|
В. В. Каминский, д-р техн. наук, Л. Н. Васильев, канд. физ.-мат. наук, П. В. Дубровин, С. М. Соловьев, В. В. Шпейзман, д-р физ.-мат. наук, Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН
ДАТЧИКИ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПЛАСТМАССОВЫХ, КОМПОЗИТНЫХ И БЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ОСНОВЕ СУЛЬФИДА САМАРИЯ (SmS)
Предложены тензорезисторные радиационностойкие датчики на основе сульфида самария (SmS) для измерения составляющих деформации и давления всестороннего сжатия в критических точках конструкций Ё" тона, пластмассы и композитных материалов, датчики могут быть использованы для долговременного контроля механических напряжений в процессе эксплуауатации мостов, туннелей, креплений горных выработок и т. д., а также при изготовлении ответственных деталей конструкций{.в'"аэрокосмической, судостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности.
Разработаны тензорезисторные датчики для измерения составляющих деформации и давления всестороннего сжатия в критических точках конструкций при их нагружении. Для этого датчики размещаются внутри материала конструкций из бетона, пластмассы и композитных материалов (углепластиков, стеклопластиков) в процессе изготовления последних и могут выдавать информацию, как во время стендовых испытаний конструкций, так и в процессе их эксплуатации. В общем случае для измерения всех компонентов произвольного симметричного тензора деформации минимальное число устанавливаемых взаимно независимых датчиков должно быть равно шести [1]. В большинстве частных случаев меньшего числа тензорезисторов (обычно от одного до трех).
Чувствительными элементами датчиков для бетона являются полупроводниковые тонкопленочные тензорезисторы специальной формы с активным слоем из материала на основе SmS. Они имеют коэффициент тензочувствительности К = 20-100 и чувствительность электросопротивления к всестороннему сжатию 1—3 % на 10 МПа (100 атм.). Тензорезисторы работоспособны до давлений всестороннего сжатия 10 МПа и до температур ~400 °С, обладают высокой временной стабильностью (проверено экспериментально до 12 лет) и рекордной радиационной стойкостью среди известных полупроводников. Они работоспособны до -1010 Р в условиях - облучения [2, 3]. Датчики выдерживают все деформации, которые выдерживают бетоны (предельно допустимые механические напряжения выше, чем у бетонов). Выходные характеристики тензорезисторов практически линейные по деформации, давлению и температуре во всех рабочих диапазонах. Выходной сигнал с датчиков без усиления составляет до 20 мВ в соответствии с максимально достижимыми в бетоне деформациями. Разрешающая способность по относительной деформации не хуже 10 . Пространственная область мониторинга деформаций одним датчиком от -10 мм до -10 см в зависимости от размеров, числа и взаимного расположения тензорезисторов.
Приведенные на рис. 1 результаты параллельных исследований деформаций со в бетонном цилиндре при его сжатии, полученные с помощью датчиков на SmS и на универсальной испытательной машине "Instron 1342", показывают хорошее соответствие результатов. Однако датчики на SmS более четко показывают границы смены механизмов деформирования, в частности, переход от упругой зоны к пластической, благодаря локальности своих измерений. Геометрия приложения нагрузки и установки датчиков схематически показана на рис. 2. Здесь тензорезисторы 1 и 2 измеряют продольную и поперечную составляющие деформации соответственно.
Ближайшими аналогами таких датчиков являются закладные устройства на основе металлических тензорезисторов и магнитоупругие датчики. Они существенно уступают датчикам на SmS по всем эксплуатационным параметрам и превосходят их по габаритным размерам на несколько порядков, что и ограничивает область их применения, что и ограничивает область их применения.
Рис. 1. Зависимости относительных деформаций от нагрузки для бетонного цилиндра при сжатии. Данные, полученные с датчика на SmS (K= 25): 1— продольная деформация; 2— поперечная деформация; 3 — продольная деформация, измеренная с помощью экстензометра с базой 10 мм при испытании на "Instron 1342"
Датчики для бетона на основе SmS защищены авторским свидетельством на изобретение [4]. Такие датчики использовались при разработке крепления нефтяных скважин, для контроля напряженного состояния бетонных конструкций в условиях подвижки грунта, а также для определения предельных отрицательных температур, при которых возможно проведение бетонных работ (определение температуры отвердевания бетонного теста). На рис. 3 приведены в сравнении снятые с помощью датчиков на основе SmS температурные зависимости локальных объемных напряжений в замораживаемых бетонном тесте и грунте. Информация получена с объемов бетона и грунта -10 мм в температурном интервале + 10ч—45 °С. Кривые такого типа удалось снять впервые. Никакими другими средствами это сделать невозможно. Количественные данные и ход кривых соответствуют расчетам.
Рис. 3. Снятые с помощью тонкопленочного датчика на основе SmS зависимости локальных объемных напряжений от температуры в затвердевающем бетоне (1) и в замораживаемом грунте (2)
Датчики могут быть использованы для долговременного контроля механических напряжений в процессе эксплуатации мостов, туннелей, креплений горных выработок и т. п. Высокая радиационная стойкость может позволить применять датчики на SmS для мониторинга бетонных конструкций в условиях облучения.
Датчики для измерения деформации пластмасс и композитов по конструкции аналогичны датчикам для бетона и отличаются тем, что активный слой тензорезисторов нанесен на специальную подложку, наличие которой не вносит искажений в поле механических напряжений исследуемого объекта. Тензорезисторы имеют электросопротивление ~102—104 Ом и выдерживают деформации до ~1,5%. Выходной сигнал с датчика в рабочем диапазоне деформаций без усиления до 0,5 В. При этом линейность изменения ln(R) с точностью 1 % наблюдается во всем рабочем диапазоне. Проверенная стабильность по времени составляет около двух лет. Достоверность информации, снимаемой с датчиков, помещенных в композиты и пластмассы, также проверялась на испытательной машине "Instron 1342". Результаты параллельных испытаний с помощью датчиков на SmS и на "Instron 1342" для пластмассового образца приведены на рис. 4.
Рис. 4. Зависимости относительной деформации от нагрузки для пластмассового образца, полученные с помощью датчика на SmS (/) и экстензометра с базой 10 мм (2) при испытании на "Instron 1342"
Наблюдалось хорошее соответствие результатов. На рис. 5 изображена геометрия приложения нагрузки и установки датчиков. Могут быть изготовлены тензорезисторы с базами от 0,5 мм до 10 см.
Рис. 5. Геометрия приложения нагрузки и установки датчиков
Высокая тензочувствительность позволяет измерять напряжения, возникающие в пластмассовых конструкциях не только при нагружении, но и при изменении температуры. Соответствующие испытания проводились до температур -+120 °С. Работоспособность при более высоких температурах ограничена обнаруженным недавно в материалах на основе сульфида самария эффектом генерации электродвижущей силы при Т~ 150 °С. Этот эффект связан с изменением валентности ионов самария, находящихся в междоузлиях кристаллической решетки SmS [5]*. Однако и такие предельные рабочие температуры оказываются выше температур, при которых эксплуатируются исследуемые материалы.
Рис 6. Зависимость относительной деформации от удельной нагрузки для образца из углепластика, полученная с помощью датчика на SmS
На рис. 6 приведены результаты испытаний образца из углепластика с помощью датчика на основе SmS. На рис. 7 изображена геометрия взаимного расположения нагрузки, датчика и слоев углепластика. На рисунке видно, что при малых деформациях выходной сигнал с датчика абсолютно линеен, что соответствует линейности изменения деформации с нагрузкой. Результаты испытаний при больших деформациях образца показаны на рис. 8. Из рис. 8 следует, что датчик работоспособен далеко за пределами области упругих деформаций образца. Расположение датчика и схема нагружения соответствует рис. 5. До нагрузки Ра 6000 Н датчик испытывает сжимающие пуассоновы деформации.
Рис. 7. Схематическое изображение образца из углепластика, приложенной нагрузки и датчика на основе SmS
При дальнейшем увеличении нагрузки наблюдается увеличение сопротивления тензорезистора, вызванное повреждениями чувствительного слоя вследствие растрескивания, испытываемого образца. Последняя точка Р = 10000 Н соответствует разрушению образца при его относительной деформации 1,5 % (измерено на "Instron 1342").
Рис. 8. Испытания до разрушения образца из углепластика. Данные получены с помощью тензорезистора на основе SmS
Перспективным представляется изготовление композитных материалов с заранее встроенными тензорезисторами на основе SmS (пласиины,стержни и т. п.) для применения при изготовлении ответственных деталей конструкций в аэрокосмической, судостроительной, автомобильной и других отраслях промышленности. Аналогов таким материалам пока не существует.
Список литературы
1.Ландау Л. Д., Лифщиц Е. М. Теория упругости. М.: Наука. 1965. 204 с.
2. Каминский В. В., Васильев Л. Н., Горнушкина Е. Д., Соловьев С. М., Сосова Г. А., Володин Н. М. Влияние гамма-облучения на электрические параметры тонких пленок SmS //
ФТП. 1995. Т. 29. Вып. 2. С. 306-308.
3. Васильев Л. Н., Каминский В. В., Соловьев С. М.,
Шаренкова Н. В. Механизм высокой радиационной стойкости
электрических параметров тонких пленок SmS // ФТП. 2000.
Т. 34. Вып. 9. С. 1066-1068.
4: Каминский В. В., Сосов Ю. М., Володин Н. М. Тензорезистор. А.с. № 1717946, приоритет от 11.07.1989.
5. Каминский В. В., Соловьев С. М. Возникновение электродвижущей силы при изменении валентности ионов самария в процессе фазового перехода в монокристаллах SmS // ФТТ. 2001. Т. 43. Вып. 3. С. 423-426.
Рис.2.Геометрия приложения
|
