Тензометрия – способ экспериментальной оценки напряженно-деформированного состояния конструкции. Используется для измерения фактических значений напряжений в конструкции и автоматизации процесса идентификации вида дефекта по данным акустико-эмиссионного контроля и других методов контроля, применяемых в системе диагностического мониторинга.
ООО «ТехПром Инжиниринг» предлагает следующие решения в области тензометрии:
- Тензометрия элементов конструкций (измерение деформаций элементов конструкций, расчет напряжений)
- Определение нагрузок, приложенных к элементам конструкций (определение сил и моментов)
- Построение многоканальных систем сбора информации на базе оборудования различных производителей (Kyowa, HBM, Vishay, National Instruments и др.)
- Разработка прикладного программного обеспечения под различные тензометрические задачи
Основные цели организации систем диагностического мониторинга:
- своевременное обнаружение дефектов;
- сбор, хранение и анализ данных технического диагностирования и прогнозирование изменения технического состояния объектов во времени;
- автоматизация технического диагностирования и устранение человеческого фактора при оценке результатов диагностирования.
Датчики, используемые для оценки напряженно-деформированного состояния
Датчиками деформации и смещения в классическом виде называются датчики, фиксирующие микродеформации и смещения в диапазоне 0,01-10 мкм., которые возникают в различных материалах, деталях машин, элементах конструкций и т.п., при воздействии на них различных физических факторов (давления, силы, температуры и т.п.). Регистрируя микродеформации, можно косвенно судить о физическом воздействии на объект исследования. На этом принципе строятся датчики силы, давления, ускорения, моментов, сейсмодатчики и т.п.
По принципу действия датчики деформации можно классифицировать следующим образом:
- тензодатчики;
- пьезодатчики;
- микромеханические датчики;
- интерферометрические датчики;
В свою очередь тензометрические датчики можно разделить на металлические тензодатчики (к которым относятся проволочные тензодатчики, фольговые тензодатчики, пленочные тензодатчики) и полупроводниковые тензодатчики.
Наиболее чувствительными, сложными и дорогими являются интерферометрические датчики деформаций.
Наиболее распространенными, благодаря малым габаритам, массе и низкой стоимости, являются металлические и полупроводниковые тензодатчики и пъезодатчики.
Металлические тензодатчики
Работа металлических тензодатчиков основана на изменении сопротивлении материала проводника при деформации под действием прикладываемой нагрузки (тензоэффекте).
В простейшем случае тензорезистор представляет собой тонкий металлический проводник (кусок проволоки) жестко закрепленный на деформируемой детали.
Деформация детали ведет к деформации проволоки, изменяется ее длина, сечение и удельное электрическое сопротивление, что в конечном счете ведет к изменению электрического сопротивления всего учатка проволоки.
Сопротивление металлического проводника:
Не будем углубляться в рассмотрение зависимостей относительного изменения удельного сопротивления материала под действием деформаций, запишим конечную формулу
Где КТ — коэффициент тензочувствительности (для большинства металлических материалов 2÷2,5, для сплава «пермаллой-вольфрам» — 4,1).
Таким образом, изменение сопротивления металлических проводников в пределах упругих деформаций пропорционально продольной деформации.
Линейность приведенного соотношения сохраняется при
Рассмотрим проволочный и фольговый вариант исполнения тензодатчиков.
В проволочном тензодатчике для большей продольной чувствительности проволока диаметром 20-50 мкм. выполняется в виде меандра (10-20 звеньев) и наклеивается на тонкую (до 0,1мм) подложку из специального материала.
Фольговые и пленочные тензодатчики выполняются с использованием методов фотолитографии и напыления. Для уменьшения поперечной тензочувствительности в топологии фольговых тензодатчиков делаются утолщения. при этом обычно поперечная чувствительность не превышает 0,1-0,2% от продольной.
Фольговые тензодатчики выполняются с высокой точностью и могут быть оптимизированы для решения задач определенного типа. Например, могут применяться тензодатчики с решетками, оси чувствительности которых ортогональны друг другу, что позволяет путем анализа соотношения изменения сопротивлений решеток судить о деформации плоскости образца в любом направлении.
Тензодатчики и датчики, построенные на использования тензометрического принципа действия могут быть использованы как для решения статических, так и для динамических задач.
При этом при выборе размера тензодатчика l0 исходят из того, что датчик должен иметь размер точечного зонда, чтобы регистрировать информацию в локальной точке образца. Следовательно его размеры должны быть меньше, чем деформационная волна в контролируемом образце:
, где 
— длина деформационной волны, V — скорость распространения ультразвука, f — частота колебаний. Для металла V составляет порядка 5 000 м/с, f max примем равным 50кГц, следовательно l0 должно быть меньше либо равно 10 мм.
При динамических деформациях величины продольных деформаций должны быть существенно ниже, чем при статических измерениях, исходя из соображений усталостной прочности материала.
На тензодатчики, и соответственно на точность измерений, проводимых с их использованием, существенное влияние оказывает температура.
Это обусловлено следующими факторами:
- зависимостью удельного сопротивления материала тензодатчика от температуры;
- зависимостью коэффициента объемного расширения материала от температуры;
- разностью коэффициентов температурного расширения датчика, подложки, материала исследуемого образца.
Таким образом, сопротивление тензодатчика изменяется с изменением температуры даже при отсутствии воздействия сил на исследуемый образец.
Для решения задачи защиты от температурного воздействия используются различные методы термокомпенсации.
При изготовлении тензорезистров, фирмы производители используют специальные сплавы, минимизирующие влияние температурных воздействий в заданных интервалах температур.
Еще одним фактором, существенно влияющем на точность измерений в тензометрии, является способ крепления тензодатчика на образце. В настоящее время широкое распространение получила наклейка тензорезисторов. Для наклейки тензорезисторов используются специальные безусадочные клеи: циакрин, из отечественных — ВН-15Т, В-58Т, зарубежные фирмы предлагают специальные клеи для решения самого широкого спектра задач все они обладают хорошей адгезией в широком диапазоне температур.
В настоящее время также используются привариваемые тензорезисторы (в основном высокотемпературные), с использованием точечной сварки.
Тензорезисторы могут также заливаться в образец (в строительстве тензорезисторы могут заливаться в бетонные конструкции).
В целом, следует отметить, что сегодня тензометрия является высокоточной и высокотехнологичной областью измерений, нашедшей свое применение во многих областях науки и экспериментальной механики.
Грамотное построение тензометрического измерительного комплекса требует сегодня не только поверхностных знаний основных принципов действия датчиков и измерительных усилителей, но и опыта в их использовании.