УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИЙ ГИБКИХ ОБОЛОЧЕК ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 1997 года по МПК G01B7/16 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения деформаций гибких оболочек конструкций летательных аппаратов. Область применения авиастроение, судостроение, машиностроение и др.

Одной из важных задач, от решения которой в значительной мере зависит дальнейшее развитие летательных аппаратов с гибкими оболочками: воздушные шары, дирижабли, средства спасения в воздухе и на воде парашюты, надувные лодки, большие строительные сооружения типа надувных многослойных аппаратов и др. является создание средств деформаций этих конструкций при их испытаниях на прочность в лабораторных условиях до разрушения или контроле отклонений их форм при эксплуатации. Наиболее сложной из этих задач является обеспечение измерений деформаций гибких оболочек воздушных шаров с подогревом воздуха газовыми горелками. Для изготовления таких оболочек применяются материалы на основе лавсана или капрона с акрилосиликоновой и другими пропитками, удлинение которых соответственно достигает при эксплуатации δпэк.

=3-5% или 30000 50000 мкм/м и δrэк=5-10% или 50000 100 000 мкм/м и при испытаниях до разрушения δgразр.=15-20% или 150000 200000 мкм/м и δrразр.=20-28% или 200000 280000 мкм/м. Диапазон рабочих температур составляет от -50 до +170^oC. Собственная жесткость измерительного устройства должна быть минимальной и вызывать дополнительную погрешность не более половины основной погрешности измерения.

К измерительным устройствам такого типа предъявляются специфические и довольно жесткие требования по диапазону измерения деформаций, температурному диапазону, разбросу сопротивления в партии, погрешности измерения, собственной ползучести, температурной компенсации сопротивления, воспроизводимости характеристик и др. Анализ показал, что известные тензорезисторы и измерительные устройства указанным требованиям не отвечают, поэтому создание и внедрение предлагаемого устройства является актуальной задачей и найдет широкое применение при испытаниях мягких оболочек конструкций летательных аппаратов.

Известны наклеиваемые термостойкие тензорезисторы, содержащие диэлектрическую подложку, чувствительную решетку и выводные провода [1]
Недостатком известных термостойких тензорезисторов являются: ограниченный диапазон измерения деформаций до ± 2000 • 10^-6 отн. ед. отсутствие схемной компенсации температурного приращения сопротивления, наличие значительных погрешностей измерения при электромагнитных помехах, применение косвенного метода градуировки для определения чувствительности градуируется выборка из партии тензорезисторов и по ней присваиваются характеристики всей партии и др.

Известен высокотемпературный тензорезистор типа НМТ-450, принятый за прототип для измерения деформаций конструкций в диапазоне температур 20-450^oC [2]
Основа упругий элемент тензорезистора выполнен в виде плоской пластины из стальной фольги, прикрепляемый к конструкции в зоне измерения точечной сваркой. На внешней поверхности основы корпуса до монтажа устройства на конструкцию наклеивается одна чувствительная решетка, которая затем обмазывается цементом и подвергается тепловой обработке.

Недостатками устройства являются: ограниченный диапазон измерения деформаций до ±2000•10^-6 отн. ед. большое значение температурного приращения сопротивления, величина температурной характеристики при 450^oC достигает 14000•10^-6 отн. ед. большая собственная жесткость устройства на растяжение сжатие, большое значение погрешностей измерения при воздействии электромагнитных помех.

Задача изобретения состоит в том, чтобы увеличить диапазон измерения деформаций в рабочем диапазоне температур гибких оболочек конструкций летательных аппаратов, повысить точность измерения деформаций, обеспечить возможность измерения деформаций при нестационарных тепловых режимах, сократить эксплуатационные расходы на подготовку и проведение испытаний и измерений.

Технический результат достигается широким диапазоном измеряемых деформаций, высокой точностью и надежностью измерений в рабочем диапазоне температур летательного аппарата.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве плоская металлическая основа, являющаяся одновременно упругим элементом, и одна чувствительная решетка термостойкого тензорезистора заменены на основу из неметаллического пластичного материала, снабженного тонкостенным кольцевым упругим элементом малой жесткостью на растяжение с легкоотъемными от испытываемой конструкции узлами крепления, в котором стенка упругого элемента с наклеенными на ней 2-4 термостойкими тензорезисторами ориентирована перпендикулярно поверхности корпуса устройства и испытываемой конструкции, а узлы крепления оснащены гибким защитным ограничителем хода упругого элемента.

На фиг. 1 и 2 представлена конструкция измерительного устройства; на фиг. 3 представлена электрическая схема устройства и подключения его к многоканальной измерительной системе; на фиг. 4 приведена градуировочная характеристика устройства при работе с измерительной системой СИИТ-3.

Устройство состоит из корпуса 1, тонкостенного кольцевого упругого элемента 2 и узлов крепления 3. На поверхности упругого элемента 2 установлены два или четыре термостойких тензорезисторов 4, соединенные провода которых подключены к монтажной колодочке 5. В отверстиях узлов крепления 3 установлен гибкий ограничитель хода 6 упругого элемента 2. Устройство прикрепляют к исследуемой гибкой оболочке конструкции 8 при помощи легкоотъемной накладки 7, узлов крепления или при помощи клея. На корпусе и упругом элементе установлены датчики температуры термодатчики 9.

Корпус изготовлен из эластичного материала, например из капрона или лавсана с акрилосиликатной пропиткой, служит для задания устройству базы измерения Б. При этом собственная жесткость корпуса должна подбираться с таким расчетом, чтобы дополнительная погрешность от ее взаимодействия с оболочкой конструкции не превышала половины основной погрешности измерения деформаций. В качестве клея для монтажа устройства применяется клей холодного отверждения, например клей ПИР-2.

Упругий элемент изготавливается в виде цилиндрического кольца малой жесткости на растяжение сжатие из инструментальной стали. Стенка упругого элемента установлена перпендикулярно к поверхности корпуса устройства и исследуемой конструкции с целью уменьшения погрешностей, возникающих от изгибных деформаций.

Тензорезисторы наклеивают на поверхности упругого элемента в растягиваемых и сжимаемых зонах, подключают по схеме измерительного полумоста или моста, что обеспечивает увеличение выходного сигнала соответственно в 2 или 4 раза, температурную компенсацию, снижение погрешностей измерения за счет электромагнитных помех и др.

Ограничитель хода 6 изготавливают из капроновой лески или стального тросика с упорами на концах.

Ограничитель хода 6 укреплен в отверстиях узлов крепления. Длина ограничителя хода определяется в зависимости от базы измерения и регламентируемого диапазона ее изменения.

В качестве термодатчика в устройстве используются малоинерционные термопары, состоящие из термоэлектродов хромель и алюмель диаметром 0,05 мм, наклеиваемых на диэлектрическую подложку.

Предлагаемое изобретение работает следующим образом.

Устройство укрепляют на поверхности конструкции в исследуемой зоне накладками узлов крепления или клеем холодного отверждения и подключают к измерительной аппаратуре.

При испытаниях или подготовке к полету летательного аппарата гибкая оболочка заполняется газом под давлением или нагреваемым газовыми горелками воздухом, материал конструкции растягивается, что приводит к изменению базы измерения устройства "Б" см. фиг. 1. При изменении базы измерения расстояния между узлами крепления деформируется упругий элемент 2, что деформирует чувствительную решетку тензорезисторов 4, наклеенных на поверхность упругого элемента. При этом изменяется начальное сопротивление R плеча измерительного моста, например сопротивление тензорезисторов R₁ и R₃ увеличивается на величину ΔR₁ и ΔR₃ а тензорезисторов R₂ и R₄ - уменьшается на величину соответственно ΔR₂ и ΔR₄ что приводит к возникновению в измерительной диагонали моста электрического сигнала ΔU, пропорционального величине деформации поверхности конструкции, который регистрируется аппаратурой 10 и обрабатывается вычислительным устройством 11 с учетом градуировочной характеристики, предварительно полученной при помощи градуировочного приспособления до проведения испытаний A=Φ[ε] или A=Φ(f)
A_0-i выходной сигнал измерительной аппаратуры при заданных величинах деформации ε_o-i или заданных величинах перемещений f_0-i.

В случае, если при испытаниях величина деформации конструкции в заданной зоне превысит предельно допустимый для данного типоразмера измерительного устройства диапазон, что соответствует установленной при изготовлении устройства длине тяги ограничителя хода 6, упорные концевые опоры ограничителя упрутся в стенки узлов крепления 3 упругих элементов, ограничат дальнейшее деформирование упругого элемента и тензорезисторов.

Величина выходного сигнала ΔU измерительного моста при четырех рабочих тензорезисторах равна:

где U напряжение питания измерительного моста;
R номинальное сопротивление каждого плеча тензорезистора измерительного моста;
ΔR приращение сопротивления при деформировании тензорезистора;
при R₁=R₂=R₃=R₄=R и ΔR₁=ΔR₂=ΔR₃=ΔR₄=ΔR
т.е. выходной сигнал увеличивается в 4 раза по сравнению с одним рабочим тензорезистором.

Формулу 1 можно представить в виде:

S чувствительность тензорезистора;
ε средняя деформация чувствительной решетки тензорезистора;
l₂-l₁ Б база измерения тензорезистора;
e_уi деформация поверхности упругого элемента;
δ толщина упругого элемента;
d_n толщина диэлектрической основы тензорезистора;
d_п диаметр проволоки чувствительной решетки.

Определение деформации упругого элемента ε_у производится по нелинейной теории изгиба стержней при больших перемещениях. Определение градуировочной характеристики зависимость выходного сигнала аппаратура А от задаваемой величины деформации ε или перемещения fA=Φ(ε) или A=Φ(f) устройства совместно с аппаратурой производится на градуировочной тензометрической установке или оптическом измерительном микроскопе.

В качестве примера на фиг. 3 приведена зависимость A=Φ(f) для макетных образцов устройств с базами измерения Б, равными 15 и 20 мм для упругих элементов с двумя рабочими тензорезисторами, включенными по схеме измерительного полумоста и подключенными к системе СИИТ-3.

Применение устройства обеспечивает возможность измерения деформации мягких оболочек и конструкций в диапазоне эксплуатационных температур, расширяют диапазон измерения деформаций в 50-100 раз, увеличивает точность измерений и сокращает в 1,5-2 раза эксплуатационные расходы на подготовку и проведение измерений при испытаниях конструкций.

Использование: относится к области измерительной техники и может использоваться для измерения деформаций гибких оболочек конструкции летательных аппаратов, например воздушных шаров, заполняемых воздухом, подогреваемым газовыми грелками. Сущность: устройство состоит из корпуса-основы из пластичного материала, упругого элемента, узлов крепления к испытываемой конструкции, ограничителя хода упругого элемента. Упругий элемент выполнен в виде цилиндрического кольца, на поверхности которого установлены тензорезисторы. Упругий элемент установлен в корпусе так, чтобы его стенки были ориентированы перпендикулярно поверхности основы и испытываемой конструкции. Крепление устройства к испытываемой конструкции осуществляется при помощи узлов крепления или клея. Для защиты упругого элемента от перегрузок при деформировании поверхности конструкции выше диапазона измерения устройства или при внезапном разрушении материала конструкции в предлагаемом устройстве предусмотрен ограничитель хода. Устройство обеспечивает расширение диапазона измерений деформации мягких оболочек конструкций летательных аппаратов, увеличение точности измерений в диапазоне эксплуатационных температур конструкции, а также уменьшение эксплуатационных расходов на подготовку и проведение измерений. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для измерения деформаций гибких оболочек летательных аппаратов, содержащее плоскую подложку, термостойкий тензорезистор и измерительную аппаратуру, отличающееся тем, что оно снабжено узлами крепления с отверстиями, установленными в узлах крепления, тонкостенным кольцевым упругим элементом, стенки которого расположены перпендикулярно поверхности подложки, гибким ограничителем хода упругого элемента, установленным в отверстиях узлов крепления, термостойкими тензорезисторами, расположенными на стенках кольцевого упругого элемента, а подложка выполнена из неметаллического пластичного материала. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что подложка выполнена из лавсана или капрона с акрилосиликоновой пропиткой.