Способ измерения механических напряжений Советский патент 1986 года по МПК G01L1/12 

Фиг. 2 Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения механических напряжений в ферромагнитных материалах с малым гистерезисом накладными магнитоупругими преобразователями при плоском напряженном состоянии. Цель изобретения - повьшение точности измерений путем исключения вли яния зазора и температуры на результат измерений. На фиг. 1 изображена схема магнитоупругого преобразователя, на фиг.2 структурная схема устройства, реализующего предложенный способ. Для объяснения способа измерения механических напряжений запишем урав нение для магнитного сопротивления магнитной цепи магнитопровод - зазор - изделие - зазор преобразователя (фиг.1) ,.. V 1 ТГм ч |U где R, активная составляющая пол ного (комплексного) магнитного сопротивления цепи, рассматриваемого по первой гармонике магнитно индукцииJ Ш и (Ц д, - эффективные значения отно сительной магнитной прони цаемости соответственно рабочей области контролируемого изделия и магни топровода, взятые по первой гармонике магнитной индукции; Ъ ,b,b2 - .коэффициенты., зависящие о гармонических параметров магнитопровода, Ь, кроме того, зависит от величины установочных зазоров h и Ъ.„ между магнитопроводом и контролируемым изделием (фиг.1). Поскольку рассматривается безгистерезисный случай, то величины ju ир действительные. Напряжение О , действующее в направлении нагружения, обуславливает напряжение (д.д : -К1б (kj const, ё |-), действующее в поперечном направлении Магнитоупругий эффект проявляется в том, что значения «„,Mj. параметра Ш в направлении нагружения и в перпендикулярном направлении отличаются 42 от его значения Ш„ в ненагруженном состоянии: . -|UH KfU-«J u(Ui Uj,-/«„. , где Kjjj - коэффициент магнитоупругой чувствительности. Параметры JUц, Дя1(и/изависят от i величины намагничивающего поля, следовательно от амплитуды синусоидального тока, питающего возбуждающие обмотки преобразователей, т.е. ,(1), Кр,к(1;,/и„(1). Перепишем уравнение (5) в виде 1 . 1 (3) ao+a,.--j + Рм(1) где ,) нормированноемагнитное сопротивление магнитной цепи/ а„ (..N,), ,1,2, нормированные коэффициенты bmJ частота питающего тока; количество витков возбуждающей I и измерительной II обмоток преобразователя соответственно (рис.1). Можно показать, что параметр у связан с измеряемыми параметрами - амплитудой Е и фазой Cf первой гармоники ЭДС измерительной обмотки преобразователя соотношением (I/E) (I/E)SinCf. Под фазой (|) понимается сдвиг фаз между питающим током I и первой гармоникой Е ЭДС измерительной обмотки. Измерения, производимые при намагничивании контролируемого изделия в двух взаимно перпендикулярных направлениях и при двух различных значениях 1(, 1 амплитуды I питающего тока, описываются системой четырех уравнений:

Коэффициент зависит от зазоров h, и hj между преобразователем и контролируемым изделием, следовательно, его значения адц и неодинаковы для преобразователей, установленных параллельно и перпендикулярно направлению нагружения ОК.

Будем считать выполненным следующее условие малости магнитоупругого приращения: С учетом условия (6) из системы (4) и (5) получаем G ll(Idliy Ii), С7) где uy(lj)y,, CIj)-y,(l), ,2;(8 О- 71 J.V i ) .Kjudt) . S-a, ( НК, ),(-Д---,) д 9 По результатам измерений, производимых при намагничивании эталонного образца, получаем соотнощения, аналогичные (6) - (9): 4z: iiii-iA2: iii) Лу (Ij)yi, (1р-Уд (Ij), j 1,2, .(Uk)(if|-)p:K(U(I,)s f Vf 1ГТГ Поскольку эталонньш образец выпол нен, из материала контролируемого изделия и имеет температуру контролируемого изделия, то эг . . . ё S .(13) Из уравнений (7) и (10) с учетом f13) получаем расчетное соотношение г,-п (l«) . - 4у (12)-йуЧ1, ) При вычислении лу, ду по приведенным формулам появляется большая относительная погрешность вследствие вычитания близких чисел. Указанная погрешность не возникает, если приме нять формулы, выведенные из соотношений:

ду(1)1„(1/Е„ )-I(i/E) г --чт ...jsT- т

уГ(1)

. J а

V Е

зт 9Т

КЁГ -ЕГ )1

f . ii-Eu(i;0

где ,y(i.)gl-.-.. ,,(Ip+Cf/I.J-cp4(l.,) (14) . , . Ij ЕД (и) ду (1р (ij-rif (1р + 9Г(1)-СрГи) j 1,2. Устройство для осуществления способа измерения Механических напряжений (фиг,2) включает генератор 1 синусоидального тока, блок 2 преобразователей, содержащий два идентичнЕ к накладных трансформаторных магнитоупругих преобразователя 3 и 4 напряжений, ориентированных во взаимно перпендикулярных направлениях, коммутатор 5, анализатор 6 спектра, вольтметр 7 переменного напряжения, фазометр 8, механизм 9 одноосного нагружения эталонного образца, датчик 10 усилия в эталонном образце, эталонный образец 11, аналого-цифровой преобразователь 12, блок 13 управления, вычислительный блок 14. Причем выходы блока 13 управления соединены с управляющими входами генератора, коммутатора и вольтметра, выход генератора соединен с возбуждающими обмотками магнитоупругих преобразователей и входом фазометра, измерительные выходы магнитоупругих преобразователей через коммутатор соединены с в.ходом анализатора спектра, выход которого соединен с входом вольтметра и с вторым входом фазометра, а выходы фазометра, вольтметра и датчика усилия в эталонном образце соединены через аналого-цифровой преобразователь с вычислительным блоком, выход которого соединен с устройством регистрации. Устройство работает следующим обазом. Блок 2 магнитоупругих преобразователей устанавливают на поверхность контролируемого изделия таким образом, чтобы один из преобразователей был сориентирован вдоль оси нагружения изделия. По управляющему сигналу блока 13 управления генератор.1 записывает возбуждающие обмотки преобразователей 3 и 4 синусоидальньм током с аиплитудой I,. Коммутатор 5 по командам блока 13 управления подает на вход анализатор 6 спектра ЭДС измерительных обмоток преобразователей 3 и 4, а затем,раз ность указанньк, ЭДС, получаемую путем последовательно-встречного включения измерительных обмоток. Первая гармоника калсдого из трех указанных сигналов поступает с выхода анализатора спектра 6 на входы вольтметра 7 и фазометра 8. На другой вход фазометра 8 поступает сигнал с выхода ге нератора 1 . Вольтметр 7 работает в двух режимах измерения: в первом измеряется амплитуда первой гармоники ЭДС измерительных обмоток преобразователей 3 и 4 (высокий уровень напряжений), во втором - амплитуда первой гармони ки разности указанных ЭДС (низкий уровень). Для этого работа вольтмет, ра 7 синхронизируется блоком 13 управления с работой ко змутатора 5. Сигналы с выхода вольтметра 7 и фазометра 8 после аналого-цифрового преобразования в блоке 12 поступают на вход вычислительного блока 14.Это следующие параметры: Е „ (I,), Ej(Ij) Ед(1,), cf,,(i,), tfjCi, ), q-Ji,). Затем по сигналу блока 13 управления амплитуда питающего тока на вы ходе генератора 1 изменяется с I, на Ij,и описанная измерительная процедура полностью повторяется. В резуль тате на вход вычислительного блока 14 поступают следующие параметры: Е,, (1), E(I), E(I), ndW. .) CfflCI). После этого блок 2 магнитоупрутих преобразователей переставляют н поверхность эталонного образца 11, груженного, с помощью механизма 9 Од ноосного нагружения, так, что один из преобразователей 3, 4 сориентиро ван вдоль оси нагружения образца 11 и повторяют весь описанньй комплекс измерений при двух зкачетгиях 1, и Т амплитуды намагничивающего тока. В результате на вход вычислительного блока 14 поступают cлeдyюш; ie параметры: Е (;) Ef (1: ), Е (lO, qT((i|).4Iup (j 1,2) Кроме того, в вычислительный блок 14 поступает показание датчика 10 усилия в эталонном образце после аналого-цифрового преобразования в блоке 12. Значение контролируемого механического напряжения рассчитывается вычислительным блоком 14 и выдается им к устройству регистрации. Формула изобретения Способ измерения механических напряжений накладными магнитоупругимн преобразователями при плоском напряженном состоянии, заключающийся в том, 4TOf одноосно нагруженное контролируемое изделие намагничивают с помощью двух накладных трансформаторных магнитоупругих преобразователей во взаимно перпендикулярных направлениях, одно из которых совпадает с направле1шем нагружения изделия, и измеряют параметры выходных сигналов преобразователей, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, в процессе измерения параметров выделяют первую гармоиг-ку ЭДС измерительных обмоток обоих преобразователей и первую гармонику разности, вьщеленных ЭДС, измеряют их амплитуды Е ц , Е, Е и фазы ср,,, cpj, ц,. соответственно, причем измерения проводят при двух значениях амплитуды синусоидального тока I, и . 1, питающего намагничивающие обмотки преобразователей, после чего аналогичные измерения проводят, намагничивая этими же преобразователями одноосно нагруженный эталонньй ббразец, изготовленный из материала контролируемого изделия и имеющий его температуру, после чего вычисляют механическое напряжение б из соотношенияП-А .I yllli ,)-йуЧ1, ) где.у(15) gil-f.|I|l- --- - ,,(l3)()-tp(lp i

эт

. .(li)El (Ij)

йу (Ij) )Ё-.7

Sin(fr(li)( n Р .

и аг .--

Sn

F - заданная сила нагружения эталонного образца;

j - 1,2- номер измерения j

8

S - площадь поперечного сечения эталонного образца,

„эг „чг 9т , 5- Е„ ,Ej, ,Ед ,(р„,

срГ;с Г

- результаты измерений параметров выходных сигналов, производимых при намаг;шчивании эталонного образца.

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано для измерения механических напряжений в ферромагнитных материалах с малым гистерезисом. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет исключения влияния зазора и температуры на результат измерений. Коммутатор 5 по командам блока 13 управления подает на вход анализатор ра 6 спектра ЭДС измерительных обмоток преобразователей 3 и 4, а затем разность указанных ЭДС. Первая гармоника каждого из указанных сигналов поступает на входы вольтметра 7 и фазометра 8, на другой вход последнего поступает сигнал с выхода генератора 1. Сигналы, пройдя аналогоцифровой преобразователь 12, поступа;ют на вход вычислительного блока 14, туда лее поступает показание датчика W усиления в эталонном образце 10 после аналого-цифрового преобразования в блоке 12, Значение контролируемого механического напряжения рассчитывается вычислительным блоком 14 по приведенным формулам, 2 ил. 1чЭ со сд

фиг./