Тарировка приборов 2 страница

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

Дата добавления: 2015-06-30