Тензометры

Определение напряженного состояния строительных конструкций и их элементов является одним из основных вопросов испытания сооружений и конструкций. Значение напряжений определяют в виде произведения относительной деформации на модуль упругости материала конструкции: .

Приборы, измеряющие линейные деформации (укорочения или удлинения), называются тензометрами. Измерение линейных деформаций происходит на определенном участке элемента, который называют базой тензометра. Если деформацию, полученную в результате измерения, разделить на величину базы, получим относительную деформацию.

К тензометрам, применяемым при испытаниях конструкций и сооружений статическими нагрузками, предъявляют следующие основные требования: конструкция тензометра должна давать возможность изменять величину базы; так как линейные деформации, как правило, малы, то тензометр должен давать увеличенное значение деформации; коэффициент увеличения должен быть таким, чтобы обеспечить необходимую точность измерения деформации; масса и габаритные размеры тензометра должны быть, возможно, минимальными; центр тяжести прибора должен быть максимально приближен к поверхности испытываемого элемента, чтобы положение было устойчивым.

Существует несколько разновидностей тензометров. Часть из них используют только при лабораторных испытаниях, а часть — как лабораторных, так и полевых. Различают следующие виды тензометров: механические, электромеханические, струнные (акустические) и электрические тензометры сопротивления.

Тензометр Гугенбергера принадлежит к группе механических тензометров и в настоящее время находит широкое применение в практике испытаниястроительных конструкций и сооружений (рис. 12).

 

Рисунок 12. Общий вид (а) и кинематическая схема (б) тензометра Гугенбергера

 

Тензометр состоит из корпуса 8 со шкалой 9 и рычажной системы. На исследуемый элемент он опирается в двух точках; конусом 7 и призмой 6. спризмой жестко соединен подвижный рычаг 4. Конус 7 наглухо соединен с корпусом, с верхним концом которого шарнирно соединена стрелка 10. Стрелка при помощи горизонтального рычага 2 шарнирно соединена с подвижным рычагом 4. Пружина 3 служит для устранения люфтов. Имеется также стопорный рычаг 5, при помощи которого в нерабочем положении прибор арретируется.

Тензометр измеряет деформацию фибрового волокна элемента, длина которого равна расстоянию между призмой и конусом. При деформации этого волокна в пределах базы призма 6 и вместе сней подвижный рычаг 4 в случае растяжения элемента повернется справа налево, при сжатии элемента — слева направо. Верхний конец рычага переместится и потянет за собой стрелку. Измеряемая деформация при этом вычислится как

, (4)

где —увеличение прибора, равное 1000 (см. рис.12,б); — разность отсчетов по шкале; — цена одного деления шкалы.

Соотношение рычагов подобрано с таким расчетом, чтобы коэффициент увеличения тензометра равнялся 1000. Если база тензометра изменится на 0,001 мм, то конец стрелки на шкале переместится на 1 мм. Одно деление на шкале равно 1 мм; если отсчеты на шкале брать с точностью одного деления, то точность измерения деформации будет равна 0,001 мм. База тензометра (без удлинителя) равна 20 мм, число делений на шкале — 50. Это значит, что деформация, соответствующая 50 делениям шкалы, равна 50 мкм.

Как отмечали выше, пятидесяти делениям шкалы соответствует величина деформации, равная 50 мкм. В ряде случаев измеряемые деформации строительных конструкций и их элементов больше, чем 50 мкм, поэтому возникает необходимость переставлять стрелку (что является недостатком тензометра Гугенбергера), для чего на верхнем конце корпуса прибора имеется ползунок 1 (см. рис.12).

Между поверхностью шкалы и стрелкой тензометра имеется зазор, поэтому при взятии отсчета глаз наблюдателя должен располагаться перпендикулярно плоскости шкалы. В противном случае, при разных позициях наблюдателя по отношению к шкале тензометра одним и тем же деформациям будут соответствовать разные отсчеты по шкале. На шкале тензометра имеется зеркало, в котором видно изображение стрелки. Если глаз наблюдателя направлен перпендикулярно по отношению к плоскости зеркала, стрелка совмещается со своим отражением в зеркале, и взятый отсчет при таком положении глаза наблюдателя будет соответствовать действительному значению деформации.

Тензометр на испытываемый элемент закрепляют специальным приспособлением — струбциной.

В ряде случаев база тензометра 20 мм бывает недостаточна. Для ее увеличения применяют специальное приспособление — удлинитель (рис.13). Он состоит из пластинки, которая одним концом соединяется с тензометром маленьким болтом; на другом конце помещен подвижный опорный конус, передвижением которого достигается изменение величины базы. При использовании удлинителя конус, расположенный на корпусе прибора, поднимается и не соприкасается с поверхностью испытываемого элемента; таким образом, тензометр опирается на испытываемый элемент только в двух точках.

Использование удлинителя дает возможность менять значение базы в пределах от 20 до 250 мм.

Тензометр Гугенбергера характеризуется сравнительно большой точностью измерения деформации (0,001 мм), малыми габаритными размерами и массой, возможностью изменения величины базы, сравнительно низким положением центра тяжести. Но он имеет и недостатки: требует чрезвычайно осторожного обращения, что весьма затруднительно в условиях полевых испытаний; при измерении деформации больше чем 50 мкм стрелку необходимо переставлять; при работе в полевых условиях тензометр надо оберегать от ветра и дождя.

 

 

Рисунок 13. Тензометр Гугенбергера с удлинителем (слева) и без удлинителя (справа)

 

Электрические тензометры принадлежат к группе приборов, в которых для измерения деформаций использована зависимость между деформацией и омическим сопротивлением.

Определение деформаций электрическими тензометрами можно осуществлять при действии как статических, так и динамических нагрузок.

Электрический тензометр состоит в основном из двух элементов: тензорезистора и регистрирующей установки. Тензорезистор наклеивается на испытываемую конструкцию, и после приложения нагрузки деформируется вместе с ней. Его сопротивление изменяется, и регистрирующая аппаратура фиксирует это изменение. Регистрирующую установку ставят обычно на определенном расстоянии от тензорезистора.

Для электротензометрии используют как постоянный, так и переменный ток.

При испытании строительных конструкций пользуются тензорезисторами, которые изготовляются или из угля, или из металлической проволоки. В настоящее время почти во всех случаях находят применение тензорезисторы, изготовленные из металлической проволоки.

Одной из основных характеристик тензорезистора является отношение относительного сопротивления к относительной деформации , которое называется коэффициентом тензочувствительности и представляет собой безразмерную величину

, (5)

где — номинальное сопротивление тензорезистора, ом; — приращение сопротивления тензорезистора при изменении длины на ; — рабочая длина тензорезистора (база).

Изменение омического сопротивления происходит потому, что при его деформации меняется длина и диаметр проволоки.

Рабочей частью тензорезисторов является либо одна нитка (рис.15,а), либо совокупность нескольких ниток в виде зигзагообразной решетки (рис. 15,б), к концам которой присоединены выводящие провода 2 из медных проволок диаметром 0,15—0,3 мм. Тензорезистор изготовляется из проволоки с высоким электрическим сопротивлением (обычно из сплава — константана, манганина) диаметрами 2— 50 мкм (рис. 15).

 

 

Рисунок 15. Схемы тензорезисторов:

а – однопроволочный; б – с проволочной решеткой; в – с остроконечной проволочной решеткой; г – фольговый; д – с непетлевой проволочной решеткой; 1 – испытываемый элемент; 2 – выводы;

3- основа; 4 – проволока; 5 – слой клея; 6 - перемычки

 

Проволоку тензорезистора (решетку) специальным клеем наклеивают на высококачественную бумагу 3;поверх решетки также наклеивают бумагу. Благодаря наличию верхнего и нижнего бумажных слоев проволока датчика является изолированной.

Наибольшее распространение получили многопроволочные тензорезисторы (рис. 15,б); они обеспечивают сравнительно малую величину базы при большом значении омического сопротивления.

Длина и диаметр проволоки тензорезистора зависят от требуемого значения его омического сопротивления, которое принимается при статических испытаниях от 100 до 400 ом. Коэффициент тензочувствительности зависит в основном от материала проволоки и колеблется в пределах от 1,8 до 2,2. Основной размер тензорезистора (база) в целях унификации нормирован — 5; 10; 20; 30; 50; 75; 100; 200 мм. При испытаниях металлических конструкций обычно используются базы до 20 мм, а при испытаниях железобетонных конструкций — 50—200 мм. Масса тензорезистора равна примерно 0,01 г.

Показанные на рис. 15,б элементы решетки лежат в одной плоскости. Расстояние между проволоками берется 0,15—0,20 мм. Увеличение этого расстояния нежелательно, так как с увеличением расстояния возрастает влияние поперечных деформаций исследуемого элемента на тензорезистор.

На рис. 15,в показана схема тензорезистора, в котором изменение направления проволоки происходит в виде остроконечных зигзагов. Этот тензорезистор малочувствителен к поперечным деформациям. Однако такие тензорезисторы не получили широкого распространения из-за трудоемкости их изготовления.

Тензорезисторам, изготовленным из проволок, присущи следующие недостатки: 1) деформации влияют на точность результатов измерения; 2) концы проволок недостаточно заделаны в клеевом шве; в местах заделки наблюдается концентрация напряжений.

На рис. 15,г показан фольговый тензорезистор. Он имеет решетку из металлической фольги толщиной 0,005—0,01 мм. Изготовление такого тензорезистора производится путем вытравления лишних частей фольги. Этим способом сравнительно легко можно получить тензорезистор любой формы.

Для измерения деформации при действии высокой температуры применяют тензорезисторы особой конструкции — термокомпенсированные. Решетку этих тензорезисторов изготовляют из двух материалов с различными температурными коэффициентами сопротивления, например, из константана и из меди.

На рис. 15,д показан тензорезистор с петлевой решеткой, которая образуется из четного количества параллельно расположенных проволок. На концевых участках этих проволок уложены соединительные перемычки сравнительно большого поперечного сечения. Эти перемычки соединяют каждую пару проволок, в результате чего получается последовательнее соединение проволок. Две крайние перемычки соединены с выводами. Перемычки уложены от конца проволок на расстоянии с целью обеспечения заделки концов проволоки в слое клея. Недостаток этого тензорезистора— трудность его изготовления.

Для измерения деформаций при сложном напряженном состоянии элемента применяют розетки тензорезисторов (рис. 16), которые состоят из нескольких обычных тензорезисторов, ориентированных по разным направлениям. Этими розетками измеряют деформации по трем направлениям и по ним определяют главные деформации (главные напряжения).

Для устранения влияния поперечных деформаций на результаты испытания применяют несколько разновидностей тензорезисторов.

 

 

Рисунок 16. Розетки, составленные из отдельных тензорезисторов:

а – под углом 90⁰; б – 45⁰; в – 60⁰ (звездообразные); г – 60⁰ (треугольные); д – 60⁰ (комбинированные с прямоугольными); е – 45⁰ (комбинированные)

 

В МИСИ им. В. В. Куйбышева организована лаборатория автоматизации экспериментальных исследований (АЭИ), где разрабатывают и изготовляют разнообразные тензорезисторы, предназначенные для научно-исследовательских работ. Они отличаются от существующих широким диапазоном измеряемых деформаций, низкой и равномерно распределенной жесткостью тензорешетки в плоскости приклейки, миниатюризацией тензорезисторов при сохранении отношения ширины к базе тензорешеток не выше 0,5 и низкой поперечной чувствительностью.

Специфика тензорезисторов МИСИ позволяет расширить область их применения и измерять деформации весьма низкомодульных материалов, а также регистрировать упруго-пластические деформации в зонах с высоким градиентом напряжений.

Качество приклейки тензорезистора оказывает большое влияние на точность измерения деформации. До приклейки тензорезистора поверхность элемента необходимо тщательно подготовить. Металлическую поверхность очищают (напильником или наждачной бумагой) от краски и коррозированного слоя, затем обезжиривают растворителем (ацетоном или толуолом) и промывают спиртом. Поверхность бетонного элемента очищают от пыли, глубокие раковины заполняют гипсом, зашлифовывают шкуркой и протирают тампоном, смоченным в растворителе, промывают спиртом и наносят тонкий слой клея, который хорошо высушивают. На подготовленную таким образом поверхность элемента снова наносят тонкий слой клея и высушивают его в течение определенного времени (бакелит-фенольный клей — 15 мин и ацетил-целлюлозный — 3 мин), после чего на нижнюю поверхность тензорезистора наносят тонкий слой клея, накладывают его на поверхность элемента и прикатывают резиновым валиком.

Для приклейки тензорезистора к элементу применяют тот же вид клея, которым проволока наклеена на бумагу. В процессе сушки клея для обеспечения должного качества шва необходимо тензорезистор пригрузить (2—4 кГ/см²).

В процессе приклейки тензорезистора его цельность и пригодность должны проверяться два раза: первая проверка—цельность проволок — производится тотчас же после его приклейки омметром; вторая проверка — качество изоляции проволок тензорезистора (слоя клея) —осуществляется измерением сопротивления слоя клея мегаомметром. При статических испытаниях сопротивление слоя клея не должно быть меньше 50 Мом. При меньших значениях сопротивления клеевого шва не исключена возможность утечки тока, что может исказить результаты измерения.

Приклейка тензорезистора требует от исполнителя большого внимания, должной квалификации и соблюдения всех правил приклейки. Для примера отметим, что при приклейке тензорезистора при низких температурах достаточно, чтобы человек приблизил лицо к поверхности, на которую наклеивается тензорезистор, как влага, которую он выдыхает, оседает на холодную поверхность, что скажется на работе тензорезистора. Имеет значение также толщина клеевого шва, так как при больших толщинах клей может не полностью передавать деформацию элемента или иметь собственные деформации, что нежелательно.

Установлено, что хорошие результаты получаются при толщине клеевого шва до 0,20 мм. В таком случае деформации поверхностного слоя элемента и тензорезистора равны.

На точность полученных результатов влияет также качество склеивания всей поверхности тензорезистора. При наличии непроклеенных мест участок проволоки, расположенный над ним, работает независимо, и величина деформации проволоки отличается от деформации верхнего слоя испытываемого элемента.

Излишнее количество влаги отрицательно действует на работу тензорезистора, она меняет физико-механические и изоляционные свойства бумаги и создает возможность утечки тока.

Существует несколько способов защиты тензсрезистора от действия влаги. Ко всем этим способам предъявляются следующие требования: защитное средство не должно вызывать деформации тензорезистора, а также влиять на измеряемый фактор, т. е. механическая прочность защитного материала должна быть, возможно, минимальной. Одним из простых способов защиты является покрытие тензорезистора и выводных проводов изоляционным материалом. При наклеивании тензорезистора ацетилцеллулоидным и бакелитовым клеями в качестве изоляционного материала можно использовать чистый вазелин и воск.

Еще лучшие результаты дает применение следующего способа защиты. На поверхность исследуемого элемента вокруг тензорезистора наклеивают тонкую рамку из материала, не впитывающего воду. Внутренний объем рамки заполняют вазелином. Американская фирма «Филлипс» тензорезистор, приклеенный на поверхности исследуемого элемента по всему своему контуру, рекомендует изолировать резиновыми предохранительными покрышками.

Одним из достоинств тензорезистора является то, что деформации испытываемого элемента измеряются за пределами упругости материала тензорезистора. При этом зависимость между относительными деформациями , приращением сопротивления и коэффициентом тензочувствительности линейна. Это свойство объясняется равномерной деформацией проволоки тензорезистора— при ее растяжении отсутствием появления шейки и при ее сжатии отсутствием продольного изгиба.

Регистрирующая аппаратура. Для регистрации омического сопротивления тензорезистора при его питании переменным или постоянным током применяют мостовые схемы.

На рис. 17 приведена принципиальная схема электроизмерительной установки, работающей по принципу моста Уитстона.

 

Рисунок 17. Принципиальная схема электроизмерительной установки с использованием моста Уитстона:

- активный (рабочий) и - компенсационный тензорезисторы;

и - сопротивления; - усилитель; - регистрирующий прибор

 

Мост состоит из четырех плеч (сопротивлений): в одну диагональ BD моста включен регистрирующий прибор, а в другую АС — источник тока. Тензорезистор, накленный на элемент конструкции ,включен в одно из плеч моста. Этот тензорезистор называют активным, или рабочим. Во второе плечо моста включен компенсационный (температурный) тензорезистор ;он наклеен на такой же материал, что и активный, но так, что не испытывает деформаций.

Для обеспечения одинакового температурного режима оба тензорезистора устанавливают близко друг от друга. При изменении температуры в рабочем и компенсационном тензорезисторах возникнут одинаковые деформации, а, следовательно, и одинаковые изменения сопротивления. Поскольку они включены в смежные плечи моста, это не вызовет его разбаланса и, следовательно, деформации, вызванные изменением температуры, не повлияют на результаты измерений.

Измерение показаний рабочего тензорезистора осуществляют двумя методами: 1) методом непосредственного измерения и 2) методом нулевого измерения.

Метод непосредственного измерения применяется как при статических, так и при динамических испытаниях. В этом случае изменение омического сопротивления рабочего тензорезистора, вызванное деформацией его решетки, определяется по изменению тока в диагонали BD моста.

Метод нулевого измерения применяется только при статических испытаниях. Изменение омического сопротивления (в ом) рабочего тензорезистора при этом определяют по реохорду.

Для метода непосредственного измерения применяют неуравновешенную схему моста. Питание моста производится либо постоянным, либо переменным током высокой частоты. Постоянный ток применяют как при статических, так и при динамических испытаниях.

Значения измеряемых деформаций в относительных единицах зависят в основном от материала конструкции, от задач испытаний и в большинстве случаев меняются в пределах от до . Для измерения столь малых величин требуется высокочувствительная регистрирующая аппаратура, для чего применяют электронные усилители. Усилитель увеличивает чувствительность электронного тензометра, но одновременно при его использовании может получиться дополнительная погрешность (благодаря включению в работу добавочного прибора).

Определение деформации методом непосредственного измерения протекает следующим образом. До загружения конструкции путем изменения сопротивлений и мост балансируется. В этот момент в диагонали моста ток не протекает, и регистрирующий прибор показывает нуль. Для ускорения процесса измерений допускается неполная балансировка моста, т. е. в начале измерений регистрирующий прибор показывает ток () небольшой величины, который отмечают. Вслед за этим происходит загружение конструкции, вызывающее деформацию активного тензорезистора, в результате чего в диагонали BD будет проходить ток (). В зависимости от разности отсчетов на выходном приборе определяется деформация (напряжение элемента конструкции):

, (6)

где — цена деления шкалы выходного прибора, выраженная в относительных деформациях (определяемая при тарировке).

Если цена деления выходного прибора выражена в напряжениях, то значение напряжения , возникающего в элементе, определяется по формуле

, (7)

При испытании конструкции динамической нагрузкой процесс изменения деформаций (напряжений) записывается осциллографом, описание и правила, пользования которого рассмотрены ниже.

В том случае, когда нагружение конструкции производят ступенчатым режимом, вышеописанный процесс повторяется столько раз, сколько имеется ступеней.

Для измерения деформаций методом нулевых измерений применяется уравновешенный мост. На рис 18 показана схема моста, соответствующая этому методу.

 

 

Рисунок 18. Схема моста Уитстона, соответствующая измерению деформаций методом нулевого измерения ( - реохорд)

 

Измерение деформаций нулевым методом происходит следующим образом. До загружения конструкции при помощи реохорда балансируют мост и берут первый отсчет на шкале реохорда. После этого конструкцию загружают, она деформируется и в связи с этим меняется сопротивление активного тензорезистора; баланс моста нарушается. Тогда изменением положения движка реохорда мост опять балансируется иберется второй отсчет. По разностям этих двух отсчетов определяется величина деформации (напряжения). Зависимость между показанием реохорда и деформацией (напряжением) определяется путем тарировки.

В том случае, когда загружение конструкции происходит ступенчатым режимом, описанный выше процесс повторяется столько раз, сколько мы имеем ступеней.

Автоматические измерители деформаций АИ-1 и АИ-2 разработаны на основе аналогичного прибора ЭИД-3. Прибор АИ-1 (рис. 19) предназначен для измерения деформаций при действии статических нагрузок. Диапазон измерения деформаций, выраженный в относительных единицах, равен ; цена делений — При измерении деформаций применяют тензорезисторы сопротивлением не более 400 ом, коэффициент тензочувствительности которых может меняться в пределах от 1,8 до 2,25. Один полный оборот стрелки (на 360°) происходит за 1,5 сек. Питание прибора осуществляется переменным током с напряжением 127 или 220 в с частотой 50 гц. Масса прибора 9 кг.

 

Рисунок 19. Автоматический измеритель деформаций АИ-1

 

Измерение напряжений одновременно в нескольких точках осуществляется при помощи переключателя, который поочередно подключает ко входу прибора тензорезисторы, расположенные в различных местах испытываемой конструкции.

Коммутирование предусмотрено как активных, так и компенсационных тензорезисторов. Следует отметить, что в некоторых случаях один компенсационный тензорезистор может обслуживать все активные тензорезисторы. При этом все они должны иметь одинаковое сопротивление.

В практике испытания строительных конструкций иногда испытывают конструкции до разрушения. В этом случае деформации отдельных элементов и конструкций в целом достигают значительных величин, и диапазон измерения деформаций прибора АИ-1 недостаточен. То же самое можно отметить в отношении ряда низкомодульных материалов, например пластмасс.

В настоящее время имеются тензорезисторы, которые дают возможность измерять относительные деформации в пределах от 7 до 10%. Для этого требуется прибор с диапазоном измерения напряжений , т. е. в 10 раз больше, чем у прибора АИ-1. Таким прибором является прибор АИ-2, созданный на базе прибора АИ-1.

Прибор АИ-2 предназначен для измерения относительных деформаций с использованием тензорезисторов сопротивлением от 80 до 250 ом и коэффициентом тензочувствительности . Цена одного деления шкалы прибора — . В отличие от прибора АИ-1 у АИ-2 имеется не две, а три указывающие стрелки. Время прохождения стрелками всего диапазона — 5 сек. Прибор питается переменным током с напряжением 127 или 220в±10%. Масса прибора 10 кг.

Прибор АИ-2 отличается от АИ-1 тем, что в нем применен многовитковый реохорд.

Автоматический измеритель деформаций АИД-1М (рис. 20) предназначен для измерения статических деформаций в одной или многих точках с помощью тензорезисторов.

Для измерения деформаций в большом числе точек прибор используют в комплекте с коммутирующим устройством.

Основные узлы прибора (рис. 20) смонтированы на шасси, составляющем одно целое с передней панелью, на которой размещены: шкала 2 с указательными стрелками 5, ручка потенциометра балансировки моста по фазе 1, индикатор баланса 7, выключатель сетевого питания 4 и клеммы для подключения датчиков 6 и заземления прибора 3.

 

Рисунок 20. Автоматический измеритель деформаций АИД-1М (а) и коммутирующее устройство – переключатель (б):

1 – рукоятка устройства для балансировки моста по фазе;

2 – шкала; 3 – клеммы для заземления прибора; 4 – выключатель сетевого питания; 5 – стрелки; 6 – клеммы А, О и К; 7 – индикаторная лампа

 

С тыльной стороны прибора выведен шнур питания и размещены ось реостата установки коэффициента усиления, переключатель напряжения питания моста, регулятора масштаба, переключатель напряжения сети и держатель предохранителя. Переключатель напряжения сети имеет два положения, соответствующие напряжениям 127 и 220 в.

Измерение деформаций электротензометрами характеризуется следующими достоинствами: 1) малыми габаритными размерами и малой массой тензорезистора; 2) стабильностью показаний тензорезисторов как при статических, так и при динамических испытаниях; 3) возможностью установки тензорезисторов в труднодоступных и стесненных местах с дистанционным взятием отсчетов; 4) сравнительной дешевизной тензорезисторов.

Одновременно этот способ характеризуется недостатками: 1) релаксацией проволоки тензорезистора и клеевого шва, что снижает степень точности измерения; 2) только однократным использованием тензорезистора; 3) невозможностью использования тензорезистора после тарировки; 4) результаты тарировки небольшого количества тензорезисторов распространяются на всю партию.

 

4. Клинометры

Приборы, которыми измеряют углы поворота сечений или отдельных элементов конструкции (балок, ригелей, колонн, а также конструкций в целом), называются клинометрами. Ниже рассмотрено несколько разновидностей клинометров, которые применяют как при лабораторных, так и при полевых испытаниях.

Рычажный клинометр. Коллективом механической лаборатории ЛИСИ под руководством Н. Н. Аистова разработана упрощенная установка для измерения углов поворота, названная автором рычажным клинометром. Эта установка обеспечивает точность, достаточную для инженерной практики. Установка состоит в основном из одного рычага 1 и двух прогибомеров 2 (рис. 21.).

 

 

Рисунок 21. Рычажный клинометр ЛИСИ:

а – с горизонтальным и б – с вертикальным рычагом

 

Для измерения угла поворота элемента конструкции в сечении I—I на нем жестко крепят горизонтально (рис. 21,а) или вертикально (рис. 21,б) рычаг, изготовленный из уголковой стали. На рычаге выбирают две точки А и В на расстоянии 1000 мм друг от друга и при помощи прогибомеров измеряют их перемещения.

Измерение угла поворота элемента конструкции происходит следующим образом.

До загружения конструкции по обоим прогибомерам берут отсчеты и . После загружения конструкции точки А и В переместятся и снова берут отсчеты и . Разности отсчетов, снятых до и после нагружения, , определяют перемещение соответствующих точек. Тангенс угла поворота сечения (см. рис. 21.)

. (8)

Если для измерения перемещений точек А и В использовать нрогибомеры, точность которых равна 0,01 мм, то точность измерения угла поворота будет равна , что соответствует значению угла .

В случае необходимости можно увеличить точность измерения, увеличив расстояние (базу) между точками А и В.

Клинометр Стоппани. Основным элементом клинометра Стоппани является уровень 2, помещенный в обойму (рис.22), которая одним концом шарнирно опирается на планку 10 с помощью проушины 1, и одновременно на пластинчатую пружину 5. На другом конце закреплена скоба 8, через которую проходит микрометрический винт 9. На верхнем конце микрометрического винта насажен лимб 3 с делениями. На скобе закреплен указатель 4, при помощи которого по лимбу берут отсчеты.

Клинометр на испытываемый элемент закрепляют специальной струбциной 7, на верхнем конце которой помещен сферический шарнир 6.

 

 

Рисунок 22. Клинометр Стоппани

Измерение угла поворота клинометром Стоппани происходит следующим образом. Клинометр закрепляют на исследуемом элементе при помощи сферического шарнира 6, уровень грубо приводят в горизонтальное положение. Точная установка выполняется вращением микрометрического винта 9 (и вместе с ним диска 3), после чего на диске берется первый отсчет . В результате загружения конструкции испытываемый элемент поворачивается на угол и уровень выходит из горизонтального положения. Вращением микрометрического винта уровень опять приводят в горизонтальное положение и на диске берут второй отсчет . По разности отсчетов вычисляют вертикальное перемещение конца микрометрического винта 9; угол поворота определяют по формуле

, (9)

где — расстояние между левой опорой обоймы (шарнира) и осью винта, равное 175 мм.

Шаг микрометрического винта равен ¹/₃ мм, количество делений на диске 60, перемещение конца винта, соответствующее одному делению диска, равно , следовательно,

(10)

Если значение подставить в выражение , получим

. (11)

Точность измерения угла поворота этим клинометром равна .

Клинометр Н. Н. Аистова (IV модель) состоит из следующих частей (рис. 23): корпуса 6, на верхнем конце которого имеется крышка 4, а на нижнем привинчен стакан 11, заполненный глицерином. На крышке 4 для присоединения проводов имеется зажим 3, который изолирован от корпуса. На нижнем конце зажима закреплено коромысло 5, к которому подвешен маятник 2. На нижнем конце маятника закреплена пластинка 10, плоскость которой ориентирована перпендикулярно плоскости качания маятника. При движении маятника одновременно движется погруженная в глицерин пластинка 10, демпфируя его колебания, что повышает точность прибора. На нижнем участке корпуса имеется микрометрический винт 9, на одном конце которого запрессован стальной шарик диаметром 2 мм, а на другом надет диск 8 с делениями и указатель 7 для взятия отсчетов.

 

 

Рисунок 23. Клинометр Н.Н.Аистова

 

На верхнем конце корпуса с двух противоположных сторон имеются два винта 1, которыми при переносе клинометра арретируется маятник. Один из этих винтов используется также в качестве второго полюса при включении прибора в электрическую цепь. В верхней части корпуса имеются вырезы для осмотра некоторых деталей клинометра. На исследуемый элемент клинометр закрепляют струбциной 12. При помощи сферического шарнира клинометр устанавливают в вертикальном положении.

Клинометр при помощи винта 1 и зажима 3 включают в электрическую цепь.

Измерение угла поворота элемента осуществляют следующим образом. После закрепления клинометра на исследуемый элемент его корпус и маятник устанавливают в вертикальном положении. Вращением микрометрического винта его приводят в соприкосновение с концом маятника. Момент замыкания электрической цепи отмечается сигнальным приспособлением. В этот момент берут первый отсчет на шкале прибора. Затем вращением микрометрического винта в обратную сторону размыкают электрическую цепь. Далее конструкцию загружают, в связи, с чем элемент вместе с клинометром поворачивается, маятник же сохраняет первоначальное положение.

Вращая вновь микрометрический винт, его острие приводят в соприкосновение с маятником и в момент появления сигнала по шкале прибора берут второй отсчет . Расстояние от точки закрепления маятника до острия микрометрического винта равно 100 мм (см. рис. 23); число делений на диске равно 100; шаг микрометрического винта — 0,25 мм. Следовательно, перемещение острия микрометрического винта, соответствующее одному делению шкалы прибора, равно и , где — перемещение острия микрометрического винта.

Тангенс угла поворота

. (12)

Точность измерения угла поворота клинометром Н. Н. Аистова равна .