ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО УДЛИНЕНИЯ ОБРАЗЦА

Заявляемая полезная модель относится к измерительным устройствам, конкретно, для измерения деформации твердых тел.
При испытаниях арматурной стали на растяжение необходимо определять относительное удлинение образца после разрыва [1].
Относительное удлинение образца из арматурной стали определяется с помощью навесных и приставных датчиков деформации. Использование наиболее распространенных навесных тензорезисторных датчиков деформации растяжения с ножевыми опорами для этих целей затруднительно, т.к. образцы арматуры испытываются в условиях поставки арматурной стали, т.е. с необработанной поверхностью. Наличие окалины на арматуре и ее периодический профиль являются причиной проскальзывания ножевых опор, что приводит к недопустимой величине погрешности при определении относительного удлинения.
Для измерения деформации образцов из арматурной стали в качестве измерительных преобразователей чаще используются индуктивные, трансформаторные и растровые измерительные преобразователи [2], предел измерения которых достигает 50 мм и более. Это объясняется тем, что полная длина образца L из арматурной стали диаметром d≥20 мм должна быть L≥10d, и при d=60 мм составляет L≥600 мм, а относительное удлинение образца - ΔL≥40 мм (ΔL≥20%) [1].
Достоинством датчиков деформации с индуктивными и трансформаторными измерительными преобразователями является простота конструкции и широкий диапазон измерений (до 200 мм и более), а
недостатком - их сравнительно невысокая точность и ее зависимость от температуры.
Так, индуктивный преобразователь перемещения серии WА/L с пределом измерения 50 мм фирмы НВМ имеет основную погрешность ±0,01 L и дополнительную температурную погрешность ±0,001 L на 10°С, где L - предел измерения преобразователя [3]. Таким образом, преобразователь WA/L 50 может иметь суммарную погрешность ±0,6 мм (>1%). Аналогичные метрологические характеристики имеют трансформаторные преобразователи перемещения.
Известна конструкция измерителя деформации с растровым измерительным преобразователем [3], включающая два независимых дисковых растровых преобразователя, каждый из которых через тросик соединен с кареткой. Каретки могут перемещаться по вертикальным направляющим и уравновешиваются противовесами. Каретки имеют прижимы, которые с помощью специальной системы управления каретками перед испытанием устанавливают величину измерительной базы. Удлинение базового участка образца при растяжении определяется ЭВМ путем расчета величины разности перемещений двух кареток. Достоинством является высокая разрешающая способность (0,005 мм) и широкий диапазон измерений (от 10 до 1000 мм). Основной недостаток - сложность конструкции.
Наиболее близким аналогом предлагаемому устройству является датчик деформации серии Р9М фирмы Instron [4]. Датчик Р9М представляет собой два ярма, связанных между собой прямоугольным стержнем. Верхнее ярмо неразъемно соединено со стержнем, а нижнее ярмо, являющееся измерительным (на нем размещен измерительный преобразователь LVDT - линейный трансформаторный датчик перемещения), имеет возможность поворота при деформации испытываемого образца. При повороте измерительного ярма перемещается сердечник преобразователя LVDT, что приводит к пропорциональному увеличению его
выходного сигнала. Как уже указывалось, основным недостатком датчиков деформации с измерительными преобразователями трансформаторного типа является их недостаточная точность.
Целью заявляемой полезной модели является повышение точности измерения деформации образца из арматурной стали.
Данная цель достигается за счет того, что измерительная головка растрового преобразователя перемещения закреплена на неподвижном узле датчика деформации так, что подпружиненный шток растрового преобразователя перемещения опирается на торец стержня, другим концом соединенного с подвижным узлом датчика деформации и перемещающегося при деформации образца внутри полого цилиндра, жестко соединенного с неподвижным узлом датчика деформации, а фиксация размера измерительной базы датчика деформации производится штифтом, проходящим через отверстия в полом цилиндре и стержне.
Предлагаемый датчик деформации в качестве измерительного преобразователя использует оптико-электронный растровый преобразователь перемещения [5], принцип действия которого заключается в использовании в качестве меры длины линейки с нанесенными на нее оптически информативными дорожками в виде линейного регулярного растра и специального считывающего узла, реализующего оптическое растровое сопряжение с мерой длины (линейкой). Взаимное перемещение растров меры и считывающего узла идентифицируется с помощью оптико-электронных методов и, таким образом, осуществляется синхронное преобразование величины линейного перемещения в периодическую последовательность значений ортогональных электрических сигналов, количество которых кратно числу штрихов измерительного растра или дробной части их периода, содержащихся в измеряемом перемещении.
Конструктивно растровый преобразователь имеет два кинематически связанных функциональных узла: закрепляемую на конструкции
головку, внутри которой находится подпружиненный измерительный шток, при измерениях перемещающий считывающий узел.
Сущность полезной модели поясняется рисунком, на котором представлена конструкция предлагаемого датчика деформации для определения относительного удлинения образца.
Датчик деформации представляет собой конструкцию, состоящую из двух узлов: неподвижного 1 и подвижного 2. На неподвижном узле закреплена измерительная головка растрового преобразователя перемещения 3 так, что подпружиненный подвижный шток 4 растрового преобразователя перемещения 3 размещается внутри полого цилиндра 5. Стержень 6 имеет возможность перемещаться внутри полого цилиндра 5. Оба узла (неподвижный 1 и подвижный 2) имеют одинаковую конструкцию ярма 7, с помощью которых датчик деформации крепится к испытываемому образцу 8 посредством винтов 9. Штифтом 10, преходящим через отверстия в полом цилиндре 5 и стержне 6, фиксируется величина измерительной базы Б датчика деформации.
Предлагаемый датчик деформации работает следующим образом. При установке датчика на испытываемый образец 8 штифтом 10 зафиксировано положение стержня 6 внутри цилиндра 5. При этом подпружиненный шток 4 преобразователя перемещения 3 опирается на торец стержня 6. После закрепления датчика деформации винтами 9 на допытываемом образце 8 штифт 10 извлекается из отверстий и датчик готов к проведению испытания образца 8 на растяжение. При деформации образца 8 стержень 6 перемещается внутри цилиндра 5 вместе с опирающимся на его торец штоком 4 преобразователя 3, измеряя таким образом деформацию образца 8 вплоть до его разрыва.
Относительное удлинение образца в % определяется по формуле:
где: lо и lк - начальная и конечная длина расчетной части образца, соответственно (под расчетной частью понимается величина измерительной базы датчика деформации).
Предлагаемую полезную модель отличает простота конструкции и высокая точность измерения деформации испытываемых образцов из арматурной стали. Так, растровый преобразователь перемещения типа ЛИР-17 [5] в диапазоне измерения до 40 мм имеет абсолютную погрешность±2 мкм (±0,005%).
Использованные источники:
1. ГОСТ 12004-81. Сталь арматурная. Методы испытания на растяжение. Изд-во стандартов - М., 1986. - 15 с.
2. Приборы для измерений усилий и деформаций и определения физико-механических свойств материалов // Информприбор ТСП-24. - М., 2002. с.11-15.
3. Современные средства измерения деформации для механических испытаний конструкционных материалов // Информприбор ТС-7. - М., 1989. 56 с.
4. LVDT Axial Clip - On Extensometers for Rebar. Каталог фирмы Instron, 2002. - с.99-100 (www.instron.ru).
5. Преобразователи линейных перемещений производства СКБ ИС, г. Санкт-Петербург (http://www.skbis.rn).