Początek

Skrypty Ciekawe strony  

Zaliczanie

   
 

 

Badanie naprężeń za pomocą tensometrów     

 

I.Cel ćwiczenia.

Nowoczesne konstrukcje powinny między innymi spełniać warunki niezawodności oraz

lekkości uzyskiwane drogą optymalizacji wymiarów i kształtów. Z tego względu wzrosło

zapotrzebowanie na dokładniejszą ocenę wytrzymałości elementów maszyn i konstrukcji.

Znane z wytrzymałości materiałów wzory pozwalają na obliczenia naprężeń z wystarczającą

dokładnością tylko w elementach o prostych kształtach i obciążonych w sposób

nieskomplikowany. W przypadkach bardziej złożonych obliczenia stają się uciążliwe lub

nawet praktycznie niewykonalne. Pomocne w tych przypadkach są metody doświadczalne,

z których najbardziej rozpowszechniona jest tensometria elektryczna oporowa.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawami tensometrii elektrooporowej i jej

zastosowaniem do pomiaru naprężeń. Pomiary naprężeń przeprowadzane są dla elementów

o nieskomplikowanych kształtach, co pozwala na łatwe porównanie ich z wartościami

obliczonymi za pomocą odpowiednich wzorów teoretycznych.

 

II.Wiadomości uzupełniające..

 

1.Zasady tensometrii elektrycznej oporowej.

 

Z całej rodziny tensometrów elektrycznych, pozwalających wyznaczać odkształcenia

poprzez pomiar wielkości elektrycznych, najbardziej rozpowszechniony jest typ

tensometrów oporowych. Wykorzystują one zjawisko zmiany oporu elektrycznego drutu

metalowego przy zmianie długości drutu. Pomiędzy jednostkową zmianą oporu

elektrycznego cienkiego drutu a jego odkształceniem zachodzi, w stosunkowo dużym

zakresie odkształceń liniowa zależność:

DR/R=k

gdzie:

R - początkowy opór elektryczny drucika

DR - przyrost oporu elektrycznego

k - współczynnik proporcjonalności (stała tensometru)wyznaczony doświadczalnie

 

  Czujniki tensometryczne mogą być: drucikowe, foliowe, półprzewodnikowe. Te ostatnie

mają szereg zalet, jak wysoka czułość i możliwość uniezależnienia wyników od wpływu

temperatury. Druciki tensometru nakleja się na badany element. Czujniki naklejane muszą

mieć dużą oporność własną r, dobre odprowadzanie ciepła druciaka do badanego

elementu, odporność na działania wilgoci, niewrażliwość na naprężenia poprzeczne. Jest

pożądane, aby czujniki naklejane miały wraz z klejem stałą oporność izolacyjną. Przed

pomiarem należy przeprowadzić próbę izolacji na przebicie napięciem ok. 40 V. Czujniki

nieprzezroczyste powinny mieć oznaczony główny kierunek odkształceń. Przy pomiarach

dokładnych dla utrzymania stałej pojemności należy ekranować nie tylko przewody, ale i

same czujniki, np paskiem folii miedzianej o grubości 0,01 mm.

Drucik oporowy o średnicy rzędu 0,025 mm ułożony jest na długości zwanej bazą

pomiarową. W celu zmniejszenia bazy pomiarowej drucik uformowany jest w

postaci wielokrotnego wężyka - tensometry wężykowe (rys.1.1a) lub w postaci szeregu

równoległych odcinków, połączonych na końcach bazy pomiarowej odcinkami taśmy

miedzianej w ten sposób, że łączą one odcinki drutu oporowego w szereg - tensometry

kratowe (rys.1.1b). Druciki czujników są wykonane ze stopów takich, jak: konstantan

twardy, konstantan miękki ( konstantan - stop miedzi i niklu ), kopel twardy.

Rys.1.1. Budowa tensometru elektrooporowego:

a - wężykowego i b - kratowego

1 - druciki oporowe.

2 - taśma miedziana

3 - podkładka izolująca

 Czujniki kratowe mają tą wyższość nad wężykowymi, że praktycznie nie są wrażliwe

na odkształcenia w kierunku poprzecznym. Drucik oporowy naklejony jest pomiędzy dwa

paski cienkiego papieru lub folię celuloidową. Doprowadzenie prądu odbywa się za

pośrednictwem dwóch taśm miedzianych. Tak przygotowany fabrycznie czujnik nakleja się

specjalnym klejem na badany element. Po dokładnym wyschnięciu kleju, czujnik podlega

tym samym odkształceniom co badany element. Mierząc zmianę oporności czujnika można

na tej podstawie określać zmianę odkształcenia.

Do pomiaru zmiany oporności stosuje się układ elektryczny, zwany mostkiem Wheatstone'a

(rys.1.2).Warunkiem równowagi elektrycznej mostka jest, aby iloczyny oporności jego

przeciwległych gałęzi były sobie równe:

Rc x R2 = Rk x R1

gdzie: Rc - opór czujnika czynnego, Rk - oporność czujnika kompensacyjnego,

R1 - opór regulowany, R2 - opór stały.

Czujnik kompensacyjny Rk służy do kompensacji wpływu zmiany temperatury otoczenia w

czasie pomiaru. Wzrost temperatury pomiaru o DT spowoduje taki sam wzrost oporności w

obu czujnikach i mostek pozostanie nadal w równowadze. Wpływ temperatury eliminuje się

przez kompensację takich samym tensometrem naklejonym na taki sam materiał badany,

lecz podłączony do przeciwległych gałęzi mostka Wheatstone'a.

Wpływ wilgoci należy również eliminować, wilgoć bowiem zmienia własności kleju, a zatem i

dokładności przenoszenia odkształceń na drucik czujnika.

Pomiaru zmiany oporności, a stąd i zmiany odkształceń dokonuje się metodą zerową lub

metodą wychyłową. W pierwszej z tych metod zmianę oporności tensometru czynnego

kompensuje się oporem regulowanym R1 do chwili ponownego wyzerowania mostka i

odczytu dokonuje się na wyskalowanym oporze regulowanym. W drugiej metodzie

wychylenie galwanometru z położenia zerowego wyskalowane jest w jednostkach względnej

zmiany oporności DR/R lub wzrost w jednostkach odkształcenia.

Mostki służące do pomiarów zmian oporności mogą być zasilane prądem stałym albo

przemiennym. Mostki zasilane prądem stałym są stosowane w zależności od rodzaju

pomiaru w różnych układach.

Zaletą tensometrów oporowych jest minimalna bezwładność mechaniczna i elektryczna, co

ma istotne znaczenie przy pomiarach dynamicznych.

Rys.1.2.Schemat mostka Wheatstone'a.

 

2. Podstawy teoretyczne ćwiczenia.

 

Przy pomocy tensometrii elektro oporowej można z dość dużą dokładnością określić

rozkład naprężeń powierzchniowych w elementach konstrukcyjnych i maszynowych. W

ćwiczeniu tym badaniu podlega belka prosta i kratownica. Rozpatruje się belkę prostą.

 

Model tej belki posiada tę zaletę, że na długości pomiędzy podporami występuje czyste

zginanie i obojętne jest, w którym punkcie przyklejony jest tensometr. Dla takiego modelu

belki na odcinku między podporami maksymalne naprężenia występują na powierzchniach

zewnętrznych (dolnej i górnej) i wyrażają się następująco:

 

s = M / Wx = Pa / Wx [MPa]

Badana belka ma przekrój prostokątny b x h, a więc wskaźnik

 

Wx = b x h / 6 [mm3].

 

3.Wzmacniacz tensometryczny.

 

Wzmacniacz tensometryczny typ TT - 6C jest sześciokanałowym urządzeniem do

wykonywania pomiarów wielkości nieelektrycznych metodą elektryczną. Mierzonymi

wielkościami nieelektrycznymi mogą być odkształcenia, siły, momenty skręcające, ciśnienia,

parametry drgań i te wszystkie wielkości, dla pomiaru których można użyć czujników

parametrycznych oporowych lub indywidualnych. Mierzone wielkości mogą być typu

statycznego lub też zmiennego w czasie. Zakres częstotliwości mierzonych wielkości

zawierających się w paśmie 0 - 1000 Hz.

Wzmacniacz tensometryczny typ TT - 6C zbudowany jest jako tor pomiarowy zasilany

częstotliwością nośną 5 kHz i pracujący z modulacją amplitudy.

Wejściem układu jest gniazdo. Na wejściu mogą pracować czujniki naprężno - oporowe w

układzie pół lub pełnego mostka, jak też czujniki indukcyjne w układzie półmostka lub

transformatorowym. Blok to zespół elementów typu RC tworzących wraz z czujnikami

układ mostkowy. W bloku mieszczą się również elementy równoważenia R i C. Skalowanie

całego toru pomiarowego odbywa się przez zadawanie z bloku elektrycznego sygnału

odpowiadającego wiadomemu odkształceniu wyrażonemu w promilach, przy jednym czynnym czujniku o stałej k = 2. Mostek utworzony z czujników i elementów obwodu

wejściowego zasilany jest napięciem fali nośnej ( 5 kHz ), wytworzonym przez generator.

Sygnał nierównowagi, otrzymany z obwodu, o amplitudzie proporcjonalnej do wartości

wielkości mierzonej, wzmocniony jest przez wzmacniacz pasmowy. Napięcie wyjściowe

wzmacniacza demodulowane jest w bloku. Napięcie z bloku podawane jest na:

- wewnętrzny przyrząd wskazówkowy,

- filtr dolnoprzepustowy o dwóch filtrowanych wyjściach.

Wyjście służy dla załączania oscylografu katodowego, a wyjście dla załączania pętli

oscylografu pętlicowego. Przy pracy kilku wzmacniaczy tensometrycznych typ TT - 6C

synchronizację ich generatorów fali nośnej przeprowadza się przez połączenie zacisków

synchronizacyjnych. Całość toru pomiarowego zasilana jest ze stabilizowanego zasilacza.

 

4.Półprzewodnikowe paski do mierzenia rozciągliwości.

 

Półprzewodnikowe paski służą do mierzenia rozszerzalności ( rozciągliwości ). Ze względu

na bardzo wielką czułość w porównaniu z drutem DMS wynikają dla użytkownika

następujące korzyści:

- możliwość mierzenia mniejszych rozszerzeń niż za pomocą drutu DMS, przy takiej samej

sprawności pomiarowej,

- większa sprawność pomiarowa niż za pomocą drutu DMS przy równych wartościach

pomiarowych umożliwia wykonanie pomiarów bez wzmacniacza, albo też przy zastosowaniu

bardzo nieznacznego wzmacniacza.

I tak np. pasek ten można zainstalować w zwykłym ( prostym ) mostku Wheatstone'a, albo

też w niewymagającym zastosowania wzmacniacza przyrządzie pomiarowym HLW.

Możliwe jest również przyłączenie do kompensatora, albo do wzmacniacza 5 kHz.

Do naklejania półprzewodnikowych pasków wszystkich typów na obiekty pomiarowe

należy używać wyłącznie kleju Plastafenal E/D, który musi hartować się ( twardnieć ) się na

gorąco, a dozwolona temperatura pomiarowych nie może przekraczać 120 oC ( 150 oC ).

W przypadku mniejszych wymagań w zakresie dokładności pomiarowej można stosować na

zimno twardniejący klej Epiloks EGK 19 o twardości 3, przy czym temperatura obiektów

nie może przekraczać 50 oC ( 90 oC ).

Podstawowym elementem półprzewodnikowych pasków do pomiaru rozszerzalności jest

sztabka z półprzewodzącego krzemu. Na końcach jest ona zaopatrzona w elektrody, do

których przyspawane są przewody dopływowe. Niektóre typy sztabów nie są powleczone,

inne natomiast - w celu lepszego manipulowania i dla ochrony powleczone są żywicą

fenolowe.

Sposób działania półprzewodników pakowych opiera się na efekcie piezorezystywnym.

Oznacza to, że odkształcenia piezorezystywnego ( opierającego się ściśliwości =

nieściśliwości ) materiału - szczególnie rozszerzenia ( wydłużenia, rozciągliwości ) -

powodują zmiany w oporze właściwym, które uzewnętrzniają się w zmianach oporności.

Półprzewodnik paskowy działa zatem jako selektywny i bardzo czuły miernik

rozszerzalności, który rejestruje występujące stan rozszerzenia zwłaszcza we wzdłużnej osi

paska krzemowego.

Występujący w obiekcie mierzonym stan rozciągliwości należy przenieść do aparatu

mierzącego przez staranne ( zgodne z instrukcją ) naklejenie półprzewodnika na obiekt

mierzony, za pomocą najlepiej dostosowanego kleju, możliwie bez strat.

Opór półprzewodnika zmienia się w wyniku umieszczenia go w nośniku ( otoczce ), albo w

wyniku naklejenia na zasadzie dodatkowego oporu, w zależności od użytego kleju oraz

temperatury klejenia.

Układ ten wprowadza się najczęściej do mostka Wheatstone'a.

 

III.Przebieg ćwiczenia.

 

1.Zamocować tensometry na kratownicy.

2.Podłączyć czujniki do wzmacniacza tensometrycznego typ TT - 6C w układzie pełnego

mostka po zapoznaniu się z instrukcją obsługi.

3.Włączyć wzmacniacz tensometryczny po zapoznaniu się z instrukcją obsługi.

4.Wyzerować i ustawić układ na odpowiedni zakres pomiarowy.

5.Obciążyć kratownicę siłami:

a / równomiernymi F1 = F2 = 150 kG,

b / nierównomiernymi F1 = 200 kG, F2 = 150 kG.

6.Dokonać pomiaru naprężeń działających w kratownicy po obciążeniu oboma zakresami

sił.

7.Dokonać odczytu naprężeń.

8.Zdjąć obciążenia.

9.Wyłączyć wzmacniacz tensometryczny.

Uwaga: przed wykonaniem pomiarów należy zapoznać się z instrukcją obsługi wzmacniacza

tensometrycznego.

 

IV. Uwagi do sprawozdania.

 

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

a / określenie celu ćwiczenia,

b / opisanie przebiegu ćwiczenia oraz budowy i zasady działania urządzeń pomiarowych,

c / wykonane obliczenia naprężeń powstających w kratownicy metodą Cremony przy

odpowiednich obciążeniach i skonfrontowanie wyników z wynikami otrzymanymi przy

pomocy urządzeń pomiarowych,

d / uwagi i wnioski.