Пристосування для вимірювання та реєстрації навантаження

Для вимірювання сили опору зразка деформації використовують декілька типів пристроїв. Найбільш поширені з них – ричажні, маятникові, торсіонні, електротензометричні силовимірювачі та месдози. Ричажні та маятникові силовимірювачі застосовують при невеликих швидкостях деформування (до 20-40 мм/хв) та повільній зміні величини навантаження. Схеми машин з гідравлічним приводом та такими силовимірювачами наведено на рис. 2.

а б

Рис.2. Схема машини з гідравлічним приводом та ричажним (а) й маятниковим (б) силовимірювачем: G – рухомий вантаж, А – ричаг, К – вісь ричагу.

В інших умовах внаслідок великої інерційності обох типів приладів результати вимірювань будуть мати значні похибки. Наприклад, при різкому збільшенні навантаження на зразок маятник за інерцією підніметься вище положення рівноваги, виникнуть коливання, які хоч і затухають, але призводять до появи значних похибок в результатах. Набагато нижчу інерційність мають месдози та торсіонні силовимірювачі, що зазвичай використовуються в гідравлічних машинах. В месдозі зусилля на зразку вимірюють манометром, переміщення стрілки якого пропорційне силі, що діє на рідину. В торсійному силовимірювачі до закріпленого з одного боку циліндричного стрижня через перпендикулярний ричаг передається зусилля, яке пропорційне діючому на рідину.

В перших найпростіших машинах для механічних випробувань силовимірювання зазвичай здійснювалось за допомогою маятникового силовимірювача чи месдоза. Головний недолік цих методів вимірювання, окрім інерційності, - складність переведення отриманої інформації в електричний сигнал. Тому подальший розвиток одержали ті методи реєстрації навантаження, які за допомогою різних фізичних явищ перетворюють механічні переміщення динамометра в електричний сигнал.

Загальний принцип дії таких приладів наступний: датчик сили (або силомір), що являє собою жорстку пружну рамку (скобу) розташовується в силовому ланцюзі між захватом та зразком. Пружні переміщення перетворюються якимось чином в електричний сигнал та фіксуються реєструючим пристроєм.

До недавнього часу для такого перетворення найбільш часто використовувався тензорезисторний ефект, що пов’язаний із зміною активного електроопору провідника при механічній дії на нього. Електротензометричні силовимірювачі використовують на машинах зі всіма типами приводів, вони компактні та мають високу точність вимірювань. На рис.3 наведено схему резисторного тензодатчику, що складається з тонкої проволоки чи фольги з високим коефіцієнтом тензочутливості (відношення зміни електричного опору до відносного видовження) яка певним чином розташована на паперовій підкладці (рис. 3, а). Датчик наклеюють на головку зразка до якої прикріплюють нерухомий захват машини. При розтязі зразка в головках виникають пружні напруження та відповідні деформації, які викликають пропорційну зміну електричного опору тензодатчику. Для реєстрації зміни опору датчик включають до схеми електричного мосту (рис.3, б).

а б

Рис. 3. Резисторний тензодатчик: а – принципова схема (1- паперова підкладка, 2- плоска решітка з проволоки чи фольги, 3 – виводи), б – схема вимірювання навантажень за допомогою моста Уітсона (R₁ – резисторний датчик, R₂ – компенсаційний датчик, R₃=R₄ >>R₁=R₂, Г – джерело струму, g – індикатор підсилювача) в якій реохорд градуюється в одиницях сили.

Широко використовуються також датчики з ємкісними та індукційними перетворювачами. В останні роки найчастіше користуються п’єзодатчиками. В цих датчиках поле внутрішніх механічних напружень викликає зміщення зарядів, які знімаються електродами.

Величина навантаження повинна визначатися з точністю до 0,5 найменшої поділки індикатора силовимірювального механізму. Діапазон навантажень при випробуваннях обирають таким чином, щоб сили опору зразка деформації, по яких будуть визначатися характеристики міцності, були не менше 0,1 шкали обраного діапазону і не нижче 0,04 граничного навантаження випробувальної машини. При цьому бажано, щоб максимальна сила опору зразка знаходилася в другій половині шкали. Саме при такому виборі діапазону навантажень буде забезпечена найбільша точність розрахунку характеристик властивостей матеріалу.

Пристосування для вимірювання та реєстрації деформації

Для побудови діаграми в координатах „навантаження – переміщення” в кожний момент часу змінній величині навантаження слід поставити відповідне переміщення (зміну лінійних розмірів зразка). Для вирішення цієї задачі розроблено ряд методів.

В найпростішому випадку побудови діаграми „сила – навантаження” враховують умови незмінності швидкості переміщення захвату. У зв’язку з цим на приймаючий пристрій, що імітує зростання деформації, подається сигнал, який зростає пропорційно часу випробування. При записі на шлейфовий осцилограф незмінність швидкості деформації імітує незмінність швидкості обертання двигуна, який подає діаграмну стрічку. Недолік такого методу полягає в тому, що в цьому випадку неможливо виміряти пружні характеристики зразків, оскільки пружна деформація динамометра, який стоїть в силовому ланцюзі, значно перевищує пружну деформацію самого зразка.

Щоб подолати цей недолік, використовують різні методи тензовимірювання. Найточніші з тензодатчиків - оптичні (лазерні, інтерференційні, голографічні тощо). На рис. 4 наведено схему вимірювання кута закручування при випробуваннях на закрут за допомогою дзеркального тензометра Мартенса.

Проте, одержану цими методами інформацію складно перетворювати в електричний сигнал, тому найбільш поширені зараз методи виміру деформації побудовані на перетворенні величини переміщення в електричний сигнал. Для цього у механічний щуп, що кріпиться на зразок, монтується відповідний індуктивний, ємкісний чи тензорезисторний перетворювач, який в кожний момент передає електричний сигнал пропорційний переміщенню. Електричні сигнали з блоків навантаження та переміщення ідуть або на записуючий прилад безпосередньо для побудови

Рис. 4. Схема вимірювань за допомогою тензометра Мартенса: 1 – дзеркала, що закріплені на границі розрахункової зони зразка, 2 – зорові труби, 3 – шкали, 4 – зразок.

діаграми „навантаження – переміщення”, або через аналоговий перетворювач поступають у комп’ютер, що значно спрощує подальшій аналіз.