RU25346U1

RU25346U1 - Strain gauge

Info

Publication number: RU25346U1
Application number: RU2002103926/20U
Authority: RU
Inventors: В.А. Захаров; В.Ф. Мужицкий; нов А.И. Уль; А.И. Ульянов
Original assignee: Захаров Владимир Анатольевич; Мужицкий Владимир Федорович; Ульянов Александр Иванович
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2002-09-27

Description

Полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для определения деформации различных объектов, в частности, для измерения деформации поверхности твердых тел, находящихся под воздействием изменяющихся во времени одноосных или двухосных (плоских) нафузок.The utility model relates to the field of measurement technology and can be used to determine the deformation of various objects, in particular, to measure the deformation of the surface of solids that are under the influence of time-varying uniaxial or biaxial (flat) ducts.

Известно устройство для измерения деформаций (тензометр), содержащее индуктивный преобразователь в виде катуппш и связанного с ней сердечника, установленный в механизме передачи перемещений, взаимодействующем с испытуемой поверхностью объекта посредством подвижного и неподвижного наконечников (авт. свид. СССР №295066, МПК G 01 В 7/16, 1971).A device for measuring deformations (strain gauge) is known, which contains an inductive transducer in the form of a catheter and a core connected with it, which is installed in a transfer mechanism interacting with the test surface of the object by means of movable and fixed tips (ed. Certificate of the USSR No. 295066, IPC G 01 V 7/16, 1971).

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, невозможность изменения базы измерения (исходного расстояния между наконечниками) и неудобство эксплуатации при длительных испыганиях на объектах с переменными деформациями.A disadvantage of the known device is the design complexity, the impossibility of changing the measurement base (the initial distance between the tips) and the inconvenience of operation during lengthy tests on objects with variable deformations.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является тензометр, содержащий индуктивный преобразователь в виде корпуса с расположенной в нем катущкой и взаимодействующего с ней сердечника с опорой, закрепляемый на поверхности деформируемого объекта (авт. свид. №787886, МПК 3 G 01 В 7/16, 1980 прототип). При деформации контролируемой поверхности в направлении оси катушки сердечник перемещается относительно последней, при этом сигнал с блока преобразования э.д.с. катущки пропорционален величине деформации.Closest to the proposed utility model is a strain gauge containing an inductive transducer in the form of a housing with a coil located in it and a core interacting with it with a support, fixed on the surface of the deformable object (ed. Certificate. No. 787886, IPC 3 G 01 B 7/16, 1980 prototype). When the controlled surface is deformed in the direction of the axis of the coil, the core moves relative to the latter, while the signal from the EMF conversion unit coils are proportional to the amount of deformation.

Недостатком устройства-прототипа является ненадежность крепления элементов индуктивного преобразователя и узкий диапазон измеряемых деформаций при использовании тензометра для контроля напряженного состояния твердых тел, что ограничивает эксплуатационные возможности устройства.The disadvantage of the prototype device is the unreliability of fastening the elements of an inductive transducer and a narrow range of measured strains when using a strain gauge to control the stress state of solids, which limits the operational capabilities of the device.

Предлагаемая полезная модель направлена на расщирение эксплуатационных возможностей тензометра с индуктивным преобразователем за счет повыщения надежности крепления элементов преобразователя и расширения диапазона измерения деформаций на поверхности разнообразных твердых тел.The proposed utility model is aimed at expanding the operational capabilities of a tensometer with an inductive transducer by increasing the reliability of fastening of the transducer elements and expanding the range of strain measurements on the surface of various solids.

ТЕНЗОМЕТРStrain gauge

площадкам корпуса катушки и опоры. Кроме того, он дополнительно снабжен одним или несколькими индуктивными преобразователями, контактные площадки которых прикреплены к эластичной подложке, причем оси катушек всех преобразователей расположень под углом друг к другу, перекрещиваются в пространстве между контактными площадками преобразователей на различных уровнях по отношению к поверхности деформации. Сердечник может бьпъ выполнен либо из ферромагнитного материала, либо из неферромагнитного металлического материала, например из меди. Эластичная подложка может быть выполнена в виде двух элементов, один из которых прикреплен к контактной площадке корпуса катушки, а другой - к контактной площадке опоры, причем элемент эластичной подложки, выступающий в направлении деформации за контуры контактной площадки корпуса катущки или опоры, выполнен симметричным по отношению к соответствующей площадке в указанном направлении. Тензометр может быть дополнительно снабжен тягой, соединяющей сердечник с опорой, которая выполнена гибкой в поперечном к оси сердечника направлении и из неферромагнитного материала.pads of the coil body and support. In addition, it is additionally equipped with one or more inductive transducers, the contact pads of which are attached to the elastic substrate, and the axis of the coils of all the transducers located at an angle to each other, intersect in the space between the contact pads of the transducers at different levels with respect to the deformation surface. The core may be made of either a ferromagnetic material or a non-ferromagnetic metal material, for example, copper. The elastic substrate can be made in the form of two elements, one of which is attached to the contact area of the coil body and the other to the contact area of the support, and the elastic substrate element protruding in the direction of deformation beyond the contours of the contact area of the coil body or support is made symmetrical with respect to to the appropriate site in the indicated direction. The strain gauge can be additionally equipped with a rod connecting the core with a support, which is flexible in the direction transverse to the axis of the core and from non-ferromagnetic material.

Введение в тензометр эластичной подложки, прикрепленной к контактным площадкам корпуса катущки и опоры, позволяет повысить надежность крепления преобразователя к деформируемой поверхности твердых тел и расширить диапазон измеряемых деформаций за счет исключения непроизвольного отделения жестких контактных площадок преобразователя от деформируемой поверхности. Наличие дополнительно одного или нескольких индуктивных преобразователей, контактные площадки которых прикреплены к эластичной подложке, а оси катушек всех преобразователей расположены под углом друг к другу и перекрещиваются в пространстве между контактными площадками корпусов катушек и опор на различных уровнях по отношению к поверхности деформации, позволяет производить одновременное измерение деформаций по различным направлениям на одном и том же участке контролируемого объекта.The introduction into the tensometer of an elastic substrate attached to the contact pads of the coil body and support allows to increase the reliability of the transducer mounting to the deformable surface of solids and to expand the range of measured deformations by eliminating the involuntary separation of the hard contact pads of the transducer from the deformable surface. The presence of an additional one or more inductive transducers, the contact pads of which are attached to the elastic substrate, and the axis of the coils of all the transducers are located at an angle to each other and intersect in the space between the contact pads of the coil housings and supports at different levels with respect to the deformation surface, which allows simultaneous measurement of deformations in various directions on the same site of the controlled object.

Выполнение сердечника индуктивного преобразователя из ферромагнитного материала повышает чувствительность устройства и точность измерения деформаций, а выполнение его из неферромагнитного металлического материала, например из меди, дает возможность производить измерения деформаций при наличии в зоне измерения сильных магнитных полей.The implementation of the core of the inductive transducer from a ferromagnetic material increases the sensitivity of the device and the accuracy of the measurement of deformations, and its execution from a non-ferromagnetic metal material, for example, from copper, makes it possible to measure strains in the presence of strong magnetic fields in the measurement zone.

повысить точность определения деформаций по сравнению с тензометром, имеющим одну общую подложку под обеими контактными площадками индуктивного преобразователя. При этом выполнение элемента эластичной подложки, выступающего в направлении деформации за контуры контактных площадок преобразователя, симметричным по отношению к соответствующей площадке в указанном направлении повыщает точность измерения деформаций за счет исключения смещения катущки или сердечника относительно заданной базы измерения при деформации эластичной подложки. Это, в свою очередь, исключает необходимость дополнительной градуировки тензометра после установки его на контролируемую поверхность.to increase the accuracy of determining deformations in comparison with a strain gauge having one common substrate under both contact pads of the inductive transducer. In this case, the execution of the elastic substrate element protruding in the direction of deformation beyond the contours of the contact pads of the transducer symmetrical with respect to the corresponding area in the indicated direction increases the accuracy of the strain measurement by eliminating the displacement of the coil or core relative to a given measurement base when the elastic substrate is deformed. This, in turn, eliminates the need for additional calibration of the strain gauge after installing it on a controlled surface.

Введение в тензометр тяги, соединяющей сердечник с опорой, и вьшолнение ее гибкой в поперечном к оси сердечника направлении расширяет эксплуатационные возможности устройства и точность определения деформаций за счет существенного увеличения базы измерения и возможности использования тензометра на изделиях с поверхностями различной кривизны. Выполнение тяги из неферромагнитного материала позволяет также применять ферромагнитные сердечники минимально возможной длины, что снижает влияние на преобразователь магнитных полей и увеличивает точность измерения деформаций. Применение гибких тяг в тензометре с несколькими индуктивными преобразователями позволяет использовать идентичные катущки с одинаковым расстоянием их осей от контролируемой поверхности.Introduction to the tensometer of traction connecting the core with the support, and its flexibility in the direction transverse to the axis of the core, expand the device’s operational capabilities and the accuracy of determining deformations by significantly increasing the measurement base and the possibility of using the tensometer on products with surfaces of various curvatures. The execution of traction from non-ferromagnetic material also allows the use of ferromagnetic cores of the smallest possible length, which reduces the effect of magnetic fields on the transducer and increases the accuracy of strain measurements. The use of flexible rods in a tensometer with several inductive converters allows the use of identical coils with the same distance of their axes from the surface being monitored.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид тензометра; на фиг.2 -схема распределения деформаций в эластичной подложке; на фиг.З и 4 - тензометры с двумя элементами эластичной подложки; на фиг.З - тензометр с двумя индуктивными преобразователями; на фиг.6 - тензометр с тягой между сердечником и опорой.The utility model is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows a General view of the strain gauge; figure 2 is a diagram of the distribution of deformations in an elastic substrate; on figs and 4 - strain gauges with two elements of an elastic substrate; in Fig.Z - strain gauge with two inductive converters; figure 6 - strain gauge with traction between the core and the support.

Тензометр содержит индуктивный преобразователь, состоящий из катушки 1 (фиг.1), расположенной в корпусе 2, и сердечника 3, жестко соединенного с опорой 4, а также эластичную подложку 5, прикрепленную с одной стороны к контактным площадкам корпуса 2 и опоры 4, а с другой стороны прикрепляемую к поверхности деформируемого объекта 6. Роль подложки может выполнять заданный слой эластичного клея, которым индуктивный преобразователь прикрепляется к поверхности контролируемого объекта. В исходном состоянии (до деформации объекта) за базу измерений bo может быть принято расстояние ао между центрами контактных площадок корпуса 2 и опоры 4, т.е. bo ао, как показано на фиг.1, где IK и 1с - длина вдоль направления деформации контактной площадки корпуса и опоры сердечника, соответственно.The strain gauge comprises an inductive transducer consisting of a coil 1 (Fig. 1) located in the housing 2 and a core 3 rigidly connected to the support 4, as well as an elastic substrate 5 attached on one side to the contact pads of the housing 2 and the support 4, and on the other hand, attached to the surface of the deformable object 6. The role of the substrate can be performed by a predetermined layer of elastic glue, by which the inductive transformer is attached to the surface of the controlled object. In the initial state (before the deformation of the object), the distance a0 between the centers of the contact pads of the housing 2 and the support 4 can be taken as the measurement base bo, i.e. bo ao, as shown in FIG. 1, where IK and 1c are the length along the direction of deformation of the contact pad of the housing and the core support, respectively.

При размерах эластичной подложки 5 в направлении деформации (вдоль оси катушки 1 на фиг. 1), существенно превышающих расстояние между внешними кромками контактных площадок корпуса 2 и опоры 4, она деформируется равномерно по толщине и, в отсутствие трения между катущкой 1 и сердечником 3, положение «базовых точек на поверхности объекта будет практически совпадать с положением центров контактных площадок при любой деформации. Однако, при размерах подложки 5, соизмеримых с внешним контуром обеих контактных площадок, в процессе деформации появляется взаимное смещение «базовых точек объекта и центров контактных площадок корпуса 2 и опоры 4, когда расстояние ai между центрами площадок становится не равным расстоянию bi между «базовъши точками (на фиг.2 это соответствует деформации растяжения объекта 6, когда ai bi). Это происходит из-за того, что часть поверхности эластичной подложки 5 со стороны контактных площадок индуктивного преобразователя имеет жесткую связь с его недеформируемыми частями и, соответственно, не деформируется, а смещается к центру подложки, как показано на фиг.2. Данное смещение приводит к несоответствию показаний тензометра истинному перемещению «базовых точек деформируемого объекта и требует дополнительной градуировки прибора непосредственно на изделии; снижается также чувствительность тензометра.With the dimensions of the elastic substrate 5 in the direction of deformation (along the axis of the coil 1 in Fig. 1), significantly exceeding the distance between the outer edges of the contact pads of the housing 2 and the support 4, it is deformed uniformly in thickness and, in the absence of friction between the coil 1 and the core 3, the position of the “base points on the surface of the object will practically coincide with the position of the centers of the contact pads for any deformation. However, with the dimensions of the substrate 5 commensurate with the external contour of both contact pads, during the deformation, the mutual displacement of the “base points of the object and the centers of the contact pads of the housing 2 and the support 4 appears, when the distance ai between the centers of the pads becomes not equal to the distance bi between the“ base points (in FIG. 2, this corresponds to the tensile strain of object 6 when ai bi). This is due to the fact that part of the surface of the elastic substrate 5 from the side of the contact pads of the inductive transducer has a rigid connection with its non-deformable parts and, accordingly, does not deform, but is shifted to the center of the substrate, as shown in FIG. 2. This shift leads to a discrepancy between the readings of the strain gauge and the true movement of the “base points of the deformable object and requires additional calibration of the device directly on the product; The sensitivity of the strain gauge also decreases.

Разделение эластичной подложки тензометра на два элемента, один из которых прикреплен к контактной площадке корпуса 2 (поз.7 на фиг.З), а другой - к контактной площадке опоры 4 (поз.8), позволяет устранить указанное выше смещение «базовых точек объекта относительно соответствующих точек корпуса и опоры. Так, если элементы 7 и 8 подложки не выступают за контуры соответствующих контактных площадок корпуса 2 и опоры 4, как показано на фиг.З, то при любой деформации исходная настройка тензометра сохраняется, и не требуется градуировка прибора на объекте после установки на него преобразователя. Это объясняется тем, что длина ак IK линии контакта элемента 7 с корпусом 2 и длина ас 1с линии контакта элемента 8 с опорой 4 при любой деформации поверхности объекта остается постоянной, а линии контакта элементов подложки с поверхностью объекта хотя и изменяются по длине (Ьк ак и Ьс ас при растяжении поверхности объекта 6 на фиг.З), но остаются симметричными по отнощению к линиям ак и ас; в результате ai bi.The separation of the elastic substrate of the strain gauge into two elements, one of which is attached to the contact pad of the housing 2 (pos. 7 in FIG. 3), and the other to the contact pad of the support 4 (pos. 8), eliminates the above-mentioned displacement of the “base points of the object relative to the corresponding points of the housing and support. So, if the substrate elements 7 and 8 do not protrude beyond the contours of the corresponding contact pads of the housing 2 and the support 4, as shown in Fig. 3, then with any deformation, the initial setting of the strain gauge is preserved, and calibration of the device on the object is not required after installing the converter on it. This is explained by the fact that the length ak IK of the contact line of element 7 with housing 2 and the length ac 1c of the contact line of element 8 with support 4 remains constant for any deformation of the surface of the object, and the contact lines of the substrate elements with the surface of the object, although they vary in length (b and bc ac when the surface of the object 6 is stretched in FIG. 3), but remain symmetrical with respect to the lines ak and ac; as a result of ai bi.

Если элементы подложки выступают за края контактных площадок корпуса и опоры, то при соблюдении симметрии элементов по отношению к площадкам в направлении деформации, как показано на фиг.4, градуировка тензометра также сохраняется, поскольку при любой деформации (на фиг.4 - деформации растяжения) ai bi. При несимметричном расположении элементов подложки по отнощению к контактнымIf the substrate elements protrude beyond the edges of the contact pads of the housing and the support, then subject to the symmetry of the elements with respect to the pads in the direction of deformation, as shown in Fig. 4, the calibration of the tensometer also remains, since at any deformation (in Fig. 4 - tensile deformation) ai bi. With an asymmetric arrangement of the substrate elements relative to the contact

. f(r(,. f (r (,

площадкам индуктивного преобразователя появляется смещение «базовых точек при деформации объекта, аналогичное тому, что показано на фиг.2, и требуется дополнительная градуировка тензометра непосредственно на объекте.to the sites of the inductive transducer, an offset of the "base points during the deformation of the object appears, similar to that shown in figure 2, and additional graduation of the tensometer directly on the object is required.

На фиг.5 показан тензометр с двумя индуктивными преобразователями для измерения деформаций в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Один из преобразователей установлен на контролируемую поверхность объекта 6 через элементы 7 и 8 эластичной подложки, а другой, состоящий из корпуса 9 с катушкой и сердечника 10, установлен на отдельные элементы эластичной подложки (на фиг.5 показан только элемент 11, прикрепленный к корпусу 9) так, что сердечник 10 расположен ниже сердечника 3 и перпендикулярен последнему. При необходимости, дополнительно могут бьггь установлены индуктивные преобразователи с другим расположением осей чувствительности.Figure 5 shows a strain gauge with two inductive transducers for measuring deformations in two mutually perpendicular directions. One of the transducers is installed on the controlled surface of the object 6 through the elements 7 and 8 of the elastic substrate, and the other, consisting of a housing 9 with a coil and a core 10, is mounted on separate elements of the elastic substrate (Fig. 5 shows only the element 11 attached to the housing 9 ) so that the core 10 is located below the core 3 and is perpendicular to the latter. If necessary, additionally inductive converters with a different arrangement of sensitivity axes can be installed.

На фиг.6 представлен тензометр, в котором сердечник 3 индуктивного преобразователя соединен с опорой 4 посредством гибкой тяги 12, изогнутой в соответствии с кривизной поверхности контролируемого объекта 6. При известном радиусе кривизны поверхности, геометрических параметров индуктивного преобразователя и заданной базе bo измерений в исходную градуировку тензометра могут бьггь внесены соответствующие поправки, не требующие специальной градуировки на объекте.Fig. 6 shows a strain gauge in which the core 3 of the inductive transducer is connected to the support 4 by means of a flexible rod 12, bent in accordance with the curvature of the surface of the test object 6. With a known radius of curvature of the surface, geometric parameters of the inductive transducer and a given base of measurement b for initial calibration The strain gauge can be amended accordingly that do not require special graduation at the facility.

Тензометр работает следующим образом. Эластичная подложка 5 тензометра (фиг.1, 2) прикрепляется к контролируемой поверхности объекта 6 так, чтобы ось ч вствительности индуктивного преобразователя, состоящего из катущки 1 в корпусе 2 и сердечника 3 с опорой 4, была направлена вдоль измеряемой деформации объекта. При деформировании последнего эластичная подложка растягивается или сжимается в зависимости от вида нагружения, перемещая в противоположные стороны взаимодействующие между собой по электромагнитному полю катущку 1 и сердечник 3 индуктивного преобразователя. Сигнал с блока питания и обработки э.д.с. катущки преобразователя (на фигурах не показан) пропорционален измеряемой деформации. Благодаря эластичности подложки 5 она не отделяется при деформировании ни от поверхности объекта 6, ни от контактных площадок корпуса 2 катущки и опоры 4 сердечника в щироком интервале измеряемых деформаций. То же самое происходит в тензометре с раздельными элементами 7 и 8 эластичной подложки (фиг.3-6).Strain gauge works as follows. The elastic substrate 5 of the strain gauge (Figs. 1, 2) is attached to the controlled surface of the object 6 so that the axis of the inductive transducer, consisting of a coil 1 in the housing 2 and a core 3 with a support 4, is directed along the measured deformation of the object. When the latter is deformed, the elastic substrate is stretched or compressed depending on the type of loading, moving the coil 1 and the core 3 of the inductive transducer interacting with each other along the electromagnetic field in opposite directions. The signal from the power supply and processing emf the transducer coils (not shown in the figures) are proportional to the measured strain. Due to the elasticity of the substrate 5, it does not separate during deformation from the surface of the object 6 or from the contact areas of the coil body 2 and core support 4 in a wide range of measured strains. The same thing happens in a tensometer with separate elements 7 and 8 of the elastic substrate (Fig.3-6).

подложки) и сердечник 10, работает аналогично, измеряя деформации в поперечном направлении (перпендикулярно поверхности чертежа на фиг.5).substrate) and the core 10, works similarly, measuring the strain in the transverse direction (perpendicular to the surface of the drawing in figure 5).

Применение тяги 12 (фиг.6), жесткой в продольном и гибкой в поперечном к оси сердечника направлении, позволяет передавать без искажения линейные перемещения опоры 4 на сердечник 3 при больших базах bo измерения, а также на криволинейных поверхностях. Кроме того, с применением тяги из неферромагнитного материала появляется возможность выбора минимальной длины ферромагнитного сердечника (например, соизмеримой с длиной катушки, как показано на фиг.6) без заметного снижения высокой чувствительности индуктивного преобразователя с ферромагнитным сердечником. При этом сердечник имеет максимачьный коэффициент размагничивания, что существенно снижает влияние на его магнитное состояние сторонних магнитных полей в зоне измерения деформаций.The use of traction 12 (Fig.6), rigid in the longitudinal and flexible transverse to the axis of the core, allows you to transfer without distortion the linear movement of the support 4 to the core 3 with large bases bo measurement, as well as on curved surfaces. In addition, with the use of traction made of non-ferromagnetic material, it becomes possible to select the minimum length of the ferromagnetic core (for example, commensurate with the length of the coil, as shown in Fig.6) without significantly reducing the high sensitivity of the inductive transducer with the ferromagnetic core. Moreover, the core has a maximization demagnetization coefficient, which significantly reduces the influence of external magnetic fields in the strain measurement zone on its magnetic state.

Claims

1. A tensometer containing an inductive transducer in the form of a coil located in the housing and a core with a support, characterized in that it is additionally equipped with an elastic substrate attached to the contact pads of the coil housing and the support.

2. The strain gauge according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with one or more inductive transducers, the contact pads of which are attached to an elastic substrate, and the axis of the coils of all the transducers are located at an angle to each other, intersect in the space between the contact pads of the transducers on different levels with respect to the deformation surface.

3. The strain gauge according to claim 1, characterized in that the core is made of ferromagnetic material.

4. The strain gauge according to claim 1, characterized in that the core is made of non-ferromagnetic metal material, for example copper.

5. The strain gauge according to claim 1, characterized in that the elastic substrate is made in the form of two elements, one of which is attached to the contact pad of the coil body, and the other to the contact pad of the support.

6. The strain gauge according to claim 5, characterized in that the elastic substrate element protruding in the direction of deformation beyond the contours of the contact area of the coil body or support is made symmetrical with respect to the corresponding area in the specified direction.

7. The strain gauge according to claim 1, characterized in that it is additionally equipped with a rod connecting the core to the support.

8. The strain gauge according to claim 7, characterized in that the thrust is flexible in the direction transverse to the axis of the core.

9. The strain gauge according to claim 7, characterized in that the thrust is made of non-ferromagnetic material.