регулировочный винт; 2 — стойка; •? - корпус; 4 — катушка; 5 — сердечник; 6

* 1

Рис. 4.15. Принципиальная схема _зп тротензометрической установки- *'

*_та- активный датчик; R _ _к '

сационныи датчик; R, Д™_ „„„ "**■
ры; У - усилитель; А - р^гистрир^
щий прибор ¹^риРУЧ.

U О------- '

индукционной катушки и сердечника устанавливается конденсатор с изменяемым зазором между пластинами).

Индукционные и емкостные датчики, как правило, съемные, т, е. могут использоваться многократно для различных измерений, в отличие от проволочных, фольговых и других тензорезисторов, которые наклеивают на конструкцию без последующего переноса на другое место. Однако они имеют значительную массу, что ограничивает их применение при динамических испытаниях.

В ЦНИИСе разработаны электронно-оптические датчики (автор А. И. Синявский), принцип действия которых основан на изменении светового потока в зависимости от измеряемой деформации (перемещения), преобразуемого в аналоговый электрический сигнал. На этом принципе разработаны конструкции и организовано малосерийное производство датчиков для измерения напряжений, линейных перемещений от 0,001 мм до 1000 мм, угловых перемещений до 40", регистрации напряжений при ударных воздействиях. Датчики обладают высокой чувствительностью, поэтому в ряде случаев их можно использовать без усилителей электрических сигналов.

Основным преимуществом этих датчиков является многократность их использования (съемность). Они имеют сравнительно небольшие габаритные размеры и массу, работают на постоянном токе, в связи с чем линии связи (кабели) не требуют экранной защиты-

Электроизмерительные устройства измеряют и регистрируют изменения электрических величин, передаваемых датчиками.

Рассмотрим принципиальную схему электротензометрической установки с использованием моста Уитстона (рис 4.15). Датчик, установленный на элементе конструкции и включаемый в одно из плеч электрического моста R, называется активным или рабочим. В два нижних плеча включены сопротивления R₁ и R₂. Для исключения влияния температуры в соседнее с активным датчиком плечо подключают аналогичный датчик R_rK, который называется компенсационным или температурным. Его устанавливают на образец, не подвергающийся силовым воздействиям, и материал которого имеет тот же коэффициент линейно-132

Метод непосредственного отсчета осуществляется по неравновесной схеме электрического моста. Питание электрического моста может осуществляться постоянным и переменным током высокой частоты. Мосты, питаемые постоянным током, применяют для измерения деформаций при кратковременных испытаниях статической и низкочастотной динамической нагрузками. При длительных испытаниях статической нагрузкой и при испытаниях динамической нагрузкой с частотой до 300 Гц применяют электрические мосты, питаемые переменным током высокой частоты (до 6-8 кГц).

Ток из диагонали электрического моста (см. рис. 4.15) через усилитель У: подается на регистрирующий прибор # (гальванометр, осциллограф или магнитограф). Усилители дают возможность значительно повышать чувствительность электроизмерительных устройств. Необходимо иметь в виду, что усилители усложняют электроизмерительные устройства и могут давать дополнительные погрешности при измерениях. Статические и динамические испытания при частотах до 20 Гц с использованием тензорезисторов можно проводить без усилителей, но при этом необходимо иметь высокочувствительные гальванометры или осциллографы.

Процесс измерений по методу непосредственного отсчета заключается в следующем. До загружения испытуемой конструкции выполняют приблизительную балансировку электрического моста путем изменения сопротивлений в плечах R_t и R_r Балансировку заканчивают при каком-то отличном от нуля показании прибора, которое записывают. Затем создают испытательную нагрузку, которая вызовет деформацию в зоне установки датчика. В результате произойдет изменение силы тока в диагонали электрического моста. Это изменение силы тока можно зарегистрировать путем снятия отсчета по прибору П. По разности отсчетов, снятых при ненагруженном и нагруженном состояниях, определяют величину изменения силы тока в диагонали моста, а по ней величину относительной деформации (напряжения) в испытуемом элементе ■

,v Рис. 4.16. Принципиальные схемы гальванометра (а) и записывающего устройства осциллографа Н044.1 (б):

1 — рамка (петля) из тонкой проволоки; 2 — постоянный магнит; 3 -
зеркальце; 4 - лампочка; 5 - конденсор; 6 - сферическая линза;
7 - цилиндрическая линза; 8 - барабан с фотолентой; 9 - плоские зерка
ла; 10 - цилиндрическое зеркало; 11 - экран наблюдения; 12 ____ импульс-

, ная лампа продольного графления; 13 — лампа отметки времени

Осциллограф представляет собой комплекс приборов и механизмов, смонтированных в одном блоке. Одним из основных приборов осциллографа является чувствительный гальванометр. Гальванометр (рис. 4.16, а) представляет собой рамку из тонкой проволоки 2, закрепленную на специальных пружинных подвесках в поле постоянного магнита 2. На рамке прикреплено маленькое зеркальце 3, Через рамку 1 пропускают ток из диагонали электрического моста. При проходе тока через рамку возникнет крутящий момент, который будет повертывать рамку на угол, пропорциональный силе тока. Так как сила тока в pajMKe изменяется пропорционально измеряемой деформации, то и УеЛ поворота рамки будет изменяться пропорционально ей. Таким образом, устанавливается прямая зависимость между углом поворота рамки гальванометра и измеряемой деформацией.

Рассмотрим принципиальную схему записывающего устройства магнитоэлектрического осциллографа (рис. 4.16,6). Запись измеряемой. Деформации на осциллографе производится следующим образом. Световой поток от лампочки 4 через конденсор 5, состоящий из двух цилиндрических линз, в виде горизонтальной полосы света попадает на окошки гальванометров, установленных в магнитном блоке. Световой поток, пройдя через сферические линзы 6 и отразившись от зеркаш 3 на рамках гальванометров в виде вертикально расположенных световых полосок, направляется на цилиндрическую линзу 7, фокусирующую

Рис. 4.17. Схема электрического моста, применяемого при методе нулевого измерения

световые полоски в точки на плоскости записи на фотоленте 8. При колебаниях рамки гальванометра вместе с ней колеблется зеркало, и меняется угол отражения в горизонтальной плоскости. Отраженный луч света перемещается в горизонтальной плоскости, и если при этом перемещается фотолента, то на ней запишется развернутый во времени процесс изменения измеряемых деформаций (напряжений). Часть световой полоски, отраженная зеркалом 3 на рамке гальванометра, попадает на зеркало 9, затем на вогнутое цилиндрическое зеркало 10, которое отражает свет на матовый экран 11 визуального наблюдения. На ленте, кроме записи исследуемых процессов, производятся продольное графление бумаги и запись отметок времени с помощью ламп 12 и 13.

В зависимости от частоты записываемого процесса устанавливается скорость перемещения фотоленты.

Современные осциллографы позволяют одновременно записывать от одного до 24 и более процессов. При испытании мостов применяют осциллографы НОЗОА, Н044.1, Н044.2, регистрирующие от 12 до 24 процессов. Широко применяются осциллографы (магнитографы), в которых запись исследуемых процессов производится на магнитной ленте. Расшифровка записи на магнитной ленте выполняется на ЭВМ с помощью специальной приставки.

В настоящее время применительно к электронно-оптическим датчикам ЦНИИСа разработана портативная измерительная система с автономным питанием для проведения испытаний в полевых условиях с записью процессов изменения измеряемых деформаций и перемещений в цифровом коде. При этом используются малогабаритный компьютер и устройство для регистрации измерений.

Зависимость между величинами действительных и записанных (зарегистрированных) деформаций устанавливают путем тарировки.

Метод нулевого измерения основан на применении равновесной схемы электрического моста с питанием постоянным током. Рассмотрим одну из возможных схем электрического моста 136

(рис 4.17). Здесь, как и при методе непосредственного отсчета, в одно из плеч включен рабочий датчик /?_тя, а в соседнее с ним плечо — компенсационный #_тк. Сопротивления плеч R₁ и R₂ обычно регулируют подключенным к ним переменным сопротивлением (реохордом) R. При использовании в качестве сопротивлений R и R проволочных тензорезисторов их наклеивают на балочку с разных сторон. Регулирование сопротивлений R и R производят путем изгиба этой балочки. Применяют и комбинированную систему регулирования сопротивлений R_t и R₂-

Измерения выполняют следующим образом: до загружения испытуемой конструкции путем регулирования сопротивлений R_y и R₂ балансируют электрический мост (при сбалансированном мосте гальванометр Я должен показывать "нуль") и снимают отсчет но шкале реохорда. После этого нагружают испытуемую конструкцию. Возникшие при этом напряжения вызовут изменение сопротивления рабочего датчика, что приведет к нарушению баланса электрического моста, в результате чего гальванометр покажет наличие тока в его диагонали. Изменяя сопротивления R и R, необходимо вновь сбалансировать мост. После балансировки моста снимают отсчет по реохорду. По разности отсчетов, снятых по реохорду в незагруженном и загруженном состоянии, определяют величину деформации (напряжения) в зоне-установки рабочего датчика. Зависимость между измеряемой деформацией (напряжением) и изменением сопротивления реохорда определяют путем тарировки.

Электроизмерительные устройства для определения деформаций по методу нулевого отсчета значительно проще и компактнее, чем применяемые по методу непосредственного отсчета.

В настоящее время широкое распространение получили тензометри-ческие устройства, в которых балансировка моста и запись отсчетов производятся автоматически непосредственно на перфоленту, которая затем обрабатывается на ЭВМ. Такая установка обеспечивает измерение по большому числу рабочих датчиков (до нескольких сотен), включение которых также происходит автоматически в определенной последовательности.

JHpn испытаниях мостов успешно используются тензометрические установки типа ЦТМ с автоматической балансировкой моста и цифровой записью на бумажной ленте (рис. 4.18).

Мы рассмотрели схемы электрического моста с одним рабочим датчиком. Однако мост Уитстона позволяет производить включение нескольких рабочих датчиков. Используя различные схемы установки датчиков на элементе конструкции и включения их в схему электрического моста, можно получить усиление электрического сигнала в диагонали и, следовательно, повышение точности измерений, а также иметь возможность измерять как полные деформации (напряжения) от всех действующих силовых факторов (М, Q, TV), так и от отдельных. Напри-

Рис. 4.18. Цифровойтензометрическиймост ЦТМ-5:

1 - перфоратор; 2 — печатающая машинка; 3— блок коммутации; 4 - блок

измерения

мер, в сжато-изогнутом элементе необходимо измерить напряжения только от нормальной силы и отдельно от изгибающего момента. В этом случае тензорезисторы наклеивают, как показано на рис. 4.19, а. Включение тензорезисторов в схему электрического моста приведено на рис. 4.19, б, в. При нагружении элемента центрально приложенной продольной силой элемент равномерно деформируется, и в обоих тензоре-зисторах произойдет одинаковое изменение омического сопротивления. Изгибающий момент при симметричном сечении элемента вызовет в тензорезисторах одинаковые по абсолютной величине, но разные по зна-

Рис. 4.19. Схемы расположения (а) и включения (б, в) тензорезисторов для измерения напряжений в сжатоизогнутом элементе: ^_та1» Л J — рабочие тензорезисторы; R — компенсационный тензорезистор

-ку изменения омического сопротивления. Если оба тензорезистора будут включены в одно плечо (см. рис. 4.19, б), то в нем при нагрузке произойдет суммарное изменение омического сопротивления обоих тензорезисторов, вызванное приложением нормальной силы (от изгибающего момента оно будет равно нулю). Это вызовет соответствующее приращение тока в диагонали, который будет в два раза (при одинаковых характеристиках тензорезисторов) больше, чем полученный при измерении напряжений от этой силы одним тензорезистором. При включении тензорезисторов в разные плечи моста (см. рис. 4.19, в) изменение омического сопротивления тензорезисторов вследствие приложения нормальной силы не вызовет дополнительного тока в диагонали (произойдет взаимная компенсация, как при включении компенсационного тензорезистора), но ток в ней появится вследствие изменения омического сопротивления тензорезисторов от действия изгибающего момента.

Отмеченные особенности работы электрического моста часто используют для создания различных датчиков комбинированного типа, что дает возможность создавать оригинальные приборы и приспособления с высокой точностью измерения деформаций (напряжений) при статических и динамических воздействиях. В качестве примера рассмотрим мало-базный электромеханический датчик (тензометр), разработанный в МИИТе (авторское свидетельство № 142462). Прибор предназначен для измерения напряжений (деформаций) в зонах их концентрации на базе до 1 мм. Для регистрации измеряемых деформаций в нем используются тензорезисторы, наклеенные на тонкой, слегка изогнутой пластинке.

Малобазный электромеханический датчик (рис. 4,20, а) состоит из стойки 7 с наглухо прикрепленными к ее нижней части двумя щечками 4, между которыми свободно размещается рычаг первого рода 1. Стойка соединена с рычаг-См первого рода шарнирно посредством оси 5

при свободном опирании на нее щечек.
В верхней части с внутренней стороны стойка 7 и рычаг 1 имеют
вырезы под углом около 60°, в которые упирается тонкая слегка изог
нутая стальная пластинка 3 с наклеенными на ней тензорезисторами.
Для уравновешивания распора от пластинки и создания в пластинке на
чального предварительного напряжения стойка и рычаг стянуты спираль-
нойзиружиной 2. Нижние концы стойки и рычага заточены и закалены;
отш служат опорами датчика при его установке на испытуемый эле
мент. Для его закрепления применяют струбцину, прижимной конец ко
торой треугольного сечения входит в овальное отверстие 6 в щечках,
имеющее в нижней части вырез под углом около 80°. Ребро струбцины
опирается в вершине угла выреза в щечках, обеспечивая шарнирность
соединения и хорошую центровку прижимной силы в пределах базы из
мерения. Масса прибора около 4г. _f

При изменении расстояния между точками опирания датчика (базы) Деформация передается через рычаг на пластинку. В рассматриваемой модели датчика рычаг первого рода имеет отношение плеч 4:1. Следо-

■ 3,

Малобазный датчик имеет высокую чувствительность. При использовании современных усилителей точность измерения деформаций с применением этого датчика может достигать 0,01 мкм. Его можно использовать для измерения деформаций как при статических, так и при динамических испытаниях мостов. Большим преимуществом прибора является съемность, т. е.возможность многократного использования его для измерений.

В качестве датчиков широко используют просто изогнутые пластин-I ки с наклеенными тензорезисторами, концы которых шарнирно закрепляют (опирают) в точках, между которыми требуется измерить деформацию.

43. Приборы и способы измерения перемещений при статических воздействиях

При статических испытаниях для измерения различного рода линейных и угловых перемещений широко используются механические приборы. В зависимости от величины измеряемых перемещений, их вида и требуемой точности измерений применяют различные приборы и приспособления.

Индикаторы (мессу ры). Для измерения небольших линейных перемещений (до 2—30 мм) широко используют индикаторы с ценой деления 0,001—0,01 мм. Рассмотрим индикатор часового типа (рис. 4.21).,Принцип его работы состоит в следующем. В корпусе 1 свободно переме-

Рис. 4.20. Малобазный электромеханический датчик:

а — конструкция датчика; б, в — схемы включения и наклейки тензоре-зисторов; 1 — рычаг первого рода; 2 - спиральная пружина; 3 - изогнутая пластинка; 4 — щечки; 5 - ось; 6 — отверстие для струбцины; 7 - стойка; Г, Н — тензорезисторы

вательно, деформация, передаваемая на пластинку, будет увеличена в четыре раза. Изменение изгиба пластинки от измеряемой деформации приведет к изменению сопротивления тензорезисторов, наклеенных на пластинке. На пластинку наклеивают четыре или два тензорезистора сопротивлением 100-200 Ом и базой 10-20 мм по два (рис. 420, б) или по одному (рис. 4.20, в) с каждой стороны пластинки с включением их в схему электрического моста. В первом случае активными являются все четыре плеча, а во втором — два. Это позволяет получить соответ ~ ствующее увеличение тока в диагонали моста,

Изогнутая стальная пластинка и спиральная пружина создают в приборе "внутреннюю напряженность", Что при наличии небольшого числа шарнирных соединений практически полностью исключает "мертвый" ход.

Рис. 4.21. Общий вид индикатора (а) и его кинематическая схема (б):

1 — корпус; 2 - шток; 3, 4, 6, 7 — шестеренки; 5 - большая стрелка; 8 —

малая стрелка

щается в продольном направлении шток 2. В средней части штока имеется зубчатая нарезка (рейка), входящая в зацепление с шестеренкой 3, жестко соединенной с другой шестеренкой 4. Последняя входит в зацепление с шестеренкой 6, закрепленной на одной оси с большой^стрел-кой 5. Вращение с шестеренки 6 передается на шестеренку 7 и на малую стрелку 8. Кинематическая передача в индикаторе с ценой деления 0,01 мм рассчитана таким образом, что при перемещении штока на 1 мм большая стрелка делает один оборот. Циферблат имеет 100 делений по окружности. Маленькая стрелка показывает число целых миллиметров. Индикаторы с ценой деления 0,01 мм имеют, как правило, перемещение штока 10 мм.

Индикаторы с ценой деления 0,001 мм обладают ходом штока 2 мм. Таким образом, эти приборы можно использовать для измерения сравнительно небольших перемещений.

При испытаниях индикатор'укрепляют так, чтобы обеспечить передачу измеряемых перемещений на шток в продольном направлении. Закрепление индикаторов осуществляют при помощи специальных подставок, струбцин или просто винтом через специальное ушко у корпуса. Индикаторы обычно закрепляют на одном месте на весь период испытаний для измерения перемещений между двумя точками. Е. И. Мешков-ским было предложено специальное конструктивное оформление индикатора, которое позволяет устанавливать индикатор на место измерения только для снятия, отсчетов,.и он становится так называемым съемным прибором. В таком оформлении прибор часто называют деформомет-

Рис. 4.22. Деформометр с конусными опорами:

1 - подвижная конусная ножка; 2 - шток; 3 - неподвижная конусная

ножка; 4 - пластина; 5 - индикатор

Рис. 4.23. Деформометр с шариковыми опорами:

1 — шток с подвижной шариковой опорой; 2 - индикатор; 3 - удлинитель; ,Ь 4 — неподвижная шариковая опора

ром (рис. 4.22). Его основой является индикатор 5, к задней крышке которого наглухо прикреплена пластина 4 с конусной ножкой 3. К штоку 2 закреплена другая конусная ножка 1. Конусными ножками прибор устанавливают в специально просверленные в марках отвер-, стия диаметром около 1 мм и глубиной 2—3 мм. Если измерения выполняются на металлических конструкциях, эти отверстия можно сверлить непосредственно в элементах. При измерениях перемещений (деформаций) в деревянных, железобетонных и каменных конструкциях в местах установки ножек деформометра заделывают специальные металлические стержни (марки) диаметром 3—5 мм и длиной 10—20 мм. Расстояние между конусами ножек является базой измерения. Деформометр в таком конструктивном оформлении изготовляют с базами от 50 до 250 мм. Приборы с большей базой (до 1 м) имеют более жесткую конструкцию, чтобы исключить влияние деформации прибора на его показания.

Имеется несколько конструкций деформометров с различными тидвгми опорных устройств: конусными, шариковыми (рис. 4.23), вилочными и др. Для опирания шариковых опор на марках или на поверхностях выбивают специальным керном углубления в виде трехгранной пирамиды, а вилочных — устанавливают штифты диаметром 1—2 мм.

Деформометры используют для измерения различного рода перемещений, раскрытия трещин, деформаций (напряжений) и др. Одним прибором можно производить измерения во многих местах и многократно в течение длительного времени. При помощи деформометра часто измеряют напряжения (деформации) при статических испытаниях железобетонных конструкций. Его используют при измерении остаточных напряжений методом разрезки.

Измерение деформометром производят следующим образом. После его установки на марки прибор несколько раз слегка поворачивают вокруг продольной оси (покачивают) и берут отсчет. Затем прибор снимают,⁴ вновь устанавливают, повернув его на 180°,и снова берут отсчет. Для обработки принимают средний из двух отсчетов. По разности средних отсчетов, взятых до силового или какого-нибудь другогЬ воздействия на конструкцию и при его приложении получают величину деформации (перемещения).

Рис. 4.24. Принципиальная схема работы прогибомера с проволочной связью: 1 - груз; 2 - шкив; •?— проволока

Прогибомеры. Прогибомерами можно измерять прогибы и другие линейные перемещения. Наибольшее распространение получили прогибомеры с проволочной связью конструкции Н. Н. Максимова, А. М. Емельянова, Н. Н. Айстова, Е. Г. Мокина. Назначение проволоки — обеспечивать связь между

проволоки обеспечивать связь между

взаимно перемещающимися точками (рис. 4.24). Прогибомер закреплен в перемещающейся точке, а к свободному концу проволоки 3, огибающей шкив 2 прогибомера, подвешен груз 1, создающий в ней постоянное натяжение. При смещении прибора на величину / шкив повернется на угол у = — j—. Угловое перемещение шкива через систему передач отклоняет стрелку прибора. Указанная система передач обеспечивает необходимое увеличение измеряемого перемещения (прогиба).

При испытаниях мостов преимущественно используют прогибомеры Н. Н. Максимова (рис. 4.25). Шкив 2 прогибомера свободно вращается на шариковых подшипниках на оси 1, наглухо заделанной в корпусе прибора. Шкив жестко соединен с диском б, имеющим на кромке коническую зубчатую нарезку, которая входит в зацепление с шестеренкой 5. Шестеренка 5 и стрелка 4 жестко закреплены на одной оси. В приборе две шкалы: одна нанесена непосредственно на диске б, а другая на циферблате 3, по которому перемещается стрелка 4. Цена деления циферблата 0,1 мм. Каждый оборот диска соответствует 10 см измеряемого перемещения. Если перемещение превышает 10 см, то необходимо отмечать целое число оборотов диска.

В МИИТе разработан прогибомер с проволочной связью, позволяющий измерять линейные перемещения (прогибы) с более высокой точностью. Прибор (рис. 4.26) состоит из станины 15 с закрепленным на ней шкивом 5, на который запасована проволока 1 с подвешенным к ней грузом 2. Станина струбциной 10 крепится к элементу испытуемой конструкции 11. В станине винтом 13 закреплен индикатор часового типа 9. На штоке индикатора с помощью винта 7 и подшипни-

ков 8 я 14 закреплена рамка б, свободно перемещающаяся относительно станины в вертикальном направлении (вдоль проволоки). Рамка с помощью фиксатора, состоящего из зажима 4 и винта 3, крепится к проволоке.

Прогибомер работает следующим образом. При перемещении элемента конструкции соответственно переместится и станина прибора вдоль проволоки. Направление перемещения должно совпадать с направлением проволоки на участке от ее закрепления до шкива, что обеспечивается соответствующей установкой прибора. Рамка 6 при этом останется неподвижной. Вместе со станиной переместится и жестко соединенная с ней головка индикатора. Шток индикатора, соединенный с рамкой^при этом останется неподвижным. Таким образом, измеряемое

< перемещение будет передано на индикатор и с его помощью измерено с точностью, которая им обеспечивается (0,01 или 0,001 мм). Величина

8 измеряемого перемещения не должна превышать максимальный ход штока индикатора. Прогибомер прикрепляют к конструкции при помощи специальных струбцин. Для связи применяют стальную проволоку диаметром около 0,5 мм, масса груза должна быть 1—2 кг.

Прогибомерами можно измерять также взаимные перемещения точек в различных направлениях. При этом направление измеряемого

Рис. 4.25. Прогибомер Н. Н. Максимова:

а — кинематическая схема; б — общий вид; 1 — ось; 2 — шкив; 3 — циферблат; 4 — стрелка; 5 — шестеренка; б — диск с зубчатой нарезкой

Рис. 4.26. Прогибомер МИИТа:

1 — проволока; 2 — груз; 3 — винт; 4 — зажим; 5 — шкив; б — рамка; 7 — винт; 8, 14 — подшипники; 9 — индикатор часового типа; 10 — струбцина; 11 — элемент испытуемой конструкции; 12, 13 — винты; 15 — станина

перемещения будет совпадать с направлением проволоки, связывающей взаимно перемещающиеся точки.

При испытании мостов прогибомеры наиболее часто используют для измерения вертикальных прогибов пролетных строений под статической нагрузкой. В тех случаях, когда пролетное строение расположено не над водой, прогибомер можно устанавливать как на пролетном строении (в подвижной точке), так и на специально забитой под пролетным строением свайке (в неподвижной точке). Выбор места установки про-гибомера в этом случае определяется главным образом удобством снятия отсчетов.

Если пролетное строение находится над водой, то прогибомер закрепляют на пролетном строении. Для обеспечения связи с землей (неподвижной точкой) под прогибомером на дно водоема опускают груз массой около 10 кг, к которому и привязывают конец проволоки. При большой длине проволоки вследствие температурных изменений в ней могут возникнуть значительные деформации. Если их не учитывать, это может привести к погрешностям в измерении прогибов. Для учета тем-

пературных деформаций необходимо измерять температуру воздуха при снятии отсчета по прогибомеру.

При измерении прогибов пролетного строения обычно устанавливают не менее трех прогибомеров: два у концов и один в месте измерения прогиба. Это необходимо для того, чтобы учесть осадки опор и опорных частей, которые определяются по показаниям концевых прогибомеров.

Другие приборы и способы измерения линейных перемещений. В случаях, когда невозможно обеспечить неподвижную точку под испытуемой конструкцией, нивелирование является одним из возможных способов измерения прогибов. При обычном нивелировании величину прогиба можно измерить 6 точностью до 1 мм.

Заслуживает внимания фотограмметрический способ измерения перемещений. Он заключается в следующем. В точках, перемещение которых необходимо измерить, прикрепляют специальные марки. В стороне от испытуемой конструкции на неподвижных постаментах устанавливают фототеодолиты на определенном расстоянии друг от друга, при помощи которых производится фотографирование марок в различные моменты испытания. По снимкам определяют перемещение точек, что дает возможность следить одновременно за большим числом точек с достаточно высокой точностью измерений (до 0,3 мм).

Измерение прогибов и перемещений можно также произвести при помощи различного рода приспособлений с использованием тензорезис-торов.

Измерение больших перемещений с точностью до 1 мм можно выполнить при помощи простейших приспособлений в виде рейки с карандашом и планшета, прикрепив их к соответствующим взаимно переме- щ вдающимся точкам. При большом расстоянии между этими точками вместо рейки используют проволоку, натянутую пружиной или грузом. Простейшие приспособления часто используют для длительных наблюдений за различными перемещениями, например, пролетных строений относительно опор.

Приборы и способы измерения угловых перемещений. Для измерения углов поворота применяют приборы, называемые клинометрами. При испытаниях мостов используют клинометры с уровнем Стопани и маятниковые клинометры конструкции Н. Н. Аистова. Этими приборами «лйожно производить измерение углов поворота только в вертикальной плоскости при статических испытаниях.

Клинометр с уровнем (рис. 4.27) представляет собой станину Z. к которой слева шарнирно прикреплен уровень 2, поддерживаемый пластинчатой пружиной 3. Правый конец уровня с помощью микромет-ренного винта 4 может перемещаться в вертикальной плоскости. К мик-рометренному винту жестко прикреплен диск с делениями 5. Закрепление прибора на испытуемой конструкции 7 осуществляется струбциной 8, соединенной шаровым шарниром со станиной.

Для измерения угла поворота конструкции в определенной точке (сечении) к ней струбциной прикрепляется клинометр. Продольная ось

,147

■'

Рис. 4.28. Клинометр Н. Н. Аистова КА-4: 1 - корпус; 2 - маятник; 3 - клемма; 4 - диск с делениями; 5 - микрометренный винт; 6 - сосуд с жидкостью; 7 — весло; 8 - элемент; 9 — струбцина

уровня должна находиться в плоскости измеряемого угла поворота. Уровень с помощью шарового шарнира устанавливается в горизонтальное положение. Точная установка уровня производится микрометренным винтом. Это положение фиксируется путем снятия отсчета по счетчику числа оборотов микрометренного винта 6, показывающего целое число оборотов винта, и по шкале диска 5. При повороте конструкции вследствие ее загружения испытательной нагрузкой уровень повернется на тот же угол. Для определения угла поворота уровень микрометренным винтом возвращают в горизонтальное положение и снова снимают отсчет. Разность отсчетов, умноженная на шаг винта, дает величину перемещения конца уровня Д.

Отношение — г~ равно тангенсу измеренного угла поворота. Цена деления на горизонтальном диске в клинометрах этого типа равна 1—2 с.

Маятниковый клинометр конструкции Н. Н. Аистова (рис. 4.28) состоит из закрытого корпуса 1, внутри которого подвешен маятник 2. Нижний конец маятника может контактироваться с микрометренным винтом 5р имеющим на наружном конце диск с делениями 4. Через клеммы 3 прибор включается в электрическую цепь с лампочкой или звонком. Эта цепь может замыкаться через маятник с микрометренным винтом.

Клинометр с помощью струбцины с шаровым шарниром закрепляется в вертикальном положении на испытуемой конструкции таким образом, чтобы плоскость качания маятника совпадала с плоскостью измеряемого угла поворота. Затем микрометренный винт вращают до появления светового или- звукового сигнала. В этот момент снимают отсчет по шкале диска и отводят микрометренный винт от маятника.

Рис. 4.27. Клинометр с уровнем:

1 — станина; 2 — уровень; 3 — пластинчатая пружина; 4 — микрометренный винт; 5 — диск с делениями; 6 — счетчик числа оборотов диска; 7 — элемент пролетного строения; 8 — струбцина

При загружении конструкции корпус прибора повернется вместе с конструкцией относительно маятника на измеряемый угол. Для его определения вращением винта снова замыкается цепь и снимается отсчет по шкале диска. Разность отсчетов в определенном масштабе дает угол поворота. Цена деления в различных моделях маятниковых клинометров составляет 2—10".

Угол поворота в любой плоскости можно измерить с помощью специального рычажного устройства (рис 4.29). Для этого к исследуемому участку конструкции одним концом наглухо прикрепляется рейка 1. При деформации конструкции эта рейка будет повертываться на тот же угол, что и участок конструкции, к которому она прикреплена. Для определения угла поворота необходимо измерить перемещение двух точек рейки А и Б в направлении ее поворота. Эти перемещения можно определить с помощью прогибомеров или индикаторов 2. По измерен-

Рис. 4.29. Схема рычажного устройства для измерения угла поворота сечений пролетного строения:

а — в продольном направлении; б - в поперечном; / - рейка; 2— проги-бомеры; 3 — проволочная связь

Применяя рычажное устройство, можно определить взаимные повороты каких-либо двух сечений элемента конструкции. Для этого в каждом сечении необходимо укрепить рейки и произвести измерение взаимных перемещений их точек.

Для измерения углов поворота при испытаниях искусственных сооружений возможно широкое применение различных приспособлений и приборов с использованием лазерных лучей.

4.4. Приборы и способы измерения перемещений при динамических воздействиях

Общие сведения. При динамическом воздействии нагрузки (движение поезда по мосту, воздействие ветра, ледохода и др.) деформированное состояние мостовых конструкций характеризуется сравнительно быстрым изменением деформаций, линейных и угловых перемещений. Динамические характеристики элементов моста определяются на основании функций изменения деформаций и перемещений, во времени, которые получают при испытаниях (виброграммы, прогибограммы, осциллограммы, углограммы и т. п.).

Линейные перемещения во времени измеряют виброметрами, а угловые — торсиометрами. Амплитуды непосредственно при испытаниях измеряют амплитудомерами, частоты колебаний при различных скоростях движения — частотомерами.

Существуют два принципа измерения колебаний — кинематический и динамический. При кинематическом измерительное устройство жестко связано с внешней независимой неподвижной системой, поэтому величина перемещений колеблющегося элемента (точки) измеряется непосредственно. В случае невозможности создания неподвижной системы применяют динамический принцип измерения, который заключается в том, что измерения перемещений производят относительно условно неподвижной системы, представляющей собой массу, закрепленную на пружинах.

Приборы и приспособления для динамических испытаний можно

разделить на три группы: механические, электрические, оптические.

В механических приборах запись изменения деформаций производится при помощи механических устройств. В электрических приборах регистрация деформаций производится через датчики путем наблюдения или записи на осциллографе или магнитографе.

К оптическим приборам относятся специальные устройства, преобразующие наблюдаемые деформации и перемещения для регистрации их изменений. В этих устройствах применяются вибромарки, зеркальные устройства, фото- и кинотехника.

При динамических испытаниях мостов широко используются электрические и механические приборы.

Электрические приборы. Эти приборы представляют собой датчики-преобразователи, которые работают в сочетании с электроизмерительными устройствами, рассмотренными в п. 4.2. Датчики-преобразователи весьма разнообразны. Они могут преобразовывать в соответствующие электрические величины взаимные перемещения отдельных элементов конструкций, фибровые деформации, скорости и ускорения перемещений отдельных точек конструкции и т. д. Для измерения некоторых динамических характеристик конструкций могут быть использованы тен-зорезисторы и датчики, рассмотренные в п. 4.2.

J? При динамических испытаниях мостов для измерения колебаний "Используют преобразователи в виде консольных балочек, стальных колец и изогнутых пластинок (полос) с наклеенными на них тензорезис-торами. В качестве примера на рис 4.30 показаны схемы измерения вертикальных прогибов пролетного строения с помощью датчиков-преобразователей в виде консольной балочки и в виде стальных колец. Регистрация изменения силы тока в диагонали электрического моста при динамических испытаниях производится осциллографами или магнитографами.

Датчики-преобразователи могут быть использованы и для измерения перемещений при статических испытаниях. Масштаб записи (измерения)

Рис. 4.30. Схемы, измерения прогибов с помощью датчиков-преобразователей:

а, в — соответственно в виде консольной балочки и кольцевого преобразователя; б, г — схемы включения тензорезисторов; 1 — проволочная связь; 2 — консольная балочка или стальное кольцо; 3 — пружина; 4 —.• анкерный колышек; 5 — свайка; Т. — Т. - рабочие тензорезисторы; П— регистрирующий прибор (осциллограф, магнитограф)

определяют путем тарировки. При тарировке необходимо учитывать характер передачи измеряемых перемещений на датчик-преобразователь.

В консольной балочке измеряемое перемещение полностью передается на конец консоли (см. рис. 4.30, а). В кольцевых датчиках-преобразователях деформация кольца (т. е. изменение расстояния между точками закрепления кольца) (см. рис. 4.30, в) составляет некоторую долю измеряемого перемещения. Остальная часть измеряемого перемещения воспринимается пружиной. Поэтому при тарировке датчиков-преобразователей типа консольной балочки цена деления устанавливается по действительному прогибу балки в месте закрепления связи, а кольцевых — по совместной деформации кольца и пружины.

При использовании проволочной связи необходимо учитывать также влияние температурных деформаций, а в случае измерения больших перемещений, кроме того, и деформаций, связанных с изменением натяжения системы в процессе измерений.

Датчики-преобразователи можно применять для регистрации и угловых перемещений при статических и динамических испытаниях, используя рычажное устройство (см. рис. 4.29).

Универсальный прибор Гейгера. Этот прибор может работать как с проволочной или жесткой связью между колеблющейся и неподвижной точками (кинематический принцип измерения), так и без нее (динамический принцип измерения). В первом случае прибор используется как де-формограф. При этом по записи, сделанной на ленте, можно определить размеры деформаций, их амплитуды и частоты колебаний. Во втором случае прибор используется как виброграф. Относительно неподвижная система в нем обеспечивается дополнительной массой (маятником)

с пружиной. По записи, сделанной на ленте вибрографа, с достаточной точностью можно определять амплитуды и частоты колебаний измеряемых деформаций и перемещений. При перестройке деформографа в виброграф производится замена приемной части, а регистрирующая часть прибора остается.

Рассмотрим принципиальную схему работы деформографа с проволочной связью (рис. 4.31). Прогиб фермы в заданном сечении (узле) через проволоку /, натянутую пружиной 7, передается на Г-образный рычаг 2, далее через передаточную иглу 3 на перо-рычаг 6, которое записывает его на ленте 4. Одновременно на ленте ведется запись времени специальным отметчиком 5.

Регистрирующая часть прибора Гейгера (рис. 4.32) состоит из кор пуса 1, внутри которого смонтирован механизм, приводящий в движение бумажную ленту шириной 50 мм. Скорость перемещения ленты регулируется и может изменяться от 0,2 до 10 м/мин. Лента при записи перематывается с барабана 8 через столик 5 на барабан 7. Запись производится пером-рычагом 3 специальными чернилами. Перо с помощью захвата соединяется с передаточной иглой 9. Соединяя перо с иглой в различных точках по его длине, можно изменять масштаб записи (увеличивать) в 3, 6, 12 и 24 раза. Кроме того, масштаб записи увеличивается или уменьшается за счет изменения соотношения плеч Г-образного передаточного рычага. Общий масштаб записи прибора колеблется от 0,1: 1 до 72: 1.

Одновременно с записью перемещений ведется запись времени, которая осуществляется специальным пером, прикрепленным к якорю 4. При периодическом пропуске тока через катушку электромагнита, помещенную в верхней части корпуса, якорь 4 притягивается, и перо вычерчивает ступенчатую линию на кромке ленты. Пропуск тока через электромагнит регулируется контактным прерывателем, период замыкания которого известен (обычно он равен 1 с). На приборе имеется

Рис. 4.31. Схема работы деформографа с проволочной связью: 1 — проволока; 2 - Г-образный рычаг; 3 — передаточная игла; 4 - бумажная лента; 5 — отметчик времени; б — перо-рычаг; 7— пружина

Рис. 4.32. Универсальный прибор Гейгера:

а — вид спереди; б — вид сбоку; 1 — корпус; 2 — рычаг завода лентопротяжного механизма; 3 — перо-рычаг; 4 — магнитный якорь маркировки времени; 5 — столик для записи; 6 — ролик с промокательной бумагой; 7 — намоточный барабан; 8 — смоточный барабан; 9 — передаточный стержень-игла; 10 — рычаг регулирования скорости подачи ленты; 11 — рычаг пуска лентопротяжного механизма

устройство для отметок положения испытательной нагрузки. С помощью деформографа можно записывать перемещения с частотой колебаний до 20 Гц.

При записях колебаний пролетных строений прибор можно устанавливать как на неподвижной системе (точке), так и непосредственно на пролетном строении. В первом случае прибор устанавливается под пролетным строением на специальном столике, к которому он крепится шурупами. Связь между колеблющейся (перемещающейся) точкой и неподвижной осуществляется проволокой. Один конец проволоки крепится

Рис. 4.33. Схема установки прибора Гейгера на пролетном строении:

1 — груз; 2 — проволока; 3 — прибор Гейгера; 4 — пружина

к пролетному строению, а другой через пружину к земле. Пружина, поддерживая проволоку в постоянном натяжении, обеспечивает передачу колебаний (перемещений) узла фермы на Г-образный рычаг прибора. Связь проволоки с Г-образным рычагом осуществляется с помощью специальной собачки, прикрепляемой к проволоке винтами.

При установке прибора на пролетном строении (рис. 4.33) он должен быть закреплен струбцинами или другими приспособлениями. Если под пролетным строением имеется вода, то связь с неподвижной точкой (землей) осуществляется опусканием на дно груза массой не менее 10 кг. Верхний конец проволоки через специальную пружину, расположенную выше прибора, крепится к пролетному строению. Проволока ниже пружины во время испытаний остается неподвижной, а прибор относительно нее перемещается.

Следует отметить, что при расположении прибора в неподвижной точке получается более качественная запись, чем при закреплении его на испытуемой конструкции, так как в этом случае исключаются влияния колебаний самого прибора.

При использовании прибора в качестве вибрографа к его регистри-' рующей части прикрепляется специальный маятник 5 с пружиной 6 (рис. 4.34). Маятник при колебании прибора вследствие большой массы остается условно неподвижным. Перемещения корпуса прибора относительно маятника передаются для записи через рычаги 3 и 4 и передаточную иглу 2 на перо 1. Вибрографом можно записывать колебания с частотой от 5 до 330 Гц.

Рис. 4.34. Виброграф Гейгера: а - общий вид; б- схема действия; 1 — перо-рычаг; 2 — передаточный I стержень-игла; 3, 4 - рычаги; 5 -маятник; 6 — пружина

Для записи колебаний может быть использован также ручной виброграф типа ВР-1. При записи колебаний прибор держат в руках, прижи-

Рис. 4.35. Вибромарка:

а — в состоянии покоя; б — при вибрации

мая шток к колеблющейся конструкции. Приборы этого типа позволяют записывать колебания с частотой от 5 до 300 Гц.

Для ускоренной приближенной оценки размаха колебаний установившегося режима можно использовать вибромарки. Вибромарку вычерчивают в виде острого клина (рис. 4.35, а) и наклеивают на конструкцию в плоскости колебаний, так чтобы основание клина располагалось по направлению колебаний. Наблюдателю, находящемуся вне объекта, при 500 колебаниях в минуту и -выше вибромарка будет казаться раздвоенной. Будут четко видны крайние положения вибромарки и темный

клин между ними (рис. 4.35, б). Размах колебаний с = —- /,где ~г-------------

отношение основания к высоте вибромарки (—» -¹—); / — высота

L ю

темного клина, измеряемая по рискам вибромарки.

При неустановившихся колебаниях клин будет размытый. Хорошие результаты дает фотографирование вибромарки с определенным интервалом выдержек.

В случае отсутствия необходимых приборов приближенную оценку размахов и амплитуд перемещений при динамических воздействиях, на-пример, перемещение концов пролетного строения или его прогибов, можно выполнить с использованием простейших приспособлений в виде реек (линеек), натянутой проволоки и планшета с наклеенной на нем бумагой. К рейке или проволоке закрепляют карандаш, который записывает на бумаге перемещения элемента (точки) конструкции. При этом рейку или проволоку закрепляют к подвижной или неподвижной части (точке), а планшет - наоборот. Передвигая планшет в направлении, пер пендикулярном записываемым перемещениям, можно получить запись в развернутом виде (виброграмму, прогибограмму).

Тарировка приборов

Приборы, применяемые при испытаниях, должны обеспечивать необходимую точность измерений, а измеренные с помощью их значения - максимально соответствовать действительным. Поэтому приборы

. 156

периодически тарируют — устанавливают соотношение их показаний с истинными значениями измеряемых величин.

Новые приборы тарируются предварительно. Тарировка приборов производится на специальных установках - компараторах различных конструкций типа ПЧ-3, ЛИМСХ, калибраторах МПТ-2 и др.

Для тарировки приборов, применяемых при испытаниях мостов и других строительных конструкций, широко используют универсальный компаратор ЛИМСХ конструкции Н. Н. Аистова (рис. 4.36). Принцип работы компаратора состоит в следующем. При вращении микрометрен-ного винта 7, имеющего лимб с нониусом 6, повертывается рычаг 5 вокруг оси валика 1. Одновременно с рычагом повертывается запрессованный в нем валик /, соединенный стальными лентами с подвижной. площадкой 4 и вертикальным штоком 2. Перемещение микрометрен-ного винта передается на подвижную площадку и вертикальный шток. Перемещения их благодаря рычажной передаче в 50 раз меньше чем мик-рометренного винта. Наличие лимба с нониусом позволяет создавать перемещение подвижной площадки и штока с очень высокой точностью (до 0,01 мк).

Механический тензометр 3 при тарировке устанавливают одной ножкой на подвижную площадку, а другой - на неподвижную. Вращением микрометренного винта стрелку тензометра последовательно устанавливают на отсчетах 0, 100, 200, 400, одновременно снимая отсчеты по лимбу. Эту операцию повторяют не менее трех раз. Если тензо-

Рис. 4.36. Универсальный компаратор ЛИМСХ:

1 - валик; 2 — вертикальный подвижной шток; 3 - тарируемый тензометр;

7- — подвижная площадка; 5 — рычаг; б — лимб; 7 — микрометренный винт

Аналогичным образом можно выполнять тарировку по напряжениям.

Поскольку тензорезисторы пригодны преимущественно для разового использования, они не могут тарироваться индивидуально. Их тарировку производят следующим образом. Из однотипной партии тензоре-зисторов отбирают определенную долю для тарировки. Каждый из отобранных тензорезисторов наклеивают на тарировочную балочку и подключают к тому электроизмерительному устройству, которое будет использовано для работы с данной партией тензорезисторов при том же 158

режиме усиления. При тарировании балочку нагружают не менее трех раз, снимая отсчеты по измерительному устройству. Деформации (напряжения) в зоне установки тензорезистора определяют расчетным путем или по контрольному тензометру, установленному рядом с тензо-резистором. По результатам измерений находят цену деления как среднее арифметическое из результатов испытаний протарированных тензорезисторов. Эту цену деления принимают одинаковой для данной партии.

4.6. Выбор способов измерений и размещение приборов при испытаниях

В зависимости от поставленной задачи испытаний для измерения напряжений и других характеристик назначают определенные элементы и узлы пролетных строений и опор с указанием характерных сечений. Для этой цели обычно выбирают наиболее напряженные и деформируемые элементы, узлы и сечения. Выбор элементов для испытаний на эксплуатируемых мостах часто определяется наличием в них различного рода повреждений и дефектов.

При измерениях напряжений важным вопросом является назначение базы измерения. При измерениях напряжений вне зон их концентрации база измерения механическими тензометрами в основном определяется необходимой точностью измерения и ожидаемой максимальной величиной измеряемых напряжений. При напряжениях в стальных элементах мостов ниже 80 МПа обычно принимается база, равная 100 мм и более. В связи с тем, что тензорезисторы имеют достаточно большой диапазон изменения коэффициента увеличения, для измерения напряжений вне зон их концентрации во всех случаях можно использовать тензорезисторы с базой 10-20 мм.

Измерение напряжений в зонах концентрации необходимо производить на небольших базах (в металлических элементах - 1 -5 мм). Чем выше неравномерность распределения напряжений около концентратора напряжений, тем меньшую базу должен иметь тензометр (датчик). Необходимо обращать особое внимание на места установки приборов. При измерении фибровых напряжений тензометры следует устанавливать вне зон возможной концентрации напряжений. Концентраторами напряжений в металлических конструкциях могут служить различные отверстия, резкие изменения сечений, концы сварных швов, местные искривления, вмятины и т. д.; в железобетонных - изменения сечений, места примыкания ребер жесткости, закрепления анкеров, трещины и т. д.

Сечение, в котором измеряются напряжения, следует назначать с таким расчетом, чтобы оно наиболее точно соответствовало расчетному, т. е. не проходило по элементам, неопределенно включаемым в работу (например, соединительные планки, концевые участки накладок и т. п.).

Рис. 4.37. Схема размещения минимального числа тензометров и тензоре- зисторов в поперечных сечениях металлических элементов: 1,2 - при действии осевой силы N; 3 - 8 - при действии N, М_%, М, М Расстановка приборов в сечении исследуемого элемента производится в зависимости от характера напряженного состояния и конфигурации сечения. Минимальное число точек установки тензометров в сечении определяется характером его работы. Так, при определении осевого усилия N, изгибающих моментов М и М и крутящего момента .М минимальное число точек равно четырем. Это правило относится к монолитным сечениям. Для составных сечений, где возможно взаимное смещение отдельных элементов, число точек должно быть увеличено (рис. 4.37). В связи с некоторой неопределенностью распределения напряжений по сечениям бетонных и железобетонных элементов, особенно работающих на изгиб, число точек установки тензометров в сечении принимается выше, чем в соответствующих сечениях элементов металлических конструкций.

таким ооразом, для оценки концентрации напряжении неооходимо измерить о_тах и а. При измерении о_тах тензометр (датчик) с малой базой необходимо установить в зоне максимальной концентрации напряжений (обычно на кромке концентратора: выкружки, отверстия и др.) с ориентацией базы измерения по направлению силового потока в рассматриваемой зоне сечения. Для определения а обычно измеряют напряж

регулировочный винт; 2 — стойка; •? - корпус; 4 — катушка; 5 — сердеч­ник; 6 — неподвижная призма

регулировочный винт; 2 — стойка; •? - корпус; 4 — катушка; 5 — сердечник; 6 — неподвижная призма