Лабораторная работа № 4 Тензорезистивный метод измерения деформаций

Цель работы

Овладеть основами тензорезистивного метода измерения деформаций, технологией приклейки тензорезисторов, приемами создания мостовых схем с использованием тензорезисторов и снятия отсчетов по регистрирующим приборам.

5.2 Перечень необходимых материалов и оборудования:

- отрезки стальной полосы длиной 50 см - 2 шт. и длиной 15 см - 2 шт.; на одном из длинных образцов наклеены два тензорезистора с базой 20 мм, на одном из коротких - один тензорезистор;

- бетонные призмы размером 10x10x40 см - 2 шт.; на одной из них наклеены два тензорезистора с базой 50 мм;

- отрезки арматуры периодического профиля d = 14(16) мм длиной 50 см - 2 шт.; на одном из них наклеен тензорезистор на базе 20 мм;

- бетонные балочки размером 4x4x16 см 2 шт; на одной из них наклеен тензорезистор с базой 20 мм;

- наждачная бумага средних номеров;

- карборундовый брусок или круг;

- ацетон, технический спирт кремниинитроглифталевыи клей

- паяльник, канифоль, олово;

- соединительные провода, разъемы - 2 шт.;

- прибор ИДЦ-1;

- прибор ЦТМ-5.

- гидравлический пресс ПСУ-250 (тс);

- гидравлическая машина для испытания на растяжение (разрывная) МР-500 (кН).

Содержание работы

Принцип работы тензорезистора основан на изменении сопротивления проводника при изменении его длины и поперечного сечения (это свойство называется тензочувствительностью).

Наиболее широко применяются тензорезисторы из нескольких близко расположенных петель константановой проволоки, намотанных в одной плоскости и приклеенных к подложке (рис. 5.1). Диаметр тензопроволоки - 0,012–0,03 мм, подложка - из высококачественной бумаги толщиной 0,02–0,05 мм (для использования на однородных материалах - стали, пластмассах) и 0,1–0,15 мм (для использования на неоднородном материале - бетоне). Расстояние между петлями 1 называется базой тензорезистора; выпускают тензорезисторы с базой 5–100 мм. К концам проволоки припаяны электрические выводы. В форме петлевого тензорезистора имеется конструктивный недостаток - участки проволоки, приходящиеся на петли, обусловливают поперечную тензочувствительность, искажающую основную характеристику - осевую тензочувствительность.

Рис. 5.1. Петлевой проволочный тензорезистор: 1 - тензорешетка; 2 - подложка; 3 – электрические выводы

 

Этого недостатка лишены тензорезисторы беспетлевого типа, в которых решетка образована пучком параллельных тензопроволок, замкнутых на концевых участках медными перемычками.

Поперечная тензочувствительность отсутствует и в фольговых тензорезисторах, решетка которых создается фотолитографическим методом из полосок фольги толщиной 0,003–0,001 мм с развитым сечением на концевых участках.

Гораздо реже применяются полупроводниковые тензорезисторы, получаемые электрической резкой монокристаллов германия и кремния на пластинки толщиной 0,01–0,02 мм, шириной 0,5–1 мм и длиной 2–15 мм.

Тензорезистор наклеивают на поверхность конструкции, и он, удлиняясь или укорачиваясь вместе с ней, меняет свое сопротивление.

В качестве тензометрического клея при работе конструкции в нормальных температурно-влажностных условиях желательно применять частично полимеризующийся клей холодного отверждения - кремнийнитроглифталевый 192 Т; в условиях нормальных температуры и влажности полное отверждение его происходит за 24 ч; рабочий температурный диапазон от -50 °С до +50 °С. Допускается применять фенолформальдегидные клеи группы БФ, но в процессе их сушки требуется термообработка по ступенчатому режиму до 180–200 °С.

Изменение сопротивления тензорезистора при деформации конструкции составляет тысячные доли Ом. Сопротивление такого порядка можно измерить с высокой точностью лишь электрическими цепями мостового типа (мостом Уитстона, рис. 5.2). Мост считается сбалансированным, когда ток в измерительной диагонали АС равен нулю, а это возможно, если при разветвлении тока в точке В падение напряжения на плече ВС равно падению напряжения на плече ВА, т.е. , и когда равны падения напряжений на сопротивлениях  и , т.е. . Разделив первое уравнение на второе, получим  или . Таким образом, мост сбалансирован, когда произведения сопротивлений противоположных плеч равны.

а)                          б)                             в) Рис. 5.2. Тензометрический мост: а – упрощенная схема; б – с ручной балансировкой; в – цифровой ЦТМ-5

Если  - тензорезистор на конструкции, и при деформировании ее сопротивление  изменилось на , то баланс моста нарушится, в измерительной диагонали возникнет ток, который может быть измерен. Такой метод определения изменения сопротивления одного из плеч моста путем регистрации тока в измерительной диагонали называется методом непосредственного отсчета или методом отклонения.

Рис. 5.3. Мостовая схема с реохордом

Если в мостовую схему ввести дополнительную деталь - реохорд (рис. 3.3), то балансировку моста можно произвести передвижением движка реохорда. Если рядом с реохордной проволокой поместить линейную шкалу, то определенной величине относительного изменения сопротивления  будет соответствовать определенное перемещение движка реохорда. Определение относительного изменения сопротивления плеча моста, при котором регистрации показании всякий раз предшествует балансировка моста, называется нулевым методом.

Для исключения температурных погрешностей тензорезисторов (из-за изменения температуры окружающего воздуха во время проведения испытания) используется термокомпенсация. – тензорезистор, по всем параметрам идентичный  (активному), приклеивается к небольшому образцу из того же материала, что и конструкция, и помещается в одинаковые с ней условия. В этом случае изменение температуры вызовет одинаковое изменение сопротивления активного ( ) и компенсационного ( ) тензорезисторов, а так как они включены в смежные плечи, баланс моста при этом не нарушится.

Испытания строительных конструкций требуют постановки большого количества активных тензорезисторов. Поэтому к мосту последовательно присоединяют активные и соответствующие компенсационные (обычно один на десять активных) тензорезисторы.

Применение гальванометра в измерительной диагонали в электротехнике неудобно. Чтобы вместо него применить микроамперметр, напряжение в цепях нужно усилить. Стабильный же усилитель постоянного тока является сложным и дорогостоящим прибором. Поэтому современная тензсрезистивная аппаратура питается переменным током, их схемы чрезвычайно от этого усложняются, но принцип определения изменения сопротивления тензорезисторов - нулевой метод - используется и в них.

Имеются приборы с ручной (ИД-2;62; ИСД-2;3) и автоматической (АИД-1М;2М;4; ИДЦ-1; ЦТМ-3;5;7; СИИТ) балансировкой моста. В первом случае отсчеты снимаются по шкале типа часовой, во втором - применяется цифровая индикация (на цифровой панели высвечивается номер тензорезистора и результат измерения; время одного измерения - 0,05 с). Автоматический коммутатор способен поочередно подключать к мосту 99 активных и 9 компенсационных тензорезисторов. Цифровые тензометрические мосты оснащены цифропечатью (унифицированными ленточными перфораторами с бумажной лентой). Возможна их стыковка с компьютером, в этом случае информация будет не только цифровая, но и в виде графиков по каждому тензорезистору.

Порядок работы на занятии:

- зачистить наждачной бумагой средних номеров или карборундовыми брусками указанные преподавателем участки стального образца и арматуры до полного удаления окалины, ржавчины и пыли; на зачищенной поверхности не должно быть раковин и глубоких царапин;

19

- зачистить теми же абразивными материалами указанные преподавателем участки бетонного образца; выявленные после зачистки раковины и трещины заделать безводным зубоврачебным цементом или гипсовым раствором;

- зачищенные участки стальных и бетонного образцов обезжирить и обезводить, протерев ацетоном, а затем техническим спиртом;

- выполнить грунтовку участков, нанеся колонковой кистью нетолстый слой кремнийнитроглифталевого клея 192 Т, а через 30-40 мин - еще один;

- на подготовленные поверхности образцов и подложку 7 тензорезисторов нанести тонкий слой клея и просушить его в течение 10-15 мин;

- покрыть подложку тензорезистора более толстым слоем клея, уложить тензорезистор на требуемое место, накрыть целлофановой пленкой и нажатием пальца из-под него удалить излишки клея; подержать тензорезистор, прижав пальцами, в течение 1-2 мин. То же проделать с другими тензорезисторами, причем два из них будут являться компенсационными и наклеивать их следует на другие образцы из идентичных материалов. Время сушки наклеенных тензорезисторов - не менее 1 суток, поэтому дальнейшую работу проводить на образцах с уже высушенными тензорезисторами;

- спаять тензорезистивные схемы согласно рис. 5.4 и 5.5;

- установить бетонную призму на опорную плиту гидравлического пресса, снять по прибору ИДЦ-1 начальные отсчеты С₀ по обоим активным тензорезисторам;

- сдавить призму усилием 25, затем 50 и 75 кН, снимая на каждой ступени нагружения отсчеты C_j по тензорезисторам;

- разгрузить призму;

- найти разности отсчетов ;  равны относительным деформациям призмы на участке наклейки тензорезистора, увеличенным в 10⁵ раз;

- закрепить в захватах разрывной машины стальной образец, снять по прибору ИДЦ-1 начальные отсчеты  по обоим активным тензорезисторам;

- растянуть образец усилием 10, затем 20 и 30 кН, снимая на каждой ступени нагружения отсчеты  по тензорезисторам;

- разгрузить образец;

Рис. 5.4. Тензорезистивная схема при испытании стального образца и арматуры: 1 - рабочие тензорезисторы; 2 - компенсационный тензорезистор; 3 - разъём (с номерами контактов)

 

Рис. 5.5. Тензорезистивная схема при испытании бетонной призмы: 1 - рабочие тензорезисторы; 2 - компенсационный тензорезистор; 3 - разъём (с номерами контактов)

- найти разности отсчетов ;  равны относительным деформациям образца, увеличенным в 10⁵ раз;

- аналогичные операции проделать с образцом из арматурной стали при тех же растягивающих усилиях;

- демонтировать обе тензорезистивные схемы.

Вопросы для самопроверки при подготовке к защите лабораторной работы

1. В чем принцип работы тензорезистора?

2. Что такое тензочувствительность?

3. Из каких материалов изготавливают тензорезистор?

4. Чем регистрируется изменение сопротивления тензорезистора?

5. Принцип работы моста Уитстона.

 

6 Лабораторная работа № 5. Определение прочности бетона
в конструкциях неразрушающими методами

Цель работы

Научиться пользоваться приборами для определения прочности бетона методами его местного разрушения (пресс-насосами ГПНС-4 и ГПНВ-5)[1].

6.2 Перечень необходимых материалов и оборудования:

- бетонные кубы-образцы с ребром 20 см (промаркированные, из одной серии) - 3 шт.;

- такой же бетонный куб, но из другой серии;

- портативный гидравлический пресс-насос ГПНС-4;

- портативный гидравлический пресс-насос ГПНВ-5;

- сверлильная машина ИП-1023 с алмазными сверлами;

- самозаанкеривающиеся устройства - 2 шт.;

- устройство УРС или УРС-2;

- стальные пластины-диски - 4 шт., два из них наклеены на бетонном кубе;

- эпоксидная смола, отвердитель (полиэтиленполиамин), наполнитель (портландцемент);

- бумажные кольца шириной 15 мм с внутренним диаметром 80 мм - 2 шт., одно из них наклеено на бетонном кубе;

- груз массой 1,5–2 кг;

- штангенциркуль и курвиметр;

- гидравлический пресс ПСУ-250 (тс).

Содержание работы

Для построения градуировочных зависимостей «усилие вырыва анкерного устройства - прочность бетона R», «усилие скалывания участка ребра - прочность бетона R» и «усилие отрыва диска - прочность бетона R» проводим параллельные испытания образцов бетона вначале методами местных разрушений, а затем на гидравлическом прессе до разрушения.

Каждая из градуировочных зависимостей строится по результатам испытания не менее 15 серий образцов-кубов, серия включает в себя три образца-близнеца. Студенческая подгруппа испытывает три образца-близнеца одной серии.

Испытанию подвергаются кубы с ребром 20 см. Кубы такого размера в наибольшей степени (по сравнению с кубами меньшего размера) обеспечивают соответствие условий их испытания и испытания отдельных участков натурных конструкций методами местных разрушений. Для перевода предела прочности таких кубов к прочности эталонного куба с ребром 15 см используется переводной коэффициент .

Порядок работы на занятии:

- сверлильной машиной ИП-1023 в бетонном кубе-образце, на котором уже наклеены два диска для испытания его методом отрыва, приблизительно е середине двух свободных противоположных граней просверлить шпуры диаметром 24 мм и глубиной 48 мм или диаметром 28 мм и глубиной 35 мм;

- опустить в один из шпуров самозаанкеривающееся устройство соответствующего диаметра (анкеровка устройства обеспечивается за счет рифленых сегментных щек и разжимного конуса) и с помощью самоцентрирующегося пресса-насоса ГПНС-4, работающего с анкерным устройством диаметром 28 мм, или пресса-насоса ГПНВ-5, работающего с анкерным устройством диаметром 24 мм, плавно вращая ручку прибора (подавая масло в рабочий цилиндр), вырвать заделанный в бетон анкер и зафиксировать усилие вырывания;

- измерить глубину вырыва, а также наибольший и наименьший размеры вырванной части бетона в плане (в плоскости испытанной грани образца); если глубина вырывания отличается от глубины заделки анкера более чем на 5 % или наибольший и наименьший размеры вырванной части бетона в плане - более чем в 2 раза, то результат испытания не учитывать;

- опустить самозаанкеривающееся устройство в другой шпур и повторить операцию;

- найти среднее значение усилия вырыва;

- для метода отрыва со скалыванием при использовании стандартных анкерных устройств диаметром 24 мм или 28 мм прочность бетона рекомендуют вычислять по формуле

 МПа,                               (6.1)

где Р - усилие вырывания, кН;

m - коэффициент, учитывающий максимальный размер крупности заполнителя в зоне вырывания и принимаемый равным 1 при крупности менее 50 мм и равным 1,1 при крупности 50 мм и более;

 - коэффициент пропорциональности между усилием вырыва и прочностью бетона, принимаемый по табл. 6.1;

- вычислить по формуле (6.1) значение R (обозначить его через );

- измерить штангенциркулем или металлической линейкой (с точностью до 0,1 мм) грани двух других бетонных кубов серии, определяющие средние рабочие площади образцов, учитывая, что кубы будут устанавливаться на опорную плиту пресса гранями, являвшимися при формовании боковыми, и сжимающая сила будет направлена параллельно слоям укладки (т.е. поверхность бетонирования кубов должна оказаться сейчас боковой);

- результаты измерений и вычисленные средние рабочие площади образцов записать в табл. 6.2;

 

Таблица 6.1

Коэффициент пропорциональности α

Условия твердения бетона	Диаметр стандартного анкера, мм	Предполагаемая прочность бетона, МПа	Глубина заделки анкера, мм	Значение коэффициента α для тяжелого бетона
Естественные	12 24 28	≤ 50 > 50 ≤ 50	48 30 35	0,85 2,4 1,4
Тепловая обработка	12 24 28	≤ 50 > 50 ≤ 50	48 30 35	1 2,6 1,7

 

Таблица 6.2

Марка образца	Размеры граней образца, см		Средняя рабочая площадь А, см2	Величина разрушающей нагрузки Р, Н	Предел прочности бетона при сжатии R, МПа
	а	b

 

- один из обмеренных кубов поставить на стол так, чтобы поверхность бетонирования по-прежнему оставалась боковой и чтобы боковыми стали грани, которых впоследствии будут касаться плиты, пресса;

Рисунок 6.1 – Схема испытаний бетонного куба: 1 - сколы ребер; 2 - поверхность бетонирования; 3 - направление испытаний при сжатии

- на верхней грани поставленного таким образом на стол куба закрепить с помощью крюков с винтовыми тягами (завинчивая гайки тяг) упорную раму устройства УРС или УРС-2; на глубину 20 мм установить скалывающий крюк устройства шириной 30 мм приблизительно посередине ребра, соединить его с прибором ГПНС-4 (работающим с УРС-2) или ГПНВ-5 (работающим с УРС) переходной муфтой;

- плавно вращая ручку прибора, обеспечивающего приложение нагрузки под углом 18°, разрушить ребро куба и зафиксировать усилие скалывания;

- повторить операцию еще на трех ребрах куба, как показано на рис. 6.1;

- определить среднее значение усилия скалывания;

- для метода скатывания угла конструкции при использовании устройства типа УРС прочность бетона рекомендуют вычислять по градуировочной зависимости

- вычислить по формуле (6.2) значение R (обозначить его через R2);

- отшлифовать карборундовым бруском или кругом две противоположные грани бетонного куба, не принадлежащего испытываемой серии (четвертый куб), и тщательно очистить их от пыли;

- на подготовленные поверхности наклеить бумажные кольца шириной 15 мм с внутренним диаметром, равным 80 мм;

- поставить куб на стол так, чтобы одно из приклеенных колец оказалось на верхней грани образца;

- нанести на участок, ограниченный внутренней окружностью кольца, и на стальную пластину-диск (диаметром 80 мм и толщиной 10 мм, имеющую с противоположной стороны стержень с винтовой нарезкой), клеевой компаунд, состоящий из эпоксидной смолы (100 в.ч.), отвердителя (полиэтиленполиамина - 10 в.ч.) и наполнителя (портландцемента - 40 в.ч.); в таком состоянии выдержать поверхности около 10 мин;

- приклеить диск к бетону;

- перевернуть куб, вставив стержень диска в специальное отверстие в столе;

- аналогично приклеить второй диск и пригрузить его; время отверждения клея - 24 ч, поэтому дальнейшую работу проводить на кубе с заранее наклеенными дисками (который уже использовался при испытаниях на отрыв со скалыванием);

- к диску через винтовой стержень присоединить пресс-насос ГПНВ-5;

- соблюдая условие, чтобы направление действия усилия было перпендикулярным поверхности бетона, и плавно вращая ручку прибора со скоростью нагружения 1 кН/e, оторвать диск я зафиксировать усилие отрыва;

- определить с помощью курвиметра площадь проекции поверхности отрыва бетона на плоскость диска; если она меньше 80 % площади диска, то результат испытания не учитывать;

- .так же оторвать диск от противоположной грани куба и зафиксировать усилие отрыва; проверить соотношение площадей проекции поверхности отрыва и дискам и определить среднее значение усилия отрыва;

- установить на опорную плиту пресса бетонный куб-образец, оставшийся не испытанным описанными выше методами, таким образом, чтобы поверхность бетонирования оказалась боковой;

- подавая непрерывно и равномерно со скоростью около 25 кН/с (0,6 МПа/с) нагрузку на образец, довести его до разрушения; максимальное усилие, достигнутое в процессе испытания, принять за величину разрушающей нагрузки на образец и записать ее в табл. 6.2;

- аналогичную операцию проделать с кубом, ранее испытанным методом скалывания ребра, загружая его так, как показано на рис.4 Л;

- по формуле R = 1,05 P/А определить предел прочности бетона при сжатии того и другого куба и записать его в табл. 6.2, учитывая, что 1 Н/см² =0,01 МПа;

- найти среднее значение R;

- по формулам (Ri-R)100/Ri и (R2-R)100/R2 определить в процентах погрешность результатов испытаний методами отрыва со скалыванием и скалывания ребра конструкции относительно значений прочности бетона по существующим градуировочным зависимостям для данного усилия вырыва анкерного устройства и усилия скола участка ребра;

- в прямоугольной системе координат по оси абсцисс отложить среднее значение усилия отрыва диска, а по оси ординат - среднее значение прочности бетона испытанных на прессе кубов; этот экспериментальный результат наряду с данными, полученными в других учебных группах, позволяет построить градуировочную кривую для метода испытания на отрыв.

Вопросы для самопроверки при подготовке к защите лабораторной работы

1. Перечислить неразрушающие методы испытаний бетона.

2. Определение прочности бетона на отрыв.

3. Определение прочности бетона на скалывание.

4. Что такое кубиковая прочность бетона?

5. Каково время твердения эпоксидного клея при испытаниина отрыв?

 

---

Дата добавления: 2021-04-15; просмотров: 900; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!