Приборы для линейных измерений

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

k= ,

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

f=

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

К=

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 α_т и исследуемого материала α_и, 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 (α_и - α_т)∙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