книги / Тензодатчики для экспериментальных исследований
..pdfТЕНЗОДАТЧИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ
Тензодатчики широко применяются для исследования деформированного состояния конструкций, изготовлен ных из различных материалов, находящихся под воздей ствием силовых и тепловых нагрузок.
Разработка методов и средств для измерения дефор мированного состояния конструкций, моделей, образцов зависит от рода нагрузок — будут это статические нагруз ки при повышенной и переменной температуре или ди намические нагрузки. При измерении деформаций, вы званных динамическими нагрузками, исследователя интересуют частота, форма и амплитуда колебаний де формаций, возникающих в исследуемом элементе конст рукции. Основной измерительной характеристикой для тензодатчиков, предназначенных для измерения динами ческих деформаций, является чувствительность к дефор мации. Ползучесть тензодатчиков при быстрых измене ниях деформации не успевает проявляться. Температур ное приращение сопротивления и изменение сопротивле ния за счет снижения сопротивления изоляции не будут входить (если температура и другие факторы будут изме няться медленнее, чем деформация) как погрешности в измерение амплитуды деформации, они вызовут только смещение нулевой линии, относительно которой записы вается на осциллограмме кривая динамических дефор маций.
При измерении статических или квазистатических деформаций нельзя не учитывать изменение сопротивле ния от температуры, которое может значительно иска зить результат измерения. Изменения сопротивления за счет ползучести, снижения сопротивления изоляции тен зодатчика при нагревании, действия влаги и других фак-
торов войдут непосредственно в результат измерения как погрешность. Поэтому задача создания тензодатчи ков для измерения статических деформаций является бо лее сложной, особенно для условий повышенных темпе ратур.
Приведенные ниже различные типы тензодатчиков разработаны в основном для измерения статических де формаций при климатических и повышенных температу рах. Эти тензодатчики изготовляются с чувствительным элементом из константановой или из железохромалюминиевой проволок.
1. ТЕНЗОДАТЧИКИ С ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ ИЗ КОНСТАНТАНОВОЙ ПРОВОЛОКИ
Константановая проволока
Константан — это медноникелевый сплав, который содержит несколько компонентов, образующих при раз личных концентрациях непрерывный ряд твердых раство
ров. |
Удельное |
сопротивление константана равно |
0,5 |
ом • мм2/м. |
Тензочувствительность константановой |
проволоки равна примерно 2 как в области упругих, так и в области пластических деформаций. Тензочувствитель ность проволоки мало меняется при увеличении темпе ратуры. Константан имеет относительно малый темпера турный коэффициент сопротивления {(3= (2-1-3) • 10-5]. Предварительным отжигом можно существенно изменить температурный коэффициент сопротивления константано вой проволоки. Проволока микронных размеров (диа метр 0,02—0,03 мм) из сплава константан широко при меняется в качестве чувствительной решетки тензодат чиков, предназначенных для измерения статических деформаций при климатических и повышенных темпера турах.
Константановая проволока марки МНМц 40-1,5 (ГОСТ 492—52) Подольского завода «Микропровод» диаметром 0,03 мм имеет предел прочности a6=1000-h 1400 н\мм2, относительное удлинение при разрыве 0,8— 1,3%, погонное сопротивление примерно 650 ом/м [48]. «Твердый» константан фирмы Драйвер Харрис (Driver Harris, США) диаметром 0,03 мм имеет предел прочно сти а в=1200 н/мм2, относительное удлинение при разры ве 1—1,5% [48], погонное сопротивление примерно 750 ом/м.
Отжиг константановой проволоки
Известно, что если констаитановую проволоку после протяжки подвергнуть отжигу, то ее температурный ко эффициент сопротивления р изменится [24, 28, 47]. С уве личением температуры отжига проволоки этот коэффи циент изменяется от сравнительно большого по величине отрицательного значения до положительного значения, а при некоторых температурах отжига коэффициент имеет значение, близкое к нулевому (рис. 6)1. Это свой ство используется для создания термокомпенсирован ных тензодатчиков в различных диапазонах температур.
Далее приведены результаты исследований влияния отжига константановой проволоки на температурное приращение сопротивления тензодатчиков в диапазоне температур от 20 до 300—400° С.
|
|
|
|
Р-40' |
|
Рис. 6. Зависимость |
темпе |
W. |
|
||
О- |
|
||||
ратурного |
коэффициента со |
т |
|||
противления константановой |
Ю- |
||||
проволоки |
(в области |
тем |
го - |
|
|
ператур 20— 100° С) |
от |
тем |
50 - |
|
|
пературы ее отжига |
|
40 ■ |
|
||
|
|
|
|
|
Отжиг константановой проволоки производят в по лиэтилсилоксановой жидкости № 5 (ТУ МХП 2416—54), которая обеспечивает светлый отжиг до 450° С. Отжиг константановой проволоки при таких температурах мож но производить и на воздухе [48].
Температурное приращение сопротивления тензодат чиков (температурная характеристика сопротивления) определяется формулой (16). Из этой формулы видно, что наклеенный тензодатчик не будет менять свое сопро тивление при изменении температуры, т. е. будет пол ностью скомпенсирован, если
(45)
1 Все графики, 'Приведенные в данной работе, получены экспери ментальным путем.
или если для упрощения брать средние значения коэф фициентов, то
Р - — (<** — <*//) Sn • |
(46) |
Температурный коэффициент линейного |
расширения |
константана ап=15-10“6. Температурные коэффициенты линейного расширения некоторых материалов приведены в табл. 1. Там же приведены величины температурного коэффициента сопротивления р константановой проволо ки в диапазоне температур 20—80° С, необходимые для получения нулевого температурного приращения сопро тивления тензодатчиков, наклеенных на пластину из со ответствующего материала (при5п=2).
Из табл. 1 или уравнения (46), а также из рис. 6 видно, что тензодатчик, наклеенный на дюралевую де таль, мало изменит свое сопротивление от температуры, если применять конетантановую проволоку с температур ным коэффициентом сопротивления р= —14-10~6 (отжиг при температуре 340°С), а тензодатчик, наклеенный на нержавеющую сталь, — если применить конетантановую
проволоку с р= 2 - 10"6 (отжиг |
при |
температуре около |
||
380° С). |
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 1 |
|
Материал |
“л |
|
Р = -2(«ж- « я) |
|
|
|
|
|
|
Сталь |
|
11 • 10-6 |
+ 8 -1 0 -6 |
|
Дюраль |
. . . |
22-10-6 |
- 1 4 - 1 0 - 6 |
|
Нержавеющая сталь |
14-10 |
-6 |
+ 2 -1 0 -6 |
|
Титановый |
сплав . |
8*10 |
-6 |
+ 14-10-6 |
Однако пользоваться табл. 1 или уравнением (46) для подбора температуры отжига можно лишь для узкого диапазона температур (например, от 20 до 80—100° С).
В широком интервале температур пользоваться кри вой P = /(U x ) можно только для ориентировочного под бора режима отжига, так как значения р*, ап %и ам1 за висят от температуры и в зависимости от сочетания
последних кривая |
Д R |
/ . / . ч |
---- = |
f (t) для тензодатчиков, изготов- |
|
|
R |
|
ленных из константановой проволоки, является сложной нелинейной функцией температуры.
Поэтому для окончательного подбора режима отжи га проволоки для тензодатчиков, работающих при тем
пературах |
от 20 |
до |
300—400° С, |
следует |
проводить |
несколько |
отжигов |
по |
различным |
режимам, |
близким |
к режиму, определенному по кривой |
$= f(tomjH) и выра |
жению (46). Из проволоки, отожженной тю этим режи
мам, изготовляют тензодатчики и определяют кривые ДD
температурных приращений сопротивления ---- = / ( / )
этих тензодатчиков, наклеенных на балку из соответству ющего материала. По полученным экспериментальным
кривым |
а/? |
---- = / ( / ) подбирают наилучший (с точки зре- |
|
|
R |
ния малого температурного приращения сопротивления в заданном диапазоне температур) режим отжига.
Тензодатчики для измерения деформаций при климатических температурах
Т ензо дат чики 1C
Тензодатчики К предназначены для измерения стати ческих деформаций при температурах от —50 до +50°С. Чувствительный элемент тензодатчиков К изготовляют из отожженной константановой проволоки или из термоком'пенсированной константановой проволоки, разрабо танной в НИКИМПе (ТУ 16 КФ 262—68) [43]. Чувстви
тельный элемент выполнен из |
проволоки, уложенной |
в виде решетки петлевой формы |
В тензодатчике К про |
волочную решетку приклеивают к постоянной основе из бумаги толщиной 0,05—0,06 мм быстросохнущим клеем БС-1. К концам проволочной решетки приваривают с помощью дуговой сварки выводные проводники из мед ной проволоки диаметром 0,2 мм\ места сварки для прочности заклеивают полоской бумаги. Каждый тензо датчик для предохранения от резкого воздействия тем пературы и механических повреждений заклеивают поло ской фетра.
Все проволочные тензодатчики, описанные далее, имеют чув
ствительным элемент н виде |
проволочной решетки петлевом формы, |
и в дальнейшем изложении |
чувствительным элемент применительно |
к проволочным тензодатчикам будет 'Называться чувствительной ре шеткой тензодатчика,
К исследуемой конструкции тензодатчики К приклеи вают кремненитроглифталевым клеем 192-Т [31]. Сушка после наклейки проходит при температуре 20° С в тече ние 24 ч.
Средняя в партии чувствительность к деформации у тензодатчиков К равна 2,0—2,08 (для базы 10 и 25 мм соответственно). Разброс чувствительности в партии оце
нивается среднеквадратичной |
величиной |
as = ± 1,5 %. |
||
Ползучесть тензодатчиков |
К |
за 1 ч составляет |
Я = |
|
= —1,5%. Тензодатчики К |
изготовляются с |
‘базой |
10 |
|
и 25 мм и сопротивлением |
120 и 200 ом. Разброс сопро |
тивления в партии допускается не более ±0,25%. Сопро тивление изоляции тензодатчиков порядка 200 Мом. Максимальная относительная влажность среды, при ко торой наблюдается удовлетворительная работа тензо датчиков, не более 80%. При более высокой влажности следует применять влагостойкие покрытия.
Т ен зо д а т ч и ки Д К
Тензодатчики ДК предназначены для измерения ста тических и динамических деформаций при температурах от —50 до +50° С. Тензодатчики ДК изготовляют из отожженной константановой проволоки или из термоком пенсированной проволоки, разработанной в НИКИМПе, на бумажной основе. В качестве связующего для при клейки чувствительной решетки к основе в тензодатчи ках ДК используется клей БФ-4 (ТУ МХП 346—53). Медные выводные проводники из проволоки диаметром 0,2 мм привариваются к константановой проволоке с по мощью дуговой сварки. На нижней поверхности основы, в местах сварки выводных проводников, подклеивается дополнительная полоска бумаги, обеспечивающая на дежность изоляции тензодатчика после его монтажа на деталь. Сверху на чувствительную решетку наклеивает ся покрышка из тонкой конденсаторной бумаги, пропи танной клеем БФ-4.
Наклейка тензодатчиков на исследуемую конструк цию осуществляется клеем 192-Т. Сушка тензодатчиков ДК, наклеенных клеем 192-Т, производится при темпе ратуре 20° С в течение 24 ч.
Наклейку тензодатчиков ДК можно также осущест влять клеем БФ-4. После наклейки этим клеем теизо-
36
датчики должны пройти сушку на воздухе при темпера туре 20° С в течение 4 суток или можно применить ускоренный режим сушки, заключающийся в последова тельном прогреве (по 3—5 ч) при 30 и 70° С.
Средняя чувствительность в партии тензодатчиков ДК равна 1,9—2,1 в зависимости от базы тензодатчика. Раз брос чувствительности в партии оценивают среднеквад
ратичной величиной as = ±2% . Максимальная ползу
честь в партии тензодатчиков за 1 ч равна Ятах = —2 %. Тензодатчики ДК изготовляют с базами 10, 15, 25 мм и сопротивлениями 100, 200 и 400 ом. Разброс сопротив лений допускается не более ±0,25%. Сопротивление изо ляции наклеенного тензодатчика составляет !200 Моя. Тензодатчики имеют удовлетворительные измерительные характеристики при условиях относительной влажности среды не более 80%.
Тензодатчики для измерения статических деформаций при повышенных температурах
Т ензодат чики 1-ВО
Тензодатчики 1-ВО предназначены для измерения статических деформаций при температурах до 250— 300° С. Чувствительную решетку тензодатчика изготовля • ют из отожженной константановой проволоки. Проволоч ную решетку приклеивают клеем БФ-2 (ТУ МХП 345— 53) к временной целлофановой основе, покрытой тонким слоем лака ВЛ-9. JK концам проволочной решетки с по мощью электродуговой сварки приваривают медные вы водные проводники диаметром 0,2 мм. Для прочности узлы сварки заклеивают тонкими полосками шелка и стеклоткани. Временная целлофановая основа приме няется для удобства изготовления тензодатчиков. После изготовления ее удаляют.
Тензодатчики 1-ВО наклеиваются на исследуемую де таль лаком ВЛ-9. Для улучшения сопротивления изоля ции тензодатчиков от поверхности детали площадка, на которую наклеивается тензодатчик, предварительно по крывается слоем лака ВЛ-9 («подслой»). Вначале под слой, а затем и наклеенные тензодатчики подвергаются тепловой обработке.
В состав связующего ВЛ-9 входят термореактивные смолы, упруго-пластические свойства которых зависят от предварительной тепловой обработки.
Для подслоя и наклеенных тензодатчиков 1-ВО был
выбран опытным путем режим термообработки, заклю |
|
чающийся в прогреве ступенями до температуры 250° С. |
|
В некоторых случаях допускается снижение |
максималь |
ной температуры тепловой обработки до 180° |
С. |
Если двухкратную тепловую обработку (сначала под слоя, затем наклеенных тензодатчиков) проводить за труднительно, для наклейки тензодатчиков 1-ВО исполь зуется смесь ВЛ-9С, состоящая из лака ВЛ-9 с наполни телем из тонкоизмельченной слюды. Такие тензодатчики названы 1-ВОС. Для них нет необходимости применять тепловую обработку подслоя, так как слюда препятству ет электрическому замыканию чувствительной решетки на деталь, и поэтому проводится тепловая обработка только наклеенных тензодатчиков. Толщина слоя связу ющего тензодатчиков 1-ВОС больше, чем у тензодатчи ков 1-ВО и измерительные характеристики тензодатчиков 1-ВОС несколько хуже, чем тензодатчиков 1-ВО.
При наклейке тензодатчиков на -крупногабаритные детали можно проводить местную тепловую обработку подслоя и наклеенных тензодатчиков с помощью специ альных печей местного обогрева, 'инфракрасных нагре вателей и т. п.
Чувствительность к деформации. В табл. 2 приведе ны средние значения чувствительности тензодатчиков S при различных температурах и относительные средне
квадратичные отклонения чувствительности Os отдельных тензодатчиков от среднего значения в партии.
Т а б л и ц а 2
Тип тензодатчика
Темпера- |
|
1-во |
|
|
1-вое |
тура н °С |
|
|
|
|
в % . |
|
5 |
± 0 |
$ в % |
5 |
|
20 |
2,00 |
|
2 .0 |
2,02 |
2.0 |
50 |
2,01 |
|
1 .8 |
2;02 |
1 .8 |
100 |
1,97 |
|
1.9 |
1,98 |
1,9 |
200 |
1,96 |
|
1,9 |
1,96 |
1,9 |
250 |
1,96 |
|
1,9 |
1,92 |
1,6 |
300 |
1,98 |
|
1.9 |
1,95 |
1.7 |
Как видно из табл. 2, чувствительность тензодатчиков 1-ВО щри повышении температуры до 250—300° С сни жается незначительно (примерно на 2%). Разброс чув ствительности в партии тензодатчиков при всех темпе
ратурах не превышает as = ± 2 %.
Чувствительность тензодатчиков 1-ВОС три повыше нии рабочей температуры снижается на 3^5% . Разброс
чувствительности в партии не превышает Os = ± 2 % .
5*
2 ----------------------------
|
|
/I--- «-----1----- 1----- . |
||||
|
|
О |
* |
2 |
i |
(г f 10s |
Рио. 7. Относительное изменение чув |
Рис. 8. Зависимость чувстви |
|||||
ствительности |
тензодатчиков 1-ВО |
тельности |
тензодатчиков |
|||
при действии |
переменных цикличе |
1-ВО от |
величины деформа |
|||
ских деформаций |
|
ции при 250° С |
||||
Ввиду малого (не превышающего предельного раз |
||||||
броса) снижения чувствительности |
при |
повышенных |
температурах чувствительность тензодатчиков для всех рабочих температур принята 1,98±0,04.
Чувствительность тензодатчиков 1-ВО после действия динамических деформаций с частотой 80 гц и амплиту
дой порядка |
± 1,6 - 10 -3 |
при температуре 2 0 ° С остается |
практически |
постоянной |
в пределах ôSjy = ± 2 % даже |
после действия 50 млн. циклов (рис. 7).
Тензодатчики 1-ВО имеют практически постоянную чувствительность при многократных (до 50) нагружени ях до относительных деформаций порядка е=3-1(Ь3 при температуре 20° С.
На рис. 8 приведены значения чувствительности при температуре 250° С тензодатчиков 1-ВО в функции отно сительной деформации. Как видно, при деформациях до е=4,5-10_3 чувствительность тензодатчиков остается по стоянной.
В условиях длительных (примерно 120 ч) испытаний при действии деформаций порядка е = Ы 0 -3 и темпера-
туры 150°С чувствительность практически не изменяется. Повышение температуры при длительных испытаниях до 200° С приводит к снижению чувствительности (у неко торых тензодатчиков за 120 ч чувствительность снижает ся на 30%); длительное (порядка 100 ч) действие дефор мации и температуры 250° С приводит к выходу тензодат чиков 1-ВО из строя. Поэтому в условиях длительных (порядка десятков и сотен часов) испытаний тензодатчи ки 1-ВО рекомендуется применять при температурах не выше 150° С.
Ползучесть. В табл. 3 приведены максимальные на
блюдаемые значения |
относительной |
ползучести |
Ятах |
|||||||
|
Таблица |
3 |
в партии тензодатчиков 1-ВО |
|||||||
|
|
|
|
и 1-ВОС за 1 |
ч. |
табл. 3, |
||||
|
//,пах |
длм тензодат |
Как |
видно |
из |
|||||
Темпера |
чиков в % |
|
ползучесть |
тензодатчиков |
||||||
тура в °С |
|
|
|
1-ВО при повышении темпе |
||||||
|
1-ВО |
1-ВОС |
ратуры |
возрастает. |
Ползу |
|||||
|
|
|
|
честь |
при |
тех |
же |
темпера |
||
20 |
—0,3 |
- 0 , 5 |
|
турах |
|
у |
тензодатчиков |
|||
100 |
— |
— 2 ,0 |
|
1-ВОС |
больше |
примерно в |
||||
200 |
- 2 , 0 |
- 7 , 0 |
|
2 раза, чем у тензодатчиков |
||||||
250 |
— 4,0 |
—8,5 |
1-ВО. |
|
|
|
|
|
|
|
300 |
—6,0 |
|
|
В |
условиях |
длительного |
||||
|
|
|
|
действия |
деформаций |
е= |
||||
|
|
|
|
= 1,0 |
10” 3 |
и |
температуры |
150° С ползучесть тензодатчиков 1-ВО за 116 ч составля ет Я ~ —1 2 %, при 200° С ползучесть возрастает и дохо
дит за 120 ч до Я » — 25% (рис. 9).
Температурное приращение сопротивления. Темпера турное приращение сопротивления тензодатчиков, изго товляемых из константановой проволоки, в значительной мере определяется не типом тензодатчика, а отжигом константановой проволоки и температурным коэффициен том линейного расширения того материала, на который тензодатчики наклеены. Поэтому привести одну кривую, присущую тензодатчикам, не представляется возмож ным.
Сведения о подборе режима отжига константановой проволоки приведены выше.
Здесь приведены примеры кривых температурных приращений сопротивления тензодатчиков 1-ВО, изготов-
40