Испытание зданий и сооружений

Тензометр крепится к исследуемому изделию струбциной. Методика снятия отсчетов с тензометра Анстова такая же, как и с электромеханического клинометра.

Струнные тензометры

 

В этих приборах дистанционного действия использована зависимость между частотой f собственных колебаний и натяжением струны, определяемая выражением

                                      f=

                                          

где   l- длина струны, - плотность ее материала.

Струнные тензометры применяются как приставные (рис. 20, а), так и закладываемые в толщу материала конструкций, например в бетон массивных гидротехнических сооружений. В этом случае (рис. 20, б) струна 2 защищается от соприкосновения с бетоном трубками 5, жестко соединенными с дисками 4, втопленными в кладку.

При деформации бетона расстояние L между дисками меняется, что сопровождается изменением натяжения струны. Если f₁ и f₂ - последовательно замеренные частоты се собственных колебаний, то значение деформации может быть найдено из выражения

                

                      

где Е - модуль упругости материала струны.

Для возбуждения колебаний  используется помещенный рядом со струной  электромагнит 6, в котором возникшие  колебания струны, в свою очередь, индуцируют переменный ток той же частоты f, определяемой с помощью регистрирующих устройств, соединенных с тензометром проводами 7.

Для исключения влияния температуры  и других возможных воздействий, влияющих на получаемые результаты, рядом с группами заложенных в бетон «рабочих» тензометров помещают «компенсационный» прибор, размещаемый таким образом, чтобы деформации бетона на него не действовали. Учитываются также показания заложенных в кладку телетермометров и т.д.

Струнные тензометры применяют  главным образом для длительных измерений, поскольку существенным их преимуществом по сравнению с тензорезисторами являются то. что на частоту колебаний струны не влияют возможные утечки тока и изменения омического сопротивления в соединительных коммуникациях, с чем приходится серьезно считаться и принимать соответствующие защитные меры при пользовании тензорезисторами.

              а                                                             б

             

 

Рис. 20. Струнные тензометры: а - приставной (или «накладной») тензометр; 6 - закладной тензометр;

1 - испытываемая  конструкция; 2 - натянутая стальная струна; 3 - опоры для крепления струны; 4 - жесткие диски; 5 - ограждающие трубки; 6 - электромагнит; 7 - соединительные провода; l - длина струны; L - расстояние между средними сечениями дисков 4.

Тензорезисторные тензометры

 

В настоящее время  для измерения деформаций при  испытаниях сооружений, строительных конструкций и деталей наиболее широко используются тензорезисторные тензометры, в основу которых положены тензорезисторы различной конструкции.

Тензорезисторы  предназначены для дистанционных измерений деформаций.

Принцип действия тензорезисторов основан на изменении  омического сопротивления R проводников и полупроводников при деформации.

Основной характеристикой  тензорезистора является его коэффициент тензочувствительности

                           К=

          

т.е. отношение  относительного изменения электросопротивления ∆R/R тензорезистора к вызывающей это изменение деформации исследуемого материала, где l - длина базы тензорезистора.

Для изготовления тензорезисторов используются обычно сплавы меди и никеля (константам, элинвар), характеризующиеся высокий коэффициентом тензочувствительности К, постоянством значений К в требуемом диапазоне деформаций, большим удельным омическим сопротивлением = R/AI (где А - поперечное сечения проводника, которое может быть взято достаточно малым) и практически постоянством значений при колебаниях температуры, возможных в условиях пользования тензорезисторами при испытаниях строительных конструкций.

Следует отметить, что с помощью тензорезисторов  измеряется относительное удлинение , а не изменение ∆l длины базы (как у механических тензометров).

Однако длина  базы имеет существенное значение и  для тензорезисторов, поскольку при исследованиях материалов с неоднородной структурой для получения усредненных значений деформаций в рассматриваемой тоне длина базы должна в несколько раз превосходить размеры наиболее крупных составляющих материала. Однако при исследовании деформаций в зонах концентрации напряжений длину базы следует брать по возможности наименьшей.

При испытаниях строительных конструкций используют проволочные, фольговые и полупроводниковые тензорезисторы.

Петлевые проволочные  тензорезисторы (рис. 21а) из тонкой проволоки (диаметром 12...30 мк), приклеенной к бумажкой или пленочной подложке, были еще сравнительно недавно основным типом приборов, применявшихся при испытании сооружений. Эти тензорезисторы (с базой обычно от 5 до 100 мм) удобны в работе и несложны в изготовлении. Однако им свойственна в большинстве случаев поперечная чувствительность, обусловленная наличием закруглений, соединяющих прямые участки тензорешетки и воспринимающих деформации, направленные перпендикулярно к продольной оси тензорезистора. Наличие поперечной чувствительности тензорезистора снижает его осевую тензочувствительностъ.

.                                         а                                                               б

                           

 

                                        в                                                              г

                              

Рис. 21. Типы тензорезисторов: а - проволочный петлевой; б - проволочный беспетлевой.

в - фольговый; г - полупроводниковый; 1 - тензочувствительные элементы; 2 - низкоомные перемычки; 3 - выводные контакты; 4 - подложка («основа») и наклеенный над тензорешеткой защитный слой тонкой бумаги; l - база тензорезистора.

 

От этого недостатка свободны беспетлевые тензорезисторы (рис.21б) с низкоомическими медными перемычками. Из-за отсутствия поперечной тензочувствительности и лучших условий передача деформаций (ввиду продолжения прямолинейных участков тензорешетки и за перемычки) база их может быть уменьшена до 2.. .3 мм.

В настоящее время  все большее распространение  получают фольговые тензорезисторы (рис.21в) из металлической фольги толщиной не более 4...6 мк. Этим тензорезисторами при изготовлении фотолитографским способом могут быть приданы любые очертания, требуемые условиями эксперимента. Вследствие низкой поперечной чувствительности и плоского сечения элементов тензорешетки. они имеют при той же плошали сечения более развитую поверхность приклейки, что улучшает условия их работы.

Полупроводниковые тензорезисторы (рис.21г) по сравнению с рассмотренными выше типами обладают значительно большей тензочувствительностью, меняющейся, однако, при деформации и при изменениях температуры. Несмотря на это, они эффективно применяются в упругих элементах различных измерительных приборов (например, динамометров), где большое значение имеет их высокая чувствительность, а отмеченные недостатки могут быть компенсированы.

Тензорезисторы, применяемые при испытаниях сооружений, должны давать возможность измерения деформаций в диапазоне до 10 ^-5: при исследовании упругой стадии работы материала - до (5...7) ∙10³ и упруго-пластической до 10 ^-1 и более. Необходимым условием является также стабильность показаний тензорезисторов, их влагостойкость т.п.

Влияние температурных  погрешностей, обусловленных температурным коэффициентом изменения сопротивления тензонитей и разностью температурного коэффициента расширения материала тензорезистора α_т и исследуемого материала α_и, исключают установкой компенсационных тензорезисторов.

В случаях, когда  установка компенсационных тензорезисторов  невозможна или они не могут быть помешены в те же температурные условия, используют так называемые самокомпенсированные тензорезисторы. материал которых должен удовлетворять условию (α_и - α_т)∙К,  где К - коэффициент тензочувствительности тензорезистора.

Повышенные требования предъявляются к глубинным тензорезисторам разной конструкции, закладываемым в толщу схватывающегося материала (например, бетона), когда должна быть обеспечена их безотказная работа в течение длительного времени.

Изменения сопротивления  тензорезисторов в процессе испытаний  весьма малы (тысячные доли ома). Для измерения столь малых колебаний сопротивления применяют в большинстве случаев мостовые измерительные схемы (рис. 22).

 

 

                                                         а                                                                      б

Рис. 22. Измерительные  мости: а - схема моста Уитстона; б - мост с реохордом;

R₁, R₂, R₃, R₄ - сопротивления, включенные в плечи моста; r₁ и r₂- сопротивление реохорда

 

Во внешние плечи моста включены «рабочий» тензорезистор с сопротивлением R₁ воспринимающий наблюдаемые деформации, и «компенсационный» тензорезистор с сопротивлением R₂ = R₁, помещаемый в одинаковых с ним температурных условиях в непосредственной близости от рабочего, но не подверженный воздействию измеряемых деформаций. Во внутренние плечи включены тензорезисторы с сопротивлениями R₃ и R₄ , помещаемые в регистрирующем приборе и связанные с рабочим и компенсационным тензорезисторами электропроводами. Как известно, мост будет сбалансирован (т.е. ток в его измерительной диагонали bd будет равен нулю) при условии

 

                                      R₁∙ R₄= R₂∙ R₃                             ()

 

Возможны два метола измерений:

1. метод отклонений (называемый также «методом непосредственных отсчетов»), когда изменение сопротивления ∆R₁ рабочего тензорезистора определяется по силе тока, возникающего в измерительной диагонали ранее сбалансированного моста.
2. нулевой метод (более совершенный), при котором относительные изменения сопротивления ∆R₁/ R₁ определяют балансировкой моста с помощью включенного в цепь (рис.22б) реохорда тп изменением отношения сопротивлений r₁/r₂. Этот метод является основным при статических испытаниях.

В настоящее время  разработано большое количество различных систем коммутаторов, которые позволяют последовательно присоединять к отсчетному устройству большое количество (до нескольких сот) тензорезисторов.

Вес это, а также дешевизна, крайне малый вес, малые габариты тензорезисторов и возможность  крепления (приклейки) в любых точках исследуемой конструкции, обусловливают  широкое их применение на практике.

Сдвигомеры

 

Приборы, измеряющие деформации сдвига, называются сдвигомерами. Широкое  распространение из этой группы приборов получил тензометр - сдвигомер Аистова (ТСА). Он может быть использован как тензометр или сдвигомер. При этом кинематическая схема указанного сдвигомера практически полностью аналогична представленному выше электромеханическому тензометру на рис. 23. с той лишь разницей, что у тензометра-сдвигомера Аистова имеется еще дополнительно оснастка (рис. 23) для установки прибора на строительную конструкцию, состоящую из нескольких элементов, между которыми в процессе испытания возможны сдвиговые деформации.

 

 

 

Рис. 23. Дополнительная оснастка и схема установки тензометра-сдвигометра на строительную конструкцию