RU2149352C1

RU2149352C1 - Device measuring deformation of structures from composite materials under elevated temperatures

Info

Publication number: RU2149352C1
Application number: RU98110847A
Authority: RU
Inventors: Г.М. Гуняев; Ю.С. Ильин; Т.Г. Сорина; А.Х. Хайретдинов
Original assignee: Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского; Всероссийский институт авиационных материалов
Priority date: 1998-06-08
Filing date: 1998-06-08
Publication date: 2000-05-20

Abstract

FIELD: measurement technology, specifically, means measuring deformation of structures of aircraft tested for strength. SUBSTANCE: device include restoring backing, lead-out wires, attachment units and mounting frame. Restoring backing is made of two layers of current-conducting polymer composite material with high specific resistance, sensitivity to deformation and coefficient of thermal expansion close to that of material of tested structure. It is fabricated in the form of double-support arch with unit for attachment to structure. Outer and inner layers of restoring backing are electrically insulated one from another and from attachment unit by means of dielectric spacer, ends of layers are metallized in zones of attachment of lead-out wires. Layers are electrically connected in accord with circuit of measurement bridge and attachment units are positioned in separable mounting frame. EFFECT: increased accuracy and enlarged range of measurement of deformations, widened range of working temperatures, reduced measurement error caused by effect of electromagnetic interference, diminished manufacturing cost. 1 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения деформации конструкций при испытаниях на прочность. The invention relates to measuring equipment, in particular to means for measuring the deformation of structures during strength tests.

Обладатель применения - авиастроение, судостроение, машиностроение, атомная энергетика и др. The holder of the application is aircraft manufacturing, shipbuilding, mechanical engineering, nuclear energy, etc.

При испытаниях на прочность конструкций из композиционных материалов необходимо производить измерения деформаций при различных температурах в широком диапазоне диаграммы - "напряжение- деформация". При этом важным требованием к измерительным устройствам является обеспечение высокой точности измерений и достоверности получаемой информации. Высокая точность измерения деформаций конструкций в значительной мере зависит от стабильности измерительных характеристик во времени, обеспечения компенсаций температурной характеристики, помехоустойчивости от воздействия электромагнитных помех, защищенности от воздействия влаги и агрессивных сред, обеспечения технологичности монтажа на конструкции и др. Анализ технических характеристик показал, что известные измерительные устройства ряду указанных требований полностью не отвечают, поэтому создание и внедрение в практику экспериментальных исследований новых типов устройств является актуальной технической и экономической задачей. When testing the strength of structures made of composite materials, it is necessary to measure strains at various temperatures in a wide range of the diagram - stress-strain. Moreover, an important requirement for measuring devices is to ensure high accuracy of measurements and the reliability of the information received. The high accuracy of measuring deformations of structures largely depends on the stability of the measuring characteristics over time, providing compensations for the temperature characteristics, noise immunity from electromagnetic interference, immunity to moisture and aggressive environments, ensuring manufacturability of mounting on structures, etc. Analysis of technical characteristics showed that the known measuring devices completely do not meet a number of these requirements, therefore the creation and implementation of an expert imentalnyh research into new types of devices is the actual technical and economic challenge.

Известны наклеиваемые тензорезисторы (см. А.Н.Баранов, Л.Г.Белозеров, Ю. С.Ильин, В.Ф.Кутьинов "Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов", М., "Машиностроение", 1974 г., стр. 194 - 208), содержащие диэлектрическую подложку, металлическую чувствительную решетку и выводные проводники. The stick-on strain gages are known (see A.N. Baranov, L.G. Belozerov, Yu. S. Ilyin, V.F. Kutinov "Static strength tests of supersonic aircraft", M., "Mechanical Engineering", 1974, p. . 194 - 208) containing a dielectric substrate, a metal sensitive array and output conductors.

Недостатками известных тензорезисторов являются ограниченный диапазон измерения (до ± 0,6%), неполная схемная компенсация температурного приращения сопротивления, наличие значительных погрешностей измерений при электромагнитных помехах, применение косвенного метода градуировки для определения чувствительности и др. The disadvantages of the known strain gauges are the limited measurement range (up to ± 0.6%), incomplete circuit compensation of the temperature increment of the resistance, the presence of significant measurement errors with electromagnetic interference, the use of an indirect calibration method to determine sensitivity, etc.

Известен высокотемпературный тензорезистор типа НМТ-450, предназначенный для измерения деформаций в диапазоне температур 20 - 450^oC (Серьезнов А.П. "Измерения при испытаниях конструкций на прочность". М., Машиностроение, 1976, 25 - 76 с; Клоков Н.П., "Тензорезисторы". М., Машиностроение, 1990. 152 - 153 с.), содержащий плоскую металлическую подложку и наклеенный на нее внешней поверхности тензорезистор. Металлическая подложка после монтажа на ней тензорезистора приваривается точечной сваркой к металлической поверхности конструкции.Known high-temperature strain gauge type NMT-450, designed to measure strains in the temperature range 20 - 450 ^o C (Seriousnov A.P. "Measurements when testing structures for strength". M., Mechanical Engineering, 1976, 25 - 76 s; Klokov N. P., "Strain gauges." M., Mechanical Engineering, 1990. 152 - 153 pp.), Containing a flat metal substrate and a strain gauge glued to it on the outer surface. After mounting the strain gauge on it, the metal substrate is spot-welded to the metal surface of the structure.

Недостатками устройства является ограниченный диапазон измерения деформаций (до ± 0,2%), большое значение температурного приращения сопротивления (при 450^oC его значение достигает 1400•10^-5 отн.ед.), большая собственная жесткость устройства на растяжение (сжатие), большое значение погрешности измерения при воздействии электромагнитных помех и др.The disadvantages of the device are the limited range of strain measurements (up to ± 0.2%), a large value of the temperature increment of the resistance (at 450 ^o C its value reaches 1400 • 10 ^-5 rel. Units), a large inherent rigidity of the device in tension (compression), the great value of the measurement error when exposed to electromagnetic interference, etc.

Известно устройство для измерения больших деформаций (см. З.Рузга "Электрические тензометры сопротивления". Пер. с. чешского. М-Л. Госэнергонадзор, 1961, 287 - 288 с.), содержащее упругий элемент и тензорезисторы. Упругий элемент выполнен в виде "П"-образной скобы из бериллиевой или фосфористой бронзы. Устройство предназначено для измерения деформаций при испытаниях текстиля, кожи, резины в условиях нормальных температур. A device is known for measuring large deformations (see Z. Ruzga "Electrical resistance tensometers". Translated from Czech. M-L. Gosenergonadzor, 1961, 287 - 288 pp.), Containing an elastic element and strain gauges. The elastic element is made in the form of a “P” -shaped bracket of beryllium or phosphorous bronze. The device is designed to measure strains when testing textiles, leather, rubber at normal temperatures.

Недостатками устройства являются низкая величина коэффициента преобразования, низкая точность в начальной зоне диаграммы "σ-ε", большие погрешности при наличии изгибных деформаций на поверхности исследуемой детали и др. The disadvantages of the device are the low value of the conversion coefficient, low accuracy in the initial zone of the diagram "σ-ε", large errors in the presence of bending deformations on the surface of the investigated part, etc.

Известно устройство для измерения деформаций при повышенных температурах, принятое за прототип (Патент РФ N 2110766, Бюллетень "Изобретения" N 13, 1998 г., опубликовано 10.05.98 г.), содержащее упругую подложку в виде двухопорной арки, узлы крепления, съемную монтажную рамку и измерительную аппаратуру. A device is known for measuring deformations at elevated temperatures, adopted as a prototype (RF Patent N 2110766, Bulletin "Inventions" N 13, 1998, published 05/10/98), containing an elastic substrate in the form of a two-arch arch, attachment points, removable mounting frame and measuring equipment.

Недостатками устройства являются наличие дополнительных погрешностей, обусловленных разностью коэффициентов термического расширения материалов чувствительной решетки тензорезисторов, упругой подложки и испытываемой конструкции, высокая стоимость и сложность технологии изготовления и монтажа термостойких тензорезисторов, высокий уровень электромагнитных помех и др. The disadvantages of the device are the presence of additional errors due to the difference in the coefficients of thermal expansion of the materials of the sensitive grating of the strain gages, the elastic substrate and the test structure, the high cost and complexity of the manufacturing and installation of heat-resistant strain gages, a high level of electromagnetic interference, etc.

Задачей предлагаемого изобретения является увеличение точности и диапазона измерения деформаций, увеличение диапазона рабочих температур, уменьшение погрешностей измерения от воздействий электромагнитных помех, сокращение затрат на изготовление. The task of the invention is to increase the accuracy and range of strain measurements, increase the range of operating temperatures, reduce measurement errors from electromagnetic interference, reduce manufacturing costs.

Техническим результатом является функциональная замена в тензорезисторном преобразователе устройства термостойких тензорезисторов двухслойной подложкой из композиционного материала с чувствительностью к деформациям, высоким удельным сопротивлением и коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту термического расширения исследуемой конструкции. The technical result is a functional replacement in a strain gauge converter of a device of heat-resistant strain gauges by a two-layer substrate made of a composite material with a sensitivity to deformation, high resistivity and thermal expansion coefficient close to the thermal expansion coefficient of the studied structure.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения деформаций при повышенных температурах, содержащем упругую подложку в виде двухопорной арки, узлы крепления, съемную монтажную рамку и измерительную аппаратуру, упругая подложка выполнена двухслойной из высокомодульного однонаправленного электропроводного полимерного композиционного материала на основе углеродных волокон с высоким удельным электрическим сопротивлением, чувствительностью к деформациям и коэффициентом термического расширения, близким к коэффициенту термического расширения материалов исследуемой конструкции, внешний и внутренний слои упругой подложки электрически изолированы друг от друга и от узлов крепления диэлектрическими прокладками, концы слоев подложки металлизированы в зонах присоединения выводных проводников и электрически соединены проводниками по схеме измерительного полумоста, выход которого соединен со входом измерительной аппаратуры. Композиционный материал упругой подложки изготовлен с заданными значениями удельного сопротивления, чувствительностью к деформации и коэффициента термического расширения. The technical result is achieved in that in a device for measuring deformations at elevated temperatures, containing an elastic substrate in the form of a two-arch arch, attachment points, a removable mounting frame and measuring equipment, the elastic substrate is made of a two-layer high-modulus unidirectional conductive polymer composite material based on carbon fibers with high electrical resistivity, strain sensitivity and coefficient of thermal expansion close to the coefficients the thermal expansion of the materials of the studied design, the outer and inner layers of the elastic substrate are electrically isolated from each other and from the attachment points by dielectric spacers, the ends of the substrate layers are metallized in the connection areas of the output conductors and are electrically connected by conductors according to the scheme of the measuring half bridge, the output of which is connected to the input of the measuring equipment . The composite material of the elastic substrate is made with specified values of resistivity, sensitivity to deformation and coefficient of thermal expansion.

На фиг. 1 представлена конструкция измерительного устройства. In FIG. 1 shows the design of a measuring device.

На фиг. 2 приведена электрическая схема устройства и подключения его к измерительной аппаратуре. In FIG. 2 shows the electrical circuit of the device and connecting it to the measuring equipment.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из упругой подложки 1, выводных проводов 6 с монтажными колодочками 14, узлов крепления 9 устройства к конструкции 8 и схемной монтажной рамки 10. The proposed device (Fig. 1) consists of an elastic substrate 1, lead wires 6 with mounting blocks 14, attachment points 9 of the device to the structure 8 and the circuit mounting frame 10.

Упругая подложка 1 выполнена двухслойной из высокомодульного однонаправленного электропроводного композиционного материала на основе углеродных волокон с высокими удельным электрическим сопротивлением и чувствительностью к деформации. Коэффициент термического расширения композиционного материал α_уп упругой подложки подбирается близким по величине с коэффициентом термического расширения материала исследуемой конструкции α_к, т.е. α_уп ≃ α_к . Слои упругой подложки изготавливаются из тонкого (0,08 - 0,2 мм) листового композиционного материала, например КТНУ-1М (Разработчик: Всероссийский институт авиационных материалов, ВИАМ).The elastic substrate 1 is made of two-layer high-modulus unidirectional conductive composite material based on carbon fibers with high electrical resistivity and sensitivity to deformation. The coefficient of thermal expansion of the composite material α _{yn of the} elastic substrate is selected close in magnitude to the coefficient of thermal expansion of the material of the studied structure α _k , i.e. α _yn ≃ α _k The layers of the elastic substrate are made of thin (0.08 - 0.2 mm) sheet composite material, for example KTNU-1M (Developer: All-Russian Institute of Aviation Materials, VIAM).

Внешний 2 и внутренний 3 слои друг от друга и от узлов крепления 9 электрически изолированы диэлектрическими прокладками 4 и 5. В местах присоединения выводных проводов поверхности внешнего и внутренних слоев (на концах) в локальных зонах 7 металлизированы. Концы упругой подложки 1 укреплены через электрические прокладки 5 в узлах крепления 9, обеспечивающих монтаж устройства на поверхности исследуемой конструкции 8. Для обеспечения нормированной измерительной базы "Б" при монтаже на конструкции и возможности предварительной градуировки устройство при изготовлении устанавливается в съемную, монтажную рамку 10, в опорной стенке которой предусмотрено отверстие 11 для щупа градуировочного приспособления. В рамке 10 предусмотрен узел 12 для ее разборки. Для измерения температуры устройства на его поверхность наклеивается малоинерционный термодатчик 13. The outer 2 and inner 3 layers from each other and from the attachment points 9 are electrically isolated by dielectric spacers 4 and 5. At the points of connection of the lead wires, the surfaces of the outer and inner layers (at the ends) in the local zones 7 are metallized. The ends of the elastic substrate 1 are fixed through electrical gaskets 5 in the attachment points 9, which ensure the installation of the device on the surface of the test structure 8. To ensure a normalized measuring base "B" when mounted on the structure and the possibility of preliminary calibration, the device is installed in a removable mounting frame 10, in the supporting wall of which an opening 11 is provided for the probe of the calibration device. In the frame 10, a node 12 is provided for disassembling it. To measure the temperature of the device, a low-inertia thermal sensor 13 is glued to its surface.

Слои упругой подложки 2 и 3 соединены выводными проводниками по схеме измерительного полумоста, выход которого соединен со входом измерительной аппаратуры 15 (фиг. 2). В качестве измерительной аппаратуры может использоваться, например, измерительная система типа СИИТ-2 или СИИТ-3, которые серийно выпускаются Краснодарским заводом "Тензоприбор". The layers of the elastic substrate 2 and 3 are connected by output conductors according to the scheme of the measuring half-bridge, the output of which is connected to the input of the measuring equipment 15 (Fig. 2). As measuring equipment, for example, a measuring system of the type SIIT-2 or SIIT-3, which are commercially available from the Krasnodar Plant "Tensopribor", can be used.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. The proposed device operates as follows.

До монтажа на исследуемую конструкцию измерительное устройство устанавливается в градуировочное приспособление и подключается к измерительной аппаратуре. Prior to mounting on the test structure, the measuring device is installed in the calibration device and connected to the measuring equipment.

Задавая по градуировочному устройству деформации ε или перемещения f известной величины, определяется для каждого устройства зависимость выходного сигнала "А" от ε или f, т.е. A_ε = φ(ε) или A_f = φ(f) , а установив устройства на эталонном образце из материала конструкции и нагрев их до заданной температуры, определяется температурная характеристика устройства A_t = φ(t).
Затем устройство при помощи клея холодного отверждения устанавливается на поверхности испытываемой конструкции с базой измерения "Б", подключается к измерительной системе и после полимеризации клея устройство готово к работе.By setting the deformation ε or displacement f of a known value by the calibration device, the dependence of the output signal “A” on ε or f is determined for each device, i.e. A _ε = φ (ε) or A _f = φ (f), and by installing the device on a reference sample of construction material and heating them to a predetermined temperature, the temperature characteristic of the device A _t = φ (t) is determined.
Then the device with the help of cold curing glue is installed on the surface of the tested structure with the measurement base "B", connected to the measuring system and after the polymerization of the glue the device is ready for operation.

При силовом или тепловом воздействии испытываемая конструкция деформируется, что приводит к изменению базы измерения "Б" и, соответственно, к увеличению сопротивления одного слоя упругого элемента (R+ΔR) и уменьшению сопротивления другого слоя (R-ΔR) или наоборот. При этом в диагонали измерительного моста появляется электрический сигнал ΔU, пропорциональный изменению сопротивления R. При полумостовой схеме включения внешнего и внутреннего слоев упругой подложки величина выходного сигнала равна

, где U - питание измерительного моста. Далее по градуировочной характеристике A_ε = φ(ε) или A_f = φ(f) определяется величина деформации или перемещения.Under force or heat, the test structure is deformed, which leads to a change in the measurement base "B" and, accordingly, to an increase in the resistance of one layer of the elastic element (R + ΔR) and a decrease in the resistance of the other layer (R-ΔR) or vice versa. In this case, an electric signal ΔU appears in the diagonal of the measuring bridge, which is proportional to the change in resistance R. With a half-bridge circuit for switching on the external and internal layers of the elastic substrate, the output signal is

where U is the power supply to the measuring bridge. Further, by the calibration characteristic A _ε = φ (ε) or A _f = φ (f), the value of deformation or displacement is determined.

При тензометрировании конструкций в условиях повышенных температур в результаты измерений вносятся поправки по температурной характеристике A_t = φ(t) (методику обработки см. Баранов А.Н. и др. "Статические испытания на прочность сверхзвуковых самолетов", М. "Машиностроение", 1974 г., стр. 288 - 299).When strain gauging structures at elevated temperatures, the measurement results are amended according to the temperature characteristic A _t = φ (t) (for the processing method, see A. Baranov et al. "Static Strength Tests of Supersonic Aircraft", M. "Mechanical Engineering", 1974, p. 288 - 299).

При применении для изготовления двухслойной упругой подложки композиционного материала КТНЦ-1М обеспечивается температурный диапазон измерения от -100 до +150^oC. В устройстве обеспечивается линейная зависимость выходного сигнала от деформации в диапазоне ± 5-7%.When used for the manufacture of a two-layer elastic substrate of the composite material KTNC-1M, the temperature range of measurement is from -100 to +150 ^o C. The device provides a linear dependence of the output signal on the deformation in the range of ± 5-7%.

Повышение точности измерения деформаций достигается за счет индивидуальной градуировки каждого устройства до проведения измерений. Improving the accuracy of strain measurements is achieved through the individual calibration of each device before measurements.

Возможность подбора требуемой величины коэффициента термического расширения для материала упругого элемента в зависимости от применяемого материала в конструкции обеспечивается возможность оптимизации температурной характеристики устройства и, соответственно, уменьшение погрешностей измерения при повышенных температурах. The ability to select the required value of the coefficient of thermal expansion for the material of the elastic element, depending on the material used in the design, makes it possible to optimize the temperature characteristics of the device and, accordingly, reduce measurement errors at elevated temperatures.

Повышение экономической эффективности достигается за счет возможности многократного использования устройства при испытаниях авиационных конструкций на прочность. Improving economic efficiency is achieved due to the possibility of multiple use of the device when testing aircraft structures for strength.

Claims

1. A device for measuring the deformation of structures made of composite materials at elevated temperatures, containing an elastic substrate in the form of a two-arch arch, attachment points, a removable mounting frame and measuring equipment, characterized in that the elastic substrate is made of a two-layer of a high-modulus unidirectional conductive polymer composite material based on carbon fibers with high electrical resistivity, strain sensitivity and thermal coefficient expanded close to the coefficient of thermal expansion of the material of the studied design, the outer and inner layers of the elastic substrate are electrically isolated from each other and from the attachment points by dielectric spacers, the ends of the layers of the substrate are metallized in the connection areas of the output conductors and are electrically connected by conductors according to the measuring half-bridge circuit, the output of which is connected with the input of measuring equipment.

2. The device according to claim 1, characterized in that the composite material of the elastic substrate is made with the required values of electrical resistivity, sensitivity and coefficient of thermal expansion.