ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
STRAIN-GAUGE SENSOR

Область техники
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.
Уровень техники
Известно, что пьезооптические преобразователи, используемые для измерения деформаций (напряжений), обладают наибольшей чувствительностью по сравнению с другими, например, с тензорезистивными преобразователями (Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, №11, с.45-48) [1].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому тензометрическому датчику является тензометрический датчик (Патент №2454642 от 29.03.2011) [2]. Датчик состоит из нагрузочного элемента, представляющего собой полый цилиндр с четырьмя продольными сквозными разрезами, не нарушающими целостности цилиндра, а фотоупругий элемент пьезооптического преобразователя закреплен в цилиндре таким образом, что оптическая ось пьезооптического преобразователя совпадает с осью цилиндра и перпендикулярна плоскости измеряемых деформаций. Фотоупругий элемент зажат стенками цилиндра, что обеспечивает работу тензометрического датчика как на сжатие, так и на растяжение. Четыре продольных сквозных разреза в стенках полого цилиндра нагрузочного элемента обеспечивают также действие исходной силовой нагрузки на фотоупругий элемент в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Недостатком данного тензометрического датчика является то, что сквозные разрезы в стенках цилиндра нарушают герметичность пьезооптического преобразователя, размещенного внутри цилиндра, что приведет к проникновению пыли и влаги внутрь преобразователя. Изготовление любой дополнительной конструкции, герметизирующей данные разрезы, либо не технологично, либо неизбежно приводит к увеличению жесткости нагрузочного элемента и, тем самым, к потере чувствительности тензометрического датчика.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в создании тензометрического датчика, который обеспечивает герметичность пьезооптического преобразователя без ухудшения чувствительности тензометрического датчика.
Технический результат - повышение надежности и точности измерения деформаций, повышение срока эксплуатации.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве, включающем нагрузочный элемент, представляющий собой полый цилиндр, закрепляемый на контролируемом объекте, пьезооптический преобразователь, преобразующий в электрический сигнал величину напряжений на фотоупругом элементе, который закреплен в заведомо нагруженном состоянии, при этом оптическая ось пьезооптического преобразователя совпадает с осью цилиндра и перпендикулярна плоскости измеряемых деформаций, и блок обработки сигнала, согласно изобретению нагрузочный элемент представляет собой сплошной полый цилиндр из упругого материала с толщиной стенок, обеспечивающей необходимую упругость нагрузочного элемента в направлении измеряемых деформаций и определяющей чувствительность тензометрического датчика, который с торцов герметично закрыт, а с внешней стороны снабжен жесткими выступами, расположенными симметрично относительно оси цилиндра, предназначенными для крепления тензометрического датчика на контролируемом объекте и передачи деформации этого объекта на фотоупругий элемент.
Отсутствие разрезов в стенках полого цилиндра, в котором размещен пьезооптический преобразователь, обеспечивает герметичность преобразователя при наличии герметичных крышек со стороны торцов цилиндра. Нагрузочный элемент с пьезооптическим преобразователем закрепляется на контролируемом объекте таким образом, чтобы ось пьезооптического преобразователя была перпендикулярна плоскости измеряемых деформаций. Монтаж нагрузочного элемента на контролируемом объекте осуществляется с помощью жестких выступов на наружной стороне стенки цилиндра, расположенных симметрично относительно оси пьезооптического преобразователя, которые снабжены монтажными отверстиями. Жесткие выступы обеспечивают передачу деформации контролируемого объекта на фотоупругий элемент, при этом стенки цилиндра не увеличивают существенно жесткость конструкции в направлении измеряемых деформаций, благодаря малой толщине стенок, и обеспечивают эффективность передачи деформации на фотоупругий элемент. Кроме того, малая толщина стенок цилиндра обеспечивает упругость конструкции, достаточную для закрепления фотоупругого элемента в цилиндре в заведомо нагруженном состоянии за счет того, что внешний диаметр фотоупругого элемента превышает внутренний диаметр посадочного места внутри полого цилиндра на величину, достаточную для крепления фотоупругого элемента за счет упругости тонких стенок цилиндра. При монтаже фотоупругого элемента внутри нагрузочного элемента стенки цилиндра упруго деформируются, благодаря малости толщины стенок и упругости материала цилиндра. После монтажа фотоупругий элемент зажат стенками цилиндра, что обеспечивает работу тензометрического датчика как на сжатие, так и на растяжение.
Количество наружных выступов может быть два (угол между выступами относительно оси цилиндра 180 градусов), четыре (угол между соседними выступами 90 градусов) или более.
При наличии четырех наружных выступов, малая толщина стенок полого цилиндра и жесткость выступов обеспечивают действие исходной силовой нагрузки на фотоупругий элемент в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Это, в свою очередь, обеспечивает неизменность распределения напряжений в фотоупругом элементе при деформациях, связанных с изменением температуры, как самого цилиндра, так и контролируемого объекта, что, в свою очередь, обеспечивает температурную независимость сигнала.
Фотоупругий элемент может иметь форму цилиндра или усеченного конуса.
Наибольшая эффективность передачи деформации на фотоупругий элемент достигается в конструкции, обеспечивающей расположение фотоупругого элемента на уровне поверхности контролируемого объекта.
Посадочное место фотоупругого элемента может быть образовано выступами на внутренней поверхности цилиндра в местах крепления наружных жестких выступов. В случае выполнения фотоупругого элемента в виде усеченного конуса, выступы образуют конусовидное отверстие, ось которого совпадает с осью цилиндра, причем углы конуса отверстия и конуса фотоупругого элемента совпадают и равны конусу Морзе, а средний диаметр фотоупругого элемента превышает средний диаметр отверстия на величину, достаточную для крепления за счет упругости стенок цилиндра.
Выступы на внутренней поверхности цилиндра обеспечивают концентрацию напряжений на фотоупругом элементе в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что повышает чувствительность датчика. Для большей концентрации напряжений на фотоупругом элементе выступы могут быть выполнены в виде ребер с уменьшенной площадью контакта с фотоупругим элементом.
В качестве материала нагрузочного элемента может быть использована легированная закаленная сталь.
В качестве материала фотоупругого элемента может быть использован, например, плавленый кварц, обладающий высоким порогом разрушения на сжатие, что обеспечивает высокий динамический диапазон измерений деформаций и надежность датчика.
Для повышения надежности крепления нагрузочного элемента к контролируемому объекту на наружных выступах могут быть выполнены зубья, лежащие в одной плоскости, контактирующие с поверхностью контролируемого объекта.
В некоторых случаях для измерения напряжений, например, в железобетонной балке, более удобным способом крепления нагрузочного элемента является его закрепление внутри монтажного отверстия, выполненного в контролируемом объекте, которое может быть как сквозным, так и глухим. В этом варианте конструкции датчика наружная поверхность выступов полого цилиндра выполнена в виде конуса Морзе. Монтажное отверстие в контролируемом объекте может иметь форму цилиндра или конуса Морзе, при этом средний диаметр монтажного отверстия должен быть равен среднему диаметру конуса Морзе нагрузочного элемента.
Обоснование введенных признаков
Так как цилиндр является сплошным, без разрезов, то герметичность пьезооптического преобразователя легко обеспечивается изготовлением герметичных крышек, закрывающих торцы цилиндра, а малая толщина стенок цилиндра не увеличивает жесткость конструкции в направлении измеряемых деформаций.
Так как фотоупругий элемент изначально сжат, то датчик с одинаковой чувствительностью работает как на сжатие, так и на растяжение. В случае четырех жестких выступов, фотоупругий элемент, благодаря упругости стенок цилиндра, зажат в двух взаимно перпендикулярных направлениях, лежащих в плоскости, параллельной плоскости измеряемых деформаций. Деформация контролируемого объекта, возникающая вдоль любого из указанных направлений, приводит к анизотропному сжатию или растяжению фотоупругого элемента, что, в свою очередь, приводит к возникновению сигнала на выходе пьезооптического преобразователя, пропорциональному величине деформаций. При изменении же температуры как цилиндра, так и контролируемого объекта фотоупругий элемент сжимается или разжимается изотропно, что не приводит к повороту вектора поляризации исходно поляризованного светового луча при прохождении через фотоупругий элемент. Благодаря этому достигается температурная независимость показаний тензометрического датчика.
За счет предлагаемого размещения пьезооптического преобразователя внутри нагрузочного элемента, представляющего собой сплошной полый цилиндр с тонкими упругими стенками, герметично закрытый с торцов, и способа его крепления на контролируемом объекте достигается герметизация пьезооптического преобразователя, в значительной мере продлевающая срок действия датчика без ухудшения чувствительности тензометрического датчика.
Таким образом, предлагаемая совокупность признаков, определяющая конструкцию тензометрического датчика, позволяет достичь заявленного технического результата: обеспечения герметичности пьезооптического преобразователя, повышения срока эксплуатации, повышения надежности и точности измерения деформаций в контролируемом объекте.
Описание тензометрического датчика
Описание устройства поясняется рисунками 1, 2, 3, 4, 5.
На рис.1 показана конструкция тензометрического датчика с фотоупругим элементом, выполненным в виде сплошного цилиндра, где 1 - нагрузочный элемент (сплошной цилиндр), 2 - наружные выступы с монтажными отверстиями (два, четыре или более), 3 - фотоупругий элемент. Торцы цилиндра 1 герметично закрываются крышками 4. На внутренних стенках цилиндра нагрузочного элемента выполнены выступы 5, также образующие цилиндрическую поверхность (посадочное место) для крепления фотоупругого элемента, при этом ось фотоупругого элемента и ось цилиндра посадочного места совпадают. Благодаря упругости стенок цилиндра, фотоупругий элемент зажат в направлении X (в случае в двух наружных выступов) или в двух взаимно перпендикулярных направлениях X и Y (в случае четырех и более наружных выступов). Пьезооптический преобразователь расположен внутри цилиндра так, что его оптическая ось 6 совпадает с осью цилиндра. Для повышения надежности крепления нагрузочного элемента 1 к контролируемому объекту 7 на наружных выступах 2 выполнены зубья 8.
На рис.2 показана конструкция тензометрического датчика с фотоупругим элементом 3, выполненным в виде конуса Морзе, выступы 5 на внутренней поверхности цилиндра нагрузочного элемента также образуют конус Морзе, при этом оптическая ось 6 фотоупругого элемента 3 совпадает с осью цилиндра.
На рис.3 показана конструкция тензометрического датчика с фотоупругим элементом 3, выполненным в виде конуса Морзе, на внутренней поверхности цилиндра нагрузочного элемента выступы 5 выполнены в форме ребер с уменьшенной площадью контакта с фотоупругим элементом 3, образующие конус Морзе для крепления фотоупругого элемента 3.
На рис.4 показан вариант конструкции тензометрического датчика с нагрузочным элементом 1, у которого внешняя поверхность наружных выступов выполнена в виде конуса Морзе для крепления внутри монтажного отверстия, в контролируемом объекте 7.
На рис 5 показана конструкция тензометрического датчика, в котором фотоупругий элемент 3 расположен на уровне поверхности контролируемого объекта 7.
Описание работы устройства
Тензометрический датчик работает следующим образом.
x,y
x,y
x,y
Нагрузочный элемент 1 закрепляют на поверхности исследуемого объекта 7 посредством наружных выступов 2 с монтажными отверстиями и зубьями 8 или посредством конуса Морзе внутри монтажного отверстия, выполненного в исследуемом объекте 7. Деформация растяжения или сжатия, возникающая в контролируемом объекте в направлении X (в случае двух наружных выступов) или X и Y (в случае четырех и более наружных выступов), передается цилиндру 1 через места крепления. Деформация стенок цилиндра передается на фотоупругий элемент 3, что приводит к дополнительному сжатию (+Δσ) или растяжению (-Δσ) фотоупругого элемента, где Δσ - изменение величины напряжения в фотоупругом элементе в направлении X или Y.
В результате в пьезооптическом преобразователе возникает дополнительная разность фаз ±Δ между взаимно перпендикулярными компонентами поляризации луча, прошедшего сквозь фотоупругий элемент, что приводит к изменению электрического сигнала на выходе фотоприемника пьезооптического преобразователя, который регистрируется, обрабатывается блоком обработки сигнала и выводится на индикаторную панель.
Использованные источники информации
1. Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, №11, с.45-48.
2. Патент №2454642 от 29.03.2011.