Способ измерения механических напряжений Советский патент 1992 года по МПК G01B11/16 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при создании устройств и приборов для измерения механических напряжений в узлах, изготовленных из магни- тоупорядоченных материалов.

Известны способы измерения механических напряжений с помощью магнитоуп- ругих датчиков, основанные на обратном магнитострикционном эффекте, состоящем во влиянии упругих напряжений на намагниченность. Магнитоупругие датчики имеют самые разнообразные конструкции. В любом случае датчик представляет собой маг- нитопровод из магнитострикционного материала, который закрепляется или соприкасается с поверхностью испытываемой

детали. О величине приложенных напряжений к испытываемой детали судят по изменению магнитной проницаемости или ЭДС используемого магнитолровода

Недостатком указанных способов явля- нестабильность измеряемых величин вследствие сильного влияния на работу маг- нитоупругих датчиков явлений магнитного гистерезиса и остаточного намагничивания

Наиболее близким по технической сущ ности является способ измерения механических напряжений, основанный на использовании пьезооптического эффекта (фотоупругости), состоящего в появлении под действием упругих напряжений оптической анизотропии в первоначально изотропных твердых телах. Пьезооптический

О

00

о о

СА

эффект является следствием зависимости диэлектрической проницаемости вещества от деформации и проявляется в виде двойного лучепреломления и дихроизма. В поля- ризационно-оптических датчиках используются оптически-чувствительные материалы, изготовленные в виде прямоугольных пластинок. Пластинки крепятся на поверхность испытываемой детали. При одноосном растяжении или сжатии оптически- чувствительное вещество приобретает свойства оптически-одноосного кристалла с оптической осью, параллельной оси растяжения или сжатия. Линейно-поляризованныйсвет,проходячерез поляризационно-оптичаский датчик, при наличии упругих напряжений испытывает линейное двулучепреломление An (А п - разность показателей преломления для обыкновенной и необыкновенной волн). О приложенных к испытываемой детали механических напряжениях судят по величине An. Поляризационно-оптические тензометры относятся к датчикам накладного типа.

Недостатками данного способа являются невысокая чувствительность и ограничение типов исследуемых образцов, что обусловлено тем, что на величине выходного сигнала датчика накладного типа сказывается зазор между датчиком и исследуемым материалом, а сам датчик имеет определенную форму заданных размеров.

Целью изобретения является повышение чувствительности измерения механических напряжений и расширение объектов исследования.

Цель изобретения достигаем тем, что исследуемый объект помещают в зазор тороидального магнита, поляризованное излучение фокусируют на поверхности объекта в пятно, размером много меньше характерных размеров неоднородностей распределения напряжений, воздействие осуществляют переменным магнитным полем на частоте, отличной ог сетевой, в качестве регистрируемых характеристик выбирают значения постоянной и переменной составляющих интенсивности отраженного излучения, механические напряжения в точке определяют по соотношению составляющих с использованием градуиро- вочной кривой, сканируя поверхность объекта сфокусированным излучением, определяют распределение напряжений по двум направлениям.

В предложенном способе впервые используются эффекты магнитоотражения (магнитооптические эффекты), состоящие в

изменении линейно-поляризованного света, отраженного от магнитоупорядоченного материала, подвергаемого механическим воздействиям. Таким образом, предложенный

способ соответствует критерию Существенные отличия.

На чертеже представлена схема, реализующая предлагаемый способ.

Способ осуществляется следующим об0 разом. В дугообразный магнит 1 с намагничивающей обмоткой 2 помещают испытываемую деталь 3 (пластинка, проволока и т.д.). Свет от источника света 4 пройдя поляризатор 5, падает на образец.

5 Отраженный свет собирается на фотоприемнике 6. В намагниченную обмотку 2 от звукового генератора 10 через усилитель мощности 11 подается переменный ток, обеспечивающий перемагничивание образ0 ца (в том числе от Ms до - Ms; Ms- намагниченность насыщения испытываемого материям).

Изменение намагниченности засвеченного участка поверхности детали поддейст5 вием переменного внешнего магнитного поля приводит к изменению интенсивности отраженного от испытываемого образца света за счет магнитооптического эффекта. Удобно применение экваториального эф0 фекта Керра (ЭЭК), а также меридионального интенсивного эффекта (МИЭ). В первом случае магнитное поле, прикладываемое к образцу, и плоскость падения света перпендикулярны. ЭЭК измеряется на Р - компо5 ненте падающего света. Bo-втором - магнитное поле и плоскость падения света параллельны. МИЭ измеряется при некотором промежуточном (между Р - и S - волнами, вектор Е лежит соответственно

0 параллельно и перпендикулярно плоскости падения света) положении плоскости поляризации.

Изменение интенсивности отраженного от испытываемого образца света регист5 рируется фотоприемником 6, в цепи которого возникают два сигнала: постоянный - пропорциональный интенсивности света, отраженного or образца в отсутствие магнитного поля, и переменный - пропор0 циональный глубине модуляции света за счет магнитооптического эффекта, возникающей при перемагиичивании образца. Первый сигнал измеряется микровольтметром постоянного тока 8, второй - селективным

5 усилителем 7 с синхронным детектором 9. Отношение показаний синхронно детектора 9 и микровольтметра 8 определяют величину магнитооптического эффекта д.

Известно, что при постоянной напряженности магнитного поля и воздействии на

образец внешних механических напряжений (растяжения или сжатия) в нем должны обнаружиться изменения намагниченности (магнитоупругий эффект). Магнитоупругий эффект и связанная с ним магнитоупругая энергия обусловлены наличием магнито- стрикции в кристалле. Магнитоупругая энергия создает дополнительные,выгодное и невыгодное, энергетические направления М3(магнитоупругая анизотропия). В результате ход кривых намагничивания определяется конкурирующими вкладами магнитоупругой энергии и кристаллографической магнитной анизотропии.

В материалах, имеющих отрицательный знак магнитострикции, одностороннее растяжение стремится установить векторы Ms в плоскости, перпендикулярной направлению растяжения. Кривые намагничивания при этом вырождаются в прямые линии, ибо в этом случае требуется гораздо большее поле Н, чтобы сориентировать векторы Ms в направлении приложенного поля.

В материалах, обладающих положительной магнитострикцией, кривые намагничивания по мере увеличения упругого растяжения приобретают прямоугольный вид.

Измерение кривых намагничивания возможно с помощью магнитооптических эффектов, при этом о механических воздействиях на испытываемый образец можно судить по увеличению или уменьшению (в зависимости от знака постоянной магнито- стрикции) магнитооптического эффекта, измеряемого при фиксированном значении переменного магнитного поля. Величина поля зависит от исследуемого материала.

Изобретение иллюстрируется следующим примером.

Стальную проволоку диаметром 0,2 мм помещают во внешнее переменное магнитное поле, равное 200 Э. Направляют на нее луч света, и измеряют магнитоотраже- ние д в зависимости от напряжения растяжения, прикладываемого к проволоке. Обнаруженное увеличение д с ростом приложенного напряжения свидетельствует о том, что испытываемая деталь характеризуетсяположительноймагнитострикцией.

Минимальное значение магнитооптического эффекта д (в относительных единицах), измеряемое с помощью используемой методики, равно 5 -10 . Это означает, что минимальное регистрируемое напряжение, приложенное к исследуемому образцу, составляет5-10 МПа, что практически на порядок меньше по сравнению с тензометрами, описанными выше.

В предложенном способе предусмотрена фокусировка луча света в пятно диаметром до нескольких микрон и сканирование его по поверхности испытываемого материала. Это позволяет измерять распределение напряжения в продольном и поперечном направлениях относительно оси приложенных механических нагрузок, а также изучать различные типы образцов - вплоть до микропроволок и пленочных покрытий.

Таким образом, при данном способе измерения механических напряжений повышается чувствительность и отношение сигнал / шум, не сказывается качество поверхности испытываемой детали, допустимы измерения распределения напряжений в продольном и поперечном направлениях

относительно оси приложенных механических нагрузок, расширяются типы измеряемых образцов.

Формула изобретения Способ измерения механических напряжений, заключающийся в том. что направляют в сторону исследуемого объекта поляризованное излучение, осуществляют воздействие на объект, регистрируют характеристики излучения и по ним судят о механических напряжениях, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью повышения чувствительности, исследуемый объект помещают в зазор тороидального магнита, поляризованное излучение фокусируют на

поверхности объекта в пятно, размером много меньше характерных размеров нео- днородностей распределения напряжений, воздействие осуществляют переменным магнитным полем на частоте, отличной от

сетевой, в качестве регистрируемых характеристик выбирают значения постоянной и переменной составляющих интенсивности отраженного излучения, механические напряжения в точке определяют по соотношению составляющих с использованием градуировочной кривой, сканируя поверхность объекта сфокусированным излучением, определяют распределение напряжений по двум направляющим.

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Цель изобретения - повышение чувствительности. Испытываемый образец помещают в выбираемое в зависимости от его материала переменное магнитное поле, направляют луч света. Изменение намагниченности засвеченного участка поверхности образца под действием переменного внешнего магнитного поля приводит к изменению интенсивности отраженного от испытываемого образца света за счет магнитооптического эффекта и регистрируется фотоприемником, в цепи которого возникают два сигнала: постоянный - пропорциональный интенсивности света, отраженного от образца в отсутствие магнитного поля, и пере- менный - пропорциональный глубине модуляции света за счет магнитооптического эффекта, возникающей при перемагничи- вании образца. При этом о механических воздействиях на испытываемый образец можно судить по увеличению или уменьшению (в зависимости от знака постоянной магнитострикции) магнитооптического эффекта, измеряемого при фиксированном значении переменного магнитного поля. Величина поля зависит от исследуемого материала. 1 ил. сл с