Методы измерений деформаций и механических напряжений

Методы измерения механических напряжений, сил и моментов

Содержание

Содержание. 2

Введение. 3

Методы измерений деформаций и механических напряжений. 7

Термоупругий метод измерения механических напряжений. 12

Метод рентгеновской тензометрии. 14

Методы измерений сил и крутящих моментов. 17

Изменение силы методом уравновешивания. 24

Заключение. 27

Контрольные вопросы: 29

Список литературы: 30

Введение

Механические усилия, действующие на различные объекты, дел бывают сосредоточенные и распределенные. Различают сосредоточенные линейно направленные усилия – силы и вращательные усилия - крутящие моменты. Распределенные усилия делят на внешние – давления и внутренние – механические напряжения, возникающие в теле исследуемого объекта. Измерение механических усилий является неотъемлемой частью многих научных исследований, технологических процессов, медицинской диагностики …

Диапазоны измеряемых усилий весьма широки: внутренние напряжения в материалах 0 – 2000 М Па, силы 0–10 Н, моменты 0 – 10 Н * м, давления 0 –10 Па. Измерения усилий требуется производить в различных средах, в условиях действия разнообразных влияющих величин, в широком диапазоне температур – от –270° до 1200° С, в широком частотном спектре, который для механических напряжений и сил простирается от 0 до 100 к Гц, а для давлений ультразвуковых волн в гидроакустике до 10 Гц.

Методы измерений различных видов механических усилий имеют много общего. По виду непосредственно измеряемой величины их можно разделить на 4 группы, основанные на измерении:

– деформаций исследуемого объекта или упругого элемента, возникающих под действием определяемого усилия;

– параметров или свойства преобразователей, изменяющихся под действием определяемых усилий (электрическое или магнитное сопротивление, частота собственных колебаний);

– непосредственно свойств исследуемых объектов или сред, зависящих от действующих на них усилий (скорость распространения звука, теплопроводность газа, температура);

– усилия, уравновешивающего измеряемое усилие.

Первая группа методов наиболее широко используется для определения механических напряжений путем измерения деформации поверхности исследуемого объекта, а также в приборах для измерения сил, крутящих моментов и давлений.

Вторая группа применяется для построения средств измерений, основанных на использовании пьезоэлектрических, магнитоупругих и манганиновых преобразователей, естественной входной величиной которых является измеряемое усилие.

Прямой пьезоэлектрический эффект, заключающийся в электризации кристаллических тел под действием механических напряжений, широко используется для измерения сил и давлений. Поскольку преобразование механического напряжения в электрический заряд осуществляется с малой погрешностью(10 – 10 %), а собственная частота пьезоэлектрических датчиков достаточно высока (20 – 200 к Гц), то на их основе выпускаются весьма точные средства измерений для определения быстропеременных сил и давлений. Применение современных усилителей с высоким входным сопротивлением (R =10 Ом), усилителей заряда позволяет использовать пьезоэлектрический эффект для измерений не только динамических, но и квазистатических усилий.

Высокими метрологическими характеристиками обладают приборы с пьезоэлектрическими резонансными датчиками, основанными на изменении частоты резонатора под действием механического усилия. Такие датчики позволяют создавать манометры с погрешностью 0.01 –0.02 % , с верхним пределом измерения

70 М Па, а также динамометры для измерения сил в диапазоне

3 * 10 – 15 Н с погрешностью 0.02 % .

Магнитоупругий эффект, заключающийся в зависимости магнитной проницаемости ферромагнитных тел μ от существующих в них механических напряжений σ, используется для измерения больших сил, вращающих моментов и давлений. Магнитоупругие датчики можно применять для измерения усилий, как в статистическом, так и в динамических режимах при частотах до нескольких к Гц. Они отличаются высокой надежностью, но и малой точностью (погрешность 1 – 5 %). Нижний предел измерения определяется магнитоупругой чувствительностью материала датчика, которая для различных материалов лежит в пределах

S = 0.6…2.5 % (МПа) (1)

Верхний предел измерения манометров и динамометров ограничивается допустимым значением механического напряжения в материале магнитоупругого преобразователя, которое не должно превышать 10 – 20 % от предела упругости данного материала. В противном случае сильно возрастают погрешности линейности и гистерезиса.

Измерение давлений с помощью манганиновых преобразователей основано на свойстве манганина - изменять свое сопротивление под действием всестороннего сжатия. Барический коэффициент манганина определяется выражением (2).

К = =2,7 * 10 Па (2)

Поэтому такие преобразователи применяются для измерения высоких и сверхвысоких давлений (10 – 10 ) , в частности высоких импульсных давлений.

На зависимости свойств или параметров исследуемых объектов от действующих усилий основаны ультразвуковой, термоупругий, магнитоупругий и фотоупругий методы измерений механических напряжений, тепловой и ионизационный методы измерений вакуума, интерферометрический метод измерения давлений и т. п.

Методы уравновешивания используются при построении наиболее точных средств измерений сил, вращающих моментов и давлений.

Методы измерений деформаций и механических напряжений

Измерение деформаций и механических напряжений широко применяется при исследовании физических свойств материалов и прочностью испытаниях различных деталей, машин, строительных конструкций и сооружений, а также земной коры и горных пород. Измерение деформаций используют при технической диагностике, а также при измерении физических величин (силы, моментов, давления), которые преобразуются в деформацию упругого элемента. В большинстве методов измерений механических напряжений датчиком воспринимается абсолютное или относительное значение деформации, поскольку естественной входной величиной применяемых при этом преобразователей является перемещение. Непосредственно измерять механические напряжения можно термоупругим, магнитоупругим, ультразвуковым и фотоупругим методами.

Переход от измеренных деформаций к механическим напряжениям можно осуществить при известных функциональных зависимостях

между деформацией и напряжением. При однородном объемном напряженном состоянии изотропного материала в пределах упругих деформаций можно по измеренным значениям главных деформаций ε₁, ε₂, ε₃, σ₁, σ_2, σ₃, пользуясь уравнениями связи (3), (4) и (5):

ε₁=[σ₁-μ(σ₂ + σ₃)] / Е; (3)

ε₂=[σ₂-μ(σ₃ + σ₁)] / Е; (4)

ε₃=[σ₃-μ(σ₁ + σ₂)] / Е; (5)

Здесь μ – коэффициент Пуассона;

Е – модуль Юнга.

В случае плосконапряженного состояния (σ₃=0) уравнения связи имеют вид:

σ₁=Е(ε₁+με₂)/(1-μ²); (6)

σ₂=Е(ε₁+με₁)/(1-μ²); (7)

При исследовании линейно напряженного состояния связь между напряжением σ и относительной деформацией ε_l в пределах упругости определяется зависимостью (8):

σ = Eε_l. (8)

За пределом упругости переход от деформаций к напряжениям вызывает трудности, если заранее не известна функциональная зависимость между напряжениями и деформациями. Напряжения во внутренних слоях исследуемого объекта можно определить по измеренным деформациям на его наружной поверхности, если известен закон распределения деформаций по толщине объекта. В прозрачных образцах или в моделях из прозрачных диэлектриков внутреннее напряжение можно определить поляризационно-оптическим методом, основанным на фотоупругом эффекте [2].

Деформации необходимо измерять в весьма широких пределах – от сотых долей микрометра до метров, относительные деформации – в диапазоне 0 – 100 % и более. Малые деформации имеют место в металлах и твердых пластмассах, большие деформации необходимо измерять при испытании образцов с большим удлинением (эластичные пластмассы, резина …).

При определении прочностных характеристик материалов напряжение меньше 5 – 10 М Па обычно не измеряется. Измерения при очень малых механических напряжениях и деформаций требуется производить при различных физических и биологических исследованиях, в частности при исследовании структуры кристаллов, биологических мембран и других микрообъектов.

Обычно при измерении деформации ее сначала преобразуют в перемещение концов чувствительного элемента тензометра, расстояние между которыми называется базой. При этом используются два способа крепления первичного преобразователя к объекту испытания.

В первом случае первичный преобразователь непосредственно укрепляется на испытуемом объекте. Такой способ измерения, широко применяемый при комплексных испытаниях сложных объектов с использованием тензорезисторов, отличается невысокой точностью (погрешность 2-10 %) вследствие большого разброса параметров тензорезисторов и невозможности градуировать прибор (канал) с данным тензорезистором, который при таких измерениях является элементом разового использования.

Во втором случае датчик тензометра, включающий в себя первичный преобразователь (тензорезистивный, индуктивный, электрооптический), прикрепляется к исследуемому объекту при помощи специальных устройств, выполняемых в виде опорных призм, ножевых щуповых, пружинных, магнитных и других типов захватов. Для измерений при высоких температурах (до 1100˚ С) применяются захваты с кварцевыми наконечниками. Такие тензометры обычно используют совместно с испытательными машинами для прочностных испытаний деталей, образцов материалов и отдельных элементов сложных конструкций. Перемещение захватов, вызванное деформацией испытуемого образца, измеряется при помощи различных методов и средств измерений, но наиболее широко применяются тензорезистивные, индуктивные и электрооптические тензометры. Тензометры, используемые совместно с испытательными машинами, обеспечивают измерения с относительно малыми погрешностями (0,2 – 1,5 %), поскольку их можно градуировать совместно с датчиком при помощи образцовых средств измерений длины.

Рисунок 1 – Тензорезистивный датчик

Рисунок 2 – Индуктивный тензометр

На рисунке 1 показано устройство тензорезистивного датчика тензометра, у которого упругий элемент 2 в форме скобы крепится к испытуемому образцу 1 при помощи ножевых зажимов 4. Тензорезисторы 3 наклеены на среднюю часть скобы, которая изгибается при деформации (удлинении) испытуемого образца. Путем изменения формы упругого элемента и типа захватов создаются тензометры различных назначений, например для измерений угла закручивания образца или размеров трещин. Достоинствами таких тензометров являются относительно малая основная погрешность (0,2—0,5 %) при погрешности линейности и гистерезиса 0,05 – 0,2 % и высокая собственная частота датчика (10 к Гц).

В индуктивных тензометрах (рисунок 2) перемещение ножевой опоры 2 при деформации испытуемого образца 1 передается сердечнику 3 индуктивного датчика 4, который при помощи струбцины 5 укрепляется на образце. Погрешности индуктивных тензометров лежат в пределах 0,5 – 1,5 %. Отсутствие упругого элемента позволяет создавать индуктивные тензометры для работы в широком диапазоне температур.

При испытании образцов материалов тензометры с тензорезисторами применяются в основном для измерения деформации до 50 % от базы при значениях базы 2.5 – 100 мм. Индуктивные тензометры выпускаются с базами 1—200 мм и используются для измерения как малых, так и больших деформаций – до 30 % и более от базы.

Электрооптические тензометры обычно применяются для измерения больших деформаций – до 100 % . Преимуществом таких тензометров является отсутствие механического контакта между испытуемым образцом и датчиком перемещений, что позволяет проводить испытания образцов в закрытых камерах, при различных температурах и разных средах. Использование лазерных интерферометров для измерения деформаций дает возможность существенно повысить точность результатов измерений при прочностных испытаниях.

Для измерения деформаций и механических напряжений при натурных испытаниях различных машин, конструкций транспортных средств и других изделий наиболее широко используется метод, основанный на применении дискретных металлических и полупроводниковых тензорезисторов. Особенностью испытаний сложных изделий является наличие большого числа точек тензометрирования, поэтому для этих целей используются многоканальные тензостанции и ИИС для прочностных испытаний.

Проволочные, фольговые, пленочные и металлические тензорезисторы применяются для измерений статических деформаций 0.005 – 1.5 – 2 %, полупроводниковые – до 0.1 – 0.2 %, свободные проволочные тензорезисторы, которые закреплены только по концам базы, а также эластичные электрохимические тензорезисторы могут использоваться для измерения деформаций соответственно до 5 – 10 % и 30 – 50 % .В динамическом режиме максимально допустимые значения деформаций для проволочных и полупроводниковых тензорезисторов должны быть на порядок меньше, так как при таком режиме уменьшается надежность тензорезисторов.

Основные технические характеристики металлических, полупроводниковых и интегральных тензорезисторов, а также основные измерительные цепи для тензорезисторов рассмотрены в работе [2].

Поиск по сайту: