УСТРОЙСТВО БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОЩАДИ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ НЕТОКОПРОВОДЯЩЕГО НИТЕВИДНОГО ОБРАЗЦА

Полезная модель относится к технике испытаний, в частности к устройствам для механических испытаний микропластиков (нитей, жгутов волокон) и может быть использовано для технической диагностики объекта подвергающегося нагружению при испытаниях на растяжение, а также для измерения и контроля площади поперечного сечения нетокопроводящего нитевидного образца микропластика.
Известно устройство, реализованное в способе бесконтактного измерения площади поперечного сечения микропроволоки, состоящее из массивного литого основания микроскопа, на котором жестко прикреплена скоба из листового дюралюминия, несущая на себе пластины из текстолита с просверленными отверстиями, в которых зафиксирована составная латунная шпилька, другая составная латунная шпилька зафиксирована посредством хомута из винилпласта на предметном столике микроскопа, испытуемого проволочного образца (струны) жестко закрепленного винтом в шпильке, другой конец струны перекинут через микроблок в торце шпильки и соединетея винтом с грузом, создающим необходимое натяжение проволоки, из звукового генератора через реостат и латунные шпильки, подающего напряжение к струне, постоянного магнита, расположенного на специальной платформе, покоящейся на кромках пластин и фиксирующейся винтом в нужном положении, частотомера. (Патент RU №2293947, 2007 г.).
Недостатками устройства является ограниченное использование данного способа, т.к. возможное измерение площади поперечного сечения только токопроводящих проволок и недостаточная точность измерения, т.к. наступление резонанса фиксируется визуально по максимуму амплитуды колебаний.
Наиболее близким по технической сущности решением является устройство бесконтактного измерения площади поперечного сечения нетокопроводящего нитевидного образца, содержащее звуковой генератор переменного тока, испытуемый образец, который жестко прикреплен с одной стороны к металлической опоре, другой конец перекинут через блок и соединен с грузом, под металлической опорой установлен электромагнит, обмотка которого соединена с входом звукового генератора переменного тока через горизонтальный вход осциллографа, к вертикальному входу которого через усилитель мощности подключен микрофон, с возможностью осевого перемещения над испытуемым образцом. (Патент RU №80552, 2009 г.).
Недостатками является недостаточная точность измерения, т.к. наступление резонанса выставляется недостаточно точно по максимуму амплитуды колебаний.
Цель полезной модели - повышение точности измерения и расширения-возможности увеличения диапазона контролируемых площадей поперечного сечения нетокопроводящих нитевидных образцов.
Указанная цель достигается тем, что в устройстве бесконтактного измерения площади поперечного сечения нетокопроводящего нитевидного образца, содержащем звуковой генератор переменного тока, испытуемый образец, который жестко прикреплен с одной стороны к металлической опоре, другой конец перекинут через блок и соединен с грузом, электромагнит, обмотка которого соединена со входом звукового генератора переменного тока через горизонтальный вход осциллографа, к вертикальному входу которого через усилитель мощности подключен микрофон, с возможностью осевого перемещения над испытуемым образцом, образец прикреплен к металлической опоре через пружину, под которой установлен электромагнит, груз выполнен по принципу винтовой пары: гайка, соединенная с рычагом, размещена в основании с возможностью вращения, а шток с ходовым винтом через тензометрический стакан связан с испытуемым образцом, под которым размещена дополнительная опора с возможностью осевого перемещения, причем на тензометрический стакан наклеен тензорезистор, подключенный к цифровому тензометрическому мосту.
Существенные отличия и новизна заключаются в том, что образец прикреплен к металлической опоре через пружину, под которой установлен электромагнит, груз выполнен по принципу винтовой пары: гайка, соединенная с рычагом, размещена в основании с возможностью вращения, а шток с ходовым винтом через тензометрический стакан связан с испытуемым образцом, под которым размещена дополнительная опора с возможностью осевого перемещения, причем на тензометрический стакан наклеен тензорезистор, подключенный к цифровому тензометрическому мосту.
Анализ известных технических решений 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 установка, на фиг.2 - фигуры Лиссажу на экране осциллографа.
Испытуемый образец 1 прикреплен с одной стороны через пружину 2 к металлической опоре 3, которая закреплена на основании 4, а другой конец перекинут через блок 5 и соединен с грузом 6. Под пружиной 2 установлен электромагнит 7, обмотка которого соединена с входом звукового генератора 8 переменного тока через горизонтальный вход осциллографа 9, к вертикальному входу которого через усилитель мощности 10 подключен микрофон 11, с возможностью осевого перемещения над испытуемым образцом 1. Груз 6 выполнен по принципу винтовой пары: гайка 12, соединенная с рычагом 13, размещена в основании 14 с возможностью вращения, а шток 15 с ходовым винтом 16 через тензометрический стакан 17 связан с испытуемым образцом 1, под которым размещена дополнительная опора 18 с возможностью осевого перемещения, причем на тензометрический стакан 17 наклеен тензорезистор 19, подключенный к цифровому тензометрическому мосту 20.
Устройство работает следующим образом. Вращение рычага 13, через с гайку 12 создает растягивающие усилия в образце 1. Вынужденные поперечные колебания нетокопроводящего нитевидного образца 1 возбуждаются благодаря взаимодействию протекающего переменного тока звукового генератора 8 в электромагните 7 и пружине 2. Резонанса колебаний испытуемого образца 1 можно добиться путем плавного изменения частот звукового генератора 8. Акустические колебания образца 1 преобразуются в переменное напряжение с помощью микрофона 11 и усиливаются усилителем мощности 10.
Полученный электрический сигнал, пропорциональный частоте, амплитуде и фазе колебаний, подается на вертикальный вход осциллографа 9, а на его горизонтальный вход подается сигнал от звукового генератора 10.
При сложении двух гармонических сигналов на экране осциллографа 9 образуются фигуры Лиссажу. Так как на установившемся режиме нитевидный образец 1 совершает колебания с частотой вынуждающей силы, то полученное изображение имеет форму эллипса, наклон и соотношение полуосей которого зависят от соотношения фаз и амплитуд колебаний нитевидного образца 1 и вынуждающей силы.
При приближении частоты вынуждающей силы к частоте собственных колебаний возрастает амплитуда колебаний нитевидного образца 1 и пропорциональный сигнал, вырабатываемый микрофоном 11, вследствие чего увеличивается соответствующая ось эллипса. Одновременно, вследствие изменения сдвига фаз между вынуждающей силой и колебаниями нитевидного образца 1, меняется наклон осей эллипса. При резонансе нитевидного образца 1 оси эллипса становятся параллельны координатным осям, а при дальнейшем увеличении частоты эллипс продолжает поворачиваться и занимает положение в соседней, по сравнению с исходной, четверти координатной плоскости (фиг.2, а).
Так как незначительному изменению частоты вынуждающей силы вблизи резонанса соответствует большое изменение сдвига фаз, то поворот эллипса при переходе через резонанс происходит практически мгновенно.
Наступление резонанса определяется в момент "переброса" эллипса. Величина частоты определяется по лимбу звукового генератора 8. Установив частоту резонансных колебаний нитевидного образца 1, определяют соответствующую этому режиму форму колебаний.
Амплитуда колебаний нитевидного образца 1 на узловых линиях равна нулю, а точки поверхности нитевидного образца 1, равноудаленные от узловой линии, совершают колебания в противофазе. Поэтому при перемещении микрофона 11 в направлении узловой линии эллипс деформируется и поворачивается, вырождаясь в узлах в отрезок прямой, горизонтальной координатной оси, а при прохождении узловой линии продолжает поворачиваться, занимая положение в соседней четверти координатной плоскости (фиг.2, б).
Перемещая микрофон 11 вдоль нитевидного образца 1 и наблюдая за перемещением фигур Лиссажу, подсчитывают количество и расположение узловых линий в продольном направлении, т.е. определяют форму колебаний нитевидного образца 1.
Для повышение точности измерения и расширения возможности увеличения диапазона контролируемых площадей поперечного сечения нетокопроводящих нитевидных образцов более точно определяется момент наступления резонанса. Для этого для конкретного материала образца 1 при изменении частоты в определенном диапазоне подводят дополнительную опору и перемещая вдоль образца 1 изменяют в процессе эксперимента его длину, а также вращая рычаг 13, соединенного с гайкой 12, изменяется растягивающее усилие в образце 1. Величина растягивающего усилия замеряется тензо-резистором 19, наклеенном на тензометрическом стакане 17, подключенным к цифровому тензометрическому мосту 20, определяется по формуле;
,
ст
где r - радиус тензостакана;
ст
h - толщина стенки тензостакана;
ст
Е - модуль упругости материала тензостакана.
Площадь поперечного сечения нитевидного образца 1 можно определить из выражения для частоты его собственных поперечных колебаний. Как известно (Физический энциклопедический словарь. Т.5 Изд-во «Советская энциклопедия», с.98), гибкая натянутая между опорами нить при ее возбуждении совершает поперечные колебания с собственной частотой
где n - номер гармоники, L - длина нити, Т - сила ее натяжения, ρ - плотность материала нити, S - площадь ее сечения.
Измерив длину нити, силу ее натяжения, определив частоту собственных колебаний, зная плотность материала нити, из формулы (1) определяют площадь поперечного сечения нитевидного образца.
Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет повысить достоверность испытаний и расширить их возможности за счет увеличения диапазона контролируемых площадей поперечного сечения нетокопроводящих нитевидных образцов. За счет того, что определяется уточненная площадь поперечного сечения образца и осуществляется непрерывный одновременный контроль в процессе растяжения до разрушения образца механических параметров (усилие и удлинение), можно повысить достоверность определения физико-механических характеристик однонаправленных пластиков, например, предела прочности.