Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Методы измерения механических напряжений, сил и моментов
|
[1] Содержание
[2] [3] Термоупругий метод измерения механических напряжений [4] [5] Метод рентгеновской тензометрии [5.0.0.1] =2*dhkl * sinhkl , (10) [5.0.0.2] где --длина волны рентгеновского излучения;--угол дифракции; hkl—индексы Миллера для плоскостей решеток. [5.0.0.3] [5.0.0.4] Если в поликристаллическом образце отсутствуют внутренние напряжения, то расстояния между соответствующими плоскостями решеток одинаковы и не зависят от положения этих плоскостей в образце. На рисунке 3 а) показано распределение нескольких плоскостей решеток с равными индексами в свободном от механических напряжений образце, а на рисунке 3 б) – при наличии напряжения растяжения x вдоль одной из осей. Упругие деформации, обусловленные внешними или внутренними напряжениями, приводят к изменению расстояния между плоскостями решеток. Распределение внутренних напряжений в деформированном кристалле может быть найдено по экспериментально измеренным значениям относительного изменения периода решетки в данном кристаллографическом направлении (d/d)hkl и микроскопической кривизне атомных плоскостей. [5.0.0.5] [6] Методы измерений сил и крутящих моментов [7] Изменение силы методом уравновешивания
[8]
[9]
[10] |
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:
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 * 10Па (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.
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, σ2, 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 εl в пределах упругости определяется зависимостью (8):
σ = Eεl. (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 – Тензорезистивный датчик
Рисунок – 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].
Рассматриваемый метод основан на термоупругом эффекте, заключающемся в изменении температуры упругого тела при его деформации. Деформация упругого тела вызывает перераспределение его температурного поля. При этом изменение поверхностной температуры упругого тела линейно зависит от суммы главных механических напряжений, что позволяет измерять непосредственно механические напряжения, а не деформации. В этом состоит большое преимущество этого метода, поскольку большинство других методов основано на измерении деформаций, по которым определяются механические напряжения. Метод применим только для измерения переменных механических напряжений, так как изменение температуры за счет температурного эффекта относительно мало и может быть определено только выделением переменной составляющей теплового излучения на фоне общего температурного поля исследуемого объекта. Относительное изменение температур не зависит от частоты механических напряжений, а определяется только свойствами материала и значениями механических напряжений по формуле:
ΔT/Т = K* , (9)
где КТУ - коэффициент термоупругости.
Упругие материалы с положительными коэффициентами линейного расширения (например, металлы) имеют отрицательный коэффициент термоупругости. При соблюдении адиабатических условий нагружения поверхностная температура тел из таких материалов уменьшается при росте механических напряжений.
Определение механических напряжений термоупругим методом осуществляется путем измерения параметров температурного поля исследуемого объекта с помощью чувствительных инфракрасных пирометров (тепловизоров), наиболее совершенные из которых имеют порог чувствительности 0,005 – 0,01 С.
Трудности измерения меньших изменений температуры обуславливают нижний предел измеряемых механических напряжений термоупругим методом, который в зависимости от материала исследуемого объекта составляет от долей мегапаскаля до нескольких мегапаскаль.
Термоупругий метод не применим для измерения статических напряжений. Другим недостатком термоупругого метода является невозможность получения информации о компонентах и направлениях исследуемых деформаций, поскольку изменение температуры пропорционально сумме главных деформаций и не зависит от их направления.
Основанная на термоупругом методе измерительная система содержит двухзеркальное сканирующее устройство, обеспечивающее развертку изображения исследуемой поверхности, светоделитель и детектор Регистрируемое инфракрасное излучение с выхода светоделителя подается в канал визуализации и регистрации изображения на экране 16-цветного дисплея, который позволяет наблюдать поле двуосного состояния поверхности исследуемого объекта. Угловые смещения сканирующей системы могут изменяться от 0,1 * 0,1 до 25 * 25 , а расстояние от приемника излучения до объекта исследования – от 0,5 до 10 м. Это позволяет измерять распределение сложных механических напряжений на поверхности как малых, так и протяженных объектов с локализацией отдельных участков, напряженное состояние которых определяется с увеличенной разрешающей способностью. Частотный диапазон измеряемых переменных напряжений простирается от 0,5 Гц до 5 к Гц. Метод отличается достаточно высокой чувствительностью. Например, минимальное определяемое механическое напряжение в деталях из алюминия =2 М Па соответствует относительной деформации l = 5*10 (5 мкм/ м). При исследовании объектов с малой излучательной способностью их поверхность окрашивается в черный цвет.
Термоупругий метод является перспективным бесконтактным методом измерения механических напряжений, широкое использование которого тесно связано с быстрым развитием тепловидения.
Этот метод применяется для исследования напряженного состояния и структур объектов из поликристаллических материалов. Он основан на измерении межплоскостных расстояний с использованием явления дифракции рентгеновских лучей на плоскостях решеток поликристаллических материалов. При облучении решетки поликристаллического образца монохроматическими рентгеновскими лучами атомы вынуждаются к колебаниям в режиме рентгеновского излучения и действуют как корпускулярные генераторы колебаний, излучение которых интерферирует в зависимости от внутренних геометрических условий, которые определяются уравнением Брегга (10):
=2*dhkl * sinhkl , (10)
где --длина волны рентгеновского излучения;--угол дифракции; hkl—индексы Миллера для плоскостей решеток.
Рисунок – Рентгеновская тензометрия
Если в поликристаллическом образце отсутствуют внутренние напряжения, то расстояния между соответствующими плоскостями решеток одинаковы и не зависят от положения этих плоскостей в образце. На рисунке 3 а) показано распределение нескольких плоскостей решеток с равными индексами в свободном от механических напряжений образце, а на рисунке 3 б) – при наличии напряжения растяжения x вдоль одной из осей. Упругие деформации, обусловленные внешними или внутренними напряжениями, приводят к изменению расстояния между плоскостями решеток. Распределение внутренних напряжений в деформированном кристалле может быть найдено по экспериментально измеренным значениям относительного изменения периода решетки в данном кристаллографическом направлении (d/d)hkl и микроскопической кривизне атомных плоскостей.
Реализация метода рентгеновской тензометрии поясняется на рисунке 3 в). Рентгеновское излучение от источника 1направляется на установленный в центре лимба 3 исследуемый образец 2, от которого излучение после интерферирования отражается сцинтиляционный счетчик 4. Поворачивая образец и счетчик вокруг оси, перпендикулярной плоскости диска, определяют углы дифракции . По измеренным значениям углов, соответствующих дифракционным максимумам, и по известной длине волны излучения определяют расстояния между плоскостями решетки, которые дают информацию о структуре, асимметрии и деформации кристаллической решетки. При помощи такого измерительного устройства можно исследовать дифракционные линии с углами дифракции от 25 до 82 при углах между поверхностью образца и плоскостью решетки от – 65 до +65.
Процесс измерения на основе рентгеновской интерференции поддается автоматизации. Для определения упругих деформаций и напряжений в различных деталях разработаны типовые программы для обработки полученной информации на ЭВМ.
Метод рентгеновской тензометрии позволяет как бы визуализировать искажения кристаллической структуры и по виду картины муара определить тип искажения. Метод позволяет измерять статические и динамические напряжения, а также градиенты напряжений на очень малых участках, линейные размеры которых в мелкокристаллических материалах не превышают десятки микрометров. При этом можно измерить деформацию в любом направлении, образующем с нормалью к поверхности объекта углы от 0 до 65.
Это позволяет найти микроструктуру распределения деформаций и напряжений в тонком слое, что особенно важно при исследовании объектов с поверхностным упрочнением, в которых механические напряжения дислоцированы в тонком поверхностном слое толщиной в десятки или сотни микрометров.
Сила – векторная величина, характеризующая механическое воздействие на материальное тело со стороны других тел или полей. Сила полностью определяется, если известны ее значения направления и точка приложения.
Существуют различные виды сил: гравитационные, электромагнитные, реактивные, ядерные, слабого взаимодействия, сила инерции, сила трения и другие. Силы необходимо измерять в широком диапазоне - от 10-12 Н (Ван-дер – Ваальсовы силы) до 10Н (силы удара, тяги). С малыми силами имеют дело при научных исследованиях, при испытании точных датчиков силы в системах управления и др. Силы от 1 Н до 1 МН характерны для испытательной техники и при определении усилий в транспортных средствах, прокатных станках и другое. В некоторых областях машиностроения, сталепрокатной и аэрокосмической технике необходимо измерять силы до 50 –100 МН. Погрешности измерений силы и моментов при технических измерениях составляют 1—2 %. К измерению силы сводится измерение таких физических величин, как давление, ускорение, масса, погрешность измерения которых во многих случаях не должна превышать 0,001%.
Наиболее характерным проявлением силы является ее способность сообщать телу ускорение и деформировать взаимодействующие тела.
Связь между силой F , ускорением a и массой m определяется формулой(11) вторым законом Ньютона:
F= (11)
Рисунок 4 – Вибростержневые датчики
Связь между силой и деформацией определяется законом Гука (12) , который в простейшем случае может быть представлен в форме:
, (12)
В выражении (12) c –это жесткость деформируемого тела, а l-вектор деформации в точке приложения силы.
Зависимость (11) редко используется для измерения силы; наоборот, измерением силы определяется ускорение твердого тела.
Подавляющее большинство силоизмерительных устройств основано на методе преобразования измеряемой силы в механические напряжения в теле упругого элемента и его деформацию, которые преобразуются в электрический сигнал с помощью тензорезистивных, емкостных, индуктивных, пьезоэлектрических, магнитоупругих, виброчастотных или других типов преобразователей. В таких средствах измерений основным конструктивным элементом, оказывающим решающее влияние на точность измерения силы, является упругий элемент.
Хорошими метрологическими характеристиками обладают частотные приборы с вибростержневыми датчиками. На рисунке 4 показаны различные конструкции вибростержневых датчиков НИКИМПа, применяемые в силоизмерительных устройствах и весах. Частотно-зависимым элементом в таких датчиках является резонатор в виде тонкой пластинки 2, изготовляемой заодно с упругим элементом 3 из одного куска металла. Режим автоколебаний осуществляется с помощью возбудителя 1 и приемника колебаний 4, соединенных с выходом и входом усилителя 7 (рис.4 а). Особенностями датчиков являются низкий уровень механических напряжений в резонаторе и в упругом элементе (100 – 150 М Па), полная или частичная компенсация погрешностей от несовершенства упругих свойств материала преобразователя, хорошая помехоустойчивость вследствие высокого уровня выходного сигнала, достигающего несколько вольт. Девиация частоты обычно составляет 15—30 % от начальной частоты f0 , а нелинейность характеристики 3—4 %.
Для исключения погрешности от изгибающих усилий и крутящих моментов используются шаровой силовводящий элемент 5 и плоская мембрана 6 (рис.4,а). Применение сферического силовводящего элемента также локализует точку приложения силы и повышает воспроизводимость результатов измерений. Упругая система такого вида применяется в динамометрах для измерения сжимающих усилий до 1МН с погрешностью 0,1 %.
В многокомпонентных динамометрах применяется упругий элемент в виде параллелограмма (рис.4,б), что позволяет уменьшить погрешность от не измеряемых компонентов. В цифровых весах используются датчики с упругой системой в виде углового рычага с опорой на двух упругих шарнирах (рис.4,в).
Такие датчики, используемые в серийных торговых весах на нагрузки 50 – 500 Н (5—50 кг), имеют класс точности 0,04.
Рисунок 5 – Многокомпонентные динамометры
На основе пьезоэффекта удобно создавать многокомпонентные динамометры для одновременного измерения усилий, действующих на объект вдоль трех взаимно перпендикулярных осей (рис.5).
Трехкомпонентный пьезокварцевый преобразователь (рис. 5, а) содержит два пьезоэлемента Х-среза 1, обеспечивающих измерение усилий вдоль оси, и две пары Y-среза 2 и 3 для измерения горизонтальных усилий вдоль осей X и Y. На рис. 5, б показана схема соединения датчика, содержащего четыре трехкомпонентных пьезокварцевых преобразователя. Такой датчик позволяет определить три компонента вектора суммарной силы
, (13)
где
; (14)
; (15)
; (16)
и три компонента моментов сил, относительно центра датчика:
; (17)
; (18)
; (19)
Динамический диапазон таких датчиков (отношение верхнего предела измерения к порогу чувствительности) достигает 108. Некоторые пьезокварцевые динамометры могут работать в диапазоне температур от –270 до +400 C. В диапазоне от –200 до +250 C температурный коэффициент чувствительности составляет 10-4 К-1.
Для измерения крутящих моментов наиболее широко используются методы, основанные на преобразовании измеряемого момента в деформацию упругого элемента, выполняемого в виде сплошных, полых или плоских валов (торсионов), спиральных пружин, подвесов и растяжек [2]. Преобразование деформации (механического напряжения) упругого элемента в электрический сигнал осуществляется при помощи тензорезистивных, индуктивных, магнитоупругих и других измерительных преобразователей.
Рисунок 6 – Бесконтактный моментомер
На рис. 6, а показана схема бесконтактного моментомера (торсиометра) для измерения крутящего момента на вращающемся валу, основанного на определении механических напряжений в материале вала при помощи тензорезисторов. Особенностью прибора является наличие мостовой измерительной цепи с преобразователем напряжение-частота (ПНЧ) 3 Питание цепи и ПНЧ и съем сигнала с них осуществляются через вращающийся трансформатор 5. На валу 1 расположены тензометрический мост 2 из четырех тензорезисторов Rт, преобразователь напряжение-частота 3, цепь управления 4, вторичная обмотка с числом витков 2 вращающегося трансформатора 5, диод V и ключ S1. Первичная обмотка вращающегося трансформатора 1 питается от генератора синусоидального напряжения 6 с частотой 5-10 кГц. В течение полупериода выходного напряжения преобразователя 3, когда ключ разомкнут, напряжение вторичной обмотки трансформатора выпрямляется диодом V, стабилизируется и питает измерительную цепь. Напряжение разбаланса с диагонали тензометрического моста Uм (рис. 6, б) подается на вход интегратора на операционном усилителе А1, выходное напряжение которого Uи сравнивается компаратором А2 с опорным напряжением Uк, пропорциональным напряжению питания моста U0. При неизменном значении Uм напряжение на выходе интегратора линейно растет до тех пор, пока не станет равным опорному напряжению Uк. При срабатывании компаратора изменяется полярность напряжений U0, Uм, Uк, начинается новый цикл интегрирования и т. д. Таким образом, на выходе компаратора имеет место напряжение прямоугольной формы, частота которого линейно зависит от относительного разбаланса моста. Для тензометрического моста с четырьмя рабочими плечами Uм/U0=Rт/Rт=, и частота напряжения на выходе компаратора определяется выражением
=(R2+R3)/(4R1C1R3). (20)
Сигнал с выхода ПНЧ в виде частотно-модулированного переменного напряжения управляет ключом S1, который с частотой накоротко замыкает вторичную обмотку трансформатора 2, вызывая модуляцию напряжения на первичной обмотке 1. Это напряжение после амплитудного демодулятора 7 подается на аналоговый или цифровой частотомер 8, а также через частотный демодулятор 9 поступает на вход регистрирующего прибора 10. При несущей частоте 5 кГц чувствительность прибора к относительному изменению сопротивления тензорезисторов составляет S=¦/e=5000 Гц/%.
Для периодической коррекции погрешности тензорезисторного моста используется метод образцовых сигналов. Параллельно одному из тензорезисторов с помощью геркона S2 (рис. 6, б) подключается резистор R0 с известным сопротивлением, что приводит к определенному изменению частоты выходного сигнала. Управление герконом S2 осуществляется бесконтактным способом путем приближения к нему внешнего постоянного магнита.
Метод основан на уравновешивании измеряемой силы силой, создаваемой обратным электромеханическим преобразователем, чаще всего магнитоэлектрическим, а также силой реакции, возникающей в динамической системе. К таким силам относятся центростремительная сила, сила инерции при колебательном движении, гироскопический момент.
Перспективным способом создания высокоточных средств измерений больших сил (от 105 Н и более) является применение электродинамических обратных преобразователей силы со сверхпроводящими обмотками, которые позволяют воспроизводить силы до 107 – 108 Н с погрешностью 0,02 – 0,05%.
Гироскопический метод измерения сил основан на измерении угловой скорости прецессии рамки гироскопа, возникающей под воздействием гироскопического момента, уравновешивающего измеряемый момент или момент, создаваемый измеряемой силой. Этот метод уже нашел применение в весоизмерительной технике.
Рисунок 7 – Динамометр
На рис.7 показано устройство динамометра, основанного на уравновешивании измеряемой силы центробежной силой. В силовоспринимающих цилиндрах 1 и 5, соединенных сильфоном 4, имеются конические выборки, в которых размещены инерционные клиновидные массы 3, насажанные на ось двигателя 6 и способные перемещаться по направляющим 2. При воздействии измеряемой силы Fx происходит сближение инерционных масс, которое регистрируется датчиком перемещения 7. Сигнал датчика управляет двигателем, который раскручивает инерционные массы до тех пор, пока центробежная сила Fц не уравновесит силу Fx с учетом угла клина. Для устранения сил трения применяются аэродинамический, гидродинамический или гидростатический подвесы. В установившемся режиме динамические явления не влияют на статическую силу уравновешивания. Измеряемая сила определяется из уравнения
, (21)
Где – угол клиньев; – угол между вектором ускорения свободного падения g и осью чувствительности прибора; mк – масса клиньев; mц – масса верхнего цилиндра. Сила реакции однозначно определяется геометрией системы, массами клиньев и частотой их вращения. Таким образом, при неизменных параметрах измерительного устройства измеряемая сила Fx определяется по частоте вращения двигателя.
Измерение – основной путь получения достоверной информации о свойствах объектов окружающего материального мира, то есть о различных физических величинах – механических, тепловых, электрических, оптических.
Особенно важной является роль электрических измерений. В связи с автоматизацией производства резко возрастает выпуск средств измерений, создаются их типы на новых принципах действия, используются новые физические эффекты, полупроводниковые элементы. Повышаются метрологические и эксплуатационные характеристики средств измерений – точность, чувствительность, быстродействие, помехоустойчивость, надежность.
Измерение механических усилий необходимо во всех отраслях народного хозяйства, являясь неотъемлемой частью многих научных исследований, технологических процессов, медицинской диагностики. Диапазоны измеряемых усилий весьма широки: внутренние напряжения в материалах 0-2000 М Па, силы 0-109 Н, моменты 0-108 Н * м, давления 0-1010 Па.
Методы измерений различных видов механических усилий имеют много общего. 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.
Термоупругий метод измерения механических напряжений основан на термоупругом эффекте, заключающемся в изменении температуры упругого тела при его деформации. Магнитоупругий метод применяется для исследования напряженного состояния и структур объектов из поликристаллических кристаллов. Он основан на измерении межплоскостных расстояний с использованием явления дифракции рентгеновских лучей на плоскостях решеток поликристаллических материалов.
Подавляющее большинство силоизмерительных устройств основано на методе преобразования измеряемой силы в механические напряжения в теле упругого элемента и его деформацию, которые преобразуются в электрический сигнал с помощью тензорезистивных, емкостных, индуктивных, пьезоэлектрических, магнитоупругих, виброчастотных или других типов преобразователей.
Метод уравновешивания основан на уравновешивании измеряемой силы силой, создаваемой обратным электромеханическим преобразователем, чаще всего магнитоэлектрическим, а также силой реакции, возникающей в динамической системе.