронных размеров (диа­ метр 0,02—0,03 мм) из сплава константан широко при­ меняется в качестве чувствительной решетки тензодат­ чиков, предназначенных для измерения статических деформаций при климатических и повышенных темпера­ турах.

Константановая проволока марки МНМц 40-1,5 (ГОСТ 492—52) Подольского завода «Микропровод» диаметром 0,03 мм имеет предел прочности a6=1000-h 1400 н\мм2, относительное удлинение при разрыве 0,8— 1,3%, погонное сопротивление примерно 650 ом/м [48]. «Твердый» константан фирмы Драйвер Харрис (Driver Harris, США) диаметром 0,03 мм имеет предел прочно­ сти а в=1200 н/мм2, относительное удлинение при разры­ ве 1—1,5% [48], погонное сопротивление примерно 750 ом/м.

Отжиг константановой проволоки

Известно, что если констаитановую проволоку после протяжки подвергнуть отжигу, то ее температурный ко­ эффициент сопротивления р изменится [24, 28, 47]. С уве­ личением температуры отжига проволоки этот коэффи­ циент изменяется от сравнительно большого по величине отрицательного значения до положительного значения, а при некоторых температурах отжига коэффициент имеет значение, близкое к нулевому (рис. 6)1. Это свой­ ство используется для создания термокомпенсирован­ ных тензодатчиков в различных диапазонах температур.

Далее приведены результаты исследований влияния отжига константановой проволоки на температурное приращение сопротивления тензодатчиков в диапазоне температур от 20 до 300—400° С.

Отжиг константановой проволоки производят в по лиэтилсилоксановой жидкости № 5 (ТУ МХП 2416—54), которая обеспечивает светлый отжиг до 450° С. Отжиг константановой проволоки при таких температурах мож но производить и на воздухе [48].

Температурное приращение сопротивления тензодат­ чиков (температурная характеристика сопротивления) определяется формулой (16). Из этой формулы видно, что наклеенный тензодатчик не будет менять свое сопро­ тивление при изменении температуры, т. е. будет пол­ ностью скомпенсирован, если

(45)

1 Все графики, 'Приведенные в данной работе, получены экспери­ ментальным путем.

или если для упрощения брать средние значения коэф­ фициентов, то

константана ап=15-10“6. Температурные коэффициенты линейного расширения некоторых материалов приведены в табл. 1. Там же приведены величины температурного коэффициента сопротивления р константановой проволо­ ки в диапазоне температур 20—80° С, необходимые для получения нулевого температурного приращения сопро­ тивления тензодатчиков, наклеенных на пластину из со­ ответствующего материала (при5п=2).

Из табл. 1 или уравнения (46), а также из рис. 6 видно, что тензодатчик, наклеенный на дюралевую де­ таль, мало изменит свое сопротивление от температуры, если применять конетантановую проволоку с температур­ ным коэффициентом сопротивления р= —14-10~6 (отжиг при температуре 340°С), а тензодатчик, наклеенный на нержавеющую сталь, — если применить конетантановую

Однако пользоваться табл. 1 или уравнением (46) для подбора температуры отжига можно лишь для узкого диапазона температур (например, от 20 до 80—100° С).

В широком интервале температур пользоваться кри­ вой P = /(U x ) можно только для ориентировочного под­ бора режима отжига, так как значения р*, ап %и ам1 за­ висят от температуры и в зависимости от сочетания

ленных из константановой проволоки, является сложной нелинейной функцией температуры.

Поэтому для окончательного подбора режима отжи­ га проволоки для тензодатчиков, работающих при тем­

жению (46). Из проволоки, отожженной тю этим режи­

мам, изготовляют тензодатчики и определяют кривые ДD

температурных приращений сопротивления ---- = / ( / )

этих тензодатчиков, наклеенных на балку из соответству­ ющего материала. По полученным экспериментальным

ния малого температурного приращения сопротивления в заданном диапазоне температур) режим отжига.

Тензодатчики для измерения деформаций при климатических температурах

Т ензо дат чики 1C

Тензодатчики К предназначены для измерения стати­ ческих деформаций при температурах от —50 до +50°С. Чувствительный элемент тензодатчиков К изготовляют из отожженной константановой проволоки или из термоком'пенсированной константановой проволоки, разрабо­ танной в НИКИМПе (ТУ 16 КФ 262—68) [43]. Чувстви­

волочную решетку приклеивают к постоянной основе из бумаги толщиной 0,05—0,06 мм быстросохнущим клеем БС-1. К концам проволочной решетки приваривают с помощью дуговой сварки выводные проводники из мед­ ной проволоки диаметром 0,2 мм\ места сварки для прочности заклеивают полоской бумаги. Каждый тензо­ датчик для предохранения от резкого воздействия тем­ пературы и механических повреждений заклеивают поло­ ской фетра.

Все проволочные тензодатчики, описанные далее, имеют чув­

к проволочным тензодатчикам будет 'Называться чувствительной ре­ шеткой тензодатчика,

датчики должны пройти сушку на воздухе при темпера­ туре 20° С в течение 4 суток или можно применить ускоренный режим сушки, заключающийся в последова­ тельном прогреве (по 3—5 ч) при 30 и 70° С.

Средняя чувствительность в партии тензодатчиков ДК равна 1,9—2,1 в зависимости от базы тензодатчика. Раз­ брос чувствительности в партии оценивают среднеквад­

ратичной величиной as = ±2% . Максимальная ползу­

честь в партии тензодатчиков за 1 ч равна Ятах = —2 %. Тензодатчики ДК изготовляют с базами 10, 15, 25 мм и сопротивлениями 100, 200 и 400 ом. Разброс сопротив­ лений допускается не более ±0,25%. Сопротивление изо­ ляции наклеенного тензодатчика составляет !200 Моя. Тензодатчики имеют удовлетворительные измерительные характеристики при условиях относительной влажности среды не более 80%.

Тензодатчики для измерения статических деформаций при повышенных температурах

Т ензодат чики 1-ВО

Тензодатчики 1-ВО предназначены для измерения статических деформаций при температурах до 250— 300° С. Чувствительную решетку тензодатчика изготовля • ют из отожженной константановой проволоки. Проволоч­ ную решетку приклеивают клеем БФ-2 (ТУ МХП 345— 53) к временной целлофановой основе, покрытой тонким слоем лака ВЛ-9. JK концам проволочной решетки с по­ мощью электродуговой сварки приваривают медные вы­ водные проводники диаметром 0,2 мм. Для прочности узлы сварки заклеивают тонкими полосками шелка и стеклоткани. Временная целлофановая основа приме­ няется для удобства изготовления тензодатчиков. После изготовления ее удаляют.

Тензодатчики 1-ВО наклеиваются на исследуемую де­ таль лаком ВЛ-9. Для улучшения сопротивления изоля­ ции тензодатчиков от поверхности детали площадка, на которую наклеивается тензодатчик, предварительно по­ крывается слоем лака ВЛ-9 («подслой»). Вначале под­ слой, а затем и наклеенные тензодатчики подвергаются тепловой обработке.

В состав связующего ВЛ-9 входят термореактивные смолы, упруго-пластические свойства которых зависят от предварительной тепловой обработки.

Для подслоя и наклеенных тензодатчиков 1-ВО был

Если двухкратную тепловую обработку (сначала под­ слоя, затем наклеенных тензодатчиков) проводить за­ труднительно, для наклейки тензодатчиков 1-ВО исполь­ зуется смесь ВЛ-9С, состоящая из лака ВЛ-9 с наполни­ телем из тонкоизмельченной слюды. Такие тензодатчики названы 1-ВОС. Для них нет необходимости применять тепловую обработку подслоя, так как слюда препятству­ ет электрическому замыканию чувствительной решетки на деталь, и поэтому проводится тепловая обработка только наклеенных тензодатчиков. Толщина слоя связу­ ющего тензодатчиков 1-ВОС больше, чем у тензодатчи­ ков 1-ВО и измерительные характеристики тензодатчиков 1-ВОС несколько хуже, чем тензодатчиков 1-ВО.

При наклейке тензодатчиков на -крупногабаритные детали можно проводить местную тепловую обработку подслоя и наклеенных тензодатчиков с помощью специ­ альных печей местного обогрева, 'инфракрасных нагре­ вателей и т. п.

Чувствительность к деформации. В табл. 2 приведе­ ны средние значения чувствительности тензодатчиков S при различных температурах и относительные средне­

квадратичные отклонения чувствительности Os отдельных тензодатчиков от среднего значения в партии.

Т а б л и ц а 2

Тип тензодатчика

Как видно из табл. 2, чувствительность тензодатчиков 1-ВО щри повышении температуры до 250—300° С сни­ жается незначительно (примерно на 2%). Разброс чув­ ствительности в партии тензодатчиков при всех темпе­

ратурах не превышает as = ± 2 %.

Чувствительность тензодатчиков 1-ВОС три повыше­ нии рабочей температуры снижается на 3^5% . Разброс

чувствительности в партии не превышает Os = ± 2 % .

5*

2 ----------------------------

температурах чувствительность тензодатчиков для всех рабочих температур принята 1,98±0,04.

Чувствительность тензодатчиков 1-ВО после действия динамических деформаций с частотой 80 гц и амплиту­

после действия 50 млн. циклов (рис. 7).

Тензодатчики 1-ВО имеют практически постоянную чувствительность при многократных (до 50) нагружени­ ях до относительных деформаций порядка е=3-1(Ь3 при температуре 20° С.

На рис. 8 приведены значения чувствительности при температуре 250° С тензодатчиков 1-ВО в функции отно­ сительной деформации. Как видно, при деформациях до е=4,5-10_3 чувствительность тензодатчиков остается по­ стоянной.

В условиях длительных (примерно 120 ч) испытаний при действии деформаций порядка е = Ы 0 -3 и темпера-