background image

 

Ć

wiczenie 8 

 

Badanie odkształceń belki zginanej metodą tensometrii oporowej 

Opracował: dr inż. Henryk Olszewski 

1. Wstęp 

Tensometria  zajmuje  się  metodami  pomiaru  odkształceń  ciał  stałych  w  granicach 

proporcjonalności.  Odkształcenia  dostarczają  informacje  dotyczące  szeregu  właściwości 
badanych  ciał,  takich  jak:  współczynnik  rozszerzalności  cieplnej,  granice  sprężystości, 
proporcjonalności  i plastyczności,  zjawiska  pełzania  i  histerezy.  Odkształcenia  pozwalają 
również  na  dokonanie  pomiarów  wielkości  fizycznych  związanych  z  odkształceniami:  sił, 
naprężeń,  momentów  itp.  W  badaniach  laboratoryjnych  pomiary  odkształceń  polegają 
najczęściej  na  mierzeniu  wydłużeń  na  powierzchni  ciała.  Pomiary  na  powierzchni  badanego 
ciała  wynikają  z  zasady  działania  przyrządów  pomiarowych  oraz  z  faktu,  że  ekstremalne 
wartości  odkształceń  występują  w  większości  przypadków  na  powierzchni  ciała.  Pomiary 
odkształceń wewnątrz ciała są kłopotliwe i z tego względu są rzadko. 
 

W  celu  pomiaru  tensometrycznego  odkształceń  liniowych  na  powierzchni  badanego 

elementu  konstrukcyjnego  ustala  się  odcinek  pomiarowy  o  długości  l  nazywany  bazą 
pomiarową. 

Odkształcenie 

jednostkowe 

odcinka 

pomiarowego 

przypadku 

jednokierunkowego stanu naprężenia wynosi: 

l

l

ś

r

=

ε

 

 

 

 

 

 

(1) 

gdzie:   l

- wydłużenie odcinka pomiarowego. 

W  innych  przypadkach  odkształceń  wartość  odkształcenia  uśrednia  się  na  długości  bazy 
pomiarowej.  Im  mniejsza  jest  długość  bazy  pomiarowej  l  zaś  stan  odkształceń  bliższy 
jednorodnemu,  tym  uśredniona  wartość  odkształceń  jednostkowych 

ś

r

ε

    jest  bliższa 

rzeczywistej wartości odkształceń 

ε

 badanego elementu.  

 

Tensometry ze względu na zasadę działania dzielimy na dwie grupy: 

 tensometry elektryczne 

rezystancyjne zwane elektrooporowymi lub oporowymi, 

indukcyjne, 

pojemnościowe, 

elektrodynamiczne, 

piezoelektryczne, 

magnetyczne, 

 tensometry mechaniczne: 

optyczno-mechaniczne, 

strunowe. 

Zasada  działania  tensometrów  indukcyjnych  oparta  jest  na  zjawisku  zmiany  indukcyjności 
własnej  lub  zespołu  cewka  indukcyjna  –  magnetyczny  rdzeń  wywołanej  odkształceniem 
badanego elementu konstrukcyjnego. 
 

W  przypadku  kondensatorów  pojemnościowych  odkształcenia  konstrukcji  powodują 

zmianę  odległości  pomiędzy  płytkami  kondensatora,  stanowiącego  główny  elementu 
czujnika.  Zmiana  odległości  pomiędzy  płytkami  kondensatora  wywołuje  z  kolei  zmianę 
pojemności elektrycznej, która jest mierzoną wielkością fizyczną. 

background image

 

 

Zasada  działania  tensometrów  piezoelektrycznych  opiera  się  na  zjawisku 

piezoelektrycznym,  czyli  na  pojawianiu  się  ładunków  elektrycznych  na  ściankach  kryształu, 
który ulega odkształceniu w granicach plastyczności.  
 

Głównymi elementami tensometrów mechanicznych, za pomocą których wykonuje się 

pomiary  przemieszczeń,  są  części  mechaniczne:  dźwignie,  pręty,  przekładnie.  Bazę 
pomiarową  l  tensometrów  mechanicznych  jest  zazwyczaj  odległość  pomiędzy  dwoma 
ostrzami  pryzmatycznymi  dociskanymi  do  powierzchni  badanego  elementu  za  pomocą 
zacisków.  Odkształcenia  elementu  konstrukcyjnego  wywołują  zmianę  odległości  pomiędzy 
ostrzami, która jest odczytywana przy pomocy tensometru mechanicznego. 
 

2. Budowa tensometrów oporowych 

W  chwili  obecnej  najszersze  zastosowanie  mają  tensometry  oporowe.  Tensometria 

oporowa  wykorzystuje  zjawisko  zmiany  oporu  elektrycznego  drutu  metalowego  podczas 
zmiany jego długości. Tensometria oporowa stosowana jest do: 
 wyznaczania właściwości mechanicznych metali, 
 określania stanu odkształceń i naprężeń w wybranych punktach elementów 

konstrukcyjnych obciążonych statycznie lub dynamicznie. 

 pomiarów naprężeń własnych, 
 pomiarów odkształceń w wysokich i niskich temperaturach. 
 
Ze względu na budowę wyróżniamy dwa podstawowe typy tensometrów oporowych: 
 drucikowe:  

wężykowe (rys. 1a),  

kratowe (rys. 1b),  

zygzakowe,  

choinkowe,  

spiralne; 

 foliowe (rys. 2).  
 

a) 

 

 

 

 

 

          b) 

        

         

 

Rys. 1. Tensometry drucikowe: a) wężykowy, b) kratowy 

1 – drucik oporowy, 2 – podkładka nośna, 3 – naklejka,  4 – przewody, 5 – taśma miedziana 

 
Tensometr  wężykowy  (rys.  1a)  składa  się  z  drucika  oporowego  o  średnicy  0.02 

÷

  0.05  mm 

ukształtowany  w  postaci  wielokrotnego  wężyka.  Wężyk  naklejony  jest  na  podkładce  nośnej 
wykonanej z bibułki, folii taśmy celuloidowej lub cienkiego papieru. Dopływ prądu odbywa 
się  za  pomocą  dwóch  grubszych  przewodów.  Są  one  przylutowane  do  końca  drucika 
oporowego. Drucik oporowy jest chroniony z wierzchu przed uszkodzeniami mechanicznymi 
oraz  przed  wpływem  wilgoci  oraz  nagłych  zmian  temperatury  za  pomocą  paska  papieru  lub 

background image

 

filcu zwanego nakładką. Tak przygotowany tensometr nakleja się na powierzchnię badanego 
elementu konstrukcyjnego przy zastosowaniu specjalnego kleju. 
 

 

Rys. 2. Tensometr foliowy 

1 – drucik oporowy, 2 – podkładka nośna, 3 – naklejka,  4 – przewody 

 

 

 

 

 

 

Tensometr kratowy (rys. 1b) charakteryzuje się brakiem czułości na odkształcenia w kierunku 
prostopadłym  do  kierunku  nałożenia  drutu  oporowego  na  podkładkę  nośną.  Tensometr  ten 
składa  się  z  zestawu  równolegle  ułożonych  drucików  i  połączonych  nalutowanymi  lub 
napawanymi  grubszymi  odcinkami  taśmy  miedzianej.  Poprzecina  taśma  miedziana  wraz 
z drucikami  oporowymi  tworzy  obwód  elektryczny.  Odcinki  taśmy  miedzianej  stanowią 
ograniczenie  bazy  pomiarowej  tensometru.  Podobnie,  jak  w  przypadku  tensometru 
wężykowego  dopływ  prądu  elektrycznego  odbywa  się  za  pomocą  dwóch  grubszych 
przewodów  przylutowanych  do  drucika  pomiarowego.  Odcinki  drucika  oporowego  oraz 
taśmy miedzianej tworzą siatkę oporową, która naklejona jest na podkładkę nośną i chroniona 
z wierzchu przez nakładkę.  
 

Tensometry  foliowe  (rys.  2)  aktualnie  są  coraz  częściej  stosowane.  Składają  się  one 

z wężykowatej siatki oporowej wykonanej z cienkiej folii metalowej naklejonej na podkładkę 
nośną.  Część  pomiarowa  siatki  pokryta  jest  nakładką  ochronną  wykonaną  podobnie,  jak 
podkładka nośna z folii z tworzywa sztucznego. Do zakończeń siatki oporowej dołączone są 
grubsze  przewody  elektryczne.  Siatkę  oporową  wykonuje  się  podobnie,  jak  obwody 
drukowane,  metodą  fotochemiczną  po  naklejeniu  folii  na  podkładkę  nośną.  Tensometry 
foliowe  przyklejane  są  do  powierzchni  badanego  elementu  konstrukcyjnego  za  pomocą 
specjalnych klejów podobnie, jak w przypadku tensometrów drucikowych. 
 

Na  właściwą  pracę  tensometru  oporowego,  obok  jego  budowy,  wpływa  odpowiednie 

przymocowanie  jego  do  powierzchni  badanego  elementu  konstrukcyjnego.  Tensometry 
należy  przyklejać  ze  szczególną  dokładnością  i  przy  zachowaniu  wyjątkowej  czystości. 
Powierzchnię,  na  którą  nakleja  się  czujnik,  należy  przetrzeć  papierem  ściernym  w  celu 
usunięcia nierówności,  a następnie odtłuścić acetonem lub innym odtłuszczającym środkiem 
chemicznym. Następnie na powierzchnię nakładamy dwie warstwy kleju i łączymy tensometr 
z  badanym  przedmiotem  lekko  go  dociskając.  Pomiary  rozpoczynamy  po  całkowitym 
wyschnięciu  kleju.  Kleje  tensometryczne  stosowane  do  nakładania  tensometrów  na 
powierzchnie  badanych  elementów  konstrukcyjnych  oraz  do  wyrobu  czujników  powinny 
spełniać szereg wymagań: 
 brak pełzania i histerezy, 
 brak wpływu  wilgotności, 
 brak wpływu zmian temperatury, 
 dobra przyczepność do kleju, 
 wystarczająca wytrzymałość mechaniczna, 
 wystarczająca izolacja elektryczna. 

background image

 

Aktualnie  stosowane  są  wieloskładnikowe  kleje  kompozytowe  oraz  kleje  szybkoschnące 
umożliwiające wykonanie pomiarów w kilka minut po naklejeniu tensometru oporowego. 
 

2.1. Zasada działania tensometrów oporowych 

Opór elektryczny tensometru oporowego określa wzór 

S

l

R

=

ρ

 

 

 

 

(2) 

gdzie:  

ρ

-  opór  właściwy,  -  baza  pomiarowa,  będą  długością  czynną  tensometru,  S  -  pole 

przekroju poprzecznego drucika oporowego. 
Zakładamy, że tensometr oporowy jest rozciągany lub ściskany w kierunku równoległym do 
osi  drucika  oporowego  o  przekroju  kołowym  o  średnicy  d.  Wówczas  pole  przekroju 
poprzecznego drucika wynosi: 

4

2

d

S

=

π

 

 

 

 

(3) 

W warunkach opisanych powyżej w dowolnym miejscu drucika oporowego występuje 

jednokierunkowy  stan  naprężenia  o  stałej  wartości  naprężeń  normalnych 

σ

.  Odkształcenia 

jednostkowe w kierunku równoległym do osi drucika są określone prawem Hooke’a: 

E

σ

ε

=

 , 

 

 

 

 

(4) 

gdzie:  E- moduł Young’a materiału drucika oporowego. 
Odkształcenia jednostkowe w dowolnym kierunku poprzecznym wynoszą: 

ε

ν

ε

=

1

 

 

 

 

(5) 

gdzie:  

ν

- liczba Poisson’a materiału drucika oporowego. 

Logarytmując obustronnie prawo Ohma (2) otrzymujemy: 

S

l

R

ln

ln

ln

ln

+

=

ρ

 

 

 

(6) 

Różniczkując obydwie strony powyższego równania uzyskujemy: 

S

dS

l

dl

d

R

dR

+

=

ρ

ρ

.   

 

 

 

(7) 

Dla różnic skończonych równanie (7) przyjmuje postać: 

S

S

l

l

R

R

+

=

ρ

ρ

.  

 

 

 

(8) 

Logarytmując  obustronnie  wzór  na  pole  przekroju  poprzecznego  S  drucika  oporowego  (3) 
otrzymujemy: 

4

ln

ln

2

ln

ln

+

=

d

S

π

 

 

 

(9) 

Różniczkując obydwie strony powyższego równania uzyskujemy: 

d

d

S

S

d

2

d

=

 

 

  

 

 

(10) 

Dla różnic skończonych powyższe równanie (10) przyjmuje formę: 

d

d

S

S

=

2

.   

 

 

 

 

(11) 

background image

 

Ś

rednica drucika d jest wymiarem prostopadłym do osi drutu, stąd odkształcenie jednostkowe 

w kierunku porzecznym wynosi: 

d

d

=

1

ε

 

 

 

 

 

(12) 

Równania (4) przyjmuje wówczas postać: 

ε

ν

=

d

d

.   

 

 

 

 

(13) 

Z zależności (11) i (13) otrzymujemy: 

ε

ν

=

2

S

S

.   

 

 

 

 

(14) 

Podstawiając powyższe wyrażenie do równania (8) oraz uwzględniając 

l

l

=

ε

 otrzymujemy: 

ε

ν

ε

ρ

ρ

+

+

=

2

R

R

 

stąd: 

ε

ν

ε

ρ

ρ





+

+

=

2

1

1

R

R

 

 

 

(15) 

Stosunek względnego przyrostu oporu do odkształcenia jednostkowego dla pewnych wartości 

ε

 jest wielkością stałą i nazywany jest współczynnikiem odkształcenia tensometru lub krótko 

stałą tensometru k

ν

ε

ρ

ρ

ε

2

1

1

+

+

=

=

R

R

k

 

 

 

(16) 

Graniczne  wartości  odkształcenia  jednostkowego 

ε

,  dla  których  k  nie  zmienia  się 

nazywamy  zakresem  pomiarowym  tensometru  oporowego.  Związek  pomiędzy  względnym 
przyrostem oporu a odkształceniem jednostkowym przyjmuje więc postać: 

ε

=

k

R

R

 

 

 

 

(17) 

Stanowi on podstawową zależność tensometrii oporowej.  

 

Wartość stałej tensometru k zależy od szeregu czynników, wśród których można wyróżnić: 

 materiał,  z  którego  wykonany  jest  drucik  oporowy,  np.  tensometry  wykonane  z 

konstantanu posiadają stałą tensometru k= 2.1 

÷

 2.4; 

 sposób ułożenia drucika oporowego, 

 rodzaj kleju, 

 rodzaj materiału podkładki. 

Wartość  stałej  tensometru  wyznacza  się  doświadczalnie.  Stała  tensometru  k,  długość  bazy 
pomiarowej  l  oraz  oporność  R  drucika  oporowego  stanowią  parametry  charakteryzujące 
tensometr  oporowy.  Parametry  charakteryzujące  tensometr  podawane  przez  producenta  na 

background image

 

opakowaniu  czujników,  np.  RL  20/150  oznacza  tensometr  oporowy  o  bazie  pomiarowej 
l = 20 mm i oporności R = 150 

.  

 

2.2. Zalety i wady tensometrów oporowych 

Tensometry  oporowe  w  porównaniu  z  innymi  typami  tensometrów  charakteryzują  się 
następującymi zaletami: 

 wysoka  czułość  pomiaru,  co  pozwala  na  przeprowadzenie  pomiarów  bardzo  małych 

odkształceń, 

tensometry 

pozwalają 

na 

pomiar 

odkształcenia 

jednostkowego 

z dokładnością do 

6

10

1

=

ε

, co dla stali odpowiada naprężeniom 

1

=

σ

N/mm

2

 wysoka  dokładność  pomiarów,  która  wynika  z  liniowej  charakterystyki  tensometru  oraz 

wiąże się z możliwością stosowania wzmacniaczy; 

 niewielkie wymiary, co pozwala na stosowanie tensometrów przy pomiarach w miejscach 

trudno dostępnych oraz do badania zjawiska spiętrzenia naprężeń; 

 mała masa, dzięki której można nimi badań zjawiska dynamiczne; 

 niewrażliwość  na  drgania  i  wstrząsy  –  mogą  być  naklejane  na  elementy  konstrukcyjne 

znajdujące się w ruchu; 

 możliwość pracy w wysokich temperaturach i ciśnieniach; 

 możliwość umieszczenia na zakrzywionych powierzchniach; 

 możliwość budowania złożonych układów pomiarowych, w których pomiar dokonywany 

jest  w  jednym  miejscu  operacyjnym  dla  wielu  oddalonych  od  siebie  punktów 
pomiarowych; 

 możliwość rejestracji wyników pomiarów; 

 łatwa i bezpieczna obsługa, 

 brak błędów i niedokładności przekładni, luzów, poślizgów, bezwładności występujących 

w  tensometrach  mechanicznych  dzięki  bezpośredniemu  przekazywaniu  odkształceń  na 
drucik oporowy; 

 możliwość  pomiaru  naprężeń  głównych  przy  pomocy  tensometrów  rozetowych 

umożliwiających pomiar odkształceń w trzech kierunkach. 

Tensometry oporowe posiadają również pewne wady, do których można zaliczyć: 

 skomplikowany proces naklejania tensometru na badany element konstrukcyjny, 

 jednorazowe użycie, po  zdjęciu tensometru z punktu pomiarowego prawie zawsze ulega 

on uszkodzeniu, 

 wrażliwość na zmiany temperatury i wilgotność, 

 występowanie  histerezy  właściwości  elektrycznych  tensometru,  przez  co  należy 

kilkakrotnie  obciążyć  go  wstępnie  w  pierwszych  pomiarach  po  naklejeniu  na  badany 
element konstrukcyjny.  

 
3. Układy pomiarowe 

Układy  pomiarowe  stosowane  podczas  pomiarów  tensometrycznych  składają  się  z  czterech 
podstawowych części (rys. 3): 

background image

 

1)  element zasilający: generator lub inne źródło prądu, 

2)  tensometr oporowy z kompensacją lub mostek elektryczny z tensometrem czynnym, 

3)  wzmacniacz zwiększający amplitudę impulsu z czujnika (bez zniekształceń), 

4)  urządzenie rejestrujące zmiany mierzonej wielkości fizycznej. 
 

Ź

ródło

pr

ą

du

Mostek

tensometryczny

Wzmacniacz

Rejestrator

 

Rys. 3. Układ pomiarowy 

 
Jedną  z  wad  tensometrii  oporowej  jest  jej  wrażliwość  na  temperaturę.  Zmiana  temperatury 
otoczenia o  t

 powoduje zmianę: 

 oporności właściwej drucika oporowego, 

 odkształcenia materiału badanego elementu konstrukcyjnego, 

 odkształcenia drucika oporowego, 

 oporności przewodów układu pomiarowego poza tensometrem. 

Wzrost  temperatury  tensometru  wywołane  przepływem  przez  niego  prądu  elektrycznego 
powoduje  dalszą  zmianę  temperatury  drucika  oporowego  i  dalszą  zmianę  jego  oporności 
właściwej. 

Względny  przyrost  oporu  drucika  oporowego  tensometru  wywołany  zmianą 

temperatury otoczenia określa następująca zależność: 

(

)

t

k

R

R

=

β

α

0

1

,   

 

 

 

(18) 

gdzie:  

1

R

 

- przyrost oporu drucika oporowego tensometru, 

0

- początkowy opór drucika 

oporowego  tensometru, 

α

-  cieplny  współczynnik  rozszerzalności  liniowej  materiału 

badanego  elementu  konstrukcyjnego, 

β

-cieplny  współczynnik  rozszerzalności  liniowej 

drucika oporowego  tensometru,  t

- przyrost temperatury otoczenia. 

Względny przyrost oporu drucika oporowego wywołany ogrzaniem drucika oporowego o  t

 

wynosi: 

t

R

R

=

1

0

2

γ

 

 

 

 

 (19) 

gdzie:  

1

γ

- współczynnik termicznych zmian oporu materiału drucika oporowego. 

Przyrost  temperatury  drucika  oporowego  zależy  od  wartości  prądu  przepływającego  przez 
drucik oraz od warunków chłodzenia tensometru i różni się do zmiany temperatury otoczenia, 
stąd względny przyrost oporu uwzględniający różnicę pomiędzy zmianą temperatury drucika 
a zmianą temperatury otoczenia jest określony zależnością: 

(

)

d

t

k

R

R

=

β

γ

1

0

3

 

 

 

(20) 

gdzie:  

d

t

 

- różnica pomiędzy przyrostem temperatury drucika oporowego i przyrostem 

temperatury otoczenia. 

background image

 

Całkowity względny przyrost oporu drucika oporowego wynosi: 

(

)

[

]

(

)

d

t

k

t

k

R

R

R

R

R

R

R

R

+

+

=

+

+

=

β

γ

γ

β

α

1

1

0

3

0

2

0

1

0

(21) 

Wpływ temperatury na działanie tensometru oporowego można skompensować za pomocą: 

 kompensacji wewnętrznej, 

 tensometru  kompensacyjnego  połączonego  z  tensometrem  czynnym  (pomiarowym)  w 

układzie mostka Wheatstone’a (rys. 4). 

Kompensacja wewnętrzna polega na szeregowym połączeniu tensometru z opornikiem 

kompensacyjnym o oporze 

k

. Opór 

k

 tak się dobiera, by wypadkowa zmiana oporu układu 

tensometr + opornik kompensacyjny była równa zeru: 

0

=

+

k

R

R

,  

 

 

 

 

(22)  

gdzie:  

k

R

  - przyrost oporu opornika kompensacyjnego: 

t

R

R

k

k

k

=

γ

 

 

 

 

(23) 

zaś 

k

γ

jest współczynnikiem termicznych zmian oporu opornika kompensacyjnego. 

Podstawiając równania (21) i (23) do (22) otrzymujemy: 

  

 

(

)

[

]

(

)

{

}

0

0

1

1

=

+

+

+

R

t

k

t

k

t

R

d

k

k

β

γ

γ

β

α

γ

 

(24) 

W celu zapewnienia kompensacji zupełnej, niezależnej od zmian temperatury otoczenia i od 
zmian temperatury nagrzania drucika oporowego musza być spełnione następujące równania: 

=

=

0

1

R

k

R

k

k

k

α

γ

β

γ

 

 

 

(25) 

Cieplny 

współczynnik 

rozszerzalności 

liniowej 

materiału 

badanego 

elementu 

konstrukcyjnego w większości przypadków jest dodatni. Wówczas współczynnik termicznych 
zmian  oporu  powinien  zgodnie  z  równaniem  (25)  przyjąć  ujemną  wartość,  stąd  opornik 
kompensacyjny  o  oporze 

k

  łączy  się  z  tensometrem  w  przyległej  gałęzi  mostka 

Wheatstone’a. Dodatnie zmiany oporu opornika kompensacyjnego działają wtedy jak ujemne 
zmiany oporu w połączeniu szeregowym opornika z tensometrem.  

 

Drugi sposób kompensacji polega na połączeniu tensometru czynnego (pomiarowego) 

z  tensometrem  kompensacyjnym  w  układzie  mostka  Wheatstone’a  w  przyległej  jego  gałęzi. 
Mostek  Wheastone’a  składa  się  wówczas  z  czterech  gałęzi,  w  których  umieszczone  są 
(rys. 4): 

 tensometr czynny o oporze R

1

 tensometr kompensacyjny o oporze R

2

 opornik o oporze R

3

 opornik o oporze R

4

background image

 

 

Rys. 4. Mostek Wheatstone’a 

 

Tensometr  kompensacyjny  kompensuje  wpływ  czynników  ubocznych,  w  tym  temperatury 
i wilgoci.  Tensometr  ten  naklejony  jest  na  ten  sam  element  konstrukcyjny  co  tensometr 
czynny  lub  na  inny  element  konstrukcyjny  wykonany  z  tego  samego  materiału  co  badana 
konstrukcja  i  znajduje  się  w  tych  samych  warunkach  temperaturowych  i  wilgotnościowych. 
Tensometr  kompensacyjny  jest  nieobciążony  lub  doznaje  tych  samych  odkształceń  co  do 
wartości lecz przeciwnych co do znaku jak tensometr czynny.  
 

3.1. Badanie płaskiego stanu naprężeń 

W  przypadku,  gdy  nie  są  znane  kierunki  główne,  nie  jest  możliwe  zbadanie  płaskiego  stanu 
naprężenia przy pomocy pojedynczego tensometru oporowego. Stąd w praktyce stosowane są 
układy  tensometrów  naklejonych  w  danym  punkcie  pomiarowym  lub  blisko  siebie  zwane 
rozetami tensometrycznymi. 

 

Tensometry  rozety  tensometrycznej  są  tak  rozmieszczone,  by  zminimalizować  błąd 

wywołany  ich  skończonymi  wymiarami.  Kąty,  pod  którymi  rozmieszczone  są  tensometry  w 
rozetach przyjmuję pewne ustalone wartości: 45

°

, 60

°

, 90

°

, 120

°

.  

 

a) 

 

 

 

 

b) 

 

 

Rys. 5. Rozety 2-tensometrowe: a) tensometry przylegające do siebie, b) tensometry skrzyżowane 

background image

 

10 

 

Najprostszymi rozetami tensometrycznymi są rozety prostokątne utworzone przez dwa 

tensometry  przylegające  do  siebie  (rys.  5a)  lub  skrzyżowane  (rys.  5b).    Wśród  rozet 
składających się z trzech tensometrów można wyróżnić: 

 rozety prostokątne złożone (rys. 6a), 

 rozety  prostokątne  skrzyżowane  (gwiazdowe)  o  zwartej  budowie,  identyczne  pod 

względem obliczeniowym z rozetami prostokątnymi złożonymi (rys.6b), 

 rozety typu „delta” (rys. 6c). 

a) 

 

 

 

b) 

 

 

 

c) 

 

 

 

Rys. 6. Rozety 3-tensometrowe: a) prostokątne złożone, b) prostokątne skrzyżowane (gwiazdowe),  

c) typu „delta” 

Podczas  badania  płaskiego  stanu  naprężeń  najczęściej  stosowane  są  rozety  składające  się  z 
czterech  tensometrów,  w  których  czwarty  tensometr  pełni  rolę  kontrolną  lub  pomocniczą. 
Przykładem takiej rozety jest rozeta T – „delta” (rys. 7).  

 

Rys. 7. Rozeta T – „delta” 

4. Przykłady zastosowań tensometrów oporowych 

W  szeregu  zastosowaniach  pomiary  przy  pomocy  tensometrów  oporowych  mają 

charakter  pomiarów  pośrednich,  kiedy  przy  pomocy  pomiarów  odkształceń  wyznacza  się 
wielkości fizyczne związane z odkształceniami.  
 

4.1. Pomiar sił w prętach 

 

W  przypadku  wyznaczania  sił  w  prętach  rozciąganych  lub  ściskanych  metodą 

tensometryczną  przyjmuje  się,  że  w  pręcie  występuje  jednorodny,  jednokierunkowy  stan 
naprężenia o zadanym kierunku głównym. Wówczas siła normalna w pręcie wynosi: 

A

N

=

σ

 

 

 

 

(26) 

background image

 

11 

gdzie:  A - pole przekroju poprzecznego pręta,  

σ

  - naprężenia normalne. 

Uwzględniając prawo Hooke’a siłę normalną w pręcie wyznaczamy z zależności: 

A

E

N

=

ε

,   

 

 

 

 

(27) 

gdzie:  

ε

- odkształcenie jednostkowe mierzone przy pomocy tensometru oporowego,                  

E

 – moduł Younga. 

 

4.2. Pomiar momentu gnącego i siły poprzecznej w belkach 

W przypadku pomiarów momentu gnącego i siły poprzecznej metodą tensometryczną 

zakładamy, że element belkowy o wymiarach przekroju poprzecznego 

h

b

×

 odkształca się w 

stanie  prostego  zginania.  Przy  takim  założeniu  do  pomiaru  momentu  gnącego  i  siły 
poprzecznej wystarczy jeden tensometr naklejony w danej odległości z od osi obojętnej belki, 
tak  by  druciki  oporowe  przejmujące  odkształcenie  były  równoległe  do  osi  belki  (rys.  8). 
Zwykle  tensometr  montuje  się  w  punkcie  pomiarowym  znajdującym  się  na  powierzchni 
włókien położonych w największej odległości od osi obojętnej. Wówczas moment gnący 

q

M

 

względem osi obojętnej y wynosi: 

W

E

z

I

M

g

=

=

ε

σ

 

 

 

(28) 

gdzie:  -  moment  bezwładności  względem  osi  obojętnej  y,  -  wskaźnik  przekroju  na 
ginanie względem osi obojętnej y
 

 

Rys. 8. Pomiar momentu gnącego i siły tnącej 

Wartość siły poprzecznej T wyznaczamy z pomiaru momentu gnącego w zadanych punktach 
belki.  Z  warunków  równowagi  odcinka  belki  o  długości  dx   wynika,  że  pochodna  momentu 
gnącego jest równa sile tnącej: 

dx

dM

T

g

=

 

 

 

 

 

(29) 

Rozważmy  belkę  obciążoną  siła  skupioną,  dla  której  moment  gnący  jest  liniową  funkcją 
położenia,  zaś  siła  tnąca  jest  funkcją  przedziałami  stałą.  Naklejając  dwa  tensometry  w 
odległości L od siebie (zgodnie z rys. )  i mierząc momenty gnące w punktach pomiarowych 
wartość siły poprzecznej T można wyznaczyć z równania: 

L

M

M

T

g

g

1

2

=

 

 

 

 

(30) 

gdzie:  

2

1

,

g

g

M

M

- momenty gnące zmierzone w punktach pomiarowych 1 i 2, L -odległość 

pomiędzy punktami pomiarowymi 1 i 2. 
 
 
 
 

background image

 

12 

4.3. Pomiar momentu skręcającego 

Pomiar  momentu  skręcającego  metodą  tensometryczną  pozwala  określić  wartość  momentu 
skręcającego 

s

 obracającego się wałka o średnicy D.  Maksymalne naprężenia skręcające 

τ

 

w pręcie o przekroju kołowym skręcanym momentem 

s

 wynoszą: 

0

W

M

s

=

τ

 

 

 

 

 

(31) 

gdzie:  

0

W

  -  wskaźnik  wytrzymałości  przekroju  na  skręcanie,  który  jest  równy  ilorazowi  

biegunowego  momentu  bezwładności 

0

I

  względem  środka  przekroju  przez    odległość 

najdalszego włókna 

max

ρ

 od środka przekroju: 

max

0

0

ρ

I

W

=

 

 

 

 

 

(32) 

Dla przekroju kołowego wskaźnik wytrzymałości przekroju na skręcanie wynosi: 

16

3

0

D

W

π

=

 

 

 

 

 

(33) 

stąd moment skręcający przekrój kołowy wynosi: 

τ

π

τ

16

3

0

D

W

M

s

=

=

.   

 

 

 

(34) 

Naprężenie styczne 

τ

działa stycznie do obwiedni przekroju poprzecznego wałka i  wywołuje 

stan  czystego  ścinania.  Kierunki  główne  naprężeń  są  obrócone  o  kąt  45

°

  w  stosunku  do 

kierunku  wyznaczonego  przez  styczną  do  przekroju  poprzecznego  i  leżą  w  płaszczyźnie 
stycznej do obwiedni wałka. Naprężania w kierunkach głównych stanu naprężenia podobnie, 
jak i odkształcenia mają takie same wartości, ale są przeciwnych znaków: 

2

1

2

1

ε

ε

σ

σ

=

=

.  

 

 

 

 

 

(35) 

Stąd  tensometry  mierzące  odkształcenia  jednostkowe 

1

ε

  i 

2

ε

  przykleja  są  do  powierzchni 

bocznej wałka pod kątem 45

°

 względem osi symetrii wałka w sposób pokazany na rys. 9. Ze 

wzoru  (35)  wynika,  że  do  pomiaru  momentu  skręcającego  wystarczy  jeden  tensometr. 
Zastosowanie  dwóch  tensometrów  pozwala  na  uśrednienie  wyników  pomiarów 

1

ε

  i 

2

ε

Prawo Hooke’a w przypadku skręcania ma postać: 

G

τ

γ

=

 

 

 

 

 

(36) 

gdzie:  

γ

- kąt odkształcenia postaciowego równy: 

2

1

2

2

ε

ε

γ

=

=

 

 

 

 

(37) 

zaś G  jest modułem sprężystości postaciowej (modułem Kirchhoffa): 

(

)

ν

+

=

1

2

E

G

.   

 

 

 

 

(38) 

background image

 

13 

 

Rys. 9. Pomiar momentu skręcającego 

 

Podstawiając równanie (37) opisujące kąt odkształcenia postaciowego do prawa Hooke’a (36) 
otrzymujemy: 

1

2

ε

γ

τ

=

=

G

G

 

 

 

 

(39) 

Ostatecznie moment skręcający wyznaczany jest ze wzoru: 

1

3

3

8

16

ε

π

τ

π

=

=

G

D

D

M

s

.  

 

 

(40) 

 

5. Wykonanie ćwiczenia 

5.1. Cel ćwiczenia 

Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  się  z  pomiarem  odkształceń  metodą  tensometrii 

oporowej i doświadczalne wyznaczenie rozkładu naprężeń normalnych w belce zginanej. 
 

5.2. Stanowisko pomiarowe 

Stanowisko  pomiarowe  składa  się  badanej  belki  dwuteownikowej  wykonanej  ze  stali 

podpartej  na  dwóch  wałeczkach,  maszyny  wytrzymałościowej  wywierającej  wymagane 
obciążenie  na  badaną  belkę  oraz  układu  pomiarowego.  Na  półce  belki  naklejony  jest 
tensometr oporowy w odległości od osi obojętnej belki. Na rys. 10 przedstawiono schemat 
stanowiska pomiarowego. 

 

Rys. 10. Stanowisko pomiarowe: 

1- bela, 2 – mostek, 3 – obciążenie belki, 4 - podpory 

background image

 

14 

5.3. Przebieg pomiarów 

W trakcie ćwiczenia należy: 

 zapoznać się z instrukcją obsługi mostka tensometrycznego, 

 skompensować i wykalibrować mostek tensometryczny, 

 obciążać  belkę  kolejnym  obciążeniami 

i

  przy  pomocy  maszyny  wytrzymałościowej 

i odczytywać wskazania mostka tensometrycznego, 

 wyniki pomiarów zanotować w tabeli pomiarowej. 

 
5.4. Opracowanie wyników pomiarów 

W ramach ćwiczenia należy wykonań opracowanie wyników pomiarów obejmujące: 

 opis celu i zakresu ćwiczenia, 

 schemat stanowiska pomiarowego, 

 tabelę pomiarową, 

 wykresy  strzałki  ugięcia  belki 

pom

f

  i 

obl

f

  w  połowie  jej  długości  w  funkcji  siły  P 

obciążającej belkę, 

 porównanie ugięcia belki wyznaczonego doświadczalnie i teoretycznie. 

 wnioski dotyczące wyznaczonego doświadczalnie przebiegu strzałki ugięcia w funkcji siły 

obciążającej belkę. 

Tabela pomiarowa. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń belki zginanej 

Ugięcie belki 

 

Lp. 

 

 

P

 

[kN] 

 

g

M

  

[Nm] 

 

obl

g

σ

 

[MPa] 

Odczyt 

na mostku 

k

R

1

 [‰] 

Odkształcenie 

jednostkowe 

ε

 

[-] 

 

pom

g

σ

 

[MPa] 

pom

f

 

[mm] 

obl

f

 

[mm] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10 

 

 

 

 

 

 

 

 

11 

 

 

 

 

 

 

 

 

12 

 

 

 

 

 

 

 

 

13 

 

 

 

 

 

 

 

 

14 

 

 

 

 

 

 

 

 

15 

 

 

 

 

 

 

 

 

16 

 

 

 

 

 

 

 

 

17 

 

 

 

 

 

 

 

 

18 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

15 

gdzie:    - siła skupiona obciążająca belkę przyłożona w środku belki, 

g

M

-  moment  gnący  w  punkcie  pomiarowym  znajdującym  w  połowie  długości   

badanej belki: 

4

L

P

M

g

=

L  -  długość  belki,  przyjmujemy  że  jest  ona  równa  odległości  pomiędzy   
podporami: L = 1000 mm, 

obl

g

σ

 

- naprężenia gnące w punkcie pomiarowym wyznaczone ze wzoru:  

g

g

g

W

M

=

σ

g

- wskaźnik wytrzymałości na zginanie: 

g

 = 34.2 cm

3

ε

  - odkształcenie jednostkowe wyznaczane  zależności:  

R

R

k

=

1

ε

k  - stała tensometru oporowego: k = 2.15, 

pom

g

σ

  -  naprężenia  gnące  w  punkcie  pomiarowym  wyznaczone  na  podstawie 

pomiarów tensometrycznych odkształcenia jednostkowego: 

E

pom

g

=

ε

σ

E  - moduł Young’a: 

5

10

2

=

E

 MPa, 

obl

f

- strzałka ugięcia belki w punkcie pomiarowym wyznaczona z zależności: 

I

E

L

P

f

obl

=

48

3

  - moment bezwładności przekroju poprzecznego belki względem osi 

obojętnej: I = 105 cm

4

pom

f

- strzałka ugięcia belki w punkcie pomiarowym wyznaczona z pomiarów. 

 

Bibliografia 

1.  Bachmacz  W.:  Wytrzymałość  materiałów.  Badania  doświadczalne.  Skrypt  Politechniki 

Częstochowskiej, Częstochowa 1973. 

2.  Banasik  M.:  Ćwiczenia  laboratoryjne  z  wytrzymałości  materiałów.  PWN,  Warszawa 

1977. 

3.  Boruszak  A.,  Sykulski  R.,  Wrześniowski  K.:  Wytrzymałość  materiałów.  Doświadczalne 

metody badań. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1977. 

4.  Katarzyński S., Kocańda S., Zakrzewski M.: Badania właściwości mechanicznych metali. 

WNT, Warszawa 1967. 

5.  Mazurkiewicz S.: Laboratorium z wytrzymałości materiałów. Wydawnictwo Politechniki 

Krakowskiej, Kraków 1978. 

6.  Orłoś Z.: Doświadczalna analiza odkształceń i naprężeń. PWN, Warszawa 1977.