Тензорезисторный датчик для измерения деформаций и напряжений в толще строительных материалов и горных пород

Предложен тензорезисторный датчик для измерения деформаций и напряжений в толще строительных материалов и горных пород. Датчик содержит пластинчатый упругий элемент с размещенными на нем тензорезисторами. На торцах упругого элемента размещены отогнутые дополнительные анкерные пластины, а тензорезисторы покрыты слоем герметика, на котором размещена защитная крышка. Это техническое решение позволяет миниатюризировать датчик, поэтому он не влияет своей жесткостью на измеряемое им поле напряжений и деформаций, что повышает точность. Одновременно расширяется область применения датчика и повышается надежность. В толще строительных материалов и горных пород датчик может работать годами.

3 пункта патентной формулы, 2 илл.

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для измерения деформаций и напряжений в толще строительных материалов и горных пород.

Известен тензорезисторный датчик для измерения деформаций и напряжений в толще бетона, содержащий упругий элемент с размещенными на нем тензорезисторами, герметическую оболочку, кабель (Патент Японии JP3975255 «Concrete embedded type strain gage and method for measuring strain of concrete», G01B 7/16, 2001 г.). Недостатком аналога является слабое сцепление датчика с бетоном. Это приводит к его проскальзыванию при деформации бетона, т.е. к снижению точности измерения.

Полезная модель по патенту КНР CN 201653351, «Concrete internal strain sensor», G01B 7/16, 2010 г., наиболее близка к предложенному устройству по совокупности существенных признаков, т.е. является прототипом. Прототип содержит кольцевой упругий элемент с размещенными на нем тензорезисторами, герметическую оболочку, анкеры, размешенные на торцах герметической оболочки, кабель,

Прототипу присущи следующие недостатки.

Узкая область применения. В прототипе кольцевой упругий элемент с тензорезисторами находится в полости охватывающей его герметической оболочки, и не касается ее стенок, что увеличивает габаритные размеры. Из-за больших размеров прототип нельзя применять в тонких сечениях строительных конструкций, а скважины, необходимые для его закладки в массив горной породы, должны иметь большой диаметр. Это сужает область применения прототипа.

Невысокая точность. Вследствие больших габаритных размеров прототип нарушает сплошность бетона или породы, для которых он является инородным телом. Поэтому размещение датчика в толще строительной конструкции или горной породы изменяет поля деформаций и напряжений, которое он должен измерять. Это увеличивает погрешность. Кроме того, трение между двумя частями герметической оболочки при деформации прототипа приводит к появлению дополнительной погрешности от гистерезиса.

Невысокая надежность. Специфика эксплуатации датчиков для измерения деформаций и напряжений в толще строительных материалов и горных пород - невозможность извлечения для профилактики и ремонта, что требует их надежной работы в течение многих лет. Однако в прототипе части герметической оболочки соединены между собой уплотнительными резиновыми или пластиковыми кольцами. Такой контакт является подвижным, и изнашивается после прохождения нескольких сотен циклов деформации, после чего во внутреннюю полость известного датчика начинает сочиться влага. Этому просачиванию способствует наличие объема воздуха или инертного газа внутри герметической оболочки. При изменении температуры давление внутри герметической оболочки растет, а при уменьшении падает, т.е. внутренний объем герметической оболочки работает, как насос. Попадание влаги внутрь герметической оболочки влечет падение сопротивления изоляции тензорезисторов, что выводит прототип из строя.

Целью полезной модели является преодоление указанных недостатков и одновременное расширение области применения, повышение точности и надежности.

Эта цель достигается тем, что в тензорезисторном датчике для измерения деформаций и напряжений в толще строительных материалов и горных пород упругий элемент выполнен в виде пластины с продольными ребрами жесткости, анкеры размещены на торцах упругого элемента и выполнены в виде отогнутых в противоположные стороны дополнительных пластин, а герметическая оболочка выполнена в виде расположенного над тензорезисторами слоя герметика, закрытого защитной пластиной, при этом упругий элемент и дополнительные пластины выполнены заодно целое.

Сущность полезной модели иллюстрируется чертежами.

Фиг.1 - общий вид датчика для измерения деформаций и напряжений в толще строительных материалов и горных пород.

Фиг.2 - размещение и работа датчика в толще строительных материалов и горных пород.

Тензорезисторный датчик для измерения деформаций и напряжений в толще строительных материалов и горных пород, содержит упругий элемент 1, анкеры 2, 3, 4 и 5, размещенные на торцах датчика. Кабель 6 соединен с тензорезисторами, размещенными на упругом элементе 1 (на чертеже не показаны). Упругий элемент 1 выполнен в виде пластины с продольными ребрами 7 жесткости, анкеры 2, 3, 4 и 5 размещены на ее торцах и выполнены в виде отогнутых в противоположные стороны дополнительных пластин, а герметическая оболочка выполнена в виде расположенного над тензорезисторами слоя герметика 8, закрытого защитной пластиной 9. Упругий элемент 1 и анкеры 2, 3, 4 и 5 могут быть выполнены заодно целое, из одного листа металла или пластика. Тензорезисторы (на чертеже не показаны) могут быть размещены с двух сторон упругого элемента 1. В этом случае герметик 8, закрытый защитной пластиной 9 также размещается с двух сторон упругого элемента 1.

Тензорезисторный датчик для измерения деформаций и напряжений помещают без зазоров («замоноличивают») в толщу 10 строительных материалов и горных пород.

Устройство работает следующим образом.

Деформация растяжения или сжатия строительного материала или горной породы 10 через анкеры 2, 3, 4 и 5 передается на упругий элемент 1. Длина L упругого элемента 1 изменяется. Тензорезисторы (на чертеже не показаны), связанные по кабелю 6 с электронной аппаратурой (на чертеже не показана) преобразуют деформацию упругого элемента 1 в электрический сигнал для дальнейшей обработки.

Тензорезисторный датчик для измерения деформаций и напряжений в толще строительных материалов и горных пород 10 изготовлен из тонкой пластины и имеет малое поперечное сечение. Малый размер обеспечивает возможность применения устройства в тонких сечениях строительных деталей, что существенно расширяет его область применения.

Из-за малости размеров влияние устройства на окружающее поле напряжений и деформаций пренебрежимо мало. Строительный материал и горная порода 10 не «замечают» его присутствия, что повышает точность измерения напряжений и деформаций.

Герметик 8 закрывает тензорезисторы (на чертеже не показаны) сплошным слоем, без воздушных полостей, которые могли бы втягивать влагу при перепаде температур. Сверху герметик закрыт защитной пластиной 9, что резко уменьшает площадь поверхности герметика, через которую может просочиться влага. Это существенно повышает надежность и увеличивает срок службы устройства.

Для повышения технологичности упругий элемент и дополнительные пластины могут быть выполнены заодно целое, что позволяет применить штамповку и снизить стоимость датчика.

В ряде случаев поле напряжений и деформаций в строительном материале и горной породе 10 не сводится только к растяжению или сжатию, а содержит компоненты деформации изгиба, что может увеличить погрешность измерения. Если деформация изгиба велика, то продольных ребер 7 жесткости может оказаться недостаточно, чтобы исключить влияние деформации изгиба. Чтобы исключить возникающую в этом случае дополнительную погрешность, размещают тензорезисторы (на чертеже не показаны) с двух сторон упругого элемента, а сигналы суммируют в электронной аппаратуре (на чертеже не показана).

1. Тензорезисторный датчик для измерения деформаций и напряжений в толще строительных материалов и горных пород, содержащий упругий элемент с размещенными на нем тензорезисторами, анкеры, размещенные на торцах датчика, герметическую оболочку, кабель, отличающийся тем, что, с целью одновременного расширения области применения, повышения точности измерения и надежности, упругий элемент выполнен в виде пластины с продольными ребрами жесткости, анкеры размещены на торцах упругого элемента и выполнены в виде отогнутых в противоположные стороны дополнительных пластин, а герметическая оболочка выполнена в виде расположенного над тензорезисторами слоя герметика, закрытого защитной пластиной.

2. Тензорезисторный датчик по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент и дополнительные пластины выполнены заодно целое.

3. Тензорезисторный датчик по п.1, отличающийся тем, что тензорезисторы размещены с двух сторон упругого элемента.