Устройство для контроля деформации и способы его использования в механических структурах, подвергающихся напряжению

 

Изобретение предназначено для измерения и контроля деформаций в конструкциях любого типа. На элементе конструкции размещают чувствительный элемент из материала, изменяющего физические свойства при деформации. В качестве материала чувствительного элемента используют материал, изменяющий фазовое состояние при деформации. Измеряют величину фазового изменения чувствительного элемента после того, как элемент конструкции подвергают силовому воздействию или нагружению, и по этой величине определяют величину деформации. 3 с. и 13 з.п. ф-лы, 27 ил.

Изобретение относится к измерению и контролю напряжений в конструкциях любого типа. Примерами таких конструкций являются здания, мосты, трубопроводы, дамбы, автострады, самолеты и машины. Более точно настоящее изобретение относится к измерению деформации между двумя отстоящими друг от друга точками независимо от среды, в которой возникает напряжение и деформация.

Каждая механическая конструкция подвержена силовому воздействию или нагружению того или иного типа. Например, когда объект расположен в гравитационном поле, простое наличие гравитационной силы вызывает определенную деформацию, действующую на составные части конструкции. Большинство физических конструкций проектируется с таким расчетом, чтобы они могли выдерживать напряжения такого рода, однако во многих случаях такие конструкции время от времени подвергаются силовому воздействию или нагружению. Эти аномальные воздействия могут происходить под действием условий окружающей среды, например землетрясений, но они возникают и во время нормальной работы, например в мосте или при эксплуатации машин.

Например, здания получают переменные нагрузки в результате использования человеком потоков ветра, вибраций и т.д. Мосты подвергаются переменными нагрузкам при движении транспорта потоков ветра, потоков приливов-отливов, которые представляют некоторые, но не исчерпывающие причины перемены нагрузки. Когда любая конструкция расположена на земле, она может подвергаться тепловым нагрузкам, действию грунта (ползучесть, оседание, затвердение) и обычным нагрузкам, вызываемыми землетрясениями или другими стихийными бедствиями. Пароходы, самолеты, промышленное оборудование и тому подобное при нормальной работе испытывают нагрузки разной силы, так как машина нормально функционирует при воздействии силы. Таким образом, конструктивные элементы машин должны нести нагрузку, возникшую при приложении силы.

Настоящее изобретение касается измерения деформации, действующей на элементы конструкции, хотя оно может использоваться для контроля деформации между двумя точками, к которым можно присоединить деформирующийся элемент. Таким образом, настоящее изобретение может не только контролировать деформацию на конструктивных элементах, но оно также может измерять перемещение между двумя точками и может контролировать деформацию грунта или основания.

Потребность в устройствах для измерения деформации бесспорна. Хорошо известно, что стихийные бедствия часто вызывают в конструкции деформацию так, что она становится непригодной для использования. Действительно, даже нормальное использование конструкции или нормальное использование машины может привести к нарушению состояния системы ниже допустимого уровня. В любом случае текущие меры предосторожности требуют визуальной проверки структуры и иногда контролер должен произвести несколько эмпирических измерений, чтобы оценить степень разрушения конструкции. В больших конструкциях, таких как здания, дамбы, автострады и тому подобное, не только возможно, но также вероятно, что связанное структурное повреждение сказывается на внутренних конструктивных элементах системы. В таком случае повреждение почти можно оценить из-за недоступности конструктивных элементов для проверки. Даже когда конструктивные элементы, составляющие систему, могут быть обследованы и/или измерены, процесс оценки требует времени и является дорогостоящим. Когда число контролеров ограничено, невыполненные работы могут привести к запрещению использования конструкции, например, после землетрясений или стихийных бедствий. Далее, когда конструктивный элемент подвергнут растяжению, а затем возвращается к своей первоначальной форме или в менее растянутое состояние, проверка может не показать действительную степень повреждения. Поэтому возможны случаи, что поврежденные конструкции прошли проверку, в которых повреждение не заметно.

Существуют тензодатчики, например, аналитические. Разработаны электрические тензодатчики, которые могут быть сгруппированы в четыре типа: 1) емкостные тензодатчики, 2) индуктивные или магнитные тензодатчики, 3) пьезоэлектрические тензодатчики и 4) резисторные тензодатчики. Из них наиболее предпочтительным является индуктивный тензодатчик, в котором измерение деформации как функции измерения длины, производится путем перемещения индуктивного элемента относительно проводящей катушки с тем, чтобы изменить индуктивность электронной схемы в результате изменения тока, протекающего через нее. Это изменение приводит к возникновению сигнала деформации, который затем может быть усилен соответствующим электронным средством. Аналогичным образом емкостные тензодатчики функционируют при относительном перемещении обкладок или диэлектрической среды для изменения емкости системы, тем самым генерируется сигнал, показывающий относительное перемещение между точками, между которыми действует деформация. Резистивные тензодатчики реагируют на изменение сопротивления в проводах ввиду деформации проводов. Пьезоэлектрические тензодатчики функционируют на принципе генерирования тока в пьезоэлектрических кристаллах под действием нагружения.

Несмотря на разработку этих тензодатчиков, они до сих пор не включены в конструктивные схемы в качестве инструмента для измерения деформации на конструкцию. Частично это может быть связано с высокой стоимостью тензодатчиков, но также и с тем, что эти датчики очень сложные по конструкции и относительно хрупкие. Поэтому измерение требует относительно высокого уровня квалификации, а постоянное использование на месте привело бы к недопустимо высокой стоимости профилактики и потере надежности.

Поэтому необходимо усовершенствовать элемент тензодатчика и создать устройство, которое было бы относительно недорогим в производстве, его было легко использовать и оно было бы просто в обращении.

Известен способ измерения механической деформации элементов конструкции, заключающийся в размещении на элементе конструкции чувствительного элемента из материала, изменяющего физические свойства при деформации (авт. св. СССР N 1395942, кл. C 01 B 7/18, 1988).

Известно устройство для измерения механической деформации элементов конструкции, содержащее чувствительный элемент, выполненный из материала, изменяющего физические свойства при деформации (авт. св. СССР N 1395942).

Известен тензодатчик для измерения деформации на элементах конструкции, содержащий чувствительный элемент, закрепленный на двух опорах соответственно в двух положениях с возможностью относительного перемещения опор при деформации элемента конструкции (авт. св. СССР N 1196680, кл. G 01 B 7/18, 1985).

Недостатком известных технических решений является низкая функциональность, недостаточная чувствительность, сложность в изготовлении и измерении.

Цель настоящего изобретения состоит в создании нового и полезного элемента тензодатчика, выполненного из такого материала, что в нем используются различные физические изменения в качестве индикатора деформации в конструкции.

Другой целью настоящего изобретения является создание нового и полезного способа измерения деформации конструкции в результате нагружения.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание устройства и способа, в которых деформация конструкции может быть измерена путем контроля за изменением фазового состояния материала, из которого выполнен элемент тензодатчика.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание устройства и способа, в котором конструктивные элементы или компоненты в системе изготовлены полностью или частично с использованием материала, который подвергается фазовому изменению из неферромагнитного состояния в ферромагнитное состояние под действием деформации.

Еще одной целью настоящего изобретения является создание устройства и способа измерения пиковой деформации в конструкции в течение интервала времени.

Для достижения этих целей в настоящем изобретении предусмотрено устройство для измерения механической деформации элемента конструкции. Устройство включает элемент, образованный из материала, который изменяет фазовое состояние при деформации. Этот элемент закрепляется в элементе конструкции, например в системе, соответствующим образом так, что относительное перемещение между двумя точками крепления под действием нагрузки на элементе конструкции вызывает соответствующую деформацию элемента. Конструктивно измерение фазы осуществляется таким образом, что степень изменения фазы может использоваться для определения деформации и тем самым определения степени разрушения элемента конструкции.

В элементе согласно предпочтительному варианту воплощения настоящего изобретения используется материал, который изменяет фазу и тем самым магнитные свойства при деформации. Согласно этому варианту подвергающийся деформации элемент выполнен из преобразованной легированной стали с улучшенной пластичностью (TRIP), которая, как известно, подвергается необратимому изменению из неферромагнитного состояния в ферромагнитное состояние пропорционально действующей деформации. Этот элемент предпочтительно является эластичным элементом, который, например, может быть закреплен между парой стоек, так что относительное перемещение стоек приводит к появлению деформации на элементе, растягивает его, чем принуждает легированную сталь TRIP повышать свои ферромагнитные свойства. В одном варианте воплощения катушка окружает растягиваемый элемент и измерение магнитной индуктивности производится путем измерения тока, протекающего через катушку. В другом варианте воплощения сетчатая матрица проводов TRIP может быть заделана в покрытие структуры, например в крыло самолета, и магнитная индуктивность может измеряться с помощью независимой катушки, помещенной рядом с сетчатым материалом. Альтернативно элемент TRIP может представлять пластину или покрытие на элементе конструкции и изменение магнитной индуктивности может измеряться соответствующим прибором, известным в этой области техники. В вариантах воплощения, описанных в этой заявке, также показано, что подвергающийся деформации элемент может быть элементом конструкции системы или может быть вспомогательным элементом, соединенным с объектом. В первом случае подвергающийся деформации элемент может быть проводом, кабелем, плитой, балкой, колонной или другим элементом конструкции и может крепиться на месте с помощью винтов, болтов, заклепок и тому подобное, используемых для соединения двух конструктивных элементов.

Когда используется один растягивающий элемент, тензодатчики согласно изобретению могут измерять одно результирующее напряжение от сжатия или растяжения. Однако как указано, тензодатчики могут быть сконструированы для измерения деформации во многих направлениях, например, в результате сжатия или сдвига.

Соответственно настоящее изобретение может быть включено в любую конструкцию, включая механизмы, которые подвергаются сжатию. Способ и устройство согласно изобретению поэтому могут использоваться в таких конструкциях, как мосты и автострады, дамбы, здания, трубопроводы и машины, самолеты или большие промышленные установки.

Из сказанного выше следует, что способ согласно изобретению измеряет деформацию в конструкции и включает несколько основных приемов. Во-первых, элемент из материала, обладающего способностью менять фазу при деформации, вводится в конструкцию таким образом, что этот элемент будет деформироваться в соответствии с деформацией, которая измеряется в конструкции. Во-вторых, фазовое изменение материала измеряется как показатель деформации, вызывающей изменение фазы. Элемент из такого материала может быть включен в виде элемента конструкции, он может быть заделан в конструкцию или закреплен как вспомогательный элемент на элементе конструкции. Предпочтительно, чтобы элемент из такого материала имел конфигурацию растягиваемого элемента, так что стадия включения элемента в структуру могла быть осуществлена путем включения разнесенных анкерных креплений для закрепления противоположных концов растягиваемого элемента или путем заделывания элемента в конструкцию. Материал должен быть таким, который изменяет фазу из неферромагнитного состояния в ферромагнитное состояние при деформации, а стадия измерения должна проводиться путем измерения изменения магнитной индуктивности материала.

Эти и другие цели настоящего изобретения будут более понятны из нижеприведенного подробного описания предпочтительного варианта реализации со ссылкой на прилагаемые чертежи.

На фиг. 1 дано схематичное изображение элемента конструкции под действием осевого сжатия, где а - элемент в состоянии растяжения, б - в состоянии сжатия согласно изобретению; на фиг. 2 -диаграммы изменения деформации при сжатии (а) и изменения процентной величины намагничивания магнитного материала по отношению к изменению при деформации (б) для растягиваемых элементов из легированной стали TRIP согласно изобретению; на фиг. 3 - схематичное изображение деформируемого элемента согласно изобретению, содержащего материал с изменяемой фазой; на фиг. 4 - элемент тензодатчика и измерительный прибор согласно изобретению, закрепленный на растягиваемом тросе; на фиг. 5 - вид сверху, показывающий элемент тензодатчика и измерительный прибор, используемые для соединения пары тросов согласно изобретению; на фиг. 6 -вид сверху, показывающий использование материала с изменяющейся фазой в качестве троса с измерительным прибором согласно изобретению; на фиг. 7 - вид сверху многожильного троса, выполненного из материала с изменяющейся фазой согласно изобретению; на фиг. 8 - вид сбоку секции моста, содержащей тензодатчик согласно изобретению; на фиг. 9 - вид сбоку с частичным поперечным сечением тензодатчика согласно изобретению в конструкции болта, поддерживающего первый элемент конструкции из второго элемента конструкции согласно изобретению; на фиг. 10 - общий вид устройства тензодатчика согласно изобретению, имеющий множество диапазонов для детектирования деформации согласно изобретению; на фиг. 11 - общий вид, показывающий конструкцию тензодатчика при сжатии во многих диапазонах согласно изобретению; на фиг. 12 - вид сбоку, показывающий устройство тензодатчика для измерения деформации сжатия и растяжения согласно изобретению; на фиг. 13 - вид сверху устройства тензодатчика на фиг. 12 согласно изобретению; на фиг. 14 - общий вид устройства тензодатчика на фиг. 12 и 13, смонтированного на балке согласно изобретению; на фиг. 15 - вид сбоку, показывающий конструкцию, использующую балки, колонны и распорки и содержащую тензодатчики для измерения деформации в конструкции согласно изобретению; на фиг. 16 - вид сверху альтернативного варианта выполнения элемента тензодатчика в форме пластины согласно изобретению; на фиг. 17 - общий вид подвергающегося растяжению элемента, показанного на фиг. 16 согласно изобретению; на фиг. 18 - общий вид корпуса, выполненного из материала с изменяющейся фазой согласно изобретению; на фиг. 19 - вид сбоку (поперечное сечение), показывающий подвергающийся растяжению элемент, в виде покрытия на подложке согласно изобретению; на фиг. 20 - общий вид сеткообразного тензоизмерительного элемента для заделывания в элемент конструкции, элемент конструкции показан пунктиром согласно другому варианту реализации изобретения; фиг. 21 - вид сбоку (поперечное сечение), показывающий тензодатчики путем измерения растяжения и смещения рамки согласно изобретению; на фиг. 22 - вид сбоку, показывающий устройство для измерения растяжения и смещения с элементами с фиг. 21 для каменной стенки согласно изобретению; на фиг. 23 - общий вид (поперечное сечение с вырывом), показывающий измерение смещения и растяжения в три измерения кирпичной структуры согласно изобретению; на фиг. 24 - общий вид (вырыв), показывающий систему измерения напряжения растяжения в конструкции здания согласно изобретению; на фиг. 25 - общий вид трубы, содержащей вделанные в нее подвергающиеся растяжению элементы согласно изобретению; на фиг. 26 - общий вид, показывающий устройство измерения напряжения, смонтированного снаружи на трубе согласно изобретению; на фиг. 27 - вид сверху устройства тензодатчика для измерения торсионных сил на стержне или трубе согласно изобретению.

Настоящее изобретение касается измерения деформации в различных конструкциях. С точки зрения устройства, настоящее изобретение в его широком смысле включает в себя новые элементы определения деформации, которые могут быть выполнены в форме независимых тензодатчиков, могут монтироваться на элементах конструкции и могут использоваться для измерения деформации этого конкретного элемента.

Альтернативно элементы детектирования деформации могут быть включены в конструкцию либо как первичные, либо как вторичные структурные элементы, или могут быть заделаны в тело элемента конструкции. Для этого в изобретении предусмотрена система измерения, которая может быть внедрена в большие конструкции для контроля многочисленных мест, где имеет место деформация. Соответственно в широком смысле настоящее изобретение также касается новых и полезных способов измерения деформации в элементе конструкции и в комплексных структурах, содержащих большие элементы или многочисленные структурные элементы.

На фиг. 1,а и б показан вариант, когда конструктивный элемент 10 располагается продольно между первой точкой X₁ и второй точкой X₂. Этот конструктивный элемент 10 в этом случае подвергается осевому растяжению T, показанному на фиг. 1,а, или сжатию C, показанному на фиг. 1,б. В любом случае конструктивный элемент 10 может подвергаться поперечному усилию среза S. При однонаправленном измерении X₁ - X₂ можно предположить, что имеют место два напряжения на сжатие, осевое напряжение и напряжение среза, причем сжатие определяется как сила на единицу площади, что хорошо известно в области механики. Так как фактически элемент конструкции является трехмерным, то имеется шесть разных сил сжатия, которые могут действовать на трехмерный объект.

Есть три осевые силы, соответствующие координатным осям, и три напряжения среза, каждое из которых соответствует соответствующему осевому сжатию.

Механическая деформация является результатом нагружения материала. Нормальная деформация измеряется как процентное изменение длины материала в измеряемом направлении. Таким образом, для иллюстрации, если осевое растяжение вызывает удваивание длины осевого элемента, к которому оно приложено, тогда этот элемент имеет 100%-ное осевое или нормальное растяжение. Аналогичным образом, если осевая сила является сжатием, и напряжение на сжатие ведет к уменьшению наполовину первоначальной осевой длины, материал имеет 50%-ное сжатие. Способность измерять деформацию материала позволяет вычислить разрушение растянутого элемента, и зная свойства самого элемента, позволяет вычислить сжатие, которое выражается в деформации, что хорошо известно в механике. Соответственно в отношении известного конструктивного элемента, если известно сжатие, можно вычислить растяжение или наоборот.

Как указано в разделе о предпосылках создания изобретения, имеются несколько разных типов тензодатчиков, разработанных для измерения деформации на элементе, поскольку часто более удобно измерять деформацию (растяжение), чем сжатие. Эти устройства измеряют деформацию путем измерения относительного перемещения ферромагнитного сердечника по отношению к измерительной катушке, относительного перемещения емкостных обкладок для диэлектрической среды, изменения электрического сопротивления в результате деформации при растяжении или генерирования электрического тока с помощью пьезоэлектрического тока с помощью пьезоэлектрического элемента, подвергающегося деформации. Настоящим изобретением добавляется пятое средство к четырем, описанным выше, а именно изменение состояния материала, подвергающегося деформации. Предпочтительный вариант воплощения настоящего изобретения основан на измерении магнитной индуктивности аналогично тензодатчикам индуктивного типа, однако физический механизм (изменение фазы) относительного изменения магнитной индуктивности полностью отличается от используемого до этого в тензодатчиках. Тензодатчики, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, могут поэтому именоваться как датчики изменения фазы.

A. Материалы с изменяющейся фазой.

Настоящее изобретение было создано благодаря тому, что заявители обнаружили, что материалы, которые изменяют фазу пропорционально деформации, могут быть приспособлены для измерения деформации на конструктивном элементе. Фазовое изменение, в широком смысле, является переходом физического свойства материала из одного состояния в другое. Например, изменение фазы может происходить между твердым и жидким, жидким и газовым или твердым и газовым состояниями. Фаза обычно определяется как однородное гомогенное тело вещества, которое физически отличается от остальных тел вещества. В кристаллических твердых телах атомы, составляющие вещество, расположены в периодической матрице, известной как решетка. Свойства, проявляемые кристаллическим твердым телом, зависят от конкретной трехмерной матрицы или "кристаллической структуры", образуемой атомами. Эти разные фазы могут производить изменения в магнитных, электрических, оптических и механических (неполный перечень) свойствах или поведении материала.

Хотя в широком аспекте в изобретении предусмотрено, что фазовые изменения материалов разного характера могут быть использованы в тензодатчиках для элементов детектирования деформации, но основным материалом, в настоящее время выявленным изобретателями, который может быть использован в качестве тензоизмерительного элемента, является материал, известный как преобразованная легированная сталь с улучшенной пластичностью, которая известна как легированная сталь TRIP.

Некоторые твердые вещества, такие как железо, могут иметь не одну атомную решетку в зависимости от температуры, давления или других внешних факторов. Стабильная форма железа в условиях окружающей среды представляет собой тело с центрированной кубической решеткой, однако путем легирования железа другими элементами, атомы могут располагаться в метастабильных кристаллических структурах, таких как кубическая с центрированными гранями. В 1960-х годах было установлено, что материалы, которые существуют в метастабильной кубической атомной структуре с центрированными гранями, будут трансформироваться в более стабильную структуру под действием приложенного напряжения сжатия (или растяжения). В результате характеристики деформации этих материалов оказались уникальными в отношении достигаемой прочности, сопротивлению разрыву или ударной вязкости. Так как улучшенные механические свойства были результатом фазовых преобразований, которые возникали при эластичной и/или пластичной деформации, этим сталям было дано сокращенное наименование TRIP - преобразованная легированная сталь с улучшенной пластичностью. Легированные стали TRIP являются сплавами на основе железа, которые могут содержать также марганец, углерод, никель, хром и молибден (перечень неполный).

Как указано выше, легированные стали TRIP были разработаны специально из-за более высокой прочности и ударной вязкости плюс их потенциальная возможность для производства конструктивных элементов большей прочности на единицу веса. Хотя были известны магнитные свойства легированных сталей TRIP и их способность изменять фазу, до сих пор не было проявлено особого интереса к этим устройствам, кроме прочности. Эти материалы были кратко исследованы в качестве потенциального материала для захоронения радиоактивных отходов, но такая технология никогда не разрабатывалась. Таким образом, они нигде не применялись, кроме как в качестве материалов высокой прочности и высокой ударной вязкости.

Как указано выше, одним из свойств легированных сталей TRIP является изменение фазы под нагрузкой. Семейство легированных сталей ТRIР в ненагруженном состоянии относится к кубической фазе с центрированными гранями. Иначе говоря, каждая элементарная ячейка в кристаллической структуре имеет атом, расположенный в центре куба, и другой атом в центре каждой грани куба. Эта фаза является нетастабильной и отличается от нормальной атомной структуры сплавов на основе железа, последняя является "кубическим центрированным телом" в стабильной фазе. "Кубическое центрированное тело" представляет атомную структуру, в которой каждая элементарная ячейка имеет атом, расположенный на углу куба, и другие атомы, расположенные в центре кубической решетки.

Заявители обнаружили, что легированные стали TRIP изменяют фазу при переходе из ненагруженного или начального состояния, при котором фаза является метастабильной кубической структурой с центрированными гранями, в стабильную кубическую структуру центрированного тела пропорционально величине нагрузки на элемент, выполненный из легированной стали TRIP. Это фазовое изменение имеет два свойства, которые обеспечивают материалу полезность при использовании в устройстве и способе измерения деформаций. Во-первых, изменение фазы из кубической структуры с центрированными гранями в кубическую структуру с центрированным телом вызывает результирующее изменение магнитных свойств материала, т.е. из неферромагнитного он становится ферромагнитным. Во-вторых, это фазовое изменение является необратимым.

Как показано на фиг. 2,а кривая L начальной нагрузки указывает, что деформация при растяжении и сжатии пропорциональны друг другу. На фиг. 2,б можно видеть, что для легированных сталей TRIP процент ферромагнетизма M₁ является функцией деформации растяжения и что композиция конкретного сплава может быть составлена таким образом, чтобы сместить ферромагнитную кривую и измерять диапазоны деформации с помощью разных композиций сплава. Установлено, что разные материалы будут проявлять разную чувствительность и будут вести себя различно. Например, первая ферромагнитная кривая M₁ имеет при деформации (при растяжении) динамический диапазон между S₁ и S₃, в котором процент ферромагнетизма может использоваться для измерения деформации при растяжении материала. Аналогично ферромагнитная кривая M₁ имеет динамический диапазон, в котором деформация измеряется между S₂ и S₅. Наконец, ферромагнитная кривая M₃ имеет динамический диапазон, соответствующий диапазону измеряемой деформации между S₄ и S₆. Так как динамические диапазоны кривых M₁, M₂ и M₃ перекрываются, то для трех элементов, графически показанных на фиг. 2, б? соответствующие ферромагнитные процентные величины трех элементов показывают динамический диапазон, охватывающий измеряемую деформацию при растяжении между точками S₁ и S₆.

Заявители установили, что изменение из неферромагнитного состояния в ферромагнитное состояние в соответствующих диапазонах детектирования может использоваться для измерения деформации растяжения легким и недорогим способом, который до этого не был известен. Разные измерительные элементы могут иметь разную чувствительность путем подбора состава сплава для образования тензоизмерительных элементов, имеющих разные диапазоны измерения деформации растяжения, которые могут использоваться по одному или в комбинации для получения тензодатчиков требуемой чувствительности. Наконец, так как переход из неферромагнитного состояния в ферромагнитное состояние является необратимым, тензоизмерительные элементы, выполненные из легированных сплавов TRIP, имеют дополнительное преимущество, поскольку они способны измерять пиковую деформацию при растяжении, которая возникает на элементе при сжатии, даже если затем при растяжении вернуть элемент к его первоначальной конфигурации. Таким образом, даже когда материал вроде бы и не растянут, поскольку деформация реверсирована, тем не менее элемент из легированной стали TRIP будет обеспечивать измерение максимальной деформации при растяжении, которой ранее был подвергнут элемент. Это, в свою очередь, имеет значительное преимущество в устройстве и способе измерения деформации в разных конструкциях.

B. Отдельные тензоизмерительные элементы и тензодатчики.

На фиг. 3 представлена основная идея настоящего изобретения, в которой тензоизмерительный элемент 20 проходит между точками X₁ и X₂, аналогично элементу 10 на фиг. 1,а и 1,б. Тензоизмерительный элемент 20 согласно изобретению выполнен из выбранной легированной стали TRIP типа, описанного выше. Катушка 22 из проволоки 24 намотана вокруг элемента 20 и соединена с измерителем 26 магнитной индукции, который может детектировать магнитную индуктивность элемента 20. Когда есть относительное перемещение между точками X₁ и X₂, вызванное сжатием, элемент 20 деформируется, как описано выше, изменяет свое состояние из неферромагнитного на ферромагнитное, при этом процент ферромагнетизма пропорционален деформации. Магнитная индукция катушки 22 изменяется в диапазоне от 0 до 100% ферромагнетизма. Причина состоит в том, что элемент 20 образует сердечник для катушки 22 и изменяет ферромагнитные свойства пропорционально деформации. Изменение ферромагнетизма сердечника изменяет пропорционально магнитную индукцию катушки 22, что хорошо известно и может измеряться измерителем 26 магнитной индукции. Таким образом, измеритель 26 можно легко откалибровать, чтобы он измерял процентные величины ферромагнетизма в элементе 20 и соответственно деформацию.

Элемент 20 позволяет создать устройства, которые могут использоваться для измерения деформации на элементе конструкции. Например, как показано на фиг. 4, трос 30 может подвергаться сжатию. Элемент из легированной стали TRIP в форме проволоки 40 TRIP закреплен между первой стойкой 42 и второй стойкой 44, которые прикреплены к тросу 30, так что любое растягивание троса 30 вызывает перемещение стоек 42 и 44 в стороны друг от друга. Относительное перемещение стоек 42 и 44 вызывает растяжение проволоки 40, поскольку она закреплена в точках 46 и 48, так что проволока 40 растягивается прямо пропорционально деформации троса 30 при осевом растяжении. Магнитная индукция посредством катушки 43 может измеряться измерителем 45, поэтому деформация троса 30 измеряется непосредственно.

На фиг. 5 показан коннектор 50 из легированной стали TRIP, который используется в качестве вторичного или вспомогательного элемента конструкции для соединения первичных элементов конструкции в форме тросов 52 и 54. Здесь следует отметить, что поскольку легированные стали TRIP имеют высокую прочность, как они первоначально были разработаны, они могут использоваться в качестве коннекторов или крепежных элементов для соединения первичных элементов конструкции вместе и для измерения деформации объединенной системы, например тросов 52 и 54. Видно, что элементы 50 крепятся посредством стоек 56 и 58 к концам 53 и 55 тросов соответственно, причем элемент 50, имеющий центральную часть 60 уменьшенного размера, опоясан катушкой 63 из проволоки 65, соединенной с измерителем 67. Осевая деформация центральной части 60, заключающаяся в удлинении при растяжении тросов 52 и 54 приводит к изменению фазы материала центральной части 60, которая может контролироваться путем измерения индуктивности с помощью прибора 67 для измерения индуктивности, как описано выше.

Благодаря высокой прочности материалов из легированной стали TRIP, из этого материала может быть выполнен первичный элемент конструкции. Например, как показано на фиг. 6, трос 70 может быть выполнен полностью из легированной стали TRIP. Когда легированная сталь TRIP используется для первичного элемента конструкции, проволочную катушку 73 просто соединяют с измерителем 77 для измерения относительной процентной величины ферромагнетизма в тросе 70 для определения деформации троса 70 под действием растяжения. Аналогично на фиг. 7 трос 80 может быть выполнен из множества жил 81, 82, 83, одна из которых или несколько могут быть выполнены из легированной стали TRIP. Трос 80 содержит первичный элемент конструкции, деформация которого может быть измерена прибором 87, соединенным с катушкой 85, которая опоясывает трос 80. Каждая жила 81, 82 и 83 (фиг. 26) может быть выполнена с расчетом, чтобы иметь немного отличающиеся кривые реагирования на деформацию, при этом может измеряться широкий диапазон деформаций, если изготовление жил 81, 82 и 83 будут производиться с учетом перекрывания ферромагнитных кривых.

Любой элемент из стали TRIP, такой как показан на фиг. 4 - 7, может быть включен в систему для измерения деформации в интегральной структуре. На фиг. 8 для иллюстрации показан мост 90, который содержит основание 92, поддерживаемое множеством тросов 93 - 97 троса 98. Каждый из тросов 93 - 97 имеет соответствующий элемент тензодатчика 103 - 107, и трос 98 снабжен элементом 108 тензодатчика. Таким образом, может быть измерена деформация каждого из соответствующих тросов при нормальном использовании моста 90 или при возникновении деформаций, которые могут происходить, например, от сильного ветра, землетрясений и т.п. Можно контролировать тросы в отношении выбранного коэффициента разрушения и поскольку изменение фазы в легированных сталях TRIP является необратимым, каждый из элементов тензодатчика 103 - 108 измеряет пиковую деформацию, которая происходит в течение некоторого времени.

Поэтому настоящее изобретение обеспечивает простой и недорогой способ оценки целостности структуры в форме моста 90. Далее следует отметить, что каждый из тензодатчиков 103 - 108 может контролироваться общим дистанционным детектирующим прибором, который может опрашивать элемент соответствующего тензодатчика для определения деформации на соответствующем поддерживающем тросе. Таким образом, необязательно иметь один датчик для одного прибора. Также необязательно, чтобы прибор для измерения деформаций был расположен рядом с соответствующим тензодатчиком или с группой элементов тензодатчиков 103 - 108. Наоборот, независимый портативный измеритель может быть легко использован оператором для считывания состояния тросов 93 - 98, поскольку в этом случае тензоизмерительные элементы являются пассивными. Это обеспечивает преимущество, поскольку не происходит потребления питания, за исключением момента, когда производится измерение деформации.

Способ, описанный для фиг. 8, может также использоваться, например, с конструкцией 110 (на фиг. 9), в которой первый горизонтальный элемент 112 смонтирован для поддерживания подвесной опоры второго горизонтального элемента 114 с помощью пары опорных стержней 116, выполненных в форме болтов. Каждый болт 116 имеет головку 118 и стержень 120, который проходит через канал 122 в опоре 114 и канал 124 в опоре 112. Болты 116 крепятся на концах противоположных головок 118 посредством гаек 126. Растяжение на болтах 116 под действием гравитации или другой нагрузки на горизонтальную опору 112 относительно опоры 114, может контролироваться, когда болты 116 выполнены из легированной стали TRIP. Здесь катушки 125 расположены на выбранном участке болта 116 так, что магнитная индукция может контролироваться измерительным прибором 127.

C. Деформация на балках и колоннах.

Из вышесказанного следует, что одним из наиболее удобных устройств, в которых используются фазовые изменения согласно настоящему изобретению, является использование растягивающегося в форме стальной проволоки TRIP или сегмента троса. То есть более удобно измерять деформацию при осевом растяжении при удлинении проволоки из легированной стали TRIP, чем измерять сжатия этой проволоки, так как проволока может согнуться прежде, чем будет полностью сжата. Соответственно проволока из легированной стали TRIP с изменяющейся фазой может в некоторых случаях дальше называться растягивающийся элемент и эти растягивающиеся элементы могут использоваться для измерения деформации таких конструктивных элементов, как опорные колонны, балки и стойки при сжатии. Измеренная деформация может быть положительной и отрицательной соответственно от растяжения или сжатия.

На фиг. 10 показано, что растягивающиеся элементы 131, 132 и 133 могут быть закреплены между первой и второй стойками 134 и 136, которые прикреплены к участку элемента конструкции 140. Каждый из растягивающихся элементов 131 - 133 взаимодействует с ним через соответствующую катушку 137, 138 и 139. Любое удлинение элемента 140, за которым следует перемещение стоек 134 и 136 в сторону друг от друга, вызывает деформацию в виде растяжения на растягивающихся элементах 131 - 133, так что любое удлинение растягивающегося элемента 131 - 133 указывает на деформацию на элементе конструкции 140. Растягивающиеся элементы 131 - 133 могут быть выполнены с расчетом, чтобы измерять разные диапазоны деформации, как описано выше.

Аналогичным образом на фиг. 11 показан элемент конструкции 140, деформация которого может контролироваться путем контроля сжатия посредством тензодатчика 150, в котором установленная пара стоек 152 и 154 соединена элементом конструкции 140. Стойки 152 и 154 выполнены любым соответствующим образом, так что относительное перемещение стоек 152 и 154 навстречу друг к другу создает растяжение растягивающегося элемента 171, 172 и 173. Как показано, например, на фиг. 11, стойка 152 имеет основной участок 156, с которым жестко соединена поперечина 158 с помощью кронштейнов 160. В поперечине 158 имеется отверстие 162, в котором перемещается кронштейн 164, который жестко соединен с основанием 166 стойки 154. Противоположная стойка выполнена T-образной поперечиной 168, которая жестко соединена с кронштейном 164 так, что когда базовые участки 156 и 166 перемещаются друг к другу под действием силы сжатия, поперечина 158 и T-образная поперечина 168 отходят друг от друга, удлиняя растягивающиеся элементы 171 - 173, так что соответствующее ферромагнитное фазовое изменение может быть измерено посредством взаимодействующих с ними катушек 174 - 176.

Двухстадийный тензодатчик согласно настоящему изобретению показан на фиг. 12 - 14, где показано его включение в конструкцию на фиг. 10 и 11 в едином блоке. На фиг. 12 показана пара стоек 182 и 184, соединенная с элементом 140 конструкции. Стойка 182 имеет основание 186 и элемент поперечины 188, жестко соединенный с ней посредством кронштейнов 190. Аналогичным образом, стойка 184 имеет основание 196 и элемент поперечины 198, который жестко соединен с ней посредством кронштейна 194. Первый растягивающийся элемент 201 проходит непосредственно между основным участком 186 стойки 182 и основным участком 196 стойки 184, второй растягивающийся элемент 202 проходит между поперечинами 188 и 198. На растягивающемся элементе 201 размещена катушка 203, а на растягивающемся элементе 202 размещена катушка 204, для измерения изменения ферромагнетизма посредством изменения магнитной индукции, как описано выше. Под действием растягивающих сил, которые могут удлинить элемент 140, растягивающийся элемент 201 удлиняется, контролируя деформацию, вызываемую растягивающими силами, тогда как силы сжатия вызывают растяжение на растягивающемся элементе 202 таким образом, что его удлинение измеряет деформацию, вызываемую силами сжатия на элементе 140.

Как показано на фиг. 14, тензодатчик 180 может быть смонтирован на первичном элементе конструкции в виде двутавровой балки 210, например, на фланцевом участке 212. Однако блок тензодатчика 180 может быть смонтирован на центральной перегородке 214 или любой другой соответствующей части балки 210. Когда конструкция содержит множество балок, как показано на фиг.15, могут быть предусмотрены разные блоки тензодатчиков 180 для контроля конструкции 220. Здесь можно видеть, что конструкция 220 содержит множество колонн 230, которые поддерживают балки 240, которые также могут поддерживаться распорками 250. Стрелки A₁ - A₅ показывают относительные силы сжатия и растяжения, которые нормально будут действовать на конструкцию 220 и которые могут контролироваться тензодатчиками 180, смонтированными в соответствующих местах.

B. Измерение деформации плит, наружных покрытий и оболочек.

На фиг. 16 - 20 показаны элементы для измерения деформации плит, наружных покрытий и оболочек, которые обычно позволяют измерять деформацию более чем однонаправленных сил. Для этого типа элементов и связанного с ними способа важен факт, что необязательно охватывать или опоясывать материал с изменяющейся фазой с помощью проволочной катушки. Наоборот, катушка для измерения индуктивности может измерять ферромагнетизм выполненных из легированной стали TRIP плит, наружного покрытия или перегородки путем простого размещения в достаточной близости в зависимости от чувствительности прибора для измерения индуктивности. Так, например, плита 300 (фиг. 16) из легированной стали TRIP может быть прикреплена болтами 302 к поверхности 312 элемента конструкции 310. Электромагнитная проволочная катушка 320 может затем устанавливаться смежено с плитой 300, а ферромагнитная индуктивность измеряется посредством прибора 330. Любые изменения ферромагнитных свойств плиты 300 могут контролироваться прибором 330 для определения деформации на плите 300 в результате деформации на элементе 310. На фиг. 17 показана деформация элемента 310 при действии сил сжатия, которые сжимают, расширяют или отклоняют плиту 300, которая может контролироваться. Деформирующие силы графически показаны стрелками A₆ и A₁. Плиты, такие как плита 300, могут быть соединены с элементом конструкции, таким как кирпичная стенка, опорная панель и тому подобное.

Как показано на фиг. 18, материалы из легированной стали TRIP могут даже использоваться для образования оболочки, такой как оболочка 350. Здесь оболочка 350 содержит верхнюю панель с 352 и нижнюю панель с 354, которые заключают внутреннее пространство 356. Эта оболочка 350 может быть образована полностью из легированной стали TRIP или, как показано на фиг. 19, панель может быть образована подложкой 360 с покрытием из легированной стали TRIP 362. Альтернативно, как показано на фиг. 20, панель 370 может иметь заделанную сеткообразную матрицу 372 из стальных проволочек TRIP 374 и 376. Сеткообразная матрица 372 может быть заделана или прикреплена к поверхности алюминиевой или композитной оболочки или наружному покрытию крыла самолета, винта судна, резервуара хранилища и тому подобное. Деформации от сжатия, растяжения, отклонения и других деформирующих сил могут затем контролироваться путем измерения изменений ферромагнетизма оболочки 350, покрытия 362 или сеткообразной матрицы 370, аналогично измерению изменения ферромагнетизма плиты 300. Также следует отметить, что когда плита или сеткообразная матрица заделана в элемент конструкции, изменение ферромагнетизма может измеряться без внедрения в материал посредством индуктивной катушки, установленной на поверхности элемента конструкции. Так как легированная сталь TRIP также имеет высокую прочность и ударную вязкость, сам материал придает прочность материалу конструкции. Однако когда необходима некоторая гибкость элемента конструкции, например, крыла самолета, считается, что предпочтительной конструкцией будет либо сеткообразная проволока, показанная на фиг. 20, либо относительно тонкое покрытие, как показано на фиг. 19.

E. Измерение относительного отклонения и системы контроля.

Растягивающиеся элементы согласно настоящему изобретению могут также быть включены в систему контроля, которая предназначена для измерения деформации на элементах конструкции, которые соединены вместе в интегральную структуру, чтобы контролировать плотность структуры при сжатии. Контроль множества элементов конструкции, соединенных в структуру, пояснялся со ссылкой на фиг. 15. На этой фигуре множество тензодатчиков 180 было размещено на разных элементах для контроля деформации при сжатии.

Однако в более упрощенном способе двухмерная деформация может контролироваться растягивающимися элементами и тензодатчиками согласно настоящему изобретению. На фиг. 21 схематично показана структура каркаса 400, которая включает фундамент или основание 402, на котором возвышается пара вертикальных боковых стенок 404, верхняя стенка 406 и крыша 408. Деформация конструкции в двух направлениях на любом отдельном элементе может контролироваться парой растягивающихся элементов 410 и 412. Растягивающийся элемент 410 соединен посредством тросовых секций 420 и 422 с противоположными углами 424 и 426 конструкции 400. Аналогичным образом растягивающийся элемент 412 соединен с помощью тросовых секций 430 и 432 с противоположными углами 434 и 436 конструкции 400. Любая деформация прямоугольного сечения, образованного основанием 402, боковыми стенками 404 и верхней стенкой 406, приведет к осевому сжатию на одном из растягивающихся элементов 410, 412. Это осевое сжатие, в свою очередь, будет растягивать материал с фазовым изменением, из которого изготовлен растягивающийся элемент, как описано выше, так что величина фазы будет показателем сжатия. Поэтому, зная первоначальные размеры системы, не только можно определить, что деформация произошла, но также величину перемещения между анкерными точками 425, 427 и между анкерными точками 435 и 437.

Аналогичным образом, как показано на фиг. 22, кирпичная стенка 450 имеет пару растягивающихся элементов 460 и 462, которые соединены с диагональными анкерными точками. Так, например, растягивающийся элемент 460 смонтирован с помощью тросового сегмента 470 с анкерным блоком 474 посредством анкерного крепления 475. Второй тросовый сегмент 472 анкерным способом крепит растягивающийся элемент 460 к анкерному блоку 476 посредством анкерного крепления 477. Растягивающийся элемент 462 включает в себя тросовый сегмент 480, который анкерным способом крепит одну сторону растягивающего элемента 462 к анкерному блоку 486 посредством анкерного крепления 487, и тросовый сегмент 482 анкерным способом крепит растягивающийся блок 426 к анкерному блоку 484 посредством анкерного крепления 485. Любая деформация кирпичной стены 450 будет вызывать смещение в блоках 474, 476, 484 и 486, и смещение создаст сжатие на одном или обоих растягивающихся элементах 460, 462. Это сжатие повлечет деформацию, которая определяется как величина фазового изменения в материале, образующем растягивающиеся элементы 460, 462.

На фиг. 23 показана схематично интегральная структура 500, которая может быть, например, дамбой или другим большим бетонным сооружением, дорожным покрытием или подстилающим слоем. На фиг. 23 показаны две альтернативные системы для контроля растягивающего напряжения в структуре 500. Как обычно в случае таких бетонных сооружений образована матрица арматурных стержней, которая заделана в бетон. Матрица из арматурных стержней 510 содержит продольные арматурные стержни 512, поперечные арматурные стержни 514 и вертикальные арматурные стержни 516. Элементы 520 тензодатчика могут быть смонтированы на одних из этих выбранных арматурных стержней, так что трехмерное сжатие может контролироваться посредством контроля деформации на арматурных стержнях. Из вышеописанных вариантов реализации изобретения понятно, что арматурные стержни 512, 514 и 516 сами по себе могут быть выполнены из легированной стали TRIP, так что просто надо будет обмотать часть элемента арматурного стержня проволочной катушкой, аналогичной показанной на фиг.5 для контроля состояния фазового изменения материала. Это может быть достигнуто путем подключения прибора для измерения магнитной индуктивности. Альтернативно, когда арматурные стержни 512, 514 и 516 выполнены из материала с неизменяющейся фазой, такой тензодатчик (фиг. 4) может использоваться для контроля деформации на соответствующих арматурных стержнях с помощью растягивающихся элементов, смонтированных на выбранных арматурных стержнях, любым удобным способом.

Анкерные крепления 551 - 558 (фиг. 23) могут быть установлены в структуре 500 в этих анкерных точках и соединены, если требуется, с помощью тросов 561 - 570. Каждый из этих тросов может быть снабжен растягивающимися элементами, аналогичными тем, которые показаны на фиг. 21 и 23, или тросы 561 - 570 могут быть выполнены из материала с изменяющейся фазой и снабжены магнитными индукционными катушками или другими устройствами измерения фазового изменения. Система, показанная на фиг. 23, дает возможность определить трехмерные деформации на структуре 500.

На фиг. 24 показана система для измерения фазового изменения на структуре, такой как здание 600. Здесь предусмотрена центральная контрольная станция 610, которая соединена с помощью проводов 611 - 615 с множеством растягивающихся элементов тензодатчиков 621 - 625. Эти контрольные устройства 621 - 625 могут быть простыми растягивающимися элементами в колоннах 631, 632 и 633, но могут быть также тензоизмерительными арматурными стержнями, тензодатчиками типа тензодатчиков 180, показанных на фиг. 156, или тензодатчиком любого другого типа, в объеме настоящего изобретения. Иначе говоря, имеется в виду разнообразие растягивающихся элементов и тензодатчиков только в объеме настоящего изобретения при условии, что тензодатчик или растягивающийся элемент, выполненный из материала с фазовым изменением, изменил фазу при деформации. Центральная контрольная станция 610 может содержать контрольно-измерительные средства для контроля деформации на разных тензодатчиках или растягивающихся элементах. Дополнительно может быть предусмотрена аварийная сигнализация 650 для генерирования звукового аварийного сигнала, если достигнут порог выбранной деформации. Альтернативно центральная станция 610 может иметь простую коммутационную коробку для подключения блоков, соединенных с растягивающимися элементами или тензодатчиками. В этом варианте реализации оператор будет просто приносить измерительный прибор на центральную станцию 610 и подсоединять прибор для опроса блока элементов тензодатчиков. В первом случае система будет активной системой и будет потреблять питание, во втором варианте реализации система будет пассивной, и будет потреблять энергию только в случае, когда оператор опрашивает блок элементов тензодатчиков. Соответственно, после стихийного бедствия оператор или инженер может быстро проверить целостность здания, несмотря на отсутствие питания, и даже если отсутствует видимое разрушение здания. Это будет производиться просто путем подсоединения соответствующего прибора на центральной контрольной станции 610. Так как каждый из растягивающихся элементов контролирует пиковую деформацию, разрушение конструкции 600 будет регистрироваться, несмотря на то, что внешне здание вернулось к своему первоначальному состоянию.

F. Системы трубопроводов.

До сих пор вопрос касался в основном таких структур, как здания, дамбы, мосты и тому подобное, а также самолеты и машины, и разбирались наружные покрытия, оболочки и наружные слои. Следует отметить, что и для других конструкций, таких как резервуары для хранилищ и трубопроводные системы, могут быть использованы технические решения, изложенные в этой заявке. Заявители полагают, что это изобретение будет иметь огромную полезность для рафинирующих установок, больших химических установок, трубопроводных магистралей, средств хранения и тому подобное. Так, в качестве неограничивающего примера на фиг. 25 - 27 показаны другие варианты реализации настоящего изобретения с трубопроводами. Контроль деформации плит, наружных покрытий и оболочек имеет особое применение в этой области. Дополнительно к приведенному выше следует указать, что в варианте реализации, показанном на фиг.25, труба 700 имеет боковую стенку 702, в которую заделано множество продольных проволок из стали TRIP 710, расположенных равноотстоящими по периферийной поверхности вокруг продольной оси t. Любое растяжение или сгиб трубы 700 повлечет растяжение одной или более проволок 710 и вследствие их изготовления из легированной стали TRIP или другого материала с изменяющейся фазой произойдет фазовое изменение, которое будет детектироваться соответствующим прибором. Когда фазовое изменение проволок 710 происходит из неферромагнитного состояния в ферромагнитное состояние, катушка магнитной индукции может быть помещена вдоль периферийной поверхности 704 трубы 700 и определены локальные районы ухудшения.

Вместо заделывания в трубу 700 проволок из легированной стали TRIP, как показано на фиг. 25, можно образовать тензодатчик, который будет крепиться в трубе снаружи. На фиг. 26 показана труба 720, которая имеет первую стойку 730 и вторую стойку 732, соединенную по периферии вокруг нее. Множество растягивающихся элементов 740 из стальной проволоки TRIP смонтировано между стойками 730 и 732, так что любая деформация проволок 740, вызываемая сжатием из-за изгиба или удлинения трубы 720, будет измеряться катушкой 742 индуктивности при изменении магнитной индукции проволок 740. Однако трудно проконтролировать системой, показанной на фиг. 26, крутящие усилия, поэтому труба 720 (фиг. 27) может быть снабжена устройством измерения крутящего момента, содержащим пару стоек 750 и 752. Растягивающийся элемент 760 проходит между кронштейнами 754 и 756 стойки 750 и кронштейн 758, соединенный со стойкой 752, соединяет центральную часть растягивающегося элемента 760. Таким образом, любые крутящие усилия, вызываемые относительным вращением, показанным стрелками A₁ и A₉, будут растягивать растягивающийся элемент 760, фазовое изменение которого снова будет контролироваться катушкой 762. Таким образом, дополнительно к растягиванию или сгибу на трубе 730 могут контролироваться крутящие усилия или крутящий момент.

Способ.

Из вышеприведенного описания устройства согласно разным вариантам воплощения настоящего изобретения вытекает широкий спектр способов, которые до этого не были известны и могут быть легко оценены специалистом в этой области техники при ознакомлении с настоящим патентным описанием. Способ согласно предпочтительному варианту реализации изобретения предусматривает измерение деформации в конструкции, которая в общем случае включает подложку, где деформация происходит при сжатии, и содержит две основные стадии обработки. Во-первых, элемент из материала, изменяющего фазу, включают в структуру или подложку. Этот элемент выполнен из материала, который подвергается изменению под действием деформации таким образом, что этот элемент будет деформироваться в соответствии с деформацией конструкции или подложки. Во-вторых, величина фазового изменения в этом элементе измеряется после сжатия конструкции или подложки, чтобы получить показатель деформации при сжатии. Способ согласно изобретению предусматривает, что этот элемент может быть включен в структуру как элемент конструкции. Альтернативно, включение элемента из материала, изменяющего фазу, может выполняться путем заделывания этого элемента в часть конструкции. Возможен вариант, когда включение элемента в конструкцию может выполняться путем соединения этого элемента с элементом конструкции.

В случае, когда надо контролировать деформацию конструкции или перемещение подложки, этот элемент предпочтительно выполнять в форме растягивающегося элемента, так чтобы включение осуществлялось путем образования разнесенных друг от друга анкерных креплений, соединяющих противоположные концы растягивающегося элемента с разнесенными точками в конструкции или подложке. В этом случае анкерные крепления также могут быть закреплены на внешней поверхности конструкции или заделаны в материал объекта. Наконец, в предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения материал является таким, который изменяет свою фазу из неферромагнитного состояния в ферромагнитное состояние при деформации, и измерение осуществляется путем измерения изменения в магнитной индуктивности материала.

В заключении следует отметить, что устройство и способ согласно настоящему изобретению обеспечивают новое техническое решение для измерения деформации, которые до этого не были известны. Хотя описан специфический пример использования легированных сталей TRIP, предполагается, что могут использоваться и другие материалы с изменяющейся фазой. Действительно, предусматриваются другие фазовые изменения, нежели изменение ферромагнитного состояния, и для детектирования изменения фазы могут использоваться другие приборы вместо измерения магнитной индуктивности. Хотя описаны специфические блоки тензодатчиков, могут использоваться разные другие монтажные структуры для образования тензодатчиков из растягивающихся элементов, сжимающих стержней, плит, наружных покрытий и тому подобных без отклонения от изобретательских концепций настоящего изобретения.

Изобретение описано с некоторой степенью конкретизации, направленной на предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения. Однако изменения и модификации могут иметь место в вариантах реализации настоящего изобретения без отклонения от изобретательской концепции, содержащейся в нем.

Формула изобретения

1. Способ измерения механической деформации элементов конструкции, заключающийся в размещении на элементе конструкции чувствительного элемента из материала, изменяющего физические свойства при деформации, отличающийся тем, что чувствительный элемент закрепляют на элементе конструкции, в качестве материала чувствительного элемента используют материал, изменяющий фазовое состояние при деформации, измеряют величину фазового изменения чувствительного элемента после того, как элемент конструкции подвергают силовому воздействию или нагружению, и по этой величине определяют величину деформации.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве изменяющего фазовое состояние материала используют материал, содержащий двухвалентное железо, с необратимым изменением фазового состояния из неферромагнитного в ферромагнитное, а при определении величины фазового изменения измеряют изменение магнитной индукции материала при деформации.

3. Устройство для измерения механической деформации элементов конструкции, содержащее чувствительный элемент, выполненный из материала, изменяющего физические свойства при деформации, отличающееся тем, что оно снабжено узлом измерения фазового изменения материала чувствительного элемента, в качестве материала чувствительного элемента использован материал, изменяющий фазовое состояние при деформации, а чувствительный элемент выполнен с возможностью закрепления при помощи крепежного элемента на элементе конструкции, подвергаемом силовому воздействию или нагрузке, или является частью элемента конструкции.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве материала, изменяющего фазовое состояние при деформации, использован материал, изменяющий фазовое состояние из неферромагнитного в ферромагнитное.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для измерения пиковой деформации на элементе конструкции в качестве материала, изменяющего фазовое состояние при деформации, использован материал с необратимым изменением фазового состояния за определенный период времени.

6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен в виде крепежного элемента, связанного с элементом конструкции, с возможностью закрепления элемента конструкции на различных объектах.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что в качестве материала, изменяющего фазовое состояние при деформации, использована преобразованная легированная сталь с улучшенной пластичностью.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что узел измерения фазового изменения чувствительного элемента выполнен в виде катушки, закрепленной или в непосредственной близости, или с возможностью перемещения из удаленного в близкое положение относительно чувствительного элемента, и блока измерения индуктивности этой катушки.

9. Устройство по п.4, отличающееся тем, что элемент из материала, изменяющего фазовое состояние, выполнен в виде или пластины, или проволоки, или набора проволок, образующих сплетенную сборку.

10. Тензодатчик для измерения деформации на элементах конструкции, содержащий чувствительный элемент, закрепленный на первой и второй опорах соответственно в первом и втором положениях с возможностью относительного перемещения опор при деформации элемента конструкции, отличающийся тем, что он снабжен узлом измерения фазового изменения материала чувствительного элемента, установленным около чувствительного элемента, а чувствительный элемент выполнен из материала, изменяющего фазовое состояние при деформации.

11. Тензодатчик по п.10, отличающийся тем, что в качестве материала чувствительного элемента использован материал, изменяющий фазовое состояние из неферромагнитного в ферромагнитное.

12. Тензодатчик по п. 11, отличающийся тем, что в качестве материала, изменяющего фазовое состояние при деформации, использована преобразованная легированная сталь с улучшенной пластичностью.

13. Тензодатчик по п.10, отличающийся тем, что он снабжен дополнительными чувствительными элементами из материала, изменяющего фазовое состояние при деформации, по меньшей мере часть из которых выполнена с возможностью регистрации различной величины деформации.

14. Тензодатчик по п.10, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним дополнительным чувствительным элементом из материала, изменяющего фазовое состояние при деформации, закрепленным на первой и второй стойках, причем по меньшей мере оба чувствительных элемента расположены под заданным углом относительно друг друга.

15. Тензодатчик по п.10, отличающийся тем, что он снабжен первыми дополнительными чувствительными элементами из материала, изменяющего фазовое состояние при деформации, а все чувствительные элементы расположены вдоль элемента конструкции на расстоянии один от другого вокруг продольной оси элемента конструкции по его окружности.

16. Тензодатчик по п.15, отличающийся тем, что он снабжен вторым дополнительным чувствительным элементом из материала, изменяющего фазовое состояние при деформации, расположенным поперек продольной оси элемента конструкции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27