Устройство Синявского для измерения деформаций образца Советский патент 1992 года по МПК G01B5/30 

Изобретение относится к измерительной технике как статических, так и динамических деформаций и может быть применено при измерениях поверхностных деформаций образцов различных по конфигурации и материалу, при измерении ускорений, усилий, угловых скоростей, перемещений, прогибов, применительно к механизмам и конструкциям, например, мостам, а также при измерении давления, шероховатости поверхности и температуры.

Известно устройство для измерения деформаций образца, содержащее установочную и измерительную опоры, прикрепленные к корпусу.

Однако известное устройство предназначено только для измерения статических деформаций, причем степень точности измерений зависит от качества установки прибора. Кроме того, устройство не обеспечивает дистанционных измерений. При натурных измерениях требуется большое число операторов, снимающих показания по устройствам, а также в полевых условиях, записывающих за ними показания, при этом точность измерений зависит от опыта оператора.

Известно также устройство для измерения деформаций образца, включающее две измерительные опоры, закрепленные с двух сторон корпуса и соединенные измерительным блоком, выполненным в виде тенэоре- зисторов, наклеенных на упругую пластину, при этом измерительная база в устройстве определяется расстоянием между измерительными опорами .

4J

О

СА Ю СП

О

Недостатком этого устройства является ограниченность его применения, оно применяется для измерения только стандартных образцов в лабораторных условиях. Кроме того, оно также обладает большой жесткостью системы и сложностью установки его на образце. Значительная неточность измеренных деформаций отмечается в тех случаях, когда собственная жесткость устройства близка к жесткости измеряемого образца. Собственная жесткость устройства достаточно велика вследствие использования жесткого тензочувствительного элемента. При измерении жестких образцов также наблюдается погрешность измерения за счет необходимости значительного прижатия устройства к образцу вследствие большой собственной его жесткости, что неизбежно приводит к появлению повышенного трения в его узлах и, как следствие, к искажению показаний. Использование в устройстве тензорезисторы нестабильны во времени из-за старения клея и подложки тензорезистора, а также несовершенства прикрепления выводов к чувствительному элементу тензорезистора. Кроме того, устройство не является универсальным, т.е. способным измерять другие, необходимые при исследованиях конструкций параметры, такие, как динамические, быстроменяющиеся процессы, деформации различных поверхностей (ступенчатых, со стыком, криволинейных и др.), шероховатости и температуру поверхности и температуру окружающей среды. Им невозможно измерить перемещения, например прогибы мостовых конструкций, а также усилия, угловые скррости и ускорения, например, от тормозных сил или сил трогания локомотива железнодорожного состава с места.

Наиболее близким решением к предлагаемому является устройство для измерения деформаций образца, содержащее три опоры, закрепленные в корпусе последовательно, при этом одна из них - измерительная - через упругую подвеску, и две установочных, и измерительный блок, связанный с измерительной опорой.

Однако это устройство из-за неравной жесткости измерительной опоры в вертикальном и горизонтальном (в сторону измерения деформаций) направлениях не позволяет качественно исследовать деформации, особенно динамические и при быстро меняющихся процессах, поскольку не обеспечивается достаточная надежность примыкания измерительной опоры к образцу в течение всего процесса исследования. Кроме того, на качество измерений влияет паразитное трение в установочных опорах.

Известное устройство позволяет измерять только статические деформации.

Целью изобретения является повышение точности путем осуществления бесконтактного перемещения свободного конца измерительной опоры и расширение измерительных возможностей путем обеспечения измерения не только статических деформаций, но и деформаций образцов с

0 различной конфигурацией поверхностей, а также динамических деформаций, перемещений, усилий, ускорений, угловых скоростей, давления, шероховатости поверхности и температур.

5 Это достигается тем. что устройство для измерения деформаций сбразца содержит три опоры, закрепленных в корпусе последовательно, при этом одна из них - измерительная - через упругую подвеску, и две

0 установочных, и измерительный блок, связанный с измерительной опорой, причем измерительная опора размещена так, что установочные опоры расположены друг за другом, а одна из установочных опор выпол5 нена регулируемой по высоте.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство для измерения деформаций образца, общий вид; на фиг. 2 - то же, вариант крепления устройства на криволинейной

0 поверхности; на фиг. 3 - то же, вариант крепления устройства на разноплоскостных поверхностях; на фиг. 4 - датчик для измерения ускорений; на фиг. 5 - то же. для

5 измерения температуры поверхности; на фиг. 6 - то же. для измерения температуры окружающей среды; на фиг. 7 - то же, для измерения перемещений и усилий (динамометр): на фиг. 8 - узел I на фиг. 2 (торсион с

0 демпфером); на фиг. 9 - сечение А-А на фиг. 8; на фиг. 10 - устройство для измерения плоскодеформированного состояния; на фиг. 11 - то же, вид в плане; на фиг. 12 - устройство для измерения шероховатости

5 поверхности; на фиг. 13 -то же, для измерения давления окружающей среды; на фиг. 14 - то же, для измерения угловой скорости.

Устройство А.И.Синявского для.измере- ния деформаций поверхности образца 1 со0 держит корпус в виде установочной базы 2 с установочной опорой 3, закрепленной с одной стороны этой базы, и с регулируемой установочной опорой 4, смонтированной с другой стороны установочной базы, кото5 рую прикрепляют к поверхности образца фиксирующим устройством 5, например струбциной, магнитом, присосками и т.п., и измерительной базы. К измерительной базе примыкает измерительная опора 6, с помощью которой измеренные деформации образца, преобразованные в измерительном блоке, через разъем 7 передаются в регистрирующую аппаратуру. Измерительная опора б через шарнир 8 связана с измерительной базой, состоящей из основания 9 и упругой подвески 10, Измерительный блок состоит из маски 11, укрепленной в верхней части измерительной опоры б, излучателя

12. например источника света, и приемника

13. например фотоприемника, жестко закрепленных на основании 9. присоединенном последовательно к установочной базе 2 через упругую подвеску 10. Шарнир 8 измерительной опоры может быть выполнен в видеторсиона, например, состоящего из упругой пластины 14, жестко прикрепленной к измерительной опоре 6, и несколько отстоящего от нее основания 9. Пластина 14 является упругой при действии крутящего момента вокруг шарнира 8, но жесткой (без люфтов) в направлении оси измерительной опоры 6. Шарнир 8 расположен перпендикулярно направлению измерения образца. Для расширения измерительных возможностей устройства ось шарнира 8 прикрепляют к измерительной опоре вне ее центра 15 тяжести, при этом ее снабжают демпфером 16, установленным между измерительной опорой и основанием измерительной базы. На фиг. 5-14 обозначены также теплопроводная контактная пластина 17. прикрепляемая для измерения температуры поверхности образца (через измерительную опору посредством шарнира 18. а через установочную опору 3 - либо с помощью такого же шарнира, либо жестко): окружающая образец 1 среда 19; кожух 20, защищающий измерительный блок от воздействия окружающей среды 19; скоба 21 с прикрепленным к ней упором 22 для крепления устройства к вращающемуся образцу 1; кольцевые токосъемники 23. заменяющие разъемы 7 при установке устройства на вращающемся образце 1; направляющие 24. установленные параллельно измеряемой шероховатой поверхности; каретка 25. перемещаемая по направляющим 24 и несущая прикрепленное к ней устройство; угловая насадка 26 на измерительной опоре устройства, взаимодействующая с шероховатой поверхностью образца 1; сильфон 27, шарнирно соединенный с измерительной опорой 6 и жестко с объемлющей рамой 28; дополнительные основания 29 и 30 при измерении плоскодеформированного состояния образца; пластина 31 с прикрепленным к ней устройством и присоединенная с одной стороны к перемещаемуся образцу 1 через пружину 32, а с другой стороны через нить 33 - к неподвижной массе 34.

Устройство для измерения деформаций работает следующим образом.

Его располагают на измеряемой поверхности образца 1 через установочную базу 5 2с установочной опорой 3 и регулируемой установочной опорой 4. Крепление установочной базы осуществляется с помощью фиксирующего устройства 5, но в некоторых случаях, например при измерении статиче10 ских деформаций на горизонтальной поверхности,- возможно использование для прижатия измерительной базы собственного веса устройства, центр тяжести которого в этом случае находится в пределах устэно5 вочной базы. Затем перемещают регулируемую установочную опору 4, например с помощью резьбового соединения, до тех пор. пока измерительная опора 6 соприкоснется с измеряемой поверхностью образца

0 1, после чего устройство соединяют с помощью разъема 7 с регулирующей аппаратурой. Измерительная опора 6 с шарниром 8 связана с измерительной базой, состоящей из основания 9 и упругой подвески 10.

5 Изиерительная опора 6 с укрепленной в верхней ее части маской 11 имеет малую инерционность и практически обеспечивает отсутствие искажения величины измеряемого параметра за счет уменьшения пара0 зитного сопротивления повороту из-за бесконтактного перемещения этой верхней части опоры с маской 11 относительно других элементов измерительного блока: излучателя 12 и приемника 13. При этом лишь

5 незначительное сопротивление повороту будет осуществляться только благодаря шарниру 8. конструктивно выполненному с обеспечением малого трения (чему также будет способствовать слабое усилие прижа0 тия измерительной опоры 6). Использование в шарнире 8 пластинчатого торсиона 14 позволяет исключить люфт, также снижающий точность измерений, и обеспечить упругие вращения измерительной опоры 6

5 вокруг горизонтальной оси, расположенной перпендикулярно направлению измерений. Для исключения паразитных собственных колебаний торсиона. например при установке измерительной опоры в исходное

0 положение в измерительном блоке или при использовании устройства для измерения ускорения, измерительная опора снабжена демпфером 15. Изменением длины плеча измерительной опоры от шарнира до ниж5 него свободного конца можно изменять масштаб увеличения измеряемых деформаций, что целесообразно для более полного использования диапазона измерительного блока при определении деформаций в об- раэцах с разными упругими характеристикэми. Кроме того, эта же цель может достигаться за счет изменения измерительной базы.

Измерительный блок преобразует механические перемещения измерительной опоры с установленной на ней маской в электрические сигналы, фиксируемые регистрирующей аппаратурой (ЭВМ, осциллографом и др). Поток от излучателя (например, источника света), проходя через маску, воспринимается приемником (например, фотоприемником). Возникающая при этом ЭДС пропорциональна измеряемым перемещениям; она фиксируется и обрабатывается регистрирующей аппаратурой (на- пример, вычисляются величины напряжений или главных деформаций).

При установке устройства может быть два рабочих положения: первое - когда измерительную опору 6 приводят в соприкосновение с поверхностью образца 1, и второе - когда ее устанавливают с зазором относительно поверхности образца.

При установке устройства на криволинейные, ступенчатые или с разрывом поверхности образца соответствующим образом согласно измеряемой конфигурации поверхности регулируют длину регулируемой установочной опоры 4. При этом измерительная база за счет изгиба упругой подвески 10 может быть криволинейной. Это является первым рабочим положением устройства, которое необходимо для измерения статических и динамических деформаций образцов с различной конфигурацией поверхности, перемещений, усилий, давления, шероховатости поверхности и температур, причем все остальные факторы, кроме всех видов деформаций, измеряются с помощью дополнительных устройств.

Для измерения ускорений и угловых скоростей вторым рабочим положением будет являться такое, при котором прикрепляют к образцу только установочную базу 2, а измерительную опору 6 устанавливают с зазором относительно поверхности этого образца, при этом шарнир 8 должен быть выполнен в виде торсиона, например, состоящего из упругой пластины, жестко при- крепленной к подвижной опоре 6, и несколько отстоящего от нее основания 9. Продольную ось устройства ориентируют в направлении перемещения образца 1, при создании ускорения которого измерительная опора 6 с маской 11 (с центром 15 их тяжести, находящимся вне шарнира 8) отклоняется от исходного положения на некоторый, зависимый от величины ускорения и жесткости торсиона угол, фиксируемый при

отклонении маски 11 относительно приемника 13.

При измерении ускорений и угловых скоростей устройство можно использовать

только с торсионом, а при измерении деформаций это может быть любой шарнир 8, соответствующий назначению устройства, в том числе и с торсионом, что облегчает установку измерительного блока в исходное по0 ложение.л

В случае установки устройЛва в первое рабочее положение опора 6 смещается от своего исходного положения при соприкосновении с поверхностью образца за счет

5 того, что длина и положение измерительной базы меняются, так как верх опоры 3 поворачивается и смещает измерительную базу, аупругая подвеска 10изгибается,уменьшая длину измерительной базы, что в принципе

0 не влияет на точность измерений, поскольку измерительный блок смонтирован на жестком основании 9. Но чтобы увеличить диапазон измеряемых факторов, следует установить измерительную опору 6 в исход5 ное положение, которое обеспечивается при ненагруженном состоянии торсиона. Для освобождения торсиона от нагрузки, вызванной при установке поворотом опоры б, ее отрывают от поверхности образца на

0 время, при котором торсион успеет вернуть опору в исходное положение, а затем ее вновь опускают на эту поверхность. Для гашения паразитных собственных колебаний приподнятой измерительной опоры ее снаб5 жают демпфером 16, установленным между опорой 6 и основанием измерительной базы.

При определении температуры поверхности образца или окружающей среды уст0 ройство предварительно крепят к теплопроводной контактной пластине 17 следующим образом: измерительную опору 6 посредством шарнира 18, опору 3 либо с помощью такого же шарнира, либо жестко.

5 Затем устройство с контактной пластиной тарируют и плотно прижимают к измеряемой поверхности на время, достаточное для обеспечения предельного поворота опоры 6. Поскольку деформации образца 1 в этом

0 случае не измеряются, крепление установочной базы не обязательно. Благодаря плотному прижатию теплопроводной контактной пластины 17 к поверхности образца 1 пластина через некоторое время приобре5 тает температуру образца 1 и вследствие этого изменяет свою первоначальную, длину, т.е. изменяет расстояние между концом опоры 3 и шарниром 18. При последующем вслед за этим повороте опоры 6 вся последующая работа измерительного и регулирующей аппаратуры будет такой же. как и при измерении деформаций.

Для измерения температуры окружающей среды, например жидкой, достаточно погрузить в нее только пластину, а при необходимости полного погружения устройства в окружащую среду 19 выбирают материал контактной пластины с коэффициентом линейного расширения, отличным от коэффициента материала измерительной базы датчика. При этом измерительный блок защищают кожухом 20.

Для измерения угловой скорости вращения образца устройство крепят в плоскости, перпендикулярной оси вращения, которую совмещают с центром шарнира 8 опоры 6. Крепление к образцу 1 осуществляют с помощью скобы 21, жестко прикрепленной через упор 22 к установочной базе 2. Соединение с регистрирующей аппаратурой осуществляют, заменив разъемы 7 на кольцевые токосьемники 23. Значение частоты вращения образца получают на основе измеренной величины угловой скорости.

Работа устройства при измерении угловой скорости заключается в следующем. Устройство крепится на образце во втором рабочем положении. Таким образом, все элементы устройства жестко прикреплены к образцу, за исключением измерительной опоры, соединенной упруго торсионом с остальными элементами. При вращении образца согласно первому закону динамики измерительная опора будет стремиться сохранить свое состояние покоя, чему препятствует торсион. который влечет за собой измерительную опору, поворачивая ее относительно устройства на некоторый угол, зависящий от скорости вращения и жесткости торсиона. Поворот опоры регистрируется, как описано выше.

Для измерения шероховатости поверхности образца на нее устанавливают направляющие 24 с кареткой 25, перемещаемой по ним и несущей установочную базу, не параллельную направляющим, которую жестко крепят к каретке. Измерительная опора 6 взаимодействует с шероховатой поверхностью через жестко закрепленную на ней уг- ювую насадку 26.

Для измерения давления окружающей среды устройство снабжено сильфоном 27, шэрнирно соединенным с измерительной опорой 6, установленной неперпендикулярно к основанию сильфона. Оно также снабжено объемлющей рамой 28. жестко соединенной с основанием сильфона, на которой смонтирована установочная база 4.

Устройство для измерения давления работает на принципе определения перемещения крышки сильфона, возникающего от перемены давления окружающей среды. Это перемещение передается с помощью шарнирного соединения, расположенного 5 на конце опоры 6, что и фиксируется регистрирующей аппаратурой, как и в предыдущих случаях. При этом шарнир 8 может быть выполнен как с торсионом, так и без него, в зависимости от конструкции указанного

0 шарнирного соединения. Например, если последнее выполнено в виде плоской детали, прижатой к стойке, отходящей от сильфона, то необходим торсион для постоянного поджатия плоскости к стойке;

5 при обычной конструкции шарнирного соединения и гибкой стойке применение торсиона не обязательно.

При необходимости измерения плоскодеформированного состояния образца 1 ус0 тройство снабжено либо одним дополнительным основанием 29 (при известных направлениях главных деформаций), либо двумя дополнительными основаниями 29 и 30 (в общем случае). Все основания

5 соединяют с неподвижной опорой 3 одной общей или несколькими, соответствующими каждому основанию упругими подвесками 10. Измерительные опоры 6 расположены по окружности, в центре которой размеще0 на установочная опора 3. Каждое из оснований имеет по измерительному блоку, состоящему из излучателя 12 и приемника 13 с маской 11 между ними. Регулируемая установочная опора 4 смонтирована так,

5 чтобы равнодействующая усилия прижатия находилась внутри угла а , образуемого в плане между крайними основаниями 29. При равных жесткостях упругих подвесок 10, примыкающих к основаниям 29 и 30,

0 желательно, чтобы опора 4 стояла на продолжении оси основания 9. В этом случае усилия прижатия измерительных опор б дополнительных оснований 29 и 30 будет одинаковым. Однако, если пренебречь этим

5 условием, то допустимо устанавливать опору 4 в пределах, указанных в описании. При монтаже опоры 4 контролировать ее положение не требуется, поскольку оно определено конструктивным решением.

0 Устройство для измерения плоскодеформированного состояния позволяет определить значения главных деформаций (и главных напряжений) и угол, образуемый между направлением одной из главных де5 формаций и осью основания 9. Формулы для их определения по прямоугольной розетке (у которой углы между смежными основаниями составляют 45 приведены в работе . Для того чтобы воспользоваться формула- ми. необходимо получить значения деформаций по всем трем направлениям розетки. Установка устройства и его работа неотли- чаются от работы устройства с одним основанием 9.

В случае определения значительных пе- ремещений Л образца 1 или создаваемых при этом усилий, в том числе в местах, недоступных или неудобных для установки устройства, он снабжен пластиной 31, жестко прикрепленной к нему. Пластина последе - вательно соединена через пружину 32 и нить 33 с одной стороны с образцом 1, а с другой - с неподвижной массой 34. При перемещении образца 1 в протарированной пружине 32 возникают усилия, регистриру- емые устройством, как деформации пластины 31, и преобразуемые регистрирующей аппаратурой в перемещения.

Изобретение позволяет повысить точность измерений путем осуществления бес- контактного перемещения верхнего свободного конца измерительной опоры и расширить измерительные возможности путем обеспечения измерения не только статических деформаций, но и-деформаций образцов с различной конфигурацией поверхностей, а также динамических деформаций, перемещений, усилий, ускорений, угловых скоростей, давления, шероховатости поверхности и температур, т.е. устрой- ство является универсальным. При этом оно имеет небольшие размеры и обеспечивает стабильность показаний, а также отличается удобством обслуживания, легкостью и

быстротой установки, особенно необходимых при испытании натурных конструкций в полевых условиях.

Устройство позволяет в 2-5 раз повысить точность измерений, а в некоторых случаях, например при измерении образцов с низким модулем упругости, осуществить измерение, невозможное получить другим способом. Универсальность устройства позволяет также отказаться от ряда приборов специального назначения.

Формула изобретения Устройство для измерения деформаций образца, содержащее три опоры, закрепленные в корпусе последовательно, при этом одна из них - измерительная - через упругую подвеску, и две установочных, и измерительный блок, связанный с измерительной опорой, отличающееся тем, что, с целью повышения точности путем осуществления бесконтактного перемещения свободного конца измерительной опоры и расширения измерительных возможностей путем обеспечения измерения не только статических деформаций, но и деформаций образцов с различной конфигурацией поверхностей, а также динамических деформаций, перемещений, усилий, ускорений, угловых скоростей, давления, шероховатости поверхности и температур, измерительная опора размещена так. что установочные опоры расположены друг за другом, а одна из установочных опор выполнена регулируемой по высоте.

Ч

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения статических и динамических деформаций. Целью изобретения является повышение точности путем осуществления бесконтактного перемещения свободного конца измерительной опоры и расширения измерительных возможностей путем обеспечения измерения не только статических деформаций, но и деформаций образцов с различной конфигураций поверхностей, а также динамических деформаций, перемещений, усилий, ускорений, угловых скоростей, давления, шероховатости поверхности и температур. Для этого установочные опоры 3 и 4 расположены друг за другом за измерительной опорой 6 и одна из установочных опор выполнена регулируемой по высоте. 14 ил. . w &

Фиг.1

996EOZ.I

75

N

U

пЫ

Фиг.5

ж

79

У

о

А

П

/

7/ЯГ/Ј-

Фиг. 7

Фиг. 6

Фиг.9

Фиг.д

f-J

9-

12 11 15 /) w

«

Si

7

ir

Z7. Л7

I

/ s

/г. //

21

Фиг. /J

Фиг. 12

tf

Фиг.М