Устройство для измерения механических напряжений
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности, для измерения деформаций (напряжений) в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей, и может быть использована в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.
Предложена конструкции устройства, которое с одинаково высокой чувствительностью измеряет деформации, возникающие в двух взаимно перпендикулярных направлениях и в котором за счет конструкции достигается эффект термокомпенсации, в том числе, для случая использования различных материалов нагрузочного элемента и контролируемого объекта.
Устройство включает закрепляемый на поверхности или внутри контролируемого объекта нагрузочный элемент, в форме полого цилиндра с четырьмя продольными разрезами, не нарушающими его целостности, пьезооптический преобразователь, преобразующий в электрический сигнал величину напряжений на фотоупругом элементе, который закреплен в заведомо нагруженном состоянии и таким образом, что, действие исходной силовой нагрузки осуществляется в двух взаимно перпендикулярных направлениях, и блок обработки сигнала. Фотоупругий элемент пьезооптического преобразователя выполнен в форме цилиндра или усеченного конуса и закреплен в цилиндре нагрузочного элемента таким образом, что оптическая ось пьезооптического преобразователя совпадает с осью цилиндра и перпендикулярна плоскости измеряемых напряжений. Посадочное место фотоупругого элемента может быть образовано выступами на внутренних стенках полого цилиндра нагрузочного элемента. Наиболее эффективным для производства измерений является размещение фотоупругого элемента на уровне поверхности контролируемого объекта. Предлагаемая конструкция позволяет осуществить такую возможность
Фиг.1, 2, 5.
Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности, для измерения напряжений (деформаций) в различных конструкциях посредством поляризационно-оптических преобразователей, и может быть использована в строительстве, на транспорте, в промышленных производствах, в контрольно-измерительной аппаратуре.
Уровень техники
Известно, что пьезооптические преобразователи, используемые для измерения напряжений (деформаций), 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 устройству является пьезооптический тензометрический преобразователь (Заявка на патент 2010116023 от 23.04.2010, решение о выдаче патента от 02.02.2011) [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.
Недостатком данного тензометрического преобразователя является то, что он позволяет измерять деформации, возникающие только в направлении оси пластины. Преобразователь не чувствителен к деформациям, возникающим в направлении перпендикулярном оси пластины. Другим недостатком преобразователя является то, что при отсутствии внешних деформаций, но при разных коэффициентах температурного расширения материалов пластины и контролируемого объекта, в преобразователе будут возникать напряжения (сигнал), связанные с изменением температуры преобразователя и контролируемого объекта.
Раскрытие полезной модели
Задача полезной модели заключается в создании устройства для измерения механических напряжений, которое с одинаково высокой чувствительностью измеряет деформации, возникающие в двух взаимно перпендикулярных направлениях и в котором за счет конструкции достигается эффект термокомпенсации, в том числе, для случая использования различных материалов нагрузочного элемента и контролируемого объекта.
Технический результат - расширение функциональных возможностей, упрощение конструкции, повышение ее надежности, чувствительности и точности производимых измерений.
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 таким образом, что, действие исходной силовой нагрузки осуществляется в двух взаимно перпендикулярных направлениях и блок обработки сигнала, согласно полезной модели нагрузочный элемент представляет собой полый цилиндр с четырьмя продольными разрезами, не нарушающими целостности цилиндра, а фотоупругий элемент пьезооптического преобразователя, имеющий форму цилиндра или усеченного конуса, закреплен в цилиндре таким образом, что оптическая ось пьезооптического преобразователя совпадает с осью цилиндра и перпендикулярна плоскости измеряемых напряжений, при этом место крепления фотоупругого элемента обеспечивает его размещение на уровне поверхности контролируемого объекта.
Фотоупругий элемент, выполненный в виде цилиндра, имеет диаметр, превышающий диаметр посадочного места внутри полого цилиндра нагрузочного элемента на величину, достаточную для жесткого крепления за счет упругости стенок цилиндра.
Посадочное место фотоупругого элемента в виде цилиндра может быть образовано выступами на стенках полого цилиндра нагрузочного элемента, которые могут быть выполнены в виде ребер с уменьшенной площадью контакта с фотоупругим элементом.
Посадочное место для фотоупругого элемента, выполненного в форме усеченного конуса, образовано выступами на стенке цилиндра нагрузочного элемента, образующими конусовидное отверстие, ось которого совпадает с осью цилиндра и с осью фотоупругого элемента, при этом углы конуса отверстия и конуса фотоупругого элемента совпадают и равны конусу Морзе, а средний диаметр фотоупругого элемента превышает средний диаметр отверстия посадочного места на величину достаточную для жесткого крепления фотоупругого элемента за счет упругости стенок цилиндра.
Выступы могут быть выполнены в виде ребер с уменьшенной площадью контакта с фотоупругим элементом.
При размещении на поверхности контролируемого объекта нагрузочный элемент снабжен наружными выступами с монтажными отверстиями для крепления к контролируемому объекту.
Для размещения нагрузочного элемента внутри контролируемого объекта наружная поверхность нагрузочного элемента выполнена в виде конуса Морзе.
Наличие четырех продольных разрезов в полом цилиндре нагрузочного элемента обеспечивает закрепление фотоупругого элемента в пластине в заведомо нагруженном состоянии за счет того, что внешний диаметр фотоупругого элемента, превышает внутренний диаметр посадочного места внутри полого цилиндра на величину, достаточную для жесткого крепления за счет упругости стенок цилиндра. При монтаже фотоупругого элемента внутри нагрузочного элемента стенки цилиндра упруго раздвигаются, благодаря четырем разрезам в цилиндре и упругости материала цилиндра. После монтажа фотоупругий элемент зажат стенками цилиндра, что обеспечивает работу тензометрического преобразователя, как на сжатие, так и на растяжение. Четыре продольных разреза в полом цилиндре нагрузочного элемента обеспечивают также действие исходной силовой нагрузки на фотоупругий элемент в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Это, в свою очередь, обеспечивает неизменность распределения напряжений в фотоупругом элементе при деформациях, связанных с изменением температуры, как самого цилиндра, так и контролируемого объекта, что, в свою очередь, обеспечивает температурную независимость сигнала.
Для повышения надежности крепления фотоупругого элемента и повышения чувствительности преобразователя посадочное место фотоупругого элемента может быть образовано выступами на внутренней поверхности цилиндра.
Выступы на внутренней поверхности цилиндра обеспечивают концентрацию напряжений на фотоупругом элементе в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что повышает чувствительность преобразователя.
Для большей концентрации напряжений на фотоупругом элементе выступы могут быть выполнены в виде ребер с уменьшенной площадью контакта с фотоупругим элементом.
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.
Нагрузочный элемент с пьезооптическим преобразователем закрепляется на контролируемом объекте таким образом, чтобы ось пьезооптического преобразователя была перпендикулярна плоскости измеряемых деформаций. Деформация контролируемого объекта передается стенкам цилиндра и через них - фотоупругому элементу пьезооптического преобразователя.
Нагрузочный элемент закреплен внутри монтажного отверстия, выполненного в контролируемом объекте, которое может быть как сквозным, так и глухим. Наружная поверхность полого цилиндра нагрузочного элемента выполнена в виде конуса Морзе, а диаметр монтажного отверстия в контролируемом объекте равен среднему диаметру конуса Морзе.
Наибольшая эффективность передачи деформации на фотоупругий элемент достигается расположением фотоупругого элемента на уровне поверхности контролируемого объекта.
Обоснование введенных признаков
Так как фотоупругий элемент изначально сжат, то устройство с одинаковой чувствительностью работает как на сжатие, так и на растяжение. При этом фотоупругий элемент благодаря наличию разрезов в стенках цилиндра зажат в двух взаимно перпендикулярных направлениях, лежащих в плоскости, параллельной плоскости измеряемых деформаций. Деформация контролируемого объекта, возникающая вдоль любого из указанных направлений, приводит к анизотропному сжатию или растяжению фотоупругого элемента, что, в свою очередь, приводит к возникновению сигнала на выходе пьезооптического преобразователя, пропорциональному величине деформаций. При изменении же температуры, как цилиндра, так и контролируемого объекта, фотоупругий элемент сжимается или разжимается изотропно, что не приводит к повороту вектора поляризации исходно поляризованного светового луча при прохождении через фотоупругий элемент. Благодаря этому достигается температурная независимость показаний преобразователя. За счет предлагаемого крепления фотоупругого элемента, формы выполнения нагрузочного элемента (цилиндра) и способа его крепления на контролируемом объекте, исключения дополнительных термокомпенсационных устройств достигается упрощение конструкции, расширение функциональных возможностей (измерение деформаций в двух взаимно перпендикулярных направлениях) и повышение точности измерений.
Таким образом, предлагаемая совокупность признаков, определяющая конструкцию устройства для измерения механических напряжений, позволяет достичь заявленного технического результата: расширения его функциональных возможностей, упрощения конструкции, повышения ее надежности и точности измерений.
Описание устройства для измерения механических напряжений Описание устройства поясняется фигурами 1 - 5.
Нагрузочный элемент 1 закрепляют на поверхности контролируемого объекта 6 посредством наружных выступов 2 с монтажными отверстиями или внутри исследуемого объекта посредством конуса Морзе, выполненного на наружной поверхности нагрузочного элемента, и монтажного отверстия, выполненного в контролируемом объекте 6. Диаметр монтажного отверстия в контролируемом объекте равен среднему диаметру конуса Морзе.
На фигуре 1 показана конструкция устройства с фотоупругим элементом, выполненным в виде цилиндра, где 1 - нагрузочный элемент (полый цилиндр), 2 - наружные выступы с монтажными отверстиями, 3 - фотоупругий элемент. В стенках цилиндра 1 выполнены четыре разреза 4 вдоль оси цилиндра, не нарушающие целостности цилиндра. Благодаря разрезам, фотоупругий элемент зажат в двух взаимно перпендикулярных направлениях X и Y. Пьезооптический преобразователь расположен внутри цилиндра так, что его оптическая ось 5 совпадает с осью цилиндра. Фотоупругий элемент 3 расположен на уровне поверхности контролируемого объекта 6.
На фигуре 2 показана конструкция устройства с фотоупругим элементом 3, выполненным в виде цилиндра, место крепления фотоупругого элемента образовано выступами 7 на внутренней поверхности полого цилиндра нагрузочного элемента 1. Фотоупругий элемент 3 расположен на уровне поверхности контролируемого объекта 6.
На фигуре 3 показана конструкция устройства с фотоупругим элементом 3, выполненным в виде цилиндра, место крепления фотоупругого элемента образовано выступами 7, которые выполнены в виде ребер с уменьшенной площадью контакта с фотоупругим элементом. Фотоупругий элемент 3 расположен на уровне поверхности контролируемого объекта 6.
На фигуре 4 показана конструкция устройства, где 2 - наружные выступы с монтажными отверстиями, 3 - фотоупругий элемент, выполненный в виде конуса Морзе. Выступы 7 на внутренней поверхности цилиндра также образуют конус Морзе, при этом оптическая ось фотоупругого элемента 3 совпадает с осью цилиндра. Фотоупругий элемент 3 расположен на уровне поверхности контролируемого объекта 6.
На фигуре 5 показана конструкция устройства с фотоупругим элементом 3, выполненным в виде конуса Морзе, на внутренней поверхности цилиндра имеются выступы 7, образующие конус Морзе для крепления фотоупругого элемента 3, выполненные в виде ребер с уменьшенной площадью контакта с фотоупругим элементом, обеспечивающие концентрацию напряжений на фотоупругом элементе. Фотоупругий элемент 3 расположен на уровне поверхности контролируемого объекта 6.
Описание работы устройства
Устройство для измерения механических напряжений работает следующим образом.
Нагрузочный элемент 1 закрепляют на поверхности контролируемого объекта 6 посредством наружных выступов 2 с монтажными отверстиями или посредством конуса Морзе внутри монтажного отверстия, выполненного в исследуемом объекте 6. В этом варианте наружная поверхность полого цилиндра нагрузочного элемента выполнена в виде конуса Морзе, а диаметр монтажного отверстия в контролируемом объекте равен среднему диаметру конуса Морзе.
Деформация растяжения или сжатия, возникающая в контролируемом объекте в направлении X или Y, передается цилиндру 1 через места крепления. Деформация стенок цилиндра передается на фотоупругий элемент 2, что приводит к дополнительному сжатию (+
х,у) или растяжению (-х,у) фотоупругого элемента, где х,у - изменение величины напряжения в фотоупругом элементе в направлении X или Y. В результате в пьезооптическом преобразователе возникает дополнительная разность фаз ±
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 и выводится на индикаторную панель.
Использованные источники информации:
1. Слезингер И.И. Пьезооптические измерительные преобразователи. Измерительная техника, 1985, 11, с.45-48.
2. Заявка на патент 2010116023 от 23.04.2010, решение о выдаче патента от 02.02.2011.
1. Устройство для измерения механических напряжений, включающее нагрузочный элемент, закрепляемый на контролируемом объекте, пьезооптический преобразователь, преобразующий в электрический сигнал величину напряжений на фотоупругом элементе, и блок обработки сигнала, отличающееся тем, что нагрузочный элемент представляет собой полый цилиндр с четырьмя продольными разрезами, не нарушающими целостности цилиндра, а фотоупругий элемент пьезооптического преобразователя имеет форму цилиндра или усеченного конуса, при этом наружная поверхность нагрузочного элемента, размещаемого внутри контролируемого объекта, выполнена в виде конуса Морзе.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что фотоупругий элемент, выполненный в виде цилиндра, имеет внешний диаметр, превышающий диаметр посадочного места внутри полого цилиндра нагрузочного элемента на величину, достаточную для жесткого крепления фотоупругого элемента за счет упругости стенок цилиндра.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, посадочное место фотоупругого элемента, выполненного в виде цилиндра, образовано выступами на стенках полого цилиндра нагрузочного элемента.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выступы могут быть выполнены в виде ребер с уменьшенной площадью контакта с фотоупругим элементом.
5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что посадочное место для фотоупругого элемента, выполненного в форме усеченного конуса, образовано выступами на стенке цилиндра нагрузочного элемента, образующими конусовидное отверстие, ось которого совпадает с осью цилиндра и с осью фотоупругого элемента, при этом углы конуса отверстия и конуса фотоупругого элемента совпадают и равны конусу Морзе, а средний диаметр фотоупругого элемента превышает средний диаметр отверстия посадочного места на величину, достаточную для жесткого крепления фотоупругого элемента за счет упругости стенок цилиндра.
6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что выступы могут быть выполнены в виде ребер с уменьшенной площадью контакта с фотоупругим элементом.
