Pomiar siły i odkształceń.doc

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie z podstawowymi pojęciami związanymi z pomiarem sił i odkształceń oraz dokonanie jego pomiaru.

2. Wstęp teoretyczny

Siłę można mierzyć po uprzednim jej skompensowaniu siłą o wartości znanej lub łatwej do zmierzenia. Jako siły kompensacyjne wykorzystywane są siły sprężystości lub siły wytworzone przez układy elektromagnetyczne, albo pneumatyczne. Do tej ostatniej grupy zaliczamy dynamometry sprężynowe, w których wydłużenie sprężyny, ugięcie membrany lub np. jest odczytywanie bezpośrednio na podziałce. Dokładność dynamometrów sprężynowych jest uwarunkowana liniowością i stabilnością charakterystyk sprężyn, przy dobrych sprężynowych niedokładność nie powinna przekraczać 1%. Zakres pomiaru siły wynosi do 200kN. Bezpośrednie przetwarzanie sił na sygnał elektryczny umożliwiają czujniki magnetosprężyste i piezoelektryczne.

W czujnikach magnetosprężystych wykorzystywane jest zjawisko zmian przenikalności magnetycznej ferromagnetyków przy ich deformacji w granicach odkształceń sprężystych.  Zjawisko to jest ściśle związane ze zjawiskiem magnetostrykcji.  Czujniki magnetosprężyste mogą być budowane jako cewki o zmiennej indukcyjności własnej (dławikowe) lub jako transformatory o zmiennej indukcyjności wzajemnej (transformatorowe).

W czujnikach piezoelektrycznych jest wykorzystywane zjawisko powstawania na powierzchni niektórych dielektryków ładunku elektrycznego pod wpływem odkształceń mechanicznych. Ładunek powstający na powierzchni czujnika piezoelektrycznego na charakter elektrostatyczny, jest on rozładowywany przez rezystancje własną oraz przez rezystancję wejściową wzmacniacza dołączonego do czujnika.

Do pomiaru odkształceń mechanicznych, a w związku z tym również do pomiaru sił, powszechnie stosowanymi elementami są tensometry rezystancyjne.

Tensometr - czujnik, służący do pomiaru naprężenia. W praktyce pomiar tensometryczny polega na pomiarze odkształcenia i obliczeniu naprężenia w oparciu o przyjęty związek fizyczny.

Tensometry półprzewodnikowe są dwóch rodzajów:  monokrystaliczne wykonane z cienkich pasków monokryształów germanu i krzemu oraz cienkowarstwowe otrzymywane poprzez naparowywanie bizmutu i germanu. Tensometry rezystancyjne pracują z reguły w układach mostków niezrównoważonych prądu przemiennego, zwanych mostkami tensometrycznymi. Dla kompensacji wpływów wahań temperatury w układ mostka jest włączany tensometr kompensacyjny umieszczony w taki sposób, że naprężenia badane nie wpływają na jego odkształcenia. Warunkiem dobrej kompensacji jest równość rezystancji początkowych, temperaturowych współczynników oraz temperatury obu tensometrów.

Tensometry strunowe odkształcenie materiału podłoża wywołuje zmianę odległości pomiędzy uchwytami co zmienia naprężenie struny. Zmiana naprężenia wywołuje zmianę częstotliwości drgań struny. Mierząc zmianę częstotliwości struny można wyznaczyć zmianę naprężenia materiału badanego. W metodzie strunowej pomiary zmiany naprężeń sprowadzają się do pomiarów zmiany częstotliwości drgań struny.

Tensometry elektrodynamiczne (magnetoindukcyjne). Pod wpływem ruchu uzwojenia
w stałym polu magnetycznym, wywołanego zmianą długości badanego elementu,
w uzwojeniu indukuje się siła elektromotoryczna wywołującą w uzwojeniu przepływ prądu, który można zmierzyć. Wielkość siły motorycznej zależy od ilości zwojów oraz prędkości zmiany strumienia magnetycznego przechodzącego przez uzwojenie, co jest zależne od prędkości ruchu uzwojenia.

Tensometry pojemnościowe. Elementem reagującym na odkształcenie badanego przedmiotu jest kondensator elektryczny, składający się z dwóch płytek metalowych o małych rozmiarach, łączących się z obu końcami bazy pomiarowej i oddzielonych od siebie warstwą powietrza o stałej lub zmiennej grubości. Odkształcenia bazy pomiarowej przekazywane są przez pierścień w postaci przemieszczeń docisków 6 względem płytek metalowych 4, przez co zmienia się kształt i grubość dielektryka, a więc i pojemność kondensatora.

1. pierścień stalowy, 2. badany element, 3.wycięcia w górnej części pierścienia, 4. walcowe płytki metalowe, 5. sprężysta przekładka (dielektryk).

Tensometry optyczno-mechaniczne Część mechaniczna spełnia taką samą rolę jak
w tensometrach mechanicznych, jest to beleczka z dwoma ostrzami. Do ruchomego ostrza przytwierdzone jest zwierciadło. Część optyczna stanowi przekładnię tego układu. Obserwuje się przez lunetkę zmianę położenia plamki świetlnej na skali przed i po obciążeniu badanego elementu. Tensometr bardzo trudny i kosztowny w zastosowaniu, zajmuje dużo miejsca, stosowany jedynie w specjalnych warunkach laboratoryjnych. Bardzo czuły na wibracje
i wstrząsy.

Cześć praktyczna

Tabela nr.1 Zależność napięcia przy rosnącym obciążeniu.

Tabela nr.2 Zależność napięcia przy malejącym obciążeniu