МНОГОКОМПОНЕНТНЫЙ СТРУННЫЙ ЭКСТЕНЗОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ СТРУННО-НЕОДНОРОДНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Российский патент 2024 года по МПК G01B7/16 G01L1/10 

Изобретение, многокомпонентный струнный экстензометр для измерения величины относительной деформации поверхности структурно-неоднородных конструкций, относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения механической деформации (относительной деформации), и предназначено для измерения величины механической деформации поверхности конструкций, и может быть использовано при исследовании сложных напряженно-деформированных состояний структурно-неоднородных конструкций, таких как, железобетонные и композитные конструкции. Изобретение может быть использовано в гидроэнергетике для мониторинга напряженно-деформированного состояния массивных железобетонных сооружений, таких как плотины гидроэлектростанций.

Известно устройство «Способ измерения относительной продольной деформации поверхности и экстензометр для его осуществления» (RU №2575795 С2, 2014, G01B 11/16, G01N 3/08), содержащее референтные тела в виде заостренных инденторов, один из которых жестко связан с корпусом прибора, другой установлен с возможностью перемещения, а также систему передачи этих перемещений.

Однако данное устройство не позволяет измерять одновременно все компоненты тензора деформаций, а также не позволяет измерять усредненную по некоторой области деформацию.

Известно устройство «Розетка тензорезисторов», представляющее собой три фольговых тензорезистора для измерения относительной деформации растяжения-сжатия, размещенных на одной подложке и ориентированных в различных направлениях.

Однако данное устройство не позволяет корректно и точно выполнять измерения на поверхности массивных структурно-неоднородных конструкций, так как площадь подложки относительно мала и поля напряжений на охватываемой площади поверхности не репрезентативны, а также не позволяет точно измерять одновременно все компоненты тензора деформаций, и не позволяет корректно усреднять деформацию по большой площади.

Известен способ измерения механической деформации поверхности структурно-неоднородной конструкции, заключающийся в наклеивании на целевую поверхность розетки тензорезисторов с большой базой.

Наиболее близким по технической сущности заявляемому изобретению, является устройство «Embedment Strain Gauge With Rosette» (разработка компании «Innovative Geo-technical Instrumentation))

[https://www.indiamart.com/innovativegeotechnicalinstrumentation/vibrating-wire-type-strain-gauge.html]), содержащее четыре струнных экстензометра, имеющих общее референтное тело, каждый из которых имеет определенную пространственную ориентацию. При этом циклическая симметрия в расположении экстензометров отсутствует.

Однако данное устройство не позволяет корректно и точно выполнять измерения на поверхности массивных структурно-неоднородных конструкций, так как площадь подложки относительно мала и поля напряжений на охватываемой площади поверхности не репрезентативны.

Известны оптические и лазерные приборы для измерения деформации, например, система измерения полей деформаций «VIC-3D» (US №7133570 B1, 2006), основанная на методе двухэкспозиционной спекл-фотограмметрии.

Однако применение данного устройства весьма трудоемко и возможно исключительно в лабораторных условиях.

Задачей заявляемого изобретения является обеспечение возможности измерения всех компонент 2D тензора деформации, усредненной по большой площади поверхности конструкции, а также обеспечение возможности измерения деформации при условии, что его вид неизвестен до начала измерения, что достигается за счет

1) большой базы датчика (относительно большого размера области измерения);

2) получения информации об относительном смещении точек, расположенных на границе круга, в радиальном направлении (измерение нормальной деформации по множеству различных радиальных направлений).

Поставленная задача решается тем, что в многокомпонентном струнном экстензометре для измерения величины относительной деформации поверхности структурно-неоднородных конструкций, содержащий струны направленные в одну точку пространства, электромагниты для возбуждений колебаний струн, датчики частоты колебания струн и оснастку, необходимую для фиксации струн, регулировки усилия их натяжения, фиксации электромагнитов и датчиков частоты колебаний струн, а также оснастку для монтажа на поверхность конструкций упругих элементов и жесткую раму, согласно изобретению, все струны, одним концом закреплены на жестком основании и ориентированы в радиальном направлении так, что противоположные концы струн расположены по контуру окружности, и при этом имеется циклическая симметрия в расположении струн, прослеживаются циклически повторяющийся сегменты, а радиус окружности, на которой располагаются упругие элементы, зависит от размера структурных неоднородностей конструкции и выбирается таким образом, чтобы область поверхности, занятая датчиком, являлась представительным элементом конструкции или материала, отражающим в полной мере влияние структурной неоднородности на формирование поля деформации.

Для увеличения точности измерения используется большое количество однокомпонентных датчиков, из которых состоит устройство. Радиус окружности, на которой располагаются точки замера перемещений зависит от размера структурных неоднородностей и выбирается таким образом, чтобы окружность являлась представительным элементом поверхности, отражающим в полной мере влияние структурной неоднородности на формирование поля деформации.

Компоненты 2D тензора деформации вычисляются на основе собранных данных об изменении частоты колебаний струн в процессе деформации конструкции. Таким образом, результатом измерения является деформация, усредненная по площади поверхности круглой формы, ограниченной точками крепления референтных тел экстензометра.

На фиг. 1 представлен общий вид экстензометра для измерения относительной деформации поверхности структурно-неоднородной конструкции. На фиг. 2 - вид сверху, на фиг. 3 - вид сбоку, на фиг. 4 - сечение А-А.

Устройство содержит струны 1, упругие элементы 2, закрепляемые на поверхности конструкции, жесткий элемент 3 в виде фигурной пластины (основное референтное тело, общее для всех струн), винты 4 с продольным отверстием для натяжения струн, измерительные блоки 5 (например, электромагниты для возбуждения вибрации металлических струн и индукционные (либо пьезометрическое) датчики измерения частоты колебаний струн). При этом, имеется циклическая симметрия в расположении струн, прослеживаются циклически повторяющийся сегменты.

Устройство работает следующим образом. Жесткий элемент 3 крепится к плоской поверхности конструкции с помощью анкера, установленного в центральное отверстие пластины, и соответствующей оснастки. Упругие элементы 2 фиксируются на поверхности конструкции с помощью анкеров или клеевого соединения, согласно схеме (фиг. 2). Затем производится установка струн 1 и их натяжение до заданного усилия с помощью винтов 4. С помощью измерительных блоков 5 производится возбуждение колебательного движения струн (формируются установившиеся колебания на резонансной частоте) и формирование выходного аналогового сигнала с частотной модуляцией, несущего информацию о величине перемещения упругих элементов 2 в радиальном направлении относительно центрального анкера. С помощью аналого-цифрового преобразования формируется цифровые данные о величине относительного смещения референтных тел 2 в радиальном направлении. Затем по методике [Danilov M.N., Bardaev P.P. Structural-phenomenological stress-strain model for concrete // Proceedings of the XXVI Conference on Numerical Methods for Solving Problems in the Theory of Elasticity and Plasticity (EPPS2019) (Russia, Tomsk, 24-28 Jun., 2019): EPJ Web of Conferences, EPJ Publishing. Vol.221. P. 01014. DOI: 10.1051/epjconf/201922101014] вычисляются компоненты 2D тензора деформации.

Использование заявляемого изобретения позволяет получать более полную и достоверную информацию о деформированном состоянии структурно-неоднородной конструкций, в том числе все компоненты тензора деформации, усредненной по площади поверхности. Устройство позволяет отслеживать изменение напряженно-деформированного состояния конструкций в процессе эксплуатации, выполнять экспериментальные исследования напряженно деформированного состояния новых конструкций из материалов со сложными механическими свойствами.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения относительной деформации (механической деформации), а именно к струнным экстензометрам. Многокомпонентный струнный экстензометр для измерения величины относительной деформации поверхности структурно-неоднородных конструкций содержит струны, электромагниты для возбуждений колебаний струн, датчики частоты колебания струн и оснастку, необходимую для фиксации струн, регулировки усилия их натяжения, фиксации электромагнитов и датчиков частоты колебаний струн, а также оснастку для монтажа на поверхность конструкций упругих элементов и жесткую раму. Все струны одним концом закреплены на жестком основании и ориентированы в радиальном направлении так, что противоположные концы струн расположены по контуру окружности. Технический результат - корректное измерение величины относительной деформации поверхности структурно-неоднородных конструкций. Результатом измерения является усредненная по площади величина деформации, представленная тремя независимыми компонентами 2D тензора деформации. 4 ил.

Многокомпонентный струнный экстензометр для измерения величины относительной деформации поверхности структурно-неоднородных конструкций, содержащий струны, направленные в одну точку пространства, электромагниты для возбуждений колебаний струн, датчики частоты колебания струн и оснастку, необходимую для фиксации струн, регулировки усилия их натяжения, фиксации электромагнитов и датчиков частоты колебаний струн, а также оснастку для монтажа на поверхность конструкций упругих элементов и жесткую раму, отличающийся тем, что все струны одним концом закреплены на жесткой раме и ориентированы в радиальном направлении так, что противоположные концы струн расположены по контуру окружности, на которой расположены упругие элементы, и при этом имеется циклическая симметрия в расположении струн, прослеживаются циклически повторяющиеся сегменты жесткой рамы, при этом деформация вычисляется на основе собранных данных об изменении частоты колебаний струн в процессе деформации конструкции, усредненная по площади поверхности круглой формы жесткой рамы.