СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF MEASURING DEFORMATION AND APPARATUS FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения деформации грунта, горных пород, зданий, сооружений и железобетонных конструкций.
Известны «Способ определения напряженно-деформированного состояния изделия из ферромагнитного материала и устройство для его осуществления. Способ включает измерение нормальной составляющей магнитного поля вдоль поверхности изделия в различных его точках, определение градиента величины напряженности магнитного поля между концами зафиксированного по длине отрезка линии, при этом первоначально измеряют нормальную составляющую магнитного поля одновременно в двух точках между концами зафиксированного по длине отрезка линии, затем измеряют составляющую одновременно в двух точках на концах зафиксированного по длине отрезка линии, компланарно отстоящего вдоль поверхности изделия на расстоянии от первоначального отрезка (з-ка №98117174, G01L 1/12, G01N 27/72, оп. 27.06.2000 г.).
Недостатком вышеуказанного способа является сложность обработки получаемой информации, зависимость показаний от величины и направления внешнего магнитного поля.
Наиболее близким техническим решением является «Способ определения полей механических напряжений из ферромагнитных материалов», включающий намагничивание в виде разнонаправленных участков детали из ферромагнитного материала, сканирование магнитного поля рассеяния локально намагниченных участков датчиком (патент РФ №2154262, G01L 1/12, оп. 10.08.2000 г., прототип).
Недостатком вышеуказанного способа является зависимость нормальной составляющей магнитного поля рассеяния от позиционирования датчика и влияния предыдущих напряжений на результаты последующих измерений.
Известны устройства для преобразования деформаций (механических напряжений) в электрический сигнал дроссельного или трансформаторного типа, в которых по ЭДС индукции или самоиндукции катушки, снабженной ферромагнитным сердечником, судят о величине действующих в данное время деформаций (М.Н.Гуманюк. Магнитоупругие силоизмерители, стр 35-71. Киев. Технiка, 1981 г., с.182).
Недостатком рассматриваемых устройств является необходимость охватывающей чувствительный элемент катушки (катушек), невозможность работы в режиме запоминания деформации самим магнитоупругим преобразователем.
Наиболее близким техническим решением является «Устройство для измерения силы», содержащее измерительный элемент, намагничивающую катушку, датчик магнитного поля, измерительный элемент, изготовленный в виде проволоки из материала, обладающего магнитоупругим гистерезистом (а.с. СССР №1647296, G01L 1/12, оп. 07.05.1991 г., прототип).
Недостатком вышеуказанного устройства является зависимость показания датчика от его положения относительно чувствительного элемента, зависимость показаний от механической предистории нагружения, в результате чего делается невозможным измерение, если предыдущие нагрузки превышали действующую в момент измерения нагрузку, а также отсутствие устройств для фиксации датчиков поля.
Предлагаемое нами техническое решение устраняет вышеперечисленные недостатки, повышает точность измерения деформаций объектов за счет исключения влияния температурного изменения размеров металла измерительного элемента, позволяет осуществлять измерение деформации как в режиме памяти пиковой нагрузки, действовавшей в заданном интервале времени, так и в аналоговом режиме в любой момент времени и расширяет возможности применения измерительного элемента для измерения деформаций измеряемых длинномерных объектов.
Поставленная цель достигается тем, что способ измерения деформации включает локальное намагничивание измерительного элемента с последующей регистрацией магнитного поля рассеяния, при этом осуществляют разнонаправленное локальное намагничивание одного или нескольких заданных участков измерительного элемента, выполненного из материала с пьезомагнитным эффектом остаточно намагниченного состояния, затем измерительный элемент многократно нагружают и разгружают до деформации, превышающей максимальную рабочую деформацию, после чего под заданной нагрузкой осуществляют локальное намагничивание одного или нескольких заданных участков измерительного элемента, выполненного из материала с магнитоупругим гистеризисом, затем измеряют тангенциальную составляющую магнитного поля рассеяния на заданных участках измерительного элемента с пьезомагнитным эффектом остаточной намагниченности и на заданных участках с магнитоупругим гистеризисом, сканируя заданные участки датчиком поля и регистрируя распределение магнитного поля рассеяния по длине измерительного элемента в виде магнитограммы, величину действующей в момент измерения деформации измерительного элемента определяют по величине магнитного поля заданного участка измерительного элемента с пьезомагнитным эффектом и по градуировочному графику зависимости деформации (ε) от магнитного поля рассеяния (Н) через заданный интервал времени повторяют измерения на заданных участках, обладающих пьезомагнитными свойствами, и участках с магнитоупругим гистеризисом, полученные значения магнитного поля рассеяния сравнивают с первоначальными значениями магнитного поля рассеяния этих участков, максимальное значение деформации измерительного элемента, имевшей место в заданном интервале времени после разнонаправленного локального намагничивания, определяют по изменению величины магнитного поля рассеяния на участках измерительного элемента, обладающих магнитоупругим гистерезисом, и по градуировочному графику зависимости ε от ΔН.
Устройство для измерения деформации включает измерительный элемент, изготовленный из ферромагнитного материала, намагничивающую катушку, датчик магнитного поля, измерительный элемент, дополнительно снабжено элементами крепления, которыми зафиксирован измерительный элемент, выполненный составным или монолитным с участками из материала, обладающего магнитоупругим гистерезистом и пьезомагнитным эффектом, термокомпенсатором, размещенным на элементе крепления и соединенным с измерительным элементом, сканирующим устройством с феррозондовым датчиком, выполненным с возможностью перемещения вдоль измерительного элемента, при этом термокомпенсатор выполнен из материала, отвечающего следующему соотношению:
t
t
t
α·L·ΔT=α·L·ΔT,
t
t
t
где α - температурный коэффициент длины материала термокомпенсатора; L - длина термокомпенсатора; L - длина измерительного элемента; ΔT - изменение температуры термокомпенсатора; ΔТ - изменение температуры измерительного элемента; α - температурный коэффициент длины материала измерительного элемента. Устройство дополнительно снабжено, по меньшей мере, двумя подставками, расположенными под измерительным элементом, а элементы крепления выполнены в виде опор с крепежными изделиями.
На фиг.1 изображено устройство для осуществления способа измерения деформации грунта, на фиг.2 изображен график распределения напряженности магнитного поля по длине измерительного элемента.
Устройство для измерения деформации зафиксировано на объекте контроля 1, например на грунте, и содержит элементы крепления 2, составной или монолитный измерительный элемент 3, выполненный из ферромагнитного магнитострикционного материала, термокомпенсатор 4 и сканирующее устройство с феррозондовым датчиком, соединенное с магнитометром (на фиг.1 не показано).
Объект контроля 1 представляет собой горную породу, здание, сооружение, грунт, железобетонные конструкции и т.п. Если объект контроля 1 протяженный, то устройство для измерения деформации многократно дублируют.
Элементы крепления 2 представляют собой, например, опоры с крепежными изделиями, хомуты с крепежными изделиями и т.п. Элементы крепления 2 расположены на объекте контроля 1 с заданным расстоянием между собой и предназначены для передачи деформации объекта контроля 1 измерительному элементу 3. Элементы крепления 2 выполнены из немагнитного материала, например дюраля, титана, дерева.
Измерительный элемент 3 зафиксирован на объекте контроля 1 элементами крепления 2 и соединен термокомпенсатором 4.
Например, один конец измерительного элемента 3 закрепляется на кольце 5 и пропускается через один элемент крепления в виде опоры с крепежными изделиями 2, а другой конец измерительного элемента 3 закрепляется в термокомпенсаторе 4, зафиксированном на другом элементе крепления в виде опоры с крепежными изделиями 2 в натянутом состоянии с заданной деформацией (Фиг.1).
Составной измерительный элемент 3 выполнен из ферромагнитного магнитострикционного материала и представляет собой, по меньшей мере, два участка, например, проволоки или троса, жестко соединенных между собой, при этом один участок, например, проволоки или троса выполнен из материала с эффектом магнитоупругой памяти (обладает магнитоупругим гистерезисом), например, из стали 30X13 после ее старения при температуре 550°С, а другой участок, например, проволоки или троса выполнен из материала с линейным пьезомагнитным эффектом остаточно намагниченного состояния (обладает пьезомагнитными свойствами), например, из стали 30X13, отпущенной при температуре 300°С.
Монолитный измерительный элемент 3 выполнен из ферромагнитного магнитострикционного материала, который обладает пьезомагнитным эффектом остаточно намагниченного состояния и магнитоупругим гистерезисом (эффектом магнитоупругой памяти) и представляет собой, например, проволоку или трос.
Термокомпенсатор 4 установлен и зафиксирован на элементе крепления 2. Термокомпенсатор 4 предназначен для уменьшения влияния температурного изменения размеров металла измерительного элемента 3 на результаты определения деформации исследуемого объекта контроля 1. Термокомпенсатор 4 выполнен из материала, отвечающего следующему соотношению критерия компенсации:
t
t
t
α·L·ΔT=α·L·ΔТ,
t
где α - температурный коэффициент длины материала термокомпенсатора 4;
t
L - длина термокомпенсатора 4;
L - длина измерительного элемента 3;
t
ΔT - изменение температуры термокомпенсатора 4;
ΔТ - изменение температуры измерительного элемента 3;
α - температурный коэффициент длины материала измерительного элемента 3.
t
t
t
Если размеры измерительного элемента 3 невелики, то можно считать, что ΔT=ΔТ и α·L=α·L.
t
t
-6
-6
Если термокомпенсатор 4 выполнен, например, из тефлона4, у которого при комнатной температуре α=280·10, а у измерительного элемента 3 α=10·10, то для компенсации температурной деформации потребуется термокомпенсатор 4 длиной L=17,8 см при длине L=500 см измерительного элемента 3.
Сканирующее устройство с феррозондовым датчиком выполнено с возможностью перемещения вдоль измерительного элемента 3 для снятия данных о его магнитном поле рассеяния на заданных участках 6, обладающих пьезомагнитным эффектом остаточно намагниченного состояния, и на заданных участках 7, обладающих магнитоупругим гистерезисом, измерительного элемента 3.
Например, сканирующее устройство с феррозондовым датчиком выполнено в виде параллелепипеда с канавкой на его торце, на боковых поверхностях канавки зафиксированы два феррозондовых полузонда датчика магнитного поля. Измерительный элемент 3 располагают в канавке сканирующего устройства с феррозондовым датчиком. В процессе снятия данных о магнитном поле рассеяния на заданных участках 6 и 7 измерительного элемента 3 два феррозондовых полузонда датчика магнитного поля размещают параллельно оси измерительного элемента 3 и в одной плоскости с осью измерительного элемента 3.
Устройство для измерения деформации дополнительно снабжено, по меньшей мере, двумя подставками 8, размещенными под измерительным элементом 3.
Подставки 8 служат для исключения несанкционированного прогиба (нагружения) измерительного элемента 3 при осуществлении процедуры намагничивания и измерения.
Способ измерения деформации осуществляют следующим образом.
Первоначально на одном или нескольких заданных участках 6 монолитного или составного измерительного элемента 3 создают разнонаправленное локальное намагничивание в виде двух антипараллельно намагниченных (разнонаправленных) зон под заданной нагрузкой, при этом измерительный элемент 3 расположен с возможностью деформации под действием растягивающей силы. Например, один конец измерительного элемента 3 закреплен в термокомпенсаторе 4, а другой конец измерительного элемента 3 закреплен в кольце 5, расположенном в другом элементе крепления 2 с возможностью перемещения в нем под действием контролируемой силы заданной нагрузки. Создание разнонаправленного локального намагничивания заданных участков 6 осуществляют, например, посредством Ш-образного электромагнита с намагничивающей катушкой, помещенной на центральном магнитопроводе, или постоянными магнитами. Для этого Ш-образный электромагнит приставляют к заданному участку 6 измерительного элемента 3, например, в месте расположения подставки 8 и несколько раз, например 3-5 раз, пропускают по Ш-образному электромагниту импульс намагничивающего тока.
После этого осуществляют многократное чередование, например 20 раз, нагружения и разгружения измерительного элемента 3 до деформации, превышающей максимальную рабочую деформацию объекта контроля 1, например, посредством динамометра, прикрепляемого к кольцу 5. В процессе многократного чередования нагружения и разгружения измерительного элемента 3 снимается необратимая часть намагниченности измерительного элемента 3 и остается квазиобратимая часть локальной разнонаправленной намагниченности, которая, как и ее магнитное поле рассеяния, линейно зависит от деформации.
После этого на одном или нескольких заданных других участках 7 монолитного или составного измерительного элемента 3, работающих в режиме деформационного размагничивания (магнитоупругой памяти), выполненного из материала, обладающего магнитоупругим гистерезисом, осуществляют Ш-образным электромагнитом или постоянным магнитом локальное намагничивание в виде двух антипараллельно намагниченных (разнонаправленных) зон и оставляют их в состоянии остаточной намагниченности.
Затем измеряют деформацию на заданных участках 6 и 7 посредством измерения тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния на одних заданных участках с пьезомагнитным эффектом остаточной намагниченности и на других заданных участках с магнитоупругим гистеризисом измерительного элемента с помощью сканирующего устройства с феррозондовым датчиком, который, сканируя заданные участки 6 и 7, регистрирует распределение магнитного поля рассеяния по длине измерительного элемента 3 в виде магнитограммы.
На Фиг.2 отражено распределение тангенциальной составляющей магнитного поля рассеяния по длине измерительного элемента, где:
а - режим магнитного пьезоэффекта остаточно намагниченного состояния;
б - режим деформационного размагничивания - магнитоупругого гистеризиса (магнитоупругой памяти).
мак
мин
мак
мин
По данным магнитограммы определяют разность максимальных и минимальных значений тангенциальных составляющих магнитного поля рассеяния (сумму по абсолютной величине) в разнонаправлено намагниченных зонах заданного участка 6 с пьезомагнитным эффектом и строится градуировочный график зависимости ε от Н=Н-(-Н)), а также строится градуировочный график зависимости ε от ΔН=ΔН+ΔН на заданном участке 7 с магнитоупругим гистеризисом.
После этого определяют величину действующей в момент измерения деформации измерительного элемента 3 по величине разности напряженности в максимуме и минимуме магнитного поля рассеяния на заданных участках 6, обладающих пьезомагнитными свойствами.
мак
мин
Через заданный интервал времени повторяют измерения на заданных участках 6, обладающих пьезомагнитными свойствами, и заданных участках 7 с магнитоупругим гистеризисом, полученные значения магнитного поля рассеяния сравнивают с первоначальными значениями магнитного поля рассеяния заданных участков 6 и 7 и по изменению разности максимальных значений тангенциальных составляющих магнитного поля рассеяния на заданных участках 7, обладающих магнитоупругим гистерезисом, и по градуировочному графику зависимости ε от ΔН=ΔН+ΔН определяют максимальное значение деформации измерительного элемента 3, действовавшей в заданном интервале времени после намагничивания.
По величине магнитного поля Н на заданном участке 6 определяют деформацию измерительного элемента 3, действовавшую в момент измерения и, соответственно, деформацию объекта контроля 1.
мак
мин
мак
мин
Построение градуировочных графиков зависимостей для пьезомагнитного эффекта (ε от Н=Н-(-Н)) и магнитогистерезисной составляющей магнитоупругого преобразователя (ε от ΔН=ΔН-ΔН) осуществляют с помощью стенда для механических испытаний, например Р50.
Предлагаемые нами технические решения повышают точность измерения деформаций объектов за счет исключения влияния температурного изменения размеров металла измерительного элемента, позволяют осуществлять измерение деформации как в режиме памяти пиковой нагрузки в заданном интервале времени, так и в аналоговом режиме в любой момент времени и расширяет возможности применения измерительного элемента для измерения деформаций объектов по его магнитному полю.