|
| |
|
Слаботочка Книги Глава 7 ТЕНЗОРЕЗИСТОРЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ высоких и КРИОГЕННЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ 1. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК Отечественной промышленностью выпускаются фольговые тензорезисторы КФ4 и КФ5 с рабочими температурами от -70 до 200°С [6, 45] и высокотемпературные проволочные тензорезисторы НМТ-450 на металлической подложке с рабочей температурой до 450°С. Фольговые тензорезисторы КФ4 и КФ5 для рабочей температуры 200 °С прикрепляются клеями горячего отверждения с обязательным прогревом при 200-230°С, что существенно ограничивает их применение для исследования прочности крупногабаритных конструкций. Проволочные тензорезисторы НМТ-450 устанавливаются посредством точечной сварки краев металлической подложки с исследуемой конструкцией [19]. В Институте машиноведения АН СССР им. А. А. Благонравова (ИМАШ) и Центральном котлотурбинном институте им. И. И. Ползунова (ЦКТИ) разрабатываются тензорезисторы такого класса для более высоких температур [20, 50]. В ИМАШ разработаны привариваемые тензорезисторы на металлической подложке типа ТТБ до рабочих температур 540°С и ТТ-600 до рабочих температур 600°С [17]. Тензорезисторы используются для измерения деформаций натурных конструкций энергетического оборудования только при условии применения схемной компенсации и тщательного подбора их пар до наклейки по ряду параметров характеристик для выполнения этой компенсации. Разработанные в ЦКТИ привариваемые тензорезисторы ТТРЛС-22-23 [85] с рабочей температурой до 550°С имеют на металлической подложке также элемент, компенсирующий температурные приращения сопротивления чувствительного элемента тензорезистора. Эта конструкция аналогична рассмотренной в гл. 6 конструкции приклеиваемого тензорезистора с компенсационной петлей и имеет присущие ей достоинства и недостатки. К достоинствам этой конструкции относится возможность получения малых значений температурной характеристики соп- ротивления. Существенным недостатком является то, что рассеяние характеристик в партии таких тензорезисторов больше в 2-3 раза, чем в тензорезисторах обычных конструкций, т. е. соответственно увеличена погрешность измерения деформаций при массовом их применении. Привариваемые тензорезисторы ВТР-450 [49] с рабочими температурами до 450 °С также имеют относительно небольшие значения температурной характеристики сопротивления ((== = 1500-2000 млн-), однако имеют наибольшую из всех рассмотренных типов тензорезисторов функцию влияния температуры на чувствительность. Основные характеристики перечисленных выше типов высокотемпературных тензорезисторов приведены в табл. 23. В настоящее время проводятся работы по исследованию возможности использования этих типов тензорезисторов при криогенных температурах. Привариваемые тензорезисторы широко используются в исследовании толстостенных конструкций энергетического машиностроения [44]. Применение этих тензорезисторов при определении напряженного состояния конструкций из сплава алюминия, титана, композитных материалов, выполненных в виде тонких пластин и оболочек, в большинстве случаев технически невозможно или приводит к искажению поля деформаций. Для исследования напряженного состояния таких конструкций необходимо разрабатывать приклеиваемые тензорезисторы, устанавливаемые на конструкцию из любого материала и не искажающие ее жесткости. В связи с тем, что нечувствительность тензорезистора к неинформативным параметрам, сопутствующим эксперименту, в основном создается свойствами применяемых в тензорезисторах конструктивных элементов (чувствительного элемента, связующего, подложки) и технологическими приемами их установки, практически невозможно создание одного типа тензорезистора для решения многообразных задач и условий исследования напряженного состояния различных машиностроительных конструкций. Более правильным является путь создания различных типов приклеиваемых тензорезисторов, для решения групп конкретных задач исследования прочности со сходными условиями проведения эксперимента. Чтобы создать тензорезистор, необходимо разработать и выбрать его основные конструктивные элементы, а также определить способ стабилизации его основных свойств, обеспечивающих постоянство характеристик в заданных условиях. Прежде чем приступить к конкретному описанию конструкций и характеристик тензорезисторов различного типа для кон- «о ем в гг а
кретных задач тензометрирования при высоких и криогенных температурах, рассмотрим отдельно исследования по разработке основных конструктивных элементов тензорезисторов, 2. ТЕНЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА Пятидесятилетний опыт разработки и применения тензорезисторов в различных условиях обусловил создание большого числа тензочувствительных материалов, которые можно разделить на следующие группы. Группа 1. Сплавы с малым значением температурного коэффициента сопротивления и ограниченной теплостойкостью (200-300°С). К ним относятся медно-марганцовистые (манганин, минальфа) и медно-никелевые сплавы (константан, эдванс и др.). Наиболее широко используются в тензометрии сплавы константан и эдванс, так как их рабочая температура выше, чем у манганина. Они имеют большее, чем у манганина значение коэффициента преобразования, который не изменяется при переходе из зоны упругих в зону пластических деформаций, в то время как у медно-марганцовистых сплавов коэффициент преобразования меняется от 0,5-0,8 в упругой зоне до 2,0 в пластической зоне. Коэффициент преобразования константана на 0,003-0,009 %/°С увеличивается с ростом температуры, а при глубоко криогенных температурах падает примерно на 15%. Для тензометрии созданы и широко используются констан-тановые сплавы; константан (твердый) фирмы «Драйвер Харрис» (США); изотан фирмы «Изабелленхьютте» (ФРГ) и отечественный константан, выпускаемый по ТУ 48-21-119-72. Некоторые характеристики проволок из этих сплавов приведены в табл. 24. Варьируя присадками константановых сплавов или отжигом проволок, можно получать заданные значения температурного Таблица 24
коэффициента сопротивления а, что позволяет создавать термокомпенсированные тензорезисторы при установке их на детали с различными температурными коэффициентами расширения. В качестве присадок для константанового сплава используют марганец и железо, наиболее резко влияющие на значения температурного коэффициента сопротивления [78]. С такими присадками отечественная промышленность выпускает тензо-резистивную константановую проволоку с температурными коэффициентами сопротивления а от -25 до 7 млн-/°С и тензо-резистивную константановую фольгу (ТУ 48-21-244-84) со значениями сс от -3 до 30 млн-/°С. Как было показано в параграфе 1 гл. 6, низкотемпературный отжиг при 350-400 °С (см. рис. 65) приводит к значительным изменениям температурного коэффициента сопротивления. Причем для более твердой и тонкой проволок, имеющих большее деформационное упрочнение в состоянии поставки и большие по абсолютной величине значения температурных коэффициентов сопротивления, требуются высокие температуры отжига. Высокотемпературный отжиг при 550-600°С приводит к заметному увеличению относительного удлинения проволоки или фольги при разрыве и его проводят для тензорезисторов, предназначенных для измерения больших деформаций. Исследования показали, что константановая проволока обеспечивает тензорезисторам практически постоянную чувствительность при 350-400°С. Температурная характеристика сопротивления тензорезисторов с чувствительным элементом из константана удовлетворительно воспроизводится при повторных кратковременных нагревах до 350-400 °С. Однако пятичасовой прогрев при 300°С или двухчасовой прогрев при 350°С тензорезисторов с константановой проволокой приводит к невоспроизводимости температурной характеристики сопротивления, хотя чувствительность тензорезисторов при этом не изменяется. При 250 °С даже 100-часовые прогревы не приводят к существенному изменению температурной характеристики сопротивления (рис. 79), и эту температуру следует считать предельной рабочей для константанового тензочувствительного материала при использовании тензорезисторов в условиях длительных испытаний конструкций. При длительных испытаниях в условиях температуры 250 °С отожженная константановая проволока обеспечивает тензорезисторам относительно небольшой дрейф сопротивления 2-6 млн-/ч. Константановая проволока, используемая в тензорезисторах в состоянии поставки, приводит к более заметному дрейфу. Так, дрейф тензорезисторов с чувствительным элементом из неотожженной проволоки фирмы Изабелленхьютте (Isabellenhiltte) уже при 200 °С за 100 ч достигает 1200- юоо\- 
200 t,C О 150 200 t,C Рис. 79. Температурные характеристики сопротивления тензорезисторов ЗСПК после длительных прогревов при 250°С: а - коистантан фирмы «Драйвер Харрис»; б - коистантан фирмы «Изабелленхьютте» (ф - испытания до прогрева; Д - после прогрева прн 250°С в течение 25 ч; О - после прогрева прн 250°С в течение 50 ч; V - после прогрева при 250°С в течение 100 ч) 1500 млн-, т. е. примерно -12-15 млн-/ч. Фольговые тензорезисторы с чувствительным элементом из отечественной фольги в состоянии поставки при 200 °С также имеют заметный дрейф, равный примерно 5 млн-/ч. Таким образом, для уменьшения дрейфа тензорезисторов, применяемых при длительных испытаниях в условиях температур 200-250°С, константано-вые тензочувствительные проволоку и фольгу следует подвергать отжигу. В области криогенных температур константановая проволока и фольга обеспечивают тензорезисторам практически постоянную чувствительность при температурах до -196 °С (см. рис. 54). Температурные характеристики сопротивления тензорезисторов с чувствительными элементами из константановых сплавов имеют значения (= ± (2000-7-4000) мли" [42], которые приемлемы для метода внесения поправки только до - 160°С, а при более низких температурах ( резко изменяются (рис. 80), что приводит к большим по абсолютной величине значениям производной dtldt и соответственно к большим погрешностям измерения при переменных температурах. В энергетическом машиностроении и ряде физических исследований (например, в исследовании магнитострикции материалов) проводится тензометрирование конструкций при глубоко криогенных (до -269 °С) температурах и при одновременном действии высоких магнитных полей (до 5-30 кЭ) [100]. Для измерений в этих условиях константановая проволока и фольга непригодны в связи с тем, что коистантан обладает большим гальваномагнитным эффектом, т. е. его сопротивление резко меняется от действия магнитного поля. Этот эффект проявляется в наибольшей степени при температурах, близких к температуре жидкого гелия. Группа 2. Сплавы с относительно малым температурным коэффициентом сопротивления и повышенной термостойкостью 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 [25] 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||