RU2530466C1 - Тензометрический преобразователь - Google Patents

Тензометрический преобразователь Download PDF

Info

Publication number
RU2530466C1
RU2530466C1 RU2013131874/28A RU2013131874A RU2530466C1 RU 2530466 C1 RU2530466 C1 RU 2530466C1 RU 2013131874/28 A RU2013131874/28 A RU 2013131874/28A RU 2013131874 A RU2013131874 A RU 2013131874A RU 2530466 C1 RU2530466 C1 RU 2530466C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plate
converter according
rods
photoelastic
photoelastic element
Prior art date
Application number
RU2013131874/28A
Other languages
English (en)
Inventor
Александр Владимирович Поярков
Владимир Николаевич Бараков
Виктор Николаевич Федоринин
Андрей Георгиевич Паулиш
Александр Леонидович Филимонов
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" ООО "ФИРМА ПОДИЙ"
Priority to RU2013131874/28A priority Critical patent/RU2530466C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2530466C1 publication Critical patent/RU2530466C1/ru

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре. Предложен тензометрический преобразователь, включающий нагрузочный элемент, закрепляемый на контролируемом объекте, пьезооптический преобразователь, преобразующий в электрический сигнал величину напряжений на фотоупругом элементе, который закреплен в заведомо нагруженном состоянии, и блок обработки сигнала. Нагрузочный элемент представляет собой пластину с цилиндрическим отверстием, в котором фотоупругий элемент цилиндрической формы регулируемо зажат в направлении действия измеряемых деформаций с помощью двух стержней, изготовленных из материала с коэффициентом температурного расширения, большим, чем соответствующий коэффициент пластины. При этом длина стержней рассчитана таким образом, что обеспечивает неизменность величины исходного сжатия от изменения температуры. Технический результат - повышение точности измерений при одновременном упрощении конструкции устройства. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Область техники
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей, и может быть использовано в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.
Уровень техники
Известно, что пьезооптические преобразователи, используемые для измерения деформаций (напряжений), обладают наибольшей чувствительностью по сравнению с другими, например, с тензорезистивными преобразователями (Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, №11, с.45-48) [1].
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому тензометрическому датчику является пьезооптический тензометрический преобразователь (Патент №2422786 от 23.04.2010) [2]. Преобразователь состоит из нагрузочного элемента, закрепляемого на контролируемом объекте, пьезооптического преобразователя, преобразующего величину напряжений на фотоупругом элементе в электрический сигнал, и блока обработки сигнала. Нагрузочный элемент представляет собой пластину, обеспечивающую концентрацию напряжений на фотоупругом элементе, фотоупругий элемент закреплен в пластине в заведомо нагруженном состоянии и таким образом, что действие исходной силовой нагрузки осуществляется в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Закрепление фотоупругого элемента в изначально нагруженном состоянии позволяет измерять как деформации сжатия, так и деформации растяжения. Действие исходной силовой нагрузки в двух взаимно перпендикулярных направлениях обеспечивает термокомпенсацию преобразователя, так как при изменении температуры пластины фотоупругий элемент сжимается одинаково в перпендикулярных направлениях, то есть изотропно, что не приводит к появлению ложного сигнала на выходе пьезооптического преобразователя.
Недостатками данного тензометрического преобразователя являются: а) закрепление фотоупругого элемента в пластине осуществляется с помощью конуса Морзе, что требует весьма высокой точности в изготовлении как фотоупругого элемента, так и конусного отверстия в пластине, совпадающего с размерами фотоупругого элемента; б) пластина по конструкции не является симметричной в направлениях приложения исходной нагрузки на фотоупругий элемент, а значит, обладает разной жесткостью во взаимно перпендикулярных направлениях, что не может обеспечить изотропность сжатия фотоупругого элемента при изменении температуры, а значит, не может обеспечить достаточную термокомпенсацию тензометрического преобразователя.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения заключается в создании такой конструкции тензометрического преобразователя, в которой, во-первых, закрепление фотоупругого элемента в изначально нагруженном состоянии осуществляется более простым, по сравнению с конусом Морзе, способом, а во-вторых, термокомпенсация обеспечивалась более надежным способом.
Технический результат - упрощение конструкции, повышение ее надежности и точности измерения деформаций.
Поставленная задача решена за счет того, что в известном устройстве, включающем нагрузочный элемент, закрепляемый на контролируемом объекте, пьезооптический преобразователь, преобразующий в электрический сигнал величину напряжений на фотоупругом элементе, который закреплен в заведомо нагруженном состоянии, и блок обработки сигнала, согласно изобретению, нагрузочный элемент представляет собой пластину с цилиндрическим отверстием в центре, в котором фотоупругий элемент цилиндрической формы регулируемо зажат в направлении действия измеряемых деформаций с помощью двух стержней, изготовленных из материала с коэффициентом температурного расширения, большим, чем соответствующий коэффициент пластины, при этом длина стержней рассчитана таким образом, что обеспечивает неизменность величины исходного сжатия от изменения температуры.
Материал стержней и их длина выбираются таким образом, чтобы с изменением температуры изменение суммарной длины стержней Lcm и ширины фотоупругого элемента Lфэ равнялось с достаточной точностью изменению расстояния между местами крепления стержней в нагрузочном элементе (пластине) Lпл. Другими словами, относительное удлинение пластины равняется относительному удлинению конструкции стержень-фотоупругий элемент-стержень. Если пластина изготовлена из материала с коэффициентом линейного расширения αпл, стрежни имеют коэффициент линейного расширения αст, а коэффициент линейного расширения фотоупругого элемента αфэ, то вышеизложенное условие можно записать следующим образом:
Δ L п л ( T ) = Δ L c m ( T ) + Δ L ф э ( T ) , ( 1 )
Figure 00000001
α п л L п л Δ T = α c m L c m Δ T + α ф э L ф э Δ T . ( 2 )
Figure 00000002
Учитывая, что Lпл=Lcm+Lфэ, получаем суммарную длину стержней:
L c m = α п л α ф э α c m α п л L ф э . ( 3 )
Figure 00000003
Таким образом, при соблюдении условий согласно уравнению (3), при изменении температуры преобразователя на фотоупругом элементе не будут возникать дополнительные напряжения и, таким образом, достигается эффект независимости показаний преобразователя от температуры.
Для примера, рассмотрим пластину, изготовленную из стали ШХ15 с коэффициентом линейного температурного расширения αпл=11.9×10-6 K-1; фотоупругий элемент диаметром Lфэ=6 мм, изготовленный из плавленого кварца с αфэ=0.395×10-6 K-1; стержни, изготовленные из нержавеющей стали с αcm=16.6×10-6 K-1. Тогда, подставляя значения в формулу (3), получаем суммарную длину стержней Lcm=14.68 мм. Если стержни изготавливаются одинаковой длины, то длина одного стержня составляет Lcm/2=7.34 мм.
Начальная нагрузка на фотоупругом элементе обеспечивается, например, винтами, вкручиваемыми в пластину, и зажимающими стержни, между которыми расположен фотоупругий элемент. Винты изготавливаются из материала пластины.
В качестве материала фотоупругого элемента может быть использован, например, плавленый кварц, обладающий высоким порогом разрушения на сжатие, что обеспечивает высокий динамический диапазон измерений деформаций и надежность преобразователя. Кроме того, технология обработки плавленого кварца хорошо развита, что удешевляет конструкцию тензометрического преобразователя.
Нагрузочный элемент (пластина) с пьезооптическим преобразователем закрепляется на контролируемом объекте таким образом, чтобы ось стержней совпадала с направлением измеряемых деформаций контролируемого объекта. Деформация контролируемого объекта передается на пластину, затем на стержни и через них - на фотоупругий элемент пьезооптического преобразователя, оптическая ось которого лежит в плоскости, перпендикулярной направлению измеряемых деформаций.
Нагрузочный элемент снабжен монтажными отверстиями для крепления к контролируемому объекту. Для повышения надежности крепления нагрузочного элемента на его поверхности, контактирующей с контролируемым объектом, могут быть выполнены зубья, лежащие в одной плоскости.
Для повышения чувствительности тензометрического преобразователя к деформации, в пластине могут быть изготовлены пазы, не нарушающие ее целостности, которые уменьшают жесткость пластины в направлении измеряемых деформаций и не вносящие искажений в передачу деформации на фотоупругий элемент.
Для обеспечения надежного контакта стержней с фотоупругим элементом, на поверхности цилиндра могут быть выполнены симметрично расположенные плоские площадки (лыски), в которые упираются стержни.
Обоснование введенных признаков
Так как фотоупругий элемент зажат с помощью стержней, имеющих плоский торец, то нет необходимости изготавливать конус Морзе, что сопряжено с серьезными технологическими трудностями. Так как фотоупругий элемент изначально сжат, то тензометрический преобразователь с одинаковой чувствительностью работает как на сжатие, так и на растяжение. Длина стержней подбирается таким образом, чтобы выполнить условие формулы (3), при этом изменения размеров элементов нагрузочного элемента, связанные с изменением температуры, не приводят к дополнительным напряжениям на фотоупругом элементе, то есть достигается эффект термокомпенсации.
За счет крепления фотоупругого элемента с помощью стержней расчетной длины достигается упрощение конструкции и обеспечивается более надежная компенсация напряжений, связанных с изменением температуры тензометрического преобразователя.
Таким образом, предлагаемая совокупность признаков, определяющая конструкцию тензометрического преобразователя, позволяет достичь заявленного технического результата: упрощения конструкции, повышения ее надежности и точности измерения деформаций в контролируемом объекте.
Описание тензометрического преобразователя
Описание устройства поясняется фигурами 1, 2 и 3, где:
на фиг.1 показана конструкция тензометрического преобразователя с фотоупругим элементом, выполненным в виде цилиндра с двумя симметрично расположенными лысками;
на фиг.2 показан вид нагрузочного элемента (пластины) сверху (вид А-А на Фиг.1);
на фиг.3 показан общий вид нагрузочного элемента (пластины).
На фигурах цифрами показаны: 1 - нагрузочный элемент (пластина), 2 - монтажные отверстия, 3 - фотоупругий элемент, 4 - лыски. В пластине выполнены два отверстия 5, в которые вставляются стержни 6, которые зажимаются винтами 7. Для повышения надежности крепления нагрузочного элемента 1 к контролируемому объекту на поверхности пластины, обращенной к нагрузочному элементу, выполнены зубья 8. Для уменьшения жесткости нагрузочного элемента в направлении измеряемых деформаций, в пластине сделаны пазы 9. Оптическая ось пьезооптического преобразователя показана линией 10.
Описание работы устройства
Тензометрический преобразователь работает следующим образом.
Нагрузочный элемент 1 закрепляют на поверхности исследуемого объекта посредством монтажных отверстий 2 и зубьев 8 таким образом, чтобы ось пластины совпадала с осью нагружения X. Деформация растяжения или сжатия, возникающая в контролируемом объекте в направлении X, передается пластине 1 через места крепления 2. Деформация пластины передается на фотоупругий элемент 3 через стержни 6, что приводит к дополнительному сжатию (+Δ) или растяжению (-Δ) фотоупругого элемента. В результате в пьезооптическом преобразователе возникает дополнительная разность фаз ±Δ между взаимно перпендикулярными компонентами поляризации луча, прошедшего сквозь фотоупругий элемент, что приводит к изменению электрического сигнала на выходе фотоприемника пьезооптического преобразователя, который регистрируется и обрабатывается блоком обработки сигнала.
Использованные источники информации
1. Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, №11, с.45-48.
3. Патент РФ №2422786 от 23.04.2010.

Claims (7)

1. Тензометрический преобразователь, включающий нагрузочный элемент, закрепляемый на контролируемом объекте, пьезооптический преобразователь, преобразующий в электрический сигнал величину напряжений на фотоупругом элементе, который закреплен в заведомо нагруженном состоянии, и блок обработки сигнала, отличающийся тем, что нагрузочный элемент представляет собой пластину с цилиндрическим отверстием, в котором фотоупругий элемент цилиндрической формы регулируемо зажат в направлении действия измеряемых деформаций с помощью двух стержней, изготовленных из материала с коэффициентом температурного расширения, большим, чем соответствующий коэффициент пластины, при этом длина стержней рассчитана таким образом, что обеспечивает неизменность величины исходного сжатия от изменения температуры.
2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что для повышения эффективности передачи измеряемой деформации на фотоупругий элемент пластина имеет утоньшение в месте крепления фотоупругого элемента.
3. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на фотоупругом элементе, выполненном в виде цилиндра, изготовлены две симметрично расположенные лыски, обращенные к зажимающим стержням.
4. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в пластине изготовлены резьбовые отверстия для винтов, упирающихся в стержни, зажимающие фотоупругий элемент, причем винты изготовлены из одного с пластиной материала.
5. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что в пластине выполнены пазы, уменьшающие жесткость пластины в направлении измеряемых деформаций.
6. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что на поверхности пластины, контактирующей с контролируемым объектом, выполнены зубья, лежащие в одной плоскости.
7. Преобразователь по п.6, отличающийся тем, что для обеспечения контакта между пластиной и контролируемым объектом по всей плоскости пластины, обращенной к объекту, форма и размер зубьев подобраны таким образом, что при монтаже пластины на объекте зубья полностью погружаются в тело контролируемого объекта.
RU2013131874/28A 2013-07-09 2013-07-09 Тензометрический преобразователь RU2530466C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013131874/28A RU2530466C1 (ru) 2013-07-09 2013-07-09 Тензометрический преобразователь

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013131874/28A RU2530466C1 (ru) 2013-07-09 2013-07-09 Тензометрический преобразователь

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2530466C1 true RU2530466C1 (ru) 2014-10-10

Family

ID=53381670

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013131874/28A RU2530466C1 (ru) 2013-07-09 2013-07-09 Тензометрический преобразователь

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2530466C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016163902A1 (ru) * 2015-04-08 2016-10-13 Александр Владимирович ПОЯРКОВ Устройство и способ для измерения комбинированных деформаций

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4002934A (en) * 1975-05-29 1977-01-11 Isaak Isaevich Slezinger Sensitive element of piezooptic measuring converter
SU1536196A1 (ru) * 1988-05-13 1990-01-15 Научно-исследовательский институт механики при МГУ им.М.В.Ломоносова Пьезооптический измеритель деформации объекта
WO2009128040A1 (en) * 2008-04-18 2009-10-22 Institute Of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration A high sensitive fiber bragg grating strain sensor with automatic temperature compensation
RU2422786C1 (ru) * 2010-04-23 2011-06-27 Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" (ООО "ФИРМА ПОДИЙ") Тензометрический преобразователь

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4002934A (en) * 1975-05-29 1977-01-11 Isaak Isaevich Slezinger Sensitive element of piezooptic measuring converter
SU1536196A1 (ru) * 1988-05-13 1990-01-15 Научно-исследовательский институт механики при МГУ им.М.В.Ломоносова Пьезооптический измеритель деформации объекта
WO2009128040A1 (en) * 2008-04-18 2009-10-22 Institute Of Crustal Dynamics, China Earthquake Administration A high sensitive fiber bragg grating strain sensor with automatic temperature compensation
RU2422786C1 (ru) * 2010-04-23 2011-06-27 Общество с ограниченной ответственностью "ФИРМА ПОДИЙ" (ООО "ФИРМА ПОДИЙ") Тензометрический преобразователь

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
2009 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016163902A1 (ru) * 2015-04-08 2016-10-13 Александр Владимирович ПОЯРКОВ Устройство и способ для измерения комбинированных деформаций

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102162757B (zh) 一种光纤光栅土压力传感器
RU2422786C1 (ru) Тензометрический преобразователь
US20080317401A1 (en) Optic fiber bragg grating sensor
US11473260B2 (en) Effective stress cell for direct measurement of effective stress in saturated soil
CN104807536A (zh) 具有温度补偿的光纤光栅二维振动传感器
KR101361737B1 (ko) 반도체형 스트레인 게이지를 이용한 변형 측정 장치
CN102072787A (zh) 温度自补偿光纤光栅拉力传感器
RU2530466C1 (ru) Тензометрический преобразователь
RU115474U1 (ru) Устройство для измерения механических напряжений
RU111646U1 (ru) Устройство для измерения механических напряжений
US3205706A (en) Ring-type load cell
RU2454642C1 (ru) Тензометрический датчик (варианты)
CN102998187A (zh) 采用弯曲试验测试材料拉伸强度的改进方法
Li et al. A temperature-independent force transducer using one optical fiber with multiple Bragg gratings
RU2530467C1 (ru) Тензометрический датчик
CN105547868B (zh) 基于应力集中原理的落锤结构测试冲击力的方法
CN105091729B (zh) 一种采用因瓦钢引伸杆的应变式引伸计
RU111629U1 (ru) Устройство для измерения механических напряжений (варианты)
RU113828U1 (ru) Устройство для измерения механических напряжений
RU2564691C2 (ru) Тензометрический преобразователь
US2891399A (en) Device for measuring creep
RU2423677C1 (ru) Тензорезисторный преобразователь силы
CN110940442A (zh) 一种基于法布里-珀罗原理的高灵敏度测力计及测力方法
RU2552128C1 (ru) Фотоупругий элемент
CN102589409B (zh) 高静水压环境下的三轴引伸计