ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЙ

Датчик для измерения напряжений
Полезная модель может быть использована при создании больших сооружений - плотин гидроэлектростанций, высотных зданий, атомных электростанций, подземных сооружений, горных выработок и при ведении добычных работ в подземных условиях для осуществления постоянного контроля за строительными конструкциями и горными выработками.
В настоящее время известны датчики для измерения напряжений, используемые в различных измерительных комплексах и работающих на принципе фотоупругости (см. К.А. Ардащев и др. «Методы и приборы для исследования проявлений горного давления. М., «Недра, 1981).
Описанный в указанном источнике датчик содержит полый цилиндр и закрепленный на нем элемент из оптически активного материала.
Недостатком известного датчика является сложность конструкции и недостаточная точность измерения.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в повыщении точности измерений и упрощении конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что датчик для измерения напряжений содержит полый цилиндр и закрепленный на нем, по меньшей мере, один элемент из оптически активного материала, выполненный в виде кремниевой пластины, обработанной потоком электронов с образованием интерференционных картин и закрепленной на внутренней поверхности цилиндра. Пластины могут быть расположены равномерно по окружности. Цилиндр может быть выполнен металлическим и, в частном случае, представлять кольцо (цилиндр малой высоты).
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 показан датчик для измерения напряжений, осевое сечение; на фиг.2 - то же, поперечное сечение; на фиг.З показана блок-схема комплекса, в котором используются датчики.
Датчик содержит металлический цилиндр 1 с закрепленными на его внутренней поверхности кремниевыми пластинами 2, размещенными равномерно по окружности.
Датчик может быть использован в следующих случаях.
В процессе строительства высотных зданий происходят усадки, которые, если не вести за ними контроль, могут привести к разрушению отдельных конструкций в сего сооружения в целом.
При проведении горных выработок и ведении горных работ в подземных условиях, особенно в местах земной коры с большим горным давлением для предотвращения разрушения и больших внезапных выбросов горных пород необходимо вести постоянный контроль за состоянием горного давления.
Основные проблемы механики грунтов - выявление закономерностей деформирования грунтов под различными нагрузками и воздействиями. Разработка общих и прикладных решений теории предельного напряженного состояния для оценки прочности грунтовых оснований и сооружений и устойчивости взаимодействуюших с ними сооружений, определение давления грунтов на ограждения возможны с применением современных методов измерения давления непосредственно в массиве или сооружении.
Механические свойства строительных материалов, конструкций и сооружений, а также грунтовых оснований и сыпучих грунтов выражаются через две основные характеристики, определяющие состояние материалов и конструкций - напряжение (усилие, давление) и деформацию. Для прогнозирования процессов развития разрушения необходимо вести учет давления начального момента его развития и наиболее оптимален метод прямого измерения напряжений.
Такой процесс возможен при закладке в горный массив или строительную конструкцию малогабаритных датчиков давления устойчивых к агрессивным средам и выдерживающих значительные колебания природных условий длительный промежуток времени, исчисляемый годами и десятками лет.
Для таких целей наиболее подходящим является кремний, обработанный узконаправленным потоком электронов для создания в структуре дефектов, позволяющих получать специальные интерференционные картинки, изменяющиеся при приложении к пластинкам изгибающих напряжений (увеличение или уменьщение нагрузки или давления на датчик) и которые с помощью специальных устройств считываются и по разработанным методикам с помощью компьютерных программ преобразуются в цифровые величины.
Для измерения давлений наиболее надежными и простыми являются устройства с деформирующимися преобразователями (активные датчики). В приборах данного типа по величине осадки, смятия или вдавливания определяется давление, величины упругих деформаций позволяют определить приращение действующих в массиве напряжений, а пластические (реологические) - оценить постоянно действующие напряжения. Основная особенность таких устройств заключается в их малой жесткости при значительном диапазоне измеряемых относительных деформаций.
Принцип действия предлагаемого устройства этого типа основан на том, что при изменении диаметра скважины (щпура) изгибаются упругие элементы, которые выполняются в виде пластин 2, наклеенных на стенки металлического цилиндра 1. В качестве деформируемых преобразователей могут быть использованы короткие металлические цилиндры 1 - кольца, вклеиваемые в стенки скважин. На металлические кольца 1 наклеиваются кремниевые пластинки 2, предварительно обработанные ускорителем электронов для получения заданной поляризационной картинки. Под
влиянием деформации поверхности элемента первоначальное положение изохром меняется, а величина смещения изохром характеризует величину деформации, по которой рассчитывается действующее напряжение. Закономерности оптического поглощения кремния изменяются пропорционально прилагаемым тангенциальным нагрузкам, т.е. в видимой области спектра параметры комплексного показателя преломления весьма существенно зависят от напряженного состояния поверхности кремниевых пластинок 2.
Предлагаемый активный датчик фиксации механических напряжений (фиг. 1, 2) в горных породах, а также в бетонных конструкциях представляет собой металлический цилиндр 1 (медный или алюминиевый) диаметром 40 мм, чувствительные элементы - кремниевые пластины 2, устанавливаемые под углом относительно друг друга 60 или 90 в зависимости от их числа (например, 6 или 4).
Принципиальная схема всего малогабаритного измерительного комплекса статического (горного) давления показана на блок-схеме (фиг.З).
В исследуемый объект или конструкцию устанавливаются активные датчики 3, условно изображенные прямоугольниками, нумерация которых должна быть строго регламентирована и занесена в память компьютера.
После установки датчиков производится съемка с помощью лазерного сканера 4 в определенном диапазоне частот интерференционных картин с кремниевых пластин 2.
После считывания исходные данные поступают в аппаратуру 5 синхронизации динамических, электрических и световых процессов и направляются в компьютер 6 для дальнейшей обработки по специально разработанным программам, для построения эпюр напряжений в местах измерения нагрузок, а также общей картины нагрузок исследуемого объекта.