ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
STRAIN-GAGE TRANSDUCER

Область техники
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, для измерения деформаций или 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
На сегодняшний день для измерения деформаций или напряжений наиболее широко используются преобразователи на основе тензорезисторов (Экспериментальная механика: В 2-х книгах: Книга 1. Пер. с англ. / Под ред. А.Кобаяси - М.: Мир, 1990, с.54-98) [1].
Недостатками тензорезисторов являются низкая чувствительность, небольшой динамический диапазон измерений, низкая воспроизводимость процедуры наклейки тензорезистивных датчиков на исследуемый объект, качество которой определяет чувствительность датчика.
Известно, что для измерения деформации используется пьезооптический (фотоупругий) эффект. В работе (Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, №11, с.45-48) [2] описана схема пьезооптического преобразователя, состоящая из оптически связанных: источника света, поляризатора, фотоупругого элемента, фазовой пластины, анализатора и фотоприемника, и показано, что чувствительность пьезооптических измерительных преобразователей на три порядка выше, чем у тензорезистивных.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому тензометрическому преобразователю является пьезооптический измеритель деформации объекта (авторское свидетельство SU 1536196) [3], содержащий опорные платы для крепления на контролируемом объекте, фотоупругий элемент, закрепленный на одной из плат, и два стержня, установленные между фотоупругим элементом и второй платой. Стержни расположены соосно оси нагрузки, причем один стержень выполнен в виде полого цилиндра, в другой - в виде сплошного цилиндра, частично расположенного внутри полого. Деформация контролируемого объекта передается через сплошной и полый цилиндры на чувствительный элемент, выполненный из фотоупругого материала, что приводит к изменению величины светового потока, прошедшего сквозь фотоупругий элемент и падающего на фотоприемник, и, соответственно, к изменению электрического сигнала на выходе фотоприемника по синусоидальному закону в зависимости от величины деформации. Температурная компенсация в данном измерителе осуществляется с помощью двух нагревательных элементов, расположенных на обоих цилиндрах, подключенных дифференциально к усилителю электронной схемы измерителя.
Недостатком данного измерителя является то, что измеритель работает только на сжатие. При этом, для обеспечения максимальной чувствительности к деформации, фотоупругий элемент изначально должен быть ненагружен, чтобы исходная точка измерителя находилась в середине восходящего (или нисходящего) участка синусоидальной зависимости сигнала, т.е. неизбежно предполагается наличие некоего зазора (люфта) между фотоупругим элементом и цилиндром, передающим деформацию, что негативно влияет на точность измерений. Другим недостатком измерителя является сложная система термокомпенсации, содержащая два нагревателя, что приводит к большому времени срабатывания датчика, ограниченного теплопроводностью стержней.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в создании тензометрического преобразователя, который с одинаково высокой чувствительностью работает на сжатие и на растяжение и в котором для достижения термокомпенсации не требуется дополнительных устройств.
Технический результат - расширение функциональных возможностей, упрощение конструкции, повышение ее надежности и точности измерения деформаций.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве, включающем нагрузочный элемент, закрепляемый на контролируемом объекте, и пьезооптический преобразователь, преобразующий величину напряжений на фотоупругом элементе в электрический сигнал, и блок обработки сигнала, нагрузочный элемент представляет собой пластину, обеспечивающую концентрацию напряжений на фотоупругом элементе, фотоупругий элемент закреплен в пластине в заведомо нагруженном состоянии и таким образом, что, действие исходной силовой нагрузки осуществляется в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Закрепление фотоупругого элемента в пластине в заведомо нагруженном состоянии обеспечивает работу тензометрического преобразователя как на сжатие, так и на растяжение, действие исходной силовой нагрузки в двух взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивает неизменность распределения напряжений в фотоупругом элементе при деформациях, связанных с изменением температуры, что в свою очередь обеспечивает температурную независимость сигнала.
Для повышения эффективности передачи измеряемой деформации на фотоупругий элемент пластина может иметь переменное сечение, в частности, в месте крепления фотоупругого элемента иметь утоньшение.
Крепление фотоупругого элемента в пластине в заведомо нагруженном состоянии может быть обеспечено выполнением в центре пластины конусовидного отверстия, ось которого лежит в плоскости, перпендикулярной оси нагружения, при этом фотоупругий элемент выполнен в виде усеченного конуса, причем углы конуса отверстия и конуса фотоупругого элемента совпадают и равны конусу Морзе.
Действие исходной силовой нагрузки в двух взаимно перпендикулярных направлениях может быть достигнуто за счет того, что в центре пластины выполнены два взаимно перпендикулярных сквозных разреза, не нарушающих целостности пластины, оси которых составляют 45° к оси нагружения. Центры разрезов совпадают с центром конусного отверстия для крепления фотоупругого элемента. Благодаря разрезам, фотоупругий элемент зажат в четырех точках, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях.
Снижение влияния изменения температуры на показания преобразователя достигается тем, что вышеупомянутые сквозные разрезы имеют разную длину.
В качестве материала фотоупругого элемента может быть использован, например, плавленый кварц, обладающий высоким порогом пластической деформации и высоким порогом разрушения на сжатие, что обеспечивает высокий динамический диапазон измерений деформаций и надежность преобразователя.
Обоснование введенных признаков
Фотоупругий элемент вставляется в отверстие в пластине с определенным усилием, которое обеспечивает надежное крепление фотоупругого элемента в пластине посредством конуса Морзе. Так как фотоупругий элемент изначально сжат, то преобразователь с одинаковой чувствительностью работает как на сжатие, так и на растяжение. При этом фотоупругий элемент зажат в четырех точках, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях. При изменении температуры 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 компенсация преобразователя. За счет предлагаемого способа крепления фотоупругого элемента, формы выполнения пластины, исключения дополнительных термокомпенсационных устройств достигается упрощение конструкции и повышение точности измерений деформации.
Таким образом, предлагаемая совокупность признаков, определяющая конструкцию тензометрического преобразователя, позволяет достичь заявленного технического результата: расширения его функциональных возможностей, упрощения конструкции, повышения ее надежности и точности измерения деформаций.
Описание преобразователя
Описание устройства поясняется чертежом 1, где 1 - нагрузочный элемент (пластина), 2 - монтажные отверстия. Пластина имеет утоньшение в месте крепления фотоупругого элемента 3. Фотоупругий элемент 3 закреплен в пластине с помощью конуса Морзе. В центре пластины выполнены два перпендикулярных друг другу сквозных разреза разной длины 4, не нарушающих целостность пластины, оси которых составляют 45° к оси нагружения X, центры разрезов совпадают с центром конусного отверстия для крепления фотоупругого элемента 3. Благодаря разрезам, фотоупругий элемент зажат в четырех точках, расположенных в двух взаимно перпендикулярных направлениях Х и Y.
Описание работы устройства
х
х
Тензометрический преобразователь работает следующим образом. Нагрузочный элемент 1 закрепляют на исследуемом объекте посредством монтажных отверстий 2, таким образом, чтобы ось пластины совпадала с осью нагружения X. Деформация растяжения или сжатия, возникающая в контролируемом объекте в направлении X, передается пластине 1 через места крепления 2. Деформация пластины передается на фотоупругий элемент 3, что приводит к дополнительному сжатию (+δσ) или растяжению (-δσ) фотоупругого элемента. В результате в пьезооптическом преобразователе возникает дополнительная разность фаз ±δΔ между взаимно перпендикулярными компонентами поляризации луча, прошедшего сквозь фотоупругий элемент, что приводит к изменению электрического сигнала на выходе фотоприемника пьезооптического преобразователя, который регистрируется и обрабатывается блоком обработки сигнала.
Источники информации
1. Экспериментальная механика: В 2-х книгах: Книга 1. Пер. с англ. / Под ред. А.Кобаяси - М.: Мир, 1990, с.54-98.
2. Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, №11, с.45-48.
3. Авторское свидетельство SU 1536196.