Способ измерения деформаций растяжение-сжатие
METHOD FOR MEASURING PUSH-PULL STRAIN

Область применения
Способ измерения деформаций растяжение-сжатие относится к области измерительной техники контроля механических деформаций, силы, механического момента и т.п. Способ может найти применение в различных областях промышленности: системах контроля производственными процессами, системах телеизмерений, строительстве, механике и т.д.
Уровень техники
Широко известны емкостные датчики с воздушным или вакуумным зазором переменной толщины. Известен емкостный датчик для измерения механической силы [1]. Датчик содержит деформируемый блок-корпус с отверстием, в котором размещены подвижный и неподвижный электроды. Под воздействием веса измеряемой массы, приложенного к грузоприемной платформе, происходит изгиб верхнего и нижнего упругих элементов, смещение вниз жесткого бокового основания и боковой стенки отверстия с закрепленной на ней изолированной вставкой и подвижным электродом относительно противоположной стенки отверстия с закрепленной на ней изолированной вставкой с неподвижным электродом. Это приводит к изменению воздушного зазора и, следовательно, электрической емкости между двумя электродами пропорционально измеряемой силе. Данный датчик и способ измерения могут быть потенциально использованы и для измерения деформаций растяжения-сжатия исследуемого объекта. Недостатком данного датчика и способа измерения является низкая чувствительность при прямом измерении деформации (ввиду малости самой деформации в большинстве случаев), малой величине начальной емкости вследствие использования воздушного зазора в качестве диэлектрической прослойки.
Известен [2] поверхностный микромеханический датчик абсолютного давления и способ его изготовления. Датчик содержит, по меньшей мере, один фиксированный электрод и, по меньшей мере, один подвижный электрод, электрически изолированный и пространственно отделенный от указанного электрода. Часть подвижного электрода сформирована из пористого слоя поликристаллического кремния, причем указанный слой в полностью собранном компоненте остается в качестве интегральной части указанного гибкого электрода. Полость датчика находится под низким вакуумом, образуя изменяющийся низковакуумный объем чувствительного элемента датчика, пространственно отделяющий гибкий подвижный электрод от фиксированного электрода Недостатки данного датчика и способа измерения состоят в низкой чувствительности при прямом измерении деформации, малой величине начальной емкости вследствие использования вакуумного зазора в качестве диэлектрической прослойки.
Известны датчики, использующие твердотельные диэлектрические прослойки вместо газовых (воздушных) [3-4], что позволяет, в частности, увеличить диэлектрическую проницаемость и, соответственно, начальную емкость системы.
В патенте [3] описан датчик деформации, содержащий подвижную изоляционную прокладку, приклеенную на одном из участков к исследуемому объекту и имеющую на другом участке напыленный токопроводящий слой. При деформации исследуемого элемента приводится в движение сечение прокладки и линия склейки, что приводит к изменению площади перекрытия обкладок и изменению величины электрической емкости. Недостатком данного способа является низкая чувствительность ввиду малых значений абсолютных деформаций и, как следствие, изменений электрической емкости.
Наиболее близким аналогом из известных технических решений является датчик давления на основе слоев трех диэлектрических пленок, собранных в пакет [4]. Данное решение принято за прототип. Первая диэлектрическая пленка содержит основной экран, вторая диэлектрическая пленка содержит нижние обкладки с выводами и экран, обе пленки выполнены из твердого полиимида, на верхней поверхности третьей диэлектрической пленки сформирована ответная обкладка с выводом и экраном. Третья диэлектрическая пленка изготовлена из мягкого диэлектрика, поэтому при изменении давления на Δр изменяется расстояние между обкладками. В результате деформации третьего мягкого диэлектрика изменяется начальная емкость С, приращение емкости ΔС и относительное изменение емкости ΔС/С. Недостатком данного датчика и способа, им реализуемого, является невысокая относительная чувствительность при непосредственном детектировании деформаций  где ε - относительная деформация мягкого диэлектрика. В пределе малых деформаций ε, когда изменение расстояния между обкладками намного меньше самого этого расстояния, относительная чувствительность составляет  и не превосходит этого значения [5].
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является измерение деформаций растяжения-сжатия контролируемых объектов: деталей машин и механизмов, станков, строительных конструкций и др.
Технический результат предлагаемого способа измерения механических деформаций заключается в увеличении относительной чувствительности к детектированию деформации. Увеличение относительной чувствительности в рассматриваемом способе достигается вследствие преобразования деформации исследуемого объекта в деформацию упругого диэлектрика чувствительного элемента с помощью жесткой ленты.
Технический результат обеспечивается тем, что способ измерения деформаций растяжение-сжатие включает регистрацию величины емкости чувствительного элемента под приложенной деформацией и преобразование величины деформации растяжения-сжатия в деформацию диэлектрика, отличающийся тем, что в качестве чувствительного элемента используют проводящие пластины, разделенные слоем упругого диэлектрика, а преобразование величины деформации растяжения-сжатия исследуемого объекта в деформацию диэлектрика осуществляют с помощью жесткой ленты, закрепленной с натяжением на исследуемом объекте, при этом чувствительный элемент закрепляют на исследуемом объекте в предварительно сжатом состоянии, задаваемом и регулируемом с помощью натяжения жесткой ленты.
Описание чертежей
На фиг. 1 представлена схема реализации датчика на основе предлагаемого способа.
На фиг. 2 показана зависимость емкости датчика с базой 88 мм, реализующего предложенный способ, от приложенной к исследуемому объекту деформации растяжения-сжатия (калибровочные данные).
На фиг. 3 показана схема установки для калибровки датчика, реализующего способ.
На фиг. 4 показана зависимость емкости второго образца датчика с базой 85 мм, реализующего предложенный способ и использующего латексную пленку в качестве упругого диэлектрика, от приложенной к исследуемому объекту деформации растяжения (калибровочные данные).
На фиг. 5 показана зависимость емкости второго образца датчика с базой 85 мм, реализующего предложенный способ и использующего латексную пленку в качестве упругого диэлектрика, от приложенной к исследуемому объекту деформации сжатия (калибровочные данные).
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ измерения сложных деформаций основан на изменении электрической емкости вследствие сжатия межобкладочного диэлектрика и, соответственно, изменения расстояния между обкладками конденсатора. Последнее, в свою очередь, приводит к тому, что изменяется электрическая емкость конденсатора (чувствительного элемента). В качестве чувствительного элемента может быть использован плоский конденсатор с упругим диэлектриком, разделяющим обкладки.
Для реализации описанного способа в качестве чувствительного элемента используют проводящие пластины, разделенные слоем упругого диэлектрика (оксид, эластомер и пр.). Далее чувствительный элемент закрепляют на плоскости исследуемого объекта. Чувствительный элемент приводят в предварительно сжатое состояние с помощью жесткой ленты, закрепленной с натяжением на исследуемом объекте. Силу сжатия чувствительного элемента и, соответственно, его начальную электрическую емкость, задают и регулируют с помощью натяжения жесткой ленты. Предварительно проводят калибровку чувствительного элемента. Калибровку чувствительного элемента осуществляют, последовательно задавая растягивающие и/или сжимающие деформации ε с одновременной регистрацией величины электрической емкости, после чего формируют калибровочные данные. После калибровки чувствительного элемента производят измерения путем регистрации электрической емкости чувствительного элемента под приложенной деформацией, а расчет деформации осуществляют по калибровочным данным.
На фиг. 1 представлена схема реализации датчика на основе предлагаемого способа. При приложении деформации растяжения к объекту 1 точки крепления 4 механического элемента 3 расходятся, увеличивая натяжение последнего. Сила натяжения элемента 3 преобразуется в силу прижатия, действующую на обкладки чувствительного элемента 2. В результате межэлектродный диэлектрик испытывает деформацию сжатия, что приводит к увеличению емкости рассмотренного конденсатора. При возникновении деформации сжатия объекта, точки крепления 4 механического элемента 3 сходятся, уменьшая его натяжение, что в свою очередь уменьшает силу прижатия обкладок чувствительного элемента 2 и величину его емкости.
Датчик состоит из следующих элементов, показанных на чертеже (Фиг. 1). Чувствительного элемента 2, расположенного на поверхности измеряемого объекта 1. Чувствительный элемент выполнен в виде пластин из листового алюминия, оксидированного с помощью анодного окисления. При этом возможно анодирование как одной обкладки чувствительного элемента, так и обеих. Механического элемента 3 в виде нерастяжимой полосы из металла или иного материала. Элемент 3 закреплен в точках 4 на исследуемом объекте с предварительным натяжением. Предварительное натяжение регулируется по начальной величине емкости чувствительного элемента и позволяет измерять деформации сжатия исследуемого объекта, когда сила прижатия обкладок конденсатора уменьшается. Жесткой опоры 5 между механическим и чувствительным элементами, с помощью которой регулируется угол силы натяжения механического элемента по отношению к объекту. Выводы 6 служат для подключения датчика к измерительной аппаратуре.
Предварительно проводят калибровку чувствительного элемента. Калибровку чувствительного элемента осуществляют, последовательно задавая растягивающие и сжимающие ε деформации с одновременной регистрацией величины электрической емкости, после чего формируют калибровочные данные. Пример калибровочных данных представлен на Фиг. 2.
После калибровки чувствительного элемента производят измерения. Для измерения величины деформации чувствительный элемент закрепляют на исследуемом объекте в предварительно сжатом состоянии, которое задается и регулируется с помощью металлической ленты. Далее регистрируют электрическую емкость чувствительного элемента под приложенной деформацией, а расчет деформации осуществляют по калибровочным данным.
Увеличение относительной чувствительности в рассматриваемом способе достигается вследствие преобразования деформации исследуемого объекта в деформацию упругого диэлектрика с помощью жесткой ленты. Значительное удаление друг от друга точек крепления жесткой ленты к исследуемому объекту (база датчика) позволяет увеличить абсолютную деформацию жесткой ленты и, соответственно, упругого диэлектрика чувствительного элемента.
Описанный способ реализован следующим образом. Для калибровки чувствительного элемента при различных величинах сложной деформации использована установка, блок - схема которой изображена на Фиг. 3. Установка состоит из балки равного сопротивления [6], на которой монтируется чувствительный элемент и прижимающая лента (1). Измерения электрической емкости производятся с помощью измерителя (2). К кончику балки прикладывается сила  которая может вызывать изгиб балки в обе стороны.
Для возможности измерения деформации сжатия исследуемого объекта чувствительный элемент при калибровке, а также в процессе целевого измерения должен быть установлен в предварительно сжатом с определенным усилием состоянии. Деформация сжатия исследуемого объекта в свою очередь приводит к уменьшению механического сжимающего усилия, приложенного к чувствительному элементу, и испытываемой межобкладочным диэлектриком деформации сжатия.
2
2
Образец датчика, реализующего предлагаемый способ, был изготовлен следующим образом. В качестве обкладок использовались две пластины из алюминиевой фольги с размерами порядка 1×1 см. Предварительно обе пластинки анодировались в 20%-м растворе серной кислоты при плотности тока 10 мА/см. Каждая обкладка имела электрический вывод, соединенный с небольшим участком неанодированного алюминия с помощью пайки. Полученный конденсатор размещался на поверхности измеряемого объекта, в качестве которого использовалась балка равного сопротивления [6]. Балка толщиной h=5 мм была изготовлена из стали Ст3 и имела длину L=300 мм и ширину в основании b=98 мм (Фиг. 3). По этим характеристикам и модулю Юнга материала можно определить деформацию балки под действием заданной силы на ее кончик [6]. Механический элемент выполнен в виде стальной ленты и жестко крепился к балке в двух точках, разнесенных на определенное расстояние (база датчика) вдоль ее оси. Для регулировки угла силы натяжения использовалась жесткая опора (Фиг. 1). Форма опоры позволяет минимизировать поверхность соприкосновения ленты (механического элемента) и опоры, устранить резкие перегибы ленты.
Испытания проводились путем нагружения балки с помощью винтового натяжного устройства. Сила, приложенная к балке, измерялась с помощью электронного динамометра. Приложение силы, совпадающей по направлению с силой тяжести, вызывало изгиб балки с деформацией растяжения поверхности, на которой смонтирован датчик. Испытания на сжатие проводились с использованием простого блока, расположенного над балкой, т.е. изгиб балки происходил в противоположном направлении.
На Фиг. 2 приведена зависимость величины емкости изготовленного датчика с базой 88 мм от приложенной деформации. Отрицательным деформациям на графике соответствует сжатие. Увеличение емкости при растяжении, т.е. когда точки крепления датчика расходятся, связано с уменьшением расстояния между обкладками, вызванном увеличением силы прижатия. При деформации сжатия имеет место обратная ситуация, если существует ненулевая начальная сила прижатия обкладок. Эта сила задается исходным натяжением ленты. Измерения проводились на частоте 100 кГц с разрешением по электрической емкости 0.1 пФ.
На Фиг. 4 и 5 приведены зависимости емкости второго образца датчика, реализующего предлагаемый способ, при приложении к исследуемому объекту деформации растяжения и сжатия, соответственно. В данном образце в качестве упругого диэлектрика была использована латексная пленка. Ввиду отличающихся упругих свойств латекса для реализации работы на сжатие исследуемого объекта требуется большая по сравнению с режимом на растяжение сила начального сжатия, приложенная к чувствительному элементу, что приводит к большей начальной емкости (57 пФ по сравнению с 46 пФ). База сенсора составляла 85 мм. Измерения проводились на частоте 100 кГц с разрешением по электрической емкости 0.01 пФ.
Библиография
1. Патент РФ №2483283 «Емкостный силоизмерительный датчик», дата публикации 27.05.2013, заявка: 2011132156/28, 29.07.2011.
2. Патент РФ №2258914 «Датчик абсолютного давления с микрообработанной поверхностью и способ его изготовления», дата публикации 20.08.2005, заявка: 2003113320/28, 07.11.2001.
3. Авторское свидетельство СССР SU 462064 А1, год публикации: 1975, Номер заявки: 1875360.
4. Патент РФ №2589494 «Емкостной инерционный датчик давления, способ его сборки и способ измерения давления», дата публикации 10.07.2016, заявка: 2015108301/28, 11.03.2015.
5. Датчики: Справочное пособие / Под общ. ред. В.М. Шарапова, Е.С. Полищука. Москва: Техносфера, 2012. 624 с.
6. Экспериментальные методы определения напряжений и деформаций: учебное пособие / В.П. Забродин, А.А. Серегин, М.В. Суханова, А.Б. Портаков. - Зерноград: Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВО Донской ГАУ, 2017. - 104 с.