Tensometrie (din latină tensus - accentuat și greacă μετρέω - măsură) - un set de metode experimentale pentru determinarea tensiunii mecanice a unei piese, a structurii. Se bazează pe determinarea deformațiilor sau a altor parametri ai materialelor cauzate de solicitările mecanice (de exemplu, birefringența sau rotația planului de polarizare a luminii în părțile transparente încărcate).
Instrumentele de măsurare a deformațiilor se numesc extensometre . Conform principiului de funcționare, tensometrele sunt împărțite în electrice, optice, pneumatice, acustice. Extensometrul include un extensometru și dispozitive indicatoare (indicatoare) și/sau dispozitive de înregistrare.
Extensometrele concepute pentru măsurarea deformațiilor în multe puncte ale obiectului studiat și echipate cu mijloace pentru prelucrarea datelor, înregistrarea și transmiterea acestora ca semnale de control sunt adesea numite stații de extensometre sau extensometre.
Până în anii 1980, extensometrele erau un set de înregistratoare care înregistrau semnalele multor senzori pe bandă de hârtie. Dezvoltarea tehnologiei informatice și utilizarea ADC-urilor au schimbat aspectul acestui echipament. A devenit posibilă nu numai înregistrarea semnalelor de extensometru, ci și procesarea digitală a acestora în timp real , vizualizarea deformărilor pe ecranele monitorului și emiterea automată a semnalelor de control pentru a schimba modul de funcționare al structurii testate, de exemplu, pentru a compensa deformarea piese de manipulatoare în mașini CNC , care îmbunătățește precizia.prelucrarea piesei de prelucrat.
Au fost propuse multe metode diferite de măsurare a deformațiilor, fiecare dintre ele având propriile avantaje și dezavantaje, astfel încât alegerea unei metode sau alteia depinde de sarcina specifică.
Pe baza măsurării micilor deplasări ale suprafețelor, care sunt înregistrate, de exemplu, prin metode de interferență , modele moiré etc.
Un grup separat de metode optice sunt senzorii cu fibră optică bazați pe măsurarea deformării unui fir de fibră optică lipit de obiectul studiat, în care se formează o rețea Bragg .
Pentru a studia deformațiile pieselor optic transparente, se folosesc metode bazate pe efectul apariției birefringenței sau al rotației planului de polarizare în părțile încărcate - fenomenul fotoelasticității . În acest caz, piesa este plasată între polarizatoare încrucișate și se observă un model de tensiuni vizualizat în lumina transmisă. În acest caz, se studiază de obicei deformațiile modelelor optic transparente ale pieselor [1] .
Acestea se bazează pe măsurarea presiunii aerului comprimat în duza adiacentă suprafeței piesei studiate. Modificarea distanței față de duză de la suprafață determină o modificare înregistrată a presiunii.
Când piesele sunt încărcate, parametrii acustici ai materialului se modifică, cum ar fi viteza sunetului , rezistența acustică , atenuarea. Aceste modificări pot fi măsurate cu senzori piezoelectrici .
De asemenea, metodele acustice includ senzori, atunci când sunt încărcate, se modifică frecvența oscilațiilor naturale ale elementului sensibil - de exemplu, senzori de șir.
Se folosește modificarea parametrilor electrici ai materialului elementului sensibil al tensometrului sub încărcare, de obicei modificări ale rezistenței electrice (senzori rezistenți la deformare) sau generând solicitări în timpul deformărilor (piezoelectrice). Dezavantajul acestora din urmă este că sunt improprii pentru măsurarea deformațiilor statice, dar au o sensibilitate foarte mare.
În mod convențional, metodele electrice includ diverse contoare electrice de mici deplasări - senzori capacitivi, inductivi etc.
Când materialul este deformat, distanțele interatomice din rețeaua metalică a materialului obiectului studiat se modifică, ceea ce poate fi măsurat prin metode de difracție cu raze X.
Acum este metoda cea mai convenabilă și cea mai des folosită. Când materialele conductoare electric (metale, semiconductori ) sunt deformate, rezistivitatea lor electrică se modifică și, ca urmare, rezistența elementului sensibil al senzorului se modifică. Ca materiale conductoare, se folosesc de obicei peliculele metalice depuse pe un substrat dielectric flexibil. Recent, au fost folosiți senzori cu semiconductori. Rezistența elementului de detectare este măsurată într-un fel sau altul.
O peliculă de aliaj metalic este depusă pe un substrat dielectric (de exemplu, un film polimeric sau mica ) în vid printr-o mască , sau se formează o configurație conducătoare pe substrat prin metode fotolitografice . În acest din urmă caz, un strat de fotorezist este aplicat pe o peliculă metalică continuă pre-depusă pe un substrat și iluminat cu radiații ultraviolete printr-o fotomască . În funcție de tipul de fotorezist, fie zonele expuse, fie neexpuse ale fotorezistului sunt spălate cu un solvent. Apoi, filmul metalic neprotejat de fotorezist este dizolvat (de exemplu, cu acid), formând un model figurat al filmului metalic.
Ca material de film, sunt de obicei utilizate aliaje care au un coeficient de temperatură scăzut de rezistivitate (de exemplu, manganina ) - pentru a reduce efectul temperaturii asupra citirilor de tensiometru.
Atunci când se folosește un extensometru, substratul este lipit de suprafața unui obiect care se studiază pentru deformare sau de suprafața unui element elastic deformabil în cazul utilizării în cântare , dinamometre , torsometre , senzori de presiune , etc., astfel încât extensometrul este deformată împreună cu piesa.
Sensibilitatea la deformare a unui astfel de extensometru depinde de direcția de aplicare a forței de deformare. Astfel, cea mai mare sensibilitate la tensiune și compresie este de-a lungul axei verticale în model și aproape zero în cea orizontală, deoarece benzile metalice într-o configurație în zig-zag își schimbă secțiunea transversală mai puternic în timpul deformării verticale.
Extensometrul este conectat prin intermediul unor conductori electrici la un circuit electric extern de măsurare.
De obicei, tensometrele sunt incluse într-unul sau două brațe ale unui pod Wheatstone echilibrat alimentat de o sursă de tensiune constantă (diagonala podului A-D). Cu ajutorul unui rezistor variabil R 2 , puntea este echilibrată, astfel încât în absența unei forțe aplicate, tensiunea diagonală se face egală cu zero. Un semnal este preluat de pe diagonala punții B-C, apoi alimentat dispozitivul de măsurare , amplificator diferențial sau ADC .
Când raportul R 1 / R 2 = R x / R 3 este îndeplinit, tensiunea diagonalei punții este zero. Odată cu deformare, rezistența R x se modifică (de exemplu, crește atunci când este întins), acest lucru determină o scădere a potențialului punctului de joncțiune al rezistențelor R x și R 3 (B) și o modificare a tensiunii diagonalei B-C a podului - un semnal util.
Modificarea rezistenței Rx poate apărea nu numai din deformare, ci și din influența altor factori, principalul dintre care este schimbarea temperaturii, care introduce o eroare în rezultatul măsurării. Pentru a reduce efectul temperaturii, se folosesc aliaje cu TCR scăzut, obiectul este termostatat, se fac corecții pentru schimbările de temperatură și/sau se folosesc circuite diferențiale de conectare a tensometrelor la punte.
De exemplu, în circuitul din figură, în loc de un rezistor constant R 3 , ele includ aceeași gabarit de tensiune ca R x , dar când piesa este deformată, acest rezistor își schimbă rezistența cu semnul opus. Acest lucru se realizează prin lipirea extensometrelor pe suprafața zonelor deformate diferit ale piesei, de exemplu, din diferite părți ale unei grinzi îndoite sau dintr-o parte, dar cu o orientare reciproc perpendiculară. Când temperatura se schimbă, dacă temperatura ambelor rezistențe este egală, semnul și magnitudinea modificării rezistenței (cauzată de schimbarea temperaturii) sunt egale, iar deriva de temperatură este compensată.
Industria produce, de asemenea, microcircuite specializate pentru lucrul în combinație cu tensiometre, în care, pe lângă amplificatoare de semnal, surse de alimentare în punte, circuite de compensare termică, ADC-uri, interfețe digitale pentru comunicarea cu sisteme externe de procesare a semnalului digital și alte funcții de serviciu sunt adesea furnizate.
Este utilizat în proiectarea diferitelor mașini, piese, structuri. În acest caz, de regulă, deformările sunt studiate nu ale obiectelor proiectate în sine, ci ale machetelor acestora - de exemplu, machete de poduri, carene de aeronave etc. Adesea, machetele sunt realizate într-o dimensiune redusă. .
Este, de asemenea, utilizat în diverse dispozitive de măsurare a forței, instrumente - cântare, manometre, dinamometre, senzori de cuplu (torziometre). În aceste dispozitive, extensometrele măsoară deformarea elementelor elastice (grinzi, arbori, membrane) [2] .