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

5*

* 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 ^1риРУЧ.

I

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.

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