книги / Экспериментальные исследования тонкостенных конструкций

онных тензорезисторов аналогично режиму нагрева конструкции. В этих случаях применяется метод внесения поправок на температурное приращение сопротивления тензорезисторов. Для внесения поправки используется температурная характеристика сопротивления, опре­ деленная в соответствии с ГОСТ 21615—76. Естественно, что чем мень­ ше абсолютное значение вводимой поправки, тем меньше системати­ ческая погрешность измерения.

С целью улучшения температурной характеристики тензорезисто­ ров в нашей стране и за рубежом проведен целый цикл исследований термокомпенсированных тен­ зорезисторов.

Установлено, что предва­ рительным отжигом материа­ лов, используемых в тензомет­ рии, можно в достаточно боль­ ших пределах изменять тем­ пературные коэффициенты сопротивления. Подбирая для изготовления тензорезисгора проволоку соответствующего отжига, можно получить тер­ мокомпенсированный тензорезистор [74]. Например, отно­ сительное температурное при­

ращение сопротивления константановой проволоки с предварительным отжигом при температу­

ре 395 °С, установленных на стали, не превышает 20 • 10-5 о. е. д. в диапазоне температур от комнатной до 230 °С.

Другой способ уменьшения температурного приращения сопро­ тивления заключается в изготовлении комбинированных тензорезис­ торов из двух материалов, температурные характеристики сопротив­ ления которых разных знаков. Однако вследствие трудности изго­ товления комбинированные тензорезисторы не нашли широкого распространения.

Существуют и некоторые другие методы компенсации температур­ ного приращения, такие как использование компенсационной петли,

В табл. 1.2 приведены данные по некоторым типам тензорезисторов несерийного выпуска [74, 75].

Особенности методики измерения деформаций конструкций из прессматериалов связаны со спецификой последних. Малая жесткость кон­ струкций, существенная анизотропия свойств, зависимость свойств

21

от температуры и большие деформации потребовали проведения спе­ циальных исследований по подбору типов тензорезисторов, которые наиболее удовлетворяли бы требованиям измерения.

Для исследований были выбраны два связующих: полиамид и фе- ноло-титано-кремнийорганическое соединение. Первое связующее не требует термообработки и обладает хорошими пластическими свойст-

вами, второе — требует тепловую обработку при температуре 250 °С и позволяет измерять деформации до 1 %.

Для проведения местной термообработки установленных на деталь тензорезисторов было разработано специальное приспособление. На­ гревательный элемент приспособления представлял собой стержень, скрепленный с двумя плаетинками. Нижняя пластинка изготавлива­ лась по форме и размерам наклеенного тензорезистора или розетки ^тензорезисторов. На стержень намотана нихромовая спираль, изоли­ рованная стеклолентой или асбестом. Приваренная к нижней пластин­ ке термопара контролировала режим термообработки, регулируемый подаваемым на спираль напряжением. Термообработка тензорезис­ торов осуществлялась под давлением, создаваемым с помощью оттарированного пружинного устройства прижима.

С целью выбора тензорезистора, обладающего оптимальными ха­ рактеристиками, для измерения деформаций элементов конструкций из прессматериалов при повышенных температурах были изучены ха­ рактеристики тензорезисторов с чувствительными элементами из раз­ личных материалов. Основное внимание было уделено исследованию температурных характеристик тензорезисторов, установленных на образцах прессматериала типа стеклотекстолита. Нагрев образцов с

22

наклеенными тензорезисторами производился в сушильном шкафу типа СНОЛ. Максимальная температура разогрева была 350 °С, время разогрева до максимальной температуры — не более 110 мин. Пред­ варительным исследованием температуры в образце из прессматериала была оценена равномерность нагрева образца.

Для исключения деформации, вызванной возможным изгибом об­ разца вследствие неоднородности его по толщине, тензорезисторы устанавливались с двух сторон образца. Деформации измерялись с помощью статического измерителя деформаций (СИД) и цифрового

тензометрического моста (ЦТМ-5). Одновременно с измерением дефор­ маций производилась контрольная регистрация показаний термопар многоточечным потенциометром ЭПП-09МЗ.

Были исследованы температурные характеристики тензорезисторов на полиамидном связующем по технологии, аналогичной техноло­ гии изготовления тензорезисторов СПК. На рис. 1.13—1.16 представ­ лены изменения температурной характеристики в единицах средней величины кажущейся деформации в зависимости от температуры и со­ ответствующие выборочные средние квадратические отклонения. Сплошными кривыми показаны результаты, полученные при первом нагреве, штриховыми — при повторном. В качестве чувствительного элемента были использованы никелево-молибденовые сплавы НИМО (рис. 1.13) и НМ23ХЮ (рис. 1.14), железохромалюминиевый сплав ОХ14Ю6ФМ (рис. 1.15) и нихромовый сплав Н80ХЮД (рис. 1.16).

Температурная характеристика тензорезисторов из сплава НМ23ХЮ при первом цикле нагрева образца из прессматериала имела положительные значения на всем интервале изменения температур. Для сплавов Н80ЮД и ОХ14Ю6ФМ она — отрицательна. Изучаемая кажущаяся деформация тензорезисторов из сплавов Н80ХЮД и НИМО при температурах больше 300 °С резко уменьшалась по абсо­ лютному значению и при температуре 350 °С положительна. Для тензорезисторов из сплава ОХ14Ю6ФМ такое уменьшение наблюда­ лось при температуре 200 °С.

23

При повторном нагреве температурные характеристики тензорезисторов изменялись. С ростом температуры изменение характеристик стало монотонным, уменьшился разброс по выборке тензорезисторов (исключение составил сплав НМ23ХЮ, для которого разброс несколь­ ко увеличился). Очевидно, изменение температурной характеристики можно объяснить отжигом материала чувствительного элемента и тер­ мообработкой связующего, происшедших в результате первого нагрева.

Исследовалась температурная характеристика тензорезисторов ТКФ-К, установленных на прессматериале. При местной термообра­ ботке тензорезисторов было исполь­ зовано специальное приспособле­ ние. Предложен ускоренный режим термообработки, допустимость кото­ рого была оценена по характерис­ тикам тензорезисторов, определен­ ных по деформациям металлической балки и балки из прессматериала.

Получены следующие значения чувствительности К и среднего квад­

ратического отклонения 5 и получасовой ползучести П % при темпе­ ратуре 350 °С:

Как уже указывалось, отжигом константана можно изменять его температурный коэффициент сопротивления от отрицательных значе­ ний до положительных. По характеру изменения коэффициента линей­ ного теплового расширения прессматериала можно предположить, что для получения тензорезистора с лучшей температурной характе­ ристикой следует использовать константан с положительным темпе­ ратурным коэффициентом сопротивления.

Были изучены характеристики тензорезисторов из константана фирмы «Драйвер Харрис», отожженного при температурах 393 и

24

400 °С. На рис. 1.17 представлены зависимости относительной дефор­ мации (еЛ) и соответствующее среднее квадратичное отклонение sk от температуры. Сплошные кривые изображают результаты при первом цикле нагрева, штриховые — при втором. Кривые 1 соответствуют тензорезисторам с чувствительным элементом из константана с отжигом при 393 °С, кривые 2 — при 400 °С.

При первом нагреве температурные характеристики тензорезисторов из проволок с разными температурами отжига отличаются мало. При повторном нагреве характеристика тензорезисторов с более вы­

и нихромового (Н80ЮД) сплавов необходимо проводить предваритель­ ный стабилизирующий отжиг. Тензорезисторы из сплава ОХ14Ю6М для измерения деформаций элементов конструкций из прессматериала можно использовать только при однократном нагреве.

1.3. Пневматические средства исследования конструкций

Пневматический метод измерения перемещений при исследовании на­ пряженно-деформированного состояния конструкций в основном ис­ пользуется благодаря высокой чувствительности, стабильности, дистанционности отсчета результатов измерений, малым массе и габаритным

25>

менение коэффициента преобразования пневмодатчика в интервале 800—25 000, что, однако, не являлось предельным [58].

1.3.2. Измерители перемещений. Пневматический преобразователь является собственно измерителем перемещений. Благодаря присущей ему дистанционности измерений подавляющее число его основных эле­ ментов располагаются на некотором расстоянии от объекта исследова­ ний. В непосредственной близости от него находятся, как правило, только измерительное сопло, часть эластичного трубопровода, подво­ дящего к нему сжатый воздух, и лишь изредка сопло входное. Роль заслонки преобразователя часто играет поверхность исследуемого эле­ мента конструкции. Поэтому габаритные размеры всего пневматиче­ ского преобразователя перемещений можно в известной мере оценить лишь габаритами измерительного сопла (редко двух сопел). В этом же смысле можно оценить и весовые параметры преобразователя.

Применительно к разным условиям эксплуатации разработано два типа измерительных сопел. Каждое сопло выполнено в виде металли­ ческой (обычно латунной) трубки длиной от 15 до 50 мм с входным от­ верстием диаметром 2—4 мм и выходным отверстием диаметром 1— 2,5 мм. У одного типа сопел выходное отверстие перекрыто шарико­ вым или игольчатым клапаном, который при измерении перемещается относительно корпуса сопла вместе с заслонкой. Такой тип сопел по­ лучил название контактных, другой — неконтактных. Входное соп­ ло, как и измерительное, также выполнено в виде трубки с диаметрами входного и выходного отверстий, равными соответственно 4 и 0,3— 1,2 мм. В разработанной аппаратуре входное сопло включалось либо в виде сменной детали измерителя, либо (будучи постоянно встроен­ ным в измерительное сопло) составляло с измерителем единое целое. Датчики со встроенными соплами обычно применялись при измерении перемещений в поле повышенных температур.

Одним из основных недостатков обычных преобразователей типа сопло — заслонка является малый диапазон измеряемых перемеще­ ний (порядка 0,2 мм). Поэтому разработаны усовершенствованные пневматические преобразователи, позволившие (при более высоких значениях р0) расширить диапазон измерений до 1—2 и даже до 15 мм [80]. Однако при этом снижается чувствительность преобразования и, как следствие,— точность при измерении малых перемещений. В связи с этим для измерения больших перемещений был разработан широко­ диапазонный пневматический преобразователь следящего типа [18]. Его отличительная особенность состоит в возможности измерительного сопла совершать относительно заслонки в направлении ее движения дополнительные перемещения, которые зависят от измеряемого пере­ мещения. Указанное обстоятельство и возможность дистанционного регулирования взаимного положения сопла и контактной поверхности при той же высокой чувствительности, что и у обычного измерителя, позволили расширить рабочий диапазон преобразователя более чем на два порядка и в трех режимах его работы измерять перемещения с чувствительностью: малые (до 0,2 мм) — не менее 2 • 10* Па/мм; боль­ шие (до нескольких десятков миллиметров) — порядка 10а Па/мм; боль­ шие (до нескольких десятков миллиметров) не менее 2 • 104 Па/мм.

27

1.3.3. Измерители деформаций. Схема простейшего однокомпонент^ ного тензометра призменного типа [83] приведена на рис. 1.18. К кор­ пусу 6 с неподвижной ножкой через шарнир 7 присоединена подвиж­ ная ножка 1.Для его установки на объект испытания ножки снабжены призмами 2, расстояние 1б между которыми образует базу измерения. Крепление измерителя осуществляется упругими шпильками или струбцинами. Взаимный поворот подвижной и неподвижной ножек, вызванный деформацией элемента, измеряется соплом 3. Для регули­

ровки и фиксации сопла служат гайка 4 и пру­ жина 5.

На основе приведенной схемы разработан ряд пневматических тензометров, отличающих­ ся конструктивно-технологическими особен­ ностями. Эти отличия касаются типов тензо­ метров (сборных и цельных; последние изго­ товлены из единой заготовки, и роль шарнира играет тонкая перемычка, образованная в ре­ зультате выборки части материала) и шарнира (крестового, плоского, цилиндрического, в ви­ де конических опор) и др.

Для изменения чувствительности измере­ ний (наряду с изменением коэффициента пре­ образования пневматического датчика) тензо­ метры снабжаются дополнительными соплами

(5), расположенными на разных расстояниях от оси вращения по­ движной ножки. Сопла могут размещаться как параллельно поверх­ ности испытуемой конструкции (сопла 3\ 9) так и перпендикулярно к ней (сопло 8). Уменьшение габаритных размеров тензометра во вто­ ром случае позволяет установить его в местах с ограниченным прост­ ранством, например в районе ребер, полок и т. п., а также при необхо­ димости разместить на испытуемой конструкции несколько тензометров в непосредственной близости друг от друга.

Приведенную на рис. 1.18 конструкцию тензометра можно рассмат­ ривать как типовую. Дальнейшие разработки новых конструкций тен­ зометров сводились к их усовершенствованию в различных направле­ ниях. Рассмотрим три из них; увеличение диапазона измерений, по­ вышение точности измерений, расширение функциональных возмож­ ностей.

Поскольку описанный тензометр применяется для измерения ма­ лых деформаций (до 1 %) вследствие относительно малого диапазона измерений сопла, были разработаны тензометры для измерения боль­ ших деформаций. В одном из них (рис. 1.19) для увеличения диапазо­ на измерений введен механический редуктор [631. Тензометр отлича­ ется от приведенного на рис. 1.18 наличием двух новых элементов: плоской 8 и цилиндрической 9 пружин (остальные позиции совпадают с приведенными на рис. 1.18). Плоская пружина, соединенная одним концом с корпусом 6, а другим — посредством цилиндрической пру­ жины с подвижной ножкой 1, служит заслонкой для сопла 3. Прос гиб пружины 8, вызванный перемещением подвижной ножки, зависит

28

1 + 4 ^ * ) раз. При этом упругий шарнир подвержен значительно

'п ,с= /

меньшим изгибным деформациям, чем это было бы в случае отсутствия сильфона. Такой тип тензометра, как и предыдущий, может быть снаб­ жен дополнительным соплом 9, заслонкой которому служит непосред­ ственно подвижная ножка. Этот канал также предназначен для изме­ рения малых деформаций.

Во всех описанных выше тензометрах измерительное сопло распо­ лагалось непосредственно в неподвижной ножке, а заслонкой ему слу­ жила либо подвижная ножка, совер­ шающая угловой поворот относитель­ но неподвижной, либо другой элемент (например, плоская пружина 8 на рис. 1.19), также совершающий угло­ вой поворот. При этом имеет место неперпендикулярность оси сопла к за­ слонке, что снижает точность измере­ ний (особенно это относится к некон­

тактным соплам).

Рассмотрим тензометр (рис. 1.21), в котором усовершенствование конст­ рукции связано с устранением этого недостатка и, следовательно, с повы­ шением точности измерений [21]. Он состоит из двух ножек 1 и 8 с опорны­ ми призмами 2, соединенных шарни­ ром 3. Измерительное сопло 5 и регу­ лировочный винт 10, служащий ему заслонкой, расположены в двух вспо­ могательных траверсах 6 и 9, которые связаны с ножками посредством четы­ рех конусных опор 4, а между собой — двумя плоскими упругими элемента­ ми 7. В таком тензометре при взаим-

ном угловом повороте ножек осуществляется плоско-параллельное перемещение траверс, вследствие чего ось сопла в продолжение всего процесса деформирования остается перпендикулярной к плоскости заслонки.

На рис. 1.22 представлена схема еще одного тензометра — трех­ компонентного. Прибором такого типа можно измерять линейные де­ формации ех и е„ и одновременно получать значения сдвиговой дефор­ мации гхд [20].

Тензометр имеет корпус 1, к которому присоединены семь квадрат­ ных в плане колонок 3, 7, 9,13, 15, 17, 21. Колонки 3, 15, 9 — опор­ ные. У основания они имеют конические призмы 10, 24, 25, посредст­ вом которых тензометр устанавливается на исследуемую поверхность. Колонка 15 соединена с корпусом жестко, а 3 и 9 — с помощью упру­ гих цилиндрических шарниров 2 и 4. Колонки 7, 13, 17, 21 присоеди­ нены к корпусу с помощью плоских упругих шарниров 5, 14, 22, 23;

30