ДАТЧИК ДЕФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к измерительным устройствам, более конкретно, к устройствам для измерения деформации твердых тел.
Преимущественная область применения - механические испытания образцов материалов на растяжение при нормальной температуре, в процессе которых осуществляется измерение относительного удлинения (деформации) испытываемого образца при приложении к нему силового воздействия.
Устройства для измерения относительного удлинения широко известны и представляют собой навесные датчики деформации (см. Испытательная техника. Справочник в двух томах под ред. д.т.н., проф. В.В. Клюева. М.. Машиностроение. 1982 г. Книга 2, стр.387-433) [1]. Конструктивно датчики деформации выполнены в виде корпуса, на котором жестко консольно закреплены две параллельные упругоподатливые на изгиб балочки с наклеенными на них тензорезисторами (далее по тексту - измерительные балочки), соединенными по мостовой схеме и воспринимающими изгиб измерительных балочек. Концы измерительных балочек имеют прижимы для закрепления датчика на испытываемом образце. Расстояние между прижимами нормировано и является исходной базой для измерения относительного удлинения образца.
В процессе приложения нагрузки к образцу последний деформируется и электрический мост, образованный тензорезисторами измерительных балочек и запитанный напряжением постоянного (или переменного) тока, формирует сигнал разбаланса, величина которого пропорциональна удлинению образца.
Одним из недостатков датчиков деформации тензометрического типа является узкий диапазон измерения удлинения образца, ограниченный линейной зоной упругого состояния материала измерительной балочки и максимально допустимой деформацией тензорезисторов, наклеенных на измерительную балочку. На практике диапазон измерения удлинения образца таких датчиков не превышает 10% от их измерительной базы, в то время как для большинства материалов удлинение образцов до момента разрыва превышает 30%.
Другим недостатком датчиков деформации тензометрического типа является необходимость снятия их с образца в процессе испытания (при достижении предела измерения датчика) из-за чрезмерных изгибающих нагрузок, которые могут привести к выходу из строя тензорезисторов, расположенных на измерительных балочках.
Следствием этих недостатков является невозможность при испытаниях записать полную диаграмму растяжения образца в координатах «нагрузка - деформация» от начала деформирования образца до его разрыва.
Прототипом заявляемой полезной модели является датчик деформации (авторы называют его тензометром), представленный в (Описание изобретения к а.с. №1288493. Бюллетень №5. 1987 г. Стр.154) [2], который частично свободен от указанных недостатков.
Тензометр содержит корпус, на котором закреплена опора, состоящая из двух частей, соединенных между собой шарнирно с возможностью перемещения одной части относительно другой за счет паза и штифта, дополнительную опору, элемент связи, индикатор относительного перемещения опор, элемент подвески опор, выполненный в виде Г-образного кронштейна, связанного через гибкую связь элементом связи. Тензометр содержит также механизм зажима и механизм блокировки опор, выполненный в виде плоской пружины и паза, в котором размещается опора и уступ, причем высота уступа выше зазора между опорой и пазом, а средняя часть пружины шарнирно связана с элементом связи. Механизм прижима выполнен в виде штока, эксцентриковой втулки, закрепляемой накидной гайкой на штоке, и стопорного элемента в виде винта. Шток установлен на основании, а части опоры подпружинены относительно элемента связи и корпуса тензометра пружинами.
Конструкция тензометра, взятого в качестве прототипа, обеспечивает повышение надежности датчика деформации за счет автоматического отвода опор тензометра от образца при деформации, превышающей заданное значение, тем самым обеспечивая его защиту от разрушения.
Недостаток прототипа, связанный с узким диапазоном измерения удлинения образца, по-прежнему неустраним в данной конструкции тензометра, поскольку для измерения относительного перемещения опор используется тензометрический преобразователь, линейная область использования которого ограничена величиной растяжения тензорезисторов при изгибе измерительной балочки и пределом упругости материала измерительной балочки.
Целью заявляемой полезной модели является расширение диапазона измерения удлинения образца вплоть до его разрыва.
Поставленная цель достигается за счет того, что, с целью расширения диапазона измерения удлинения образца верхняя опора и втулка, определяющая размер измерительной базы, нижняя опора и пружина последовательно и соосно расположены на направляющем штоке, а преобразователь перемещения размещен параллельно измерительной базе между верхней и нижней опорами.
Датчик деформации содержит верхнюю опору 1, втулку 2, определяющую размер измерительной базы датчика деформации, нижнюю опору 3, пружину 4, направляющий шток 5 и преобразователь перемещения 6.
Перечисленные элементы датчика деформации объединены в единую конструкцию следующим образом.
На направляющий шток 5, закрепленный в основании, устанавливается пружина 4, нижняя опора 3, втулка 2 и верхняя опора 1 с закрепленным на ней преобразователем перемещения 6, который своим подпружиненным измерительным щупом опирается в нижнюю опору 3.
Верхняя опора 1 представляет собой консольную конструкцию, в средней части которой имеется сквозное отверстие, на конце консоли расположен прижим, фиксирующий верхнюю опору 1 на испытываемом образце, а с противоположной стороны размещены элементы крепления преобразователя перемещения 6.
Втулка 2 представляет собой калиброванный по торцам цилиндр, высота которого определяет размер измерительной базы датчика деформации.
Нижняя опора 3, как и верхняя опора 1, также представляют собой консольную конструкцию, в средней части которой имеется сквозное отверстие, на конце консоли расположен прижим, фиксирующий нижнюю опору 3 на испытуемом образце, а с противоположной стороны имеется площадка, на которую опирается измерительный щуп преобразователя перемещения 6.
Пружина 4 предназначена для поддержания в сомкнутом состоянии верхней опоры 1, втулки 2 и нижней опоры 3 для обеспечения высокой точности установки измерительной базы, на которой производится измерение относительного удлинения испытуемого образца. Пружина 4 имеет межвитковое расстояние, достаточное для того, чтобы до разрушения образца не происходило смыкания ее витков.
Направляющий шток 5 представляет собой цилиндрический стержень с антифрикционным покрытием, по которому в процессе деформации образца перемещаются верхняя опора 1, втулка 2 и нижняя опора 3. Датчик деформации закрепляется на неподвижной части испытательной машины, например, на одной из ее колонн.
В качестве преобразователя перемещения 6 может быть применен датчик перемещения с любым принципом действия: потенциометрическим, индуктивным, трансформаторным, магнитострикционным, оптоэлектрическим и др. Единственной конструктивной особенностью такого датчика является подпружиненный измерительный щуп.
Предлагаемый датчик деформации работает следующим образом.
Для установки датчика деформации в требуемом месте на испытываемом образце верхняя опора 1 вместе с втулкой 2 и нижней опорой 3 перемещается по направляющему штоку 5 вдоль испытываемого образца. В требуемом месте производится фиксация верхней опоры 1 на образце. При этом в любом месте фиксации верхней опоры 1, втулка 2 и нижняя опора 3 остаются прижатыми посредством пружины 4 к верхней опоре 1, сохраняя с высокой точностью измерительную базу датчика. Затем фиксируется на образце нижняя опора 3.
При приложении нагрузки F к испытываемому образцу в направлении, указанном на рисунке, образец начинает удлиняться, расстояние между верхней 1 и нижней 3 опорами увеличивается, что фиксируется преобразователем перемещения 6 как удлинение Δℓ измерительной базы датчика деформации.
При разрыве образца верхняя опора 1 остается в неподвижном состоянии, нижняя опора 3 и втулка 2 продолжают перемещаться вдоль направляющего штока 5 до полной остановки источника приложения силы к образцу, подпружиненный щуп преобразователя перемещения 6 перемещается за нижней опорой 3 и при полном выходе щупа из корпуса преобразователя перемещения 6 остается в неподвижном состоянии.
После освобождения верхней 1 и нижней 3 опор от частей разрушенного образца пружина 4 прижимает нижнюю опору 3 и втулку 2 к верхней опоре 1, приводя датчик деформации в исходное положение.
Предлагаемая конструкция датчика деформации решает следующие поставленные задачи:
1. Измерение удлинения образца вплоть до его разрушения.
2. Защиту датчика деформации при разрыве образца за счет того, что опоры крепления датчика к образцу и втулка, определяющая размер измерительной базы, не имеют жесткой связи между собой и могут свободно перемещаться по направляющему штоку 5 независимо друг от друга.
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ:
1. Испытательная техника. Справочник в двух томах под ред. д.т.н., проф. В.В.Клюева. М.. Машиностроение. 1982 г. Книга 2, стр.387-433).
2. Описание изобретения к а.с. №1288493. Бюллетень №5. 1987 г. Стр.154.