Тензо измерительная система. Тензодатчики

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Политехнический институт (филиал) в г. Каменске-Уральском

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по теме:

Тензо измерительная система.

Тензодатчики.

 

 

 

 

Выполнил студент        

гр. МВ-490310-КУ:      Васильев.В.С.

 

Проверил преподаватель:      Раскатов.Е.Ю.

 

 

 

 

 

Каменск-Уральский

2014г. 

Оглавление

 

Термины и определения 4

 

Введение 5

 

1. Тензометрический метод исследования  НДС натурных конструкций 6

 

1.1 Общие сведения 6

 

1.2 Требования, предъявляемые к  тензометрии 7

 

1.3 Классификация тензометров 7

 

1.4 Методика тензометрии 9

 

2. Примеры реализации метода 11

 

Заключение 13

 

Список источников 14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термины и определения

 

Мониторинг технического состояния зданий и сооружений – система наблюдения и контроля, проводимая по определенной программе, утверждаемой заказчиком, для выявления объектов, на которых произошли значительные изменения напряженно-деформированного состояния несущих конструкций или крена, и для которых необходимо обследование их технического состояния. (изменения напряженно-деформированного состояния характеризуются изменением имеющихся и возникновением новых деформаций или определяются путем инструментальных измерений).

 

Напряженно-деформированное состояние (НДС) конструкции — совокупность внутренних напряжений и деформаций, возникающих при действии на неё внешних нагрузок,

 

температурных полей и других факторов. НДС определяется расчётными и экспериментальными методами в виде распределения напряжений, деформаций и перемещений в конструкции и является основанием для оценки статической прочности.

 

Тензометрия (от лат. tensus — напряженный и греч. metron — мера) — способ измерения напряженно-деформированного состояния конструкции. Базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали с помощью тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры.

 

Тензометрический датчик (тензодатчик) — это специальное оборудование для измерения деформации конструкции под воздействием какой-то силы (сила тяжести, сила давления).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Напряженное состояние служит критерием прочности, которое, однако, не может быть оценено прямыми методами. Как правило, напряженное состояние определяется через деформации или какие-либо сопутствующие изменению напряжения эффектами (изменение оптических или магнитных свойств, частотных характеристик и т.п.).

Тензометрирование  является  основным  методом  исследования  прочности,

 

деформативности, надежности конструкций и материалов.

 

Тензометрические исследования имеют большое значение вследствие усложнения форм и условий эксплуатации конструктивных элементов, поскольку при этом существенно снижаются точность и достоверность инженерных расчетов.

 

Тензометрические методы могут быть использованы для решения многих задач связанных с эксплуатацией инженерных конструкций, задач, решение которых аналитическими и численными методами невозможно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Тензометрический метод исследования НДС натурных конструкций

 

1. Общие сведения

 

НДС определяется расчётными и экспериментальными методами в виде распределения напряжений, деформаций и перемещений в конструкции и является основанием для оценки статической прочности. При расчётах НДС определенным образом идеализируется расчётная схема. Различают общее и местное НДС. Общее НДС определяется в силовых элементах конструкции без учёта концентрации напряжений, вызванных местными конструктивно-

 

технологическими особенностями (отверстиями, выточками и пр.). Местное НДС определяется вблизи концентратора напряжений с учётом вида концентратора и приложенной нагрузки. При расчётном методе исследования местного НДС вид нагрузки может быть определён из предшествующего расчёта общего НДС.

Изменение НДС конструкций может быть вызвано множеством причин: плохое качество строительных материалов, нарушения в проекте и в строительных работах, неравномерная осадка фундамента инженерного сооружения, просчеты в проектировании нагрузок и многие другие.

Рассмотрим тензометрический метод определения напряжённого состояния конструкций, основанный на измерении местных деформаций. Методы и средства тензометрии обеспечивают выявление причин разрушений по результатам исследования напряжённо-

 

деформированного состояния элементов конструкции, позволяют находить наиболее оптимальные и совершенные конструктивные решения, изучать влияние различных технологических факторов на прочность конструкций и т. п.

 

Тензометрический метод объединяет большинство известных способов оценки напряженного состояния, однако чаще под тензометрией понимают совокупность прямых методов и средств измерения деформаций.

 

Для перехода к напряжениям используют специальные зависимости, связывающие напряжения и деформации в упругой и за пределами упругой работы материала.

 

Тензометрический метод базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали с помощью тензодатчиков и регистрирующей аппаратуры.

 

Тензодатчик представляет собой резистор, сопротивление которого изменяется при деформации. Его приклеивают к поверхности тестируемой детали, так, чтобы он деформировался вместе с ней. Используются одиночные тензорезисторы или блоки тензорезисторов, соединённые по схеме моста или полумоста.

Регистрирующая аппаратура называется тензостанция. До 1980-х годов она представляла

 

собой комплекс самописцев, регистрирующих значения сигналов датчиков на бумаге. Развитие

 

 

компьютерной техники и аналого-цифрового преобразователя изменило облик этой аппаратуры. На настоящий момент стала возможна не только регистрация сигналов тензодатчиков, но и их компьютерный анализ в реальном времени и автоматическая выдача управляющих сигналов для изменения режима работы тестируемой конструкции.

 

 

1.2 Требования, предъявляемые  к тензометрии

 

Инженерные конструкции работают в широком диапазоне температур, переменной влажности, при высоких давлениях, циклических и импульсных внешних воздействиях, в них имеются остаточные сварочные и технологические напряжения. По этим причинам к методам и средствам тензометрии при исследовании инженерных сооружений предъявляются следующие требования:

 

- широкий диапазон (1…100 000 е.о.д.) для  измерения малых и больших (пластических)

 

деформаций;

 

• обеспечение измерений на ограниченных участках в зонах концентрации напряжений при измерительной базе 0,5…5 мм, а также на элементах из макронеоднородных материалов при размерах базы свыше 50…100 мм;

 

• обеспечение необходимой точности и надежности измерений при статическом,

 

циклическом и динамическом тензометрировании с частотами до нескольких десятков кГц;

 

• выполнение измерений в климатическом диапазоне температур;

 

• высокая стабильность, постоянство масштаба измерений и относительная независимость от внешних воздействий в течение длительного времени (месяцы и годы);

 

• возможность автоматической дистанционной регистрации деформации (до 100 м и более) во многих точках конструкции (1000 и более) и т.п.

 

Из известных методов и средств тензометрии перечисленным требованиям в наибольшей степени отвечает метод резистивной тензометрии, использующей в качестве первичных средств тензопреобразователи активного сопротивления или тензорезисторы.

 

 

1.3 Классификация  тензометров

 

Для мониторинга динамики развития напряжений в конструкциях здания используются тензометрические датчики различных видов. Выбор тензодатчика определяется местом и способом установки, а также примерной нагрузкой на датчик.

 

По  принципу  действия  тензометры  делятся  на  механические,  оптические,

 

пневматические, струнные (акустические) и электрические.

 

 

При выборе тензодатчиков основное внимание уделяется точности измерений,

 

устойчивости к химическому и физическому воздействию, сроку службы. К этим общим требованиям на нашем рынке на выбор еще влияют доступная цена, экономичность в процессе эксплуатации, работоспособность в различных природных условиях, при очень низкой или высокой температуре.

Для надежности и долгого срока службы многие тензодатчики имеют специальную защиту от грязи и влажности. Данные о защите тензодатчика от влияния внешних факторов используется рейтинг IP (Ingress protection rating), который обязательно прописывается в технической документации на тензодатчик.

 

Самыми востребованными тензодатчиками являются датчики с электронной системой для обработки сигнала. Принцип работы таких тензодатчиков заключается в том, что сила,

 

воздействующая на конструкцию, вызывает деформацию упругой конструкции тензодатчика.

 

Деформация вызывает сопротивление тензорезистора, которая отражается в выходном сигнале.

 

Струнные тензометрические датчики (изготавливаются из закаленного металла для надежности) - для контроля напряженно-деформированного состояния стальных и железобетонных несущих конструкций.

 

Закладные струнные тензометрические датчики - для контроля армирующих металлоконструкций непосредственно перед заливкой их бетоном для измерения деформаций в наиболее нагруженных по результатам расчетов конструктивных элементах зданий:

 

фундаментной плите, стенах, колоннах и т.д.

 

Но наибольшее применение при тензометрировании натурных конструкций находят электрические тензометры сопротивления — тензорезисторы. Диэлектрическая подложка тензорезистора соединяется с чувствительной решёткой и исследуемой конструкцией связующим материалом. Принцип действия тензорезисторов основан на изменении электрического сопротивления чувствительной решётки при ее деформировании вместе с конструкцией. Изменение деформации конструкции (ε) определяется по формуле

(ε) = (∆)R/kR,

 

где (∆)R — изменение номинального сопротивления R, k — коэффициент чувствительности.

 

Используют следующие виды тензорезисторов: проводниковый и полупроводниковый, у

 

которых чувствительные элементы выполнены соответственно из металлической проволоки или фольги и из полупроводникового материала; термо- и тензорезистор, содержащий термо- и

 

тензочувствительные элементы и тензорезисторную розетку, у которой на общей подложке устанавливается несколько чувствительных элементов с главными осями, ориентированными под определёнными углами друг к другу. Выпускаются тензорезисторы для криогенных (ниже

 

 

—150(°)С), нормальных (20(±)15(°)С), повышенных (до 300(°)С) и высоких (до 600(°)С)

 

температур, что позволяет осуществлять тензометрирование при нестационарных тепловых процессах. Температурные приращения сопротивления в рабочем диапазоне температур учитываются путём применения различных схем компенсации или внесением соответствующих поправок при обработке результатов. Тензорезистор является составной частью информационно-измерительной системы для тензометрирования конструкций и представляет собой комплекс технических средств, обеспечивающих получение информации о тепловом,

деформированном и напряжённом состояниях. В такой комплекс для тензометрирования натурной конструкции входят тензорезисторы, измерительные коммутаторы и устройства,

 

пульты оператора, аппаратура связи, ЭВМ, средства оперативного представления и оформления информации.

 

 

1.4 Методика тензометрии

 

Принцип действия основан на свойстве электропроводящих материалов изменять свое электрическое сопротивление под действием приложенной к ним силы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1

 

Проволочные тензорезисторы представляют собой отрезок специальной проволоки,

 

концы которой жестко приклеиваются к обследуемой конструкции. В результате деформации конструкии проволока подвергается растяжению и сжатию. Следовательно, изменяется ее длина, поперечное сечение и удельное сопротивление, а значит, и электрическое сопротивление. Большое значение для чувствительности тензорезистора имеет качество подложки (основы) и клея.