1625914689-e957c8b7a8e4003fe3539e4e0e465a65 (532400), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Контактный экстензометр путем небольшого поджатия фиксирует на образце пару ножей (чаще две симметричные пары – длянейтрализации влияния перекоса), перемещение которых тем или иным образом преобразуется в электрический сигнал (например путем изменения емкости конденсатора из-заизменения расстояния между обкладками) либо передается на механический индикатор(в старых моделях). Бесконтактный тензометр (лазерный или видео-тензометр) определяет относительное перемещение двух специальных меток, нанесенных на поверхность.Таким образом, экстензометр измеряет текущую длину l, из которой, зная базу l0 , мож-34Глава 2. Основы экспериментальных методов механики . .
.аось датчикабаза датчикабyxмногоосные датчикиодноосный датчикРис. 2.7. Вид тензорезистора (а) и пример расположения тензорезисторов вблизи концентраторанапряжений (б )но вычислить относительное удлинение. Современные экстензометры обладают высокойточностью, могут измерять большие деформации и удобны для работы со стандартнымиобразцами, из-за чего широко используются для текущего контроля качества материаловна заводах. Однако из-за относительно большой базы их невозможно использовать принеоднородном деформированном состоянии.Если исследуемый образец по тем или иным причинам не позволяет зафиксироватьна нем экстензометр или измерения относительного удлинения одного отрезка недостаточно из-за неоднородности деформированного состояния, используют тензорезисторы.Их работа основана на том, что омическое сопротивление R проводника зависит от егодлины l, удельного сопротивления ρ и сечения S: R = ρl/S.
Удельное сопротивление проводника под действием сжимающих или растягивающих деформаций изменяется – это называется тензорезистивным эффектом. Он характеризуется тензочувствительностью,выражаемой коэффициентом тензочувствительности K, который определяется следующим образом:∆R/R∆l∆RK=⇒ε==.(2.12)∆l/llKRТаким образом, при известном коэффициенте K измерение изменения сопротивления позволяет определить относительное удлинение проводника. Если подобрать правильныйклей для крепления этого проводника на поверхности деформируемого предмета, можно добиться того, что деформации поверхности и проводника будут одинаковы. Однакобез разрыва датчика можно замерить только достаточно маленькие деформации, а значит, и изменения сопротивления должны быть очень малы. Эта проблема увеличиваетсяпри необходимости измерить деформацию маленького участка: если приклеить на негокороткий кусочек проводника, его сопротивление будет слишком мало для правильногоизмерения.
Поэтому проводник (проволоку или фольговые дорожки) укладывают многими параллельными рядами, покрывая полученной сеткой площадку, на которой и измеряется средняя деформация в направлении укладки рядов (рис. 2.7, а). Сочетая несколькосеток, уложенных по-разному и разделенных тонким слоем диэлектрика, можно измерить деформации в разных направлениях на одной площадке. Поскольку деформируемаяповерхность сама может оказаться электропроводной, чувствительный элемент датчикапомещают между двумя слоями диэлектрика.Однако, даже когда длина проводника увеличена таким образом, тензорезистор всеравно дает очень слабый сигнал, который трудно замерить без специальногоусилителя.
К тому же сигнал может быть искажен температурными колебаниями, изменяющими сопротивление самого датчика даже безо всяких деформаций, и постороннимиэлектромагнитными наводками, изменяющими сигнал по пути от датчика к усилителю.В связи с этим приходится использовать специальные экранированные кабели, особенно2.5.. Методы измерения деформаций и напряжений35при натурных испытаниях, где длина кабеля может быть существенной, и обеспечиватьтемпературную компенсацию путем введения в электрическую схему недеформируемогодатчика, находящегося при той же температуре, что и рабочий датчик.Если деформированное состояние неоднородно распределено в образце, можно наклеить много тензорезисторов в ключевых точках (рис. 2.7, б ) и по их показаниям получитьприближенное описание поля деформаций.
В силу своей компактности тензорезисторымогут быть наклеены в труднодоступных местах конструкции, что делает их удобнымипри натурных испытаниях. Они могут использоваться при высоких скоростях деформирования, что позволяет наблюдать за деформированным состоянием динамически нагружаемой конструкции (вибрирующей или подвергающейся воздействию удара либо взрыва).Также тензорезисторы широко используются в различных преобразователях, работа которых основана на том, что содержащееся в них эталонное тело деформируется под действием различных внешних воздействий.
Так, по температурному расширению эталонаможно определить температуру, по деформированию эталона силой инерции – ускорениеи т. д. Поскольку такие устройства преобразуют механические и физические величины вэлектрические сигналы, они находят широкое применение в качестве сенсоров в автоматических производственных линиях и системах контроля состояния сложных техническихсистем.Однако тензорезисторами можно измерить только малые деформации, получаемыес их помощью данные о полях деформаций дискретны, а измерения деформаций сложныхобъектов, на которые приходится наклеивать множество датчиков и подсоединять их кэлектрической цепи, требуют огромной и технически достаточно сложной подготовительной работы.2.5.2.Корреляционные методыДля построения полей деформаций поверхности нагружаемого объекта было разработано много методов различной степени сложности исполнения, основанных на визуализации этих полей.
В качестве примера можно упомянуть использование хрупкихлаков, которые, деформируясь совместно с поверхностью образца, покрываются сетьютрещин. Другим широко использовавшимся методом был метод муаровых полос. Муаровые полосы, с определенной точностью соответствующие изолиниям поля перемещений,образуются, если на плоскую поверхность образца нанести густую сетку тонких линий ипосле деформирования совместить ее с эталонной сеткой. Все подобные методы, однако,достаточно сложны технически, и в настоящее время предпочтение отдается корреляционным методам измерения деформаций, основанным на компьютерном анализе цифровыхизображений поверхности объекта в начальном и деформированном состоянии.Одна из разновидностей этих методов представляет автоматизированный метод делительных сеток.
Метод заключается в том, что на гладкую однородную поверхность образца наносится регулярная сетка (например, ортогональная сетка тонких линий). Предполагается, что в пределах каждой ячейки сетки деформация однородна и может бытьотнесена к центру ячейки. При достаточно малых размерах ячейки можно пренебречьискривлением ее сторон и считать ее четырехугольником, средняя деформация которогов любом направлении может быть вычислена из изменения длин сторон и углов междуними.
Узлы такой сетки легко выделяются при помощи компьютерного анализа изображения, что делает автоматизацию вычисления деформаций достаточно простой. Однакометод применим только для плоских поверхностей или поверхностей, легко разворачиваемых в плоскость, как, например, боковая поверхность цилиндра.Другой метод – метод трехмерного корреляционного анализа спекл-картин (хаотических монохромных картин, состоящих из светлых и темных точек) – требует более раз-36Глава 2.
Основы экспериментальных методов механики . . .абРис. 2.8. Изолинии полей деформаций, рассчитанных на основе: а) нанесенной спекл-картины(приведен дюралевый образец с полями деформации, сконцентрированными около растущей трещины при трехточечном изгибе); б ) естественной текстуры материала (приведена картина разрушения сибитовой кладки при сжатии)витого математического аппарата, но гораздо более универсален и прост в использовании.Подготовка исследуемого объекта ограничивается нанесением спекл-картины (например,при помощи пульверизатора), либо используется естественная текстура поверхности, еслиона достаточно контрастна и достаточно мелка для требуемой точности замера.
Послеподготовки объекта производится его синхронная съемка двумя камерами, предварительно откалиброванными по эталонному изображению. В результате формируется трехмерное изображение поверхности, для которой путем сопоставления начального и текущеговзаимного расположения элементов спекл-картины устанавливается соответствие междуначальным и текущим положением точек поверхности. Это соответствие позволяет определить поле перемещений, из которого исключается перемещение всего объекта как жесткого целого, и на основе получившегося поля перемещений находится поле деформаций(рис. 2.8).
При такой обработке изображение разбивается ортогональной сеткой прямыхлиний, по ячейкам которой производится осреднение вычисляемых величин. Точностьрасчета зависит от контрастности картины, влияющей на однозначность корреляции, и отплотности спекл-картины: чем меньше элементы спекл-картины и чем плотнее они расположены, тем меньше может быть ячейка сетки, позволяющая получить более точнуюкартину деформаций.При наличии скоростной камеры и достаточных вычислительных мощностей корреляционный метод позволяет в реальном времени наблюдать деформирование движущихсяконструкций или объектов, подвергаемых динамическому нагружению, и практически неимеет ограничений по масштабу исследуемых объектов, если есть возможность полученияих отчетливых цифровых изображений.2.5.3.Измерение напряженийВ отличие от деформаций, напряжения, возникающие в материале, нельзя измеритьнапрямую.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
