УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ОБРАЗЦА, ВЫПОЛНЕННОГО ИЗ НИЗКОМОДУЛЬНОГО МАТЕРИАЛА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к определению линейных деформаций образца, выполненного из низкомодульного материала оптическими методами.
Известен оптический тензометр для измерения деформаций содержащий рычаги, ось вращения которых находится в корпусе тензометра, закрепленные на образце зажимами. На одном из рычагов закреплена считывающая головка, в которой размещены источник света и фотодиод, а на другом рычаге - прозрачная шкала со штрихами (Испытательная техника: Справочник. В 2-х кн./Под ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1982 - кн.2. 1982 - 394 с).
Недостатком данного устройства является низкая достоверность исследований, так как точность измерения зависит от числа делений на шкале и поэтому габариты такого устройства относительно больше, так как надо увеличивать длину рычагов и размеры шкалы и кроме того рычаги закреплены зажимами на образце.
Известно устройство для измерения малых перемещений объекта, содержащее лазер, три светоделительные призмы и фоторегистрирующий блок, причем светоделительный блок представляет собой три совмещенные своими гранями светоделительные призмы, установленные на объекте таким образом, что направления трех отраженных лазерных пучков перпендикулярны первоначальному направлению лазерного пучка, причем два из них направлены в противоположные стороны и скрещиваются под прямым углом с третьим, а в качестве фоторегистрирующего блока используются три неподвижных двухкоординатных фотоприемника с высоким разрешением, расположенных на пути распространения отраженных лазерных пучков (RU №2309380, МПК G01B 11/16, опубл. 27.10.2007).
Наиболее близким по технической сущности решением является устройство, реализующее способ определения деформаций образца, состоящее из источника монохроматического излучения, расщепителя, разделяющего пучок на два параллельных пучка одинаковой интенсивности, отражающих элементов, например, зеркал, закрепленных перпендикулярно оси, вдоль которой измеряется деформация, линзовой системы, диафрагмы, расположенной перед фотоприемником, усилителя, самописца для регистрации твердой копии сигнала с фотоприемника и ЭВМ. В качестве отражательных элементов могут быть использованы сферические зеркала, что может исключить необходимость применения линзовой системы. (Авторское свидетельство №1486780, кл. G01B 11/16, 1989).
Недостатками данных устройств является недостаточная достоверность исследований деформаций и механических характеристик образцов, выполненных из низкомодульных материалов, так как зеркала-отражатели закреплены на поверхности деформируемого образца, что влечет за собой отклонение его напряженного состояния в местах крепления зеркал от однородного и, как следствие, приводит к ошибкам в измерении деформации. (Миненков Б.В., Стасенко И.В. Прочность деталей из пластмасс, Москва, Машиностроение, 1977, стр.14).
Задачей полезной модели является повышение достоверности исследования и расширение возможностей, заключающиеся в том, что устраняются дополнительные связи, накладываемые на образец в местах крепления зеркал и в возможности определения коэффициента Пуассона низкомодульного материала.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве для измерения линейных деформаций образца, выполненного из низкомодульного материала, содержащее испытуемый образец, отражающий элемент, выполненный в виде криволинейного зеркала, монохроматический источник, расщепитель, разделяющий пучок на два параллельных пучка одинаковой интенсивности, фотоприемник, монохроматический источник и расщепитель расположены перпендикулярно к оси образца, установленного между площадками нагружающего устройства, отражающий элемент неподвижено закреплен за образцом по ходу светового луча, выполнен с радиусом большим радиуса поперечного сечения образца.
Новизна заключаются в том, что монохроматический источник и расщепитель расположены перпендикулярно к оси образца, установленного между площадками нагружающего устройства, отражающий элемент неподвижено закреплен за образцом по ходу светового луча, выполнен с радиусом большим радиуса поперечного сечения образца.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.
На чертеже (фиг.1) изображена принципиальная схема описываемого устройства.
Устройство состоит из испытуемого образца 1, выполненного из низкомодульного материала, расположенного между площадками нагружающего устройства (на фиг.1 не показаны, параллельны плоскости чертежа), источника 2 монохроматического излучения и расщепителя 3, разделяющего пучок на два параллельных пучка одинаковой интенсивности, расположенных перпендикулярно к оси образца 1, отражающего элемента 4, выполненного в виде неподвижного криволинейного зеркала с радиусом большим радиуса поперечного сечения образца 1, закрепленного за образцом 1 по ходу светового луча, фотоприемника 5.
Устройство работает следующим образом. От источника 2 монохроматического излучения и расщепителя 3, разделяющего пучок на два параллельных пучка одинаковой интенсивности лучи А и В, расположенных перпендикулярно к оси образца 1, направляются на отражающий элемент 4, выполненный в виде неподвижного криволинейного зеркала с радиусом большим радиуса поперечного сечения образца 1 и далее на фотоприемник 5, на котором образуется участок С, ограниченный лучами А и В, длина которого связана с поперечным размером образца 1. При нагружении образца 1 осевыми силами через площадки нагружающего устройства изменяются его продольные и, в соответствии с эффектом Пуассона, поперечные размеры.
Следуя за изменением поперечного размера образца 1, расщепитель 3 изменяет лучи А и В, направляет на отражающий элемент 4, изменяются их углы падения и отражения и, как следствие, изменяется длина участка С на фотоприемнике 5. Положение отраженных лучей до и после деформации образца 1 фиксируется на градуированной шкале фотоприемника 5. Небольшому изменению радиального размера образца, соответствует определенное изменение участка С, которое можно увеличить, тем самым увеличить точность определения изменения радиального размера образца, за счет коэффициента усиления, который вычисляется по следующему математическому выражению. Относительная длина неосвещенного участка на градуированной шкале
где  - относительное расстояние между центром кривизны зеркала и плоскостью градуированной шкалы;  - относительное изменение размеров образца;  - угол между направлением падения луча и радиусом, соединяющим центр кривизны зеркала с точкой падения луча.
Коэффициент усиления .
Зная заранее материал образца, можно рассчитать форму зеркала, при которой коэффициент усиления будет линейным в широком диапазоне поперечных размеров испытуемого образца, а также найти ту точку на поверхности зеркала, в которой коэффициент усиления будет максимальным и определить расстояния от образца до градуированной шкалы фотоприемника.
Далее математически обрабатывая полученные данные, определяют величину поперечной деформации. Сняв показания между площадками нагружающего устройства до нагружения и после, можем определить коэффициент Пуассона низкомодульного материала по формуле
поп
где ε - относительная деформация в поперечном направлении;
прод
ε - продольная относительная деформация. (Беляев Н.М. Сопротивление материалов, Москва, ″Наука″, 1976, стр.35).
За счет того, что замеряются деформации образца с двух сторон и берется среднеарифметическое показание, уменьшается ошибка, связанная с точностью измерения, и как следствие, повышается достоверность исследований.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет повысить достоверность исследований: путем исключения неоднородности напряженного состояния образца при нагружении, связанной с дополнительными связями, накладываемыми на образец в местах крепления отражающих элементов; за счет выбора коэффициента увеличения линейного в широком диапазоне поперечных размеров испытуемого образца и нахождения точки на поверхности зеркала, в которой коэффициент увеличения будет максимальным и определения расстояния от образца до градуированной шкалы фотоприемника; за счет уменьшения ошибки, связанной с точностью измерения деформации образца с двух сторон и учета среднеарифметического показания, а также расширение возможностей за счет определения поперечных относительных деформаций и определения коэффициента Пуассона низкомодульного материала.