RU2091702C1

RU2091702C1 - Device for measuring deformation when testing constructions for strength

Info

Publication number: RU2091702C1
Application number: RU95101234A
Authority: RU
Inventors: Ю.С. Ильин
Original assignee: Центральное аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1997-09-27
Also published as: RU95101234A

Abstract

FIELD: measuring equipment. SUBSTANCE: elastic member of tensoresistor device designed for measuring deformation is made of two thin-walled rings connected in series to each other along their axis of symmetry. Rings are coupled by assembly which presets normalized value of parameter being measured. This assembly and assemblies which couple elastic member to construction under test are provided with base holes for mounting the calibration appliance on device. EFFECT: wider range and higher accuracy of measurement; calibration of device directly on construction under test. 7 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения деформаций конструкций при климатических и ресурсных испытаниях на прочность. The invention relates to measuring equipment, in particular to means for measuring structural deformations during climatic and resource strength tests.

Область применения изобретения авиастроение, машиностроение, судостроение, атомная энергетика и др. The scope of the invention aircraft manufacturing, mechanical engineering, shipbuilding, nuclear energy, etc.

При испытаниях на прочность материалов и конструкций производят измерение деформаций в широком диапазоне диаграммы " σ - ε " при различных климатических условиях. При этом важными требованиями к измерительным устройствам являются: обеспечение высокой точности измерения, которая в значительной мере зависит от разброса номинальных сопротивлений тензорезисторов в партии, их собственной ползучести во времени, температурной компенсации и др. помехоустойчивости от воздействия электромагнитных помех, защищенности от воздействия повышенной влажности, обеспечение технологичности монтажа на поверхности конструкции, возможности периодического контроля измерительных характеристик, малых габаритных размеров и веса. When testing the strength of materials and structures, strain is measured in a wide range of the σ - ε diagram under various climatic conditions. At the same time, important requirements for measuring devices are: ensuring high measurement accuracy, which largely depends on the spread of the nominal resistance of the strain gauges in the batch, their own creep in time, temperature compensation and other noise immunity from electromagnetic interference, protection from exposure to high humidity, ensuring manufacturability of mounting on the surface of the structure, the possibility of periodic monitoring of measuring characteristics, small overall Dimensions and weight.

Известны устройства для измерения деформаций при испытаниях конструкций на прочность, выполненные в виде наклеиваемых тензорезисторов, содержащих диэлектрическую основу, металлическую чувствительную решетку и выводные провода [1]
Недостатком известных тензорезисторов являются ограниченный диапазон измерения деформаций (до ±0,2-0,5%), неполная температурная компенсация сопротивления, наличие значительных погрешностей измерения при электромагнитных помехах, применение косвенного метода градуировки для определения чувствительности (градуируется выборка из партии тензорезисторов и по ней присваиваются характеристики всей партии) и др. Весьма сложной проблемой является защита тензорезисторов от длительного воздействия влаги, паров масел и агрессивных сред и др. Не обеспечивается периодический контроль измерительных характеристик при длительных испытаниях.Known devices for measuring strains when testing structures for strength, made in the form of glued strain gauges containing a dielectric base, a metal sensitive lattice and lead wires [1]
A disadvantage of the known strain gauges is the limited range of strain measurements (up to ± 0.2-0.5%), incomplete temperature compensation of the resistance, the presence of significant measurement errors with electromagnetic interference, the use of an indirect calibration method to determine the sensitivity (a sample of and from it the characteristics of the entire batch are assigned), etc. A very difficult problem is the protection of strain gages from prolonged exposure to moisture, oil vapors and aggressive media, etc. N provided periodic control measurement characteristics during long tests.

Известно устройство для измерения больших деформаций при испытаниях конструкций на прочность, содержащее упругое кольцо, жестко в одной точке закрепленное на базе, относительно которой ведется измерение, а в противоположной точке окружности на него передается деформация с испытуемой конструкции. На кольцо с внешней и внутренней стороны установлены тензорезисторы, которые преобразуют деформацию в электрический сигнал [2]
Недостатком устройства является то, что оно градуируется с измерительной аппаратурой до монтажа на исследуемой конструкции. Контроль измерительных характеристик его в процессе длительной эксплуатации без демонтажа с конструкции не обеспечивается. Кроме того, при нелинейной градуировочной характеристике имеют место дополнительные погрешности, возникающие за счет монтажа на конструкции.A device is known for measuring large deformations when testing structures for strength, containing an elastic ring rigidly fixed at one point to the base against which the measurement is carried out, and at the opposite point of the circle, deformation from the tested structure is transmitted to it. Strain gages are installed on the ring from the outside and inside, which convert the deformation into an electrical signal [2]
The disadvantage of this device is that it is graduated with measuring equipment prior to installation on the test structure. Monitoring of its measuring characteristics during long-term operation without dismantling from the structure is not provided. In addition, with a non-linear calibration characteristic, additional errors occur due to installation on the structure.

Известно также устройство для измерения деформаций при испытаниях конструкций на прочность, содержащее упругий элемент, выполненный в виде скобы П-образной формы, на горизонтальной площадке которой наклеены тензорезисторы, а боковые стойки в нижней части прикрепляются к исследуемой поверхности конструкции на заданной базе измерения, и измерительную аппаратуру [2]
Недостатком этого устройства является наличие дополнительных погрешностей, возникающих за счет монтажа на конструкции после градуировки, невозможность периодического контроля характеристик без демонтажа с конструкции, наличие дополнительных погрешностей, обусловленных деформациями кручения, растяжения, сжатия и др.A device is also known for measuring strains when testing structures for strength, containing an elastic element made in the form of a U-shaped bracket, on a horizontal platform of which strain gages are glued, and side racks in the lower part are attached to the investigated surface of the structure at a given measurement base, and a measuring equipment [2]
The disadvantage of this device is the presence of additional errors arising from mounting on the structure after graduation, the impossibility of periodically monitoring the characteristics without dismantling from the structure, the presence of additional errors due to torsional, tensile, compressive, and other strains.

Задача изобретения состоит в том, чтобы увеличить диапазон измерения деформаций в рабочем диапазоне температур, повысить точность измерения деформаций и снизить эксплуатационные расходы на подготовку и проведение измерений при испытаниях конструкций. The objective of the invention is to increase the measuring range of strains in the operating temperature range, to improve the accuracy of measuring strains and reduce operating costs for the preparation and conduct of measurements during testing of structures.

Технический результат достигается расширением диапазона измеряемых деформаций, увеличение точности измерения и уменьшением трудоемкости работ по эксплуатации при проведении измерений. The technical result is achieved by expanding the range of measured strains, increasing the accuracy of the measurement and reducing the complexity of the operation during the measurement.

Согласно изобретению технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве для измерения деформаций при испытании конструкций на прочность, содержащем упругий элемент, узлы крепления упругого элемента, тензорезисторы, установленные на упругом элементе, и измерительную аппаратуру, упругий элемент выполнен из двух тонкостенных колец, соединенных друг с другом последовательно по оси их симметрии узлом задания нормированной величины измеряемого параметра, а в узлах крепления и узле задания нормированной величины измеряемого параметра выполнены базовые отверстия. According to the invention, the technical result is achieved due to the fact that in the device for measuring strains when testing structures for strength, containing an elastic element, fastening nodes of the elastic element, strain gauges mounted on the elastic element, and measuring equipment, the elastic element is made of two thin-walled rings connected to each other with the other, sequentially along the axis of their symmetry, by the node for specifying the normalized value of the measured parameter, and in the fastening nodes and node for specifying the normalized value on setting up a basic hole.

На фиг.1 изображен общий вид описываемого устройства; на фиг.2 вид А на фиг. 1; на фиг. 3 вид сбоку; на фиг.4 разрез Б-Б на фиг.1; на фиг.5 представлено описываемое устройство с градуировочным приспособлением; на фиг.6 показана электрическая схема устройства; на фиг.7 представлены градуировочные характеристики устройства при работе с измерительной системой СИИТ-3. Figure 1 shows a General view of the described device; in FIG. 2, view A in FIG. one; in FIG. 3 side view; figure 4 section BB in figure 1; figure 5 presents the described device with a calibration device; figure 6 shows the electrical circuit of the device; figure 7 presents the calibration characteristics of the device when working with the measuring system SIIT-3.

Устройство для измерения деформаций состоит из корпуса 1, упругого элемента 2, узла 3 задания нормированной величины измеряемого параметра, тензорезисторов 4, наклеенных на поверхности упругого элемента, узлов 5 крепления упругого элемента, базовых опор 6, монтажных колодочек 7 и измерительной аппаратуры. A device for measuring deformation consists of a housing 1, an elastic element 2, a node 3 for setting the normalized value of the measured parameter, strain gauges 4 glued on the surface of the elastic element, nodes 5 for fixing the elastic element, base supports 6, mounting blocks 7 and measuring equipment.

Корпус 1 выполнен легкосъемным и устанавливается с зазором в пазах узлов 5 крепления. Корпус одновременно выполняет роль ограничителя хода при повышении измеряемой деформации заданного диапазона. В узлах 3 и 5 выполнены базовые отверстия 8. The housing 1 is made easily removable and is installed with a gap in the grooves of the fastening nodes 5. At the same time, the casing acts as a travel limiter while increasing the measured deformation of a given range. In nodes 3 and 5, the base holes 8 are made.

Упругий элемент 2 состоит из двух тонкостенных колец малой жесткости, соединенных друг с другом последовательно при помощи упомянутого узла 3. На внешней и внутренней поверхности колец в сжатой и растянутой зонах установлены восемь тензорезисторов 4, по четыре на каждом кольце, которые соединены в два измерительных моста, подключенных к монтажным колодочкам 7. The elastic element 2 consists of two thin-walled rings of low stiffness, connected to each other in series using the said node 3. On the outer and inner surfaces of the rings in the compressed and stretched zones are eight strain gauges 4, four on each ring, which are connected in two measuring bridges connected to mounting blocks 7.

Крепление устройства на поверхности испытуемой конструкции 9 производится при помощи двух узлов 5. Соединение упругих колец 2 с узлами 3 и 5 производится при помощи точечной электросварки, а узлов крепления 5 с конструкцией 9 клеем, цементом или точечной электросваркой. Базовые отверстия 8 служат для установки на устройстве градуировочного приспособления 10 (фиг. 5). Два измерительных моста 11, в каждый из которых включены 4 тензорезистора, через коммутатор 12 подключаются к измерительному устройству 13, для управления которым, а также для сбора, обработки и представления информации о деформировании конструкции используется персональная электронная вычислительная машина (ПЭВМ) 14. Указанные выше элементы образуют измерительную систему (аппаратуру) устройства. The device is mounted on the surface of the test structure 9 using two nodes 5. The elastic rings 2 are connected to the nodes 3 and 5 by spot welding, and the fastening nodes 5 with the structure 9 are glued, cement or spot welding. Base holes 8 are used for installation on the device of the calibration device 10 (Fig. 5). Two measuring bridges 11, each of which includes 4 strain gages, are connected through a switch 12 to a measuring device 13, for the control of which, as well as for collecting, processing and presenting information about the deformation of the structure, a personal electronic computer (PC) 14. is used. The above Elements form the measuring system (equipment) of the device.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Упругий элемент укрепляется на поверхности конструкции в исследуемой зоне и подключается к измерительной аппаратуре (например, к системе СИИТ-3, фиг. 6). Устройство градуируется совместно с измерительной аппаратурой при помощи градуировочного приспособления 10 и определяются коэффициенты K₁ и K₂ преобразования каждого кольца с тензорезисторами при растяжении и сжатии.The elastic element is mounted on the surface of the structure in the studied area and connected to measuring equipment (for example, to the SIIT-3 system, Fig. 6). The device is calibrated in conjunction with measuring equipment using a calibration device 10 and the coefficients K ₁ and K _{2 of the} transformation of each ring with strain gages under tension and compression are determined.

При нагружении конструкция деформируется, что приводит к изменению начальной базы измерения "l". При изменении базы измерения (изменение расстояния между точками крепления устройства) деформируются тонкостенные кольца и чувствительные решетки тензорезисторов 4, наклеенных на их поверхность. При этом изменяется начальное сопротивление R плеч измерительного моста (например, для первого кольца: сопротивления R₁ и R₃ тензорезисторов увеличиваются на величину DR₁ и ΔR₃, а R₂ и R₄ уменьшаются на величину, соответственно ΔR₂ и ΔR₄, что приводит к возникновению в измерительной диагонали первого моста электрического сигнала A $\binom{i}{1}$ , пропорционального деформации поверхности конструкции, который регистрируется устройством 13 и обрабатывается ПЭВМ 14. Одновременно регистрируется и обрабатывается сигнал A $\binom{i}{2}$ с измерительного с тензорезисторами второго кольца. Деформация конструкции рассчитывается по приведенной далее формуле 5.During loading, the structure is deformed, which leads to a change in the initial measurement base "l". When changing the measurement base (changing the distance between the attachment points of the device), thin-walled rings and sensitive gratings of strain gauges 4 glued to their surface are deformed. In this case, the initial resistance R of the arms of the measuring bridge changes (for example, for the first ring: the resistance R ₁ and R _{3 of the} strain gages increase by the amount of DR ₁ and ΔR ₃ , and R ₂ and R ₄ decrease by the value of ΔR ₂ and ΔR ₄ , respectively leads to the appearance in the measuring diagonal of the first bridge of the electric signal A $\binom{i}{one}$ proportional to the deformation of the surface of the structure, which is recorded by the device 13 and processed by the PC 14. At the same time, signal A is recorded and processed $\binom{i}{2}$ from measuring with strain gauges of the second ring. The deformation of the structure is calculated using the following formula 5.

В случае, если при испытаниях деформация конструкции в исследуемой зоне превысит предельно допустимый диапазон измерения устройства, которому соответствует зазор в пазе между узлами 5 крепления и корпусом 1, эти части упираются друг в друга и ограничивают дальнейшее деформирование колец и тензорезисторов. If, during testing, the deformation of the structure in the studied area exceeds the maximum allowable measuring range of the device, which corresponds to the gap in the groove between the attachment points 5 and the housing 1, these parts abut each other and limit further deformation of the rings and strain gauges.

Приводимая ниже формула 5 получена следующим образом. The following formula 5 is obtained as follows.

Деформация ε конструкции в исследуемой зоне определяется по известной формуле:

,
где l начальная длина конструкции или база измерения на конструкции;
Δl изменение длины конструкции или базы измерения.The deformation ε of the structure in the studied area is determined by the well-known formula:

,
where l is the initial length of the structure or the measurement base on the structure;
Δl change in the length of a structure or measurement base

Для рассматриваемого случая:
Δl = Δl₁+Δl₂, (2),
где Δl₁ и Δl₂ удлинения базы l, определяемые по показаниям измерительных мостов.For the case in question:
Δl = Δl ₁ + Δl ₂ , (2),
where Δl ₁ and Δl ₂ lengthenings of the base l, determined by the test bridges.

При этом:
Δl₁ = (A $\binom{i}{1}$ - A $\binom{o}{1}$ )•K₁ (3),
где A $\binom{o}{1}$ сигнал с первого измерительного моста до нагружения конструкции;
A $\binom{i}{1}$ сигнал первого измерительного моста при i-й ступени нагружения конструкции;
K₁ коэффициент преобразования деформации в электрический сигнал первого кольца с тензорезисторами.Wherein:
Δl ₁ = (A $\binom{i}{one}$ - A $\binom{o}{one}$ ) • K ₁ (3),
where a $\binom{o}{one}$ signal from the first measuring bridge to the loading of the structure;
A $\binom{i}{one}$ the signal of the first measuring bridge at the i-th stage of structural loading;
K _{1 is the} coefficient of transformation of the strain into an electrical signal of the first ring with strain gauges.

Для второго упругого кольца:
Δl₂ = (A $\binom{i}{2}$ - A $\binom{o}{2}$ )•K₂ (4).For the second elastic ring:
Δl ₂ = (A $\binom{i}{2}$ - A $\binom{o}{2}$ ) • K ₂ (4).

Подставляя 2, 3 и 4 в формулу 1 получаем

Определение коэффициента K₁ и K₂ производится по градуировочным характеристикам A

\binom{г}{1,2}

= Φ(f) (зависимость выходного сигнала A

\binom{г}{1,2}

от задаваемого перемещения f) устройства совместно с измерительной аппаратурой при помощи градуировочного приспособления 10 до монтажа предлагаемого устройства на конструкцию и периодически при проведении измерений на конструкции. При измерении этих коэффициентов в процессе длительных испытаний корректируются результаты обработки данных.Substituting 2, 3 and 4 in the formula 1 we get

The determination of the coefficient K ₁ and K _{2 is} carried out according to the calibration characteristics A

g

\binom{}{1,2}

= Φ (f) (dependence of the output signal A

g

\binom{}{1,2}

from the specified movement f) of the device together with the measuring equipment using the calibration device 10 to the installation of the proposed device on the structure and periodically during measurements on the structure. When measuring these coefficients during long-term tests, the results of data processing are adjusted.

Таким образом, новые элементы обеспечивают устройству по изобретению следующие свойства. Thus, the new elements provide the device according to the invention the following properties.

1. Два упругих кольца, соединенных друг с другом последовательно обеспечивают: преобразование больших деформаций (до 5 15%) исследуемой конструкции в малые деформации (до 0,2 0,5%) в зонах наклейки тензорезисторов; возможность градуировки устройства непосредственно на конструкции после монтажа; возможность увеличения в 2-4 раза выходного сигнала измерительного моста; снижение температурных погрешностей, погрешностей от деформаций не в заданном направлении, погрешностей от электромагнитных помех, погрешностей за счет изменения коэффициентов преобразования при длительной эксплуатации и др. 1. Two elastic rings connected to each other sequentially provide: the conversion of large deformations (up to 5–15%) of the studied design into small deformations (up to 0.2–0.5%) in the areas of the stick of strain gauges; the ability to calibrate the device directly on the structure after installation; the possibility of increasing by 2-4 times the output signal of the measuring bridge; reduction of temperature errors, errors from deformations not in a given direction, errors from electromagnetic interference, errors due to changes in conversion coefficients during long-term operation, etc.

2. Узел задания нормированной величины измеряемого параметра (деформации) обеспечивает возможность задания деформации при периодической градуировке устройства и, соответственно, корректирование результатов измерения. 2. The unit for setting the normalized value of the measured parameter (deformation) provides the ability to set the deformation during the periodic calibration of the device and, accordingly, the correction of the measurement results.

3. Базовые отверстия на узлах крепления обеспечивают установку градуировочных приспособлений и проведение периодических градуировок устройства непосредственно на конструкции без демонтажа устройства. 3. The base holes on the attachment points provide for the installation of calibration devices and periodic calibration of the device directly on the structure without dismantling the device.

Кроме того, корпус устройства обеспечивает защиту упругих колец и тензорезисторов от перегрузки при превышении деформацией конструкции диапазона измерения. In addition, the housing of the device protects the elastic rings and strain gauges from overload when the deformation exceeds the design of the measuring range.

Применение устройства обеспечивает возможность измерения деформаций конструкций во всем диапазоне диаграммы " σ - ε " материала, расширение диапазона измерения деформаций в 30-50 раз, увеличение точности измерений в 2-3 раза при длительных испытаниях, сокращение расходов на подготовку и проведение измерений при испытаниях в 1,5-2 раза. The use of the device provides the ability to measure structural deformations in the entire range of the “σ - ε” diagram of a material, expand the range of strain measurements by 30–50 times, increase the accuracy of measurements by 2–3 times during lengthy tests, and reduce the cost of preparing and carrying out measurements during tests in 1.5-2 times.

Claims

A device for measuring strain when testing structures for strength, containing an elastic element, a fastener for the elastic element, strain gages located on the elastic element, and measuring equipment, characterized in that the elastic element is made of two thin-walled rings connected to each other in series along their axis symmetry by the node assigning the normalized value of the measured parameter, and in the attachment points and node assigning the normalized value of the measured parameter, the base holes are made.