Устройство для определения энергии,рассеянной в материале за один цикл переменной нагрузки Советский патент 1980 года по МПК G01N3/32 

54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ, РАССЕЯННОЙ В МАТЕРИАЛЕ ЗА ОДИН ЦИКЛ ПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКИ

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к исследованию прочностных свойств материалов путем приложения повторяющихся нагрузок и может использоваться для испытаний материалов на усталостную прочность. Известно устройство для определения энергии, рассеянной в материале при переменной нагрузке, содер;; а1цее датчик деформаций и датчик механических напряжений используемого материала, усилитель сигнала деформаций и усилитель сигнала напряжений, каждый из которых входом присоединен к соответствующему датчику. К выходу усилителя сигнала деформаций присое динена фазосдвигающая цепочка. Изме рительным прибором является микроваттметр, присоединенный одним входом к выходу усилителя сигнала напряжений, а другим - к выходу фазосд гающей цепочке UJ Однако известное устройство не обеспечивает достаточной точности, так как характеристика ваттметра имеет зону нечуйствительности, форма характеристики нелинейна, а диапазон рабочих частот заметно ограни чен. Известно устройство для определения энергии, рассеянной в материале за один цикл переменной нагрузки, содержащее датчик деформаций и датчик механических напряжений исследуемого материала, усилитель сигнала деформаций и усилитель сигнала напряжений, каждый из которых присоединен своим входом к соответствующему датчику, к выходу усилителя сигнала деформаций своим входом присоединен фазовращатель г сдвигающий сигнал на 90. В устройстве имеются два множительных элемента, каждый из которых имеет два входа и один выход. Оба множительных элемента выполнены в виде четырехплечего резисторного моста, диагонали которого являются его входами. В два смежных плеча моста включено по одному термоэлектрическому преобразователю тока с квадратичмоП характеристикой, которые своими термоэлектрическими двумя выводами соединены последовательно и встречно. Два свободных термоэлектрических вывода образуют выход множительного элемента. Первый вход каждого множительного элемента соединен с выходом усилителя сигнала напряжений. Второй вход одного из

множ,ШЕельных элементов соединен с ВЫХОДИМ усилителя сигнала деформаций, S другого множительного элемента второй вход соединен с выходом фазовраидателя, а его выход соединен со входом оконечного усилителя. В качестве измерительного прибора в устройстве использован электронный потенциометр. Измерительная цепь потенциометра соединена с выходом оконечного усилителя, а цепь измерительной схемы со свободным выходом множительного элемента f2j ,

Однако это устройство также не обладает достаточной точностью. Это объясняется тем, что коэффициенты термопреобразования термоэлектрических преобразователей неодинаково зависят от температуры окружающей среды, характеристики преобразователей имеют неодинаковые отклонения от квадратичной зависимости. Указанные факторы приводят к погрешностям сигналов термоэлектрических преобразователей, что сильно сказывается, н. точности результата умножения, поскольку выходной сигнал множительного элемента есть малая разность двух не малых сигналов термоэлектрических преобразователей, каждый из которых облгщает некоторой погрешностью.

Целью изобретения является повышение точности результатов измерений.

Указанная цель достигается тем, что устройство для определения энергии, рассеянной в материале за один цикл переменной нагрузки, снабжено дополнительным датчиком напряжений, каждый датчик напряжений выполнен в виде тензомоста, диагональ питания основного датчика напряжений соедкн-зна с выходом фазовращателя, усилителя сигнала напряжений соединен с нэмерительной цепью потенциометра, диагональ питания дополнительного датчика .напряжений соединена с выходом усилителя сигнала деформаций, а его измерительная диагональ соединена с .цепью питания измерительной схемы потенциометра.

При таком выполнении устройства используется форма умножения сигналов деформаций на сигналы напряжений осуществляемой непосредственно самими датчиками, чем исключается необходимость- в мЕЮЖительных элементах и исключаются погрешности, им присущие

На чертеже изображена блок-схема устройства для определения энергии, рассеянной в материале за один цикл переменной нагрузки.

Устройство содержит датчик 1 деформаций, который соединен со входом 2 усилителя сигнала деформаций. Выход 2 усилителя соединен с фазовращателем 3, осуществляющим сдвиг сигнала на 90. К выходу фазовращателя 3 подключен датчик 4 механических напряжений. Он выполнен в виде тензомоста и подключен к фазовращателю 3 диагональю питания, а его измерительная диагональ подключена ко входу 5 усилителя сигнала напряжений. Выход 5 усилителя соединен с измерительной цепью потенциометра б. Дополнительный датчик 7 механических напряжений, также выполненный в виде тензомоста, своей диагональю питания соединен с выходом 2 усилителя сигнала деформаций. Измерительная диагональ 7 датчика соединена -с цепью питания измерительной схемы потенциометра б, Потенциометр б состоит из измерительной схемы в виде 15 моста, в который включен реохорд 8. Движок реохорда 8 соединен со входом усилителя 9 потенциометра. Нагрузкой усилителя 9 является электрический двигатель 10. Двигатель 10 20 жестко связан с движком реохорда 8 и показывающей стрелкой потенциометра.

Устройство работает следующим образом.

При переменных синусоидальных нагрузках на. иcпытye лый материал его деформации , и механические напряжения 0 изменяются по следующим зависимостям

Q. S i п wt, (7 (о s i n (wt+f)(J) где f ц Jn амплитуды деформаций и

напряжений;

w - круговая частота; t - время;

сГ - сдвиг фазы напряжений, для которого справедливо соотношение

sincfa- uW/w , iit.

где Aw- энергия, рассеянная в материале, а

W - энергия, запасаемая в материале за один цикл переменной нагрузки.

Датчик 1 деформаций вырабатывает сигнал, пропорциональный деформациям в соответствии с зависимостью (1), После усиления в усилителе 2 и прохождения фазовращателя 3 сигнал изменяется уже косинусоидально

УЗ а j-fo-cos wt , (3) где - сигнал на выходе фазовращателя 3,

Сигнал УЗ с выхода фазовращателя попадает на диагональ питания тензомоста датчика 4. Выходной сигнал на измерительной диагонали тензомоста датчика 4 пропорционален механическим напряжениям (1) в испытуемом материале, умноженном на электрическое напряжение диагонали питания, Поскольку эта диагональ питается напряжением Vj, пропорциональным деформациям, то выходное напряжение V датчика 4 оказывается пропорциональным произведению УЗ на механическое напряже5 -ние (1), После усиления в усилителе 5 на измерительную цсвпь потенциометра б будет приходить сигнал Vj-, для которого можно написать /5- aj.-foQoCos wt.sin (wt-cf), (4) Дополнительный датчик 7, также вы полненный в виде тензоэлемента, пита ется непосредственно сигналом от усилителя 2 и не испытывает сдвига на 90°. Поэтому выходной сигнал датчика 4 - V:; , поступающий на цепь питания измерительной схемы потенциоме ра б, оказывается равным следующему выражению V .sin wt sinCwtttT). (5) Таким образом, на измерительную цепь потенциометра б поступает сигна (4), а на цепь питания измерительной схемы - сигнал (5). Положение показывающей стрелки потенциометра 6, жестко связанной с положением движка реохорда 8 его измерительной схемы, зависит от напряжения (4) и напряжения V на измери тельной диагонали мостовой схемы потенциометра. Для напряжения V можно написать V wt .S i п (wti-(0 (6) где /7 - смещение движка реохорда 8 от нулевого положения, выраженное в долях диапазона его напряжения . Разность напряжений (4) и (6) пос тупает на вход усилителя 9. Для этой разности получаем /jV ,С05 5 i n() bif.A sin wtsin (viti-f). (7) Поскольку нуль-органо потенциометра, включающий усилитель 9 и электри ческий двигатель 10, является инерционным звеном, то скорость его перемещения пропорциональна среднему значению сигнала (7) за период. .Выражая среднее значение сигнала 4V за период через интеграл, получаем для среднего значения дУ с/ . такое выражение 4Vcp a -foT o coswt-sin (wt-t-iT)). (8) . b f„ б,, -S s i n w t . s i n (w d t Двигатель 10 перемещается до тех пор, пока не выполняться условия рав новесия дУс/, 0. (9.) Тогда из (8} простыми преобразователями можно получить следующий ре зультат измерения , откуда из известных тригонометрических соотношений и выражения (2)получаемПри малых значениях q выражение (11) упрощается Использование предлагаемого устройства для исследования характеристик усталостной прочности материалов позволяет повысить качество результатов исследования за счет высокой точности устройству. Формула изобретения Устройство для определения энергии, рассеянной в материале за один цикл переменной нагрузки, содержащее датчик деформаций и датчик механических напряжений, усилитель сигнала деформаций и усилитель сигнала напряжения, каждый из которых входом соединен с соответствующим датчиком, фазовращатель, сдвигающий сигнал на 90, соединенный входом с выходом усилителя сигнала деформаций, а также электронный потенциометр, о т л ичающеес я тем, что, с целью повышения точности,результатов измерений, оно снабжено дополнительным датчиком напряжений, каждый датчик напряжений выполнен в виде тензомоста, диагональ питания основного датчика напряжений соединена с выходом фазовращателя, выход усилителя сигнала напряжений соединен с измерительной цепью потенциометра, диагональ питания дополнительного датчика напряжений соединена с выходом усилителя сигнала деформаций, а его -измерительная диагональ соединена с цепью питания измерительной схемы потенциометра. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 282683; кл. G 01 D 7/00, -1969. 2.Авторское свидетельство СССР № 419749, кл. G 01 L 5/10, 1971 (прототип).