МЕХАНИКА 4 страница

Рис. 6.2. Схемы измерительных мостов: слева – при питании постоянным током, справа – при питании переменным током (НИ – нуль-индикатор; и - активный и компенсационный ТР)

Информационно-измерительные системы (ИИС). Автоматизация тензо- и термоизмерений на основе ИИС значительно повышает производительность труда при прочностных испытаниях, но одновременно потребует дополнительно высококвалифицированного персонала для обслуживания систем с ЭВМ и затрат на оборудование. Кроме того, ужесточились требования по разбросу метрологических параметров датчиков в партии. ИИС применяют при испытаниях с массивом датчиков (преобразователей) 200—20000. Многие системы оснащены каналами для подключения не только одиночных тензорезисторов, но и полумостов и мостов для тензодинамометров, датчиков давления, перемещения, температуры, лучистого и теплового потока (терморезисторов).

Принципиальная схема ИИС, показана на рис. 6.3. Тензорезисторы ТР, тензодинамометры ТД, датчики давления ДД, датчики перемещения ДП, датчики лучистого теплового потока ДТП подключены группами к коммутаторам датчиков К, которые в зависимости от экспериментальной задачи последовательно или выборочно передают аналоговый сигнал на соответствующие цифровые измерительные мосты с АЦП и нуль-органом. «Разбаланс» в цифровом коде передается на шины группового коммутатора или коммутатора каналов, который пропускает его в устройство связи - УСО или сопряжения с ЭВМ непосредственно в память машины или с помощью специальных устройств на носитель информации. Команды от ЭВМ могут содержать элементы интерактивного режима посредством устройства отображения информации и устройств управления.

Рис. 6.3. Принципиальная схема ИИС сбора и обработки данных электротензоизмерений

Тарировка датчиков

Не касаясь подробно зависимостей электротехнических величин от деформации датчика, укажем лишь, как можно установить тарировкой непосредственную связь между деформацией датчика и приращениями отсчётов по шкале прибора.

Для этого из партии одинаковых датчиков берётся несколько штук для тарировки. Тарируемый датчик наклеивается на тарировочный стальной образец (тарировочная балочка или растягиваемый образец). Затем тарировочный образец загружается ступенями и при каждой загрузке Р берётся отсчёт А по шкале прибора. В результате строится график зависимости между нагрузкой Р и отсчётами по прибору А и устанавливается отношение . Коэффициент практически постоянен.

На том же тарировочном образце или параллельно, или заранее при помощи другого типа хорошо проверенных тензометров аналогичным образом устанавливается зависимость между относительной деформацией и приращением нагрузки , т. е.

.

Подставляя сюда вместо его значение из предыдущего выражения, получим:

,

или

.

Здесь является ценой деления прибора, выражающей величину относительной деформации при изменении отсчёта по прибору на одно деление.

Лекция 7

Поляризационно-оптический метод исследования напряжений

Открытие Д. Брюстером явления временного двулучепреломления в прозрачных телах при приложении к ним механических напряжений было объяснено Г. Вертгеймом на основании волновых уравнений Неймана—Максвелла, который сформулировал закон о пропорциональности оптической разности хода лучей в модели разности главных напряжений:

где С₀ — оптическая постоянная материала; В — толщина модели.

Важный шаг в создании инженерного метода сделал Т.Леви, который доказал, что для широкого класса задач распределение напряжений не зависит от упругих постоянных материала. Создание высоко оптически активных синтетических материалов для моделей и несложных поляризационных приборов привело к широкому применению метода фотоупругости.

Метод двумерной (плоской) фотоупругости

Плоскополяризованный луч — вектор (рис. 7.1), вошедший в двулучепреломляющий материал нагруженной модели, образует два взаимно перпендикулярных луча и , поляризованных в главных направлениях.

Обозначив показатели преломления (относительные скорости света) в воздухе и в модели по главным направлениям через и соответственно, получим для абсолютной разности хода лучей, прошедших толщину плоскости модели В, уравнения

. (7.1)

Для относительной разности хода лучей и , имеем

. (7.2)

Поскольку поляризованный луч представляет гармоническое колебание по оси z, то

, (7,3)

где - длина волны монохроматического света;

разность хода представим в виде сдвига фаз

. (7.4)

Для тонкой пластины, когда третье главное напряжение практически равно нулю, эллипсоид Френеля, характеризующий связь между показателями преломления и главными напряжениями, сохранит только два уравнения:

, (7.5)

где - показатель преломления ненагруженной модели: и - постоянные коэффициенты.

Далее можно получить основные уравнения фотоупругости для плоского напряженного состояния:

; (7.6)

, (7.7)

где — оптическая постоянная материала.

Лучи и , сведенные в одну плоскость вторым поляроидом - анализатором А, интерферируют между собой с результирующим колебанием, интенсивность которого определяется уравнением

, (7.8)

где — угол между плоскостью поляризации луча, вышедшего из поляризатора П и одним из главных направлений, например, направлением ; - интенсивность луча после поляризатора П.

В скрещенном положении поляроидов П и А (установка на темноту) на

экране Э прибора по всему полю модели наблюдают две системы полос как результат интерференции, описываемый уравнением (7.8). На экране видна система полос - изохром, зависящая от величины нагрузки (напряжения), определяемая разностью хода (рис. 7.2 и 7.3, а), а также система черных полос - изоклин, зависящая от положения поляроидов, способных в

Рис. 16. Схема двулучепреломления плоскополяризованного луча в нагруженной модели при скрещенном положении поляроидов П и А

полярископе поворачиваться в скрещенном положении на любой угол , отсчитываемый, например, от гравитационной оси.

Изохромы - чередующиеся темные и светлые полосы в монохроматическом свете или цветные одинаково окрашенные полосы в белом свете - являются геометрическим местом точек (ГМТ), где разность хода . Согласно уравнению (7.8), там, где = 0, 1, 2, 3,...., , наблюдают темные полосы гашения света; там, где = 1/2, 3/2, 5/2,..., , наблюдают светлые полосы усиления света.

Поскольку в белом свете интерференция происходит по всей гамме длин волн источника, то порядок полос определяют по их одинаковой окраске по таблице цветов. Вдоль изохромы ; тогда

(7.9)

где - оптическая постоянная материала в размерности напряжений на единицу толщины (1 см) модели, получаемая градуировкой материала на стандартном образце (диске или балочке при чистом изгибе). Зависимость (7.9) называют уравнением метода полос. На свободном контуре модели, где не приложены внешние нагрузки, ; тогда

. (7.10)

а)

Рис.7.2. Кольцо сжатое по вертикальному Рис.7.3. Поле изоклин и изостат для

диаметру: а – изохромы в темном поле, б- кольца, сжатого по диаметру

изохромы в светлом поле

Изоклины - черные линии на экране - образуют вторую систему полос, зависящую от положения П и А, т.е. угла ; они являются ГМТ, где направления главных напряжений совпадают с направлением плоскости поляризации. В этом случае Изоклины служат для определения направления главных напряжений в любой точке модели. Для этого достаточно в белом свете когда на фоне цветных полос изохром выделяются черные изоклины, повернуть поляроиды на такой угол, чтобы изоклина пересекла исследуемую точку модели. Отсчет по лимбу угла определит главные направления в точке.

С помощью изоклин несложно построить систему изостат (рис. 7.3, б) или траекторий главных напряжений, дающих картину силовых потоков в детали.

По картине изохром определяют значение максимального касательного

напряжения

, (7.11)

а по изоклинам или изостатам определяют направление ; траектория

составляет угол 45° к траектории главных нормальных напряжений.

Круговой полярископ. Пластинки . Одновременное наблюдение на экране или матовом стекле камеры изоклин и изохром неудобно для экспериментатора, поэтому работу с изохромами методом полос проводят в круговом полярископе, где луч, входящий в модель, поляризован по кругу и изоклины отсутствуют. Для этой цели за поляризатором устанавливают пластинку , имеющую две вазимно перпендикулярные оси пропускания X и Y; их ориентируют так, что с осями полярироидов П и А они составляют угол 45°. Пластинку, обычно слюдяную, изготовляют так, что лучи, проходя через нее, получают относительную разность хода .

Уравнения колебаний за пластинкой записывают в виде разложения плоскополяризованного луча по плоскостям и :

;

(7.12)

,

где - относительная разность фаз лучей X и Y (рис. 7.4).

Результирующее колебание этих лучей после прохождения пластинки вследствие сдвига фаз будет уже пространственное; конец светового вектора будет описывать в направлении кривую, уравнение которой несложно получить сложив геометрически два вектора х и у.

Приняв за начало отсчета момент входа лучей в пластинку получим в общем случае

. (7.13)

Это уравнение определяет проекцию пространственной кривой на плоскость Х - У, оно описывает эллипс, поэтому луч называют эллиптически поляризованным. Поскольку разность хода для пластинки составляет то и уравнение (7.13) описывает круг:

. (7.14)

Рис.7.4. Схема круговой поляризации, осуществляемая пластинкой

Луч называют поляризованным по кругу, но в зависимости от знака вращения будет по или против часовой стрелки, т.е. угловая скорость имеет знаки ± . Лучи X и Y, пройдя нагруженную модель в точке, сохраняют свойства, описываемые законом Вертгейма, но "размажут" изоклины и изохромы на экране. Чтобы восстановить изображение изохром, за моделью устанавливают такую же пластинку в , но с противоположным знаком вращения. Изоклины, как бы сканируя с частотой по экрану, наблюдаться не будут.

Для научно-исследовательской работы, прикладного инженерного применения, демонстрационных целей или для контроля серийной продукции на заводах необходимы приборы - полярископы различной конструкции. Для промышленных и исследовательских целей удобен набор, состоящий из полярископа большого поля с диффузионным осветителем, универсального исследовательского полярископа типа ППУ-7 или УИП и полярископа-поляриметра типа ПКС-250.

Одна из конструктивных схем полярископа с диффузионным осветителем (рис. 7.5) имеет рабочее поле 300 мм. Полярископ состоит из осветителя 1 в котором применены U-образные лампы дневного света с алюминиевым полиро- ванным отражателем и матовым диффузором аналогично выполняют сменный осветитель с монохроматическим светом от газонаполненных ламп; поляроидов 2 с лимбами на внешней цилиндрической поверхности оправы, которые вращаются независимо друг от друга; пластинок 3, диафрагмы 5 и зеленого (красного) светофильтра 6, повышающего контраст для наблюдения и съемки полос методом двойной экспозиции; камера 7 имеет затвор с ирисовой диафрагмой. Назначение полярископа большого поля - исследование крупных моделей методом полос; он оснащен выдвижной жесткой рамой (1500Х2000 мм) с несколькими силовыми электроприводами постоянного тока (перемещение штока 80 мм, максимальное усилие 100 и 250 кН соответственно) и тензодинамометрами (100-500 кН).

Рис.7.5. Схема полярископа большого поля с диффузионным освещением

Лекция 8

Голографическая интерферометрия

В последние годы голограммы вошли почти в каждый дом. Это красочные радужные наклейки на аудио и видеокассетах, голограммные товарные и защитные знаки на банкнотах, кредитных картах и ярлыках товаров некоторых фирм. Достигнут большой прогресс в изобразительной голографии и устраиваются уже экспозиции голограммных копий музейных раритетов. Набирает обороты и производство голографических портретов. Голография уже перестала быть экзотикой. Однако некоторые стороны процесса внедрения голографии в современную жизнь все еще остаются за кадром. Это проблема распознавания образов, интерферометрические измерения, создание голограммных оптических элементов, вопросы обработки изображений и многое другое.

Естественно, голографическая интерферометрия появилась не на пустом месте. У ее истоков стоит то, что принято теперь называть классической интерферометрией. Поэтому с нее и начнем.

Классическая интерферометрия всегда имела и имеет дело только с прозрачными или зеркально отражающими объектами. Казалось, что это навсегда. И удел интерферометрии - изучение газов и жидкостей, зеркал и линз. Работы, конечно, хватало и там. Были и масштабные практические результаты.

Чего стоят одни только шахтные интерферометры для определения опасной концентрации метана. А контроль при производстве оптических изделий. А измерение толщины очень тонких покрытий и сверхточный контроль (с точностью в половину длины волны и меньше) расстояний или перемещений. А экспресс-оценка качества обработки поверхностей с помощью специальной стеклянной пластинки. Как еще можно за несколько секунд (одним взглядом!) определить отклонение на несколько микрометров от нужного значения размеров шероховатостей обрабатываемой поверхности?

Разумеется, было, есть и еще будет очень много и других примеров использования и, сделанных с помощью интерферометрии, открытий. Но, повторяю, речь всегда шла только о прозрачных или зеркальных, слабо искажающих зондирующее излучение объектах.

После появления голографии открылась абсолютно новая возможность проведения интерферометрические измерения не только прозрачных, но и диффузно отражающих объектов. Именно по способу взаимодействия с зондирующим излучением и появилось деление объектов на фазовые (прозрачные) и диффузные (то есть отражающие, но не зеркальные).