Измерение механических нагрузок, возникающих в процессе эксплуатации различных объектов и конструкций, всегда являлось актуальной задачей. Сегодня практически во всех областях науки и техники для обеспечения безопасной эксплуатации ответственных объектов требуется мониторинг их технического состояния в режиме реального времени. Контроль нагрузок требуют самолеты, ракеты, дороги, мосты, трубопроводы, здания, крыши, хранилища, баллоны, суда, подводные лодки.
Для измерения механических напряжений в разных изделиях используют различные датчики: тензометрические, струнные, оптико-волоконные. У каждого вида таких датчиков есть свои достоинства и недостатки, свои области применения.
Большинство существующих датчиков измерения механических нагрузок имеют маленькие размеры и не могут осуществлять контроль длинных (метровых и километровых) объектов. В России недавно разработали, изготовили и испытали новые виды датчиков – аморфные датчики нагрузок, которые найдут свое основное применение в протяженных объектах. Такие датчики измерения механических напряжений создали в Институте металлургии и материаловедения Российской академии наук https://imet.ac.ru
В основе конструкции новых датчиков лежат тонкие (размером с человеческий волос) аморфные ферромагнитные провода, которые выступают в качестве тензочувствительных элементов. Аморфный датчик представляет собой стеклопластиковую полоску, внутри которой находится аморфный микропровод диаметром 20-120 мкм с околонулевой магнитострикцией https://amorphous-wires.ru
При появлении механических нагрузок (растяжения, сжатия, изгиба, кручения) эти нагрузки передаются на аморфный ферромагнитный микропровод и изменяют его электрическое сопротивление. Выходной сигнал с датчика через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и дополнительные устройства (контроллер, WiFi-роутер, линии релейной связи) передается на персональный компьютер или смартфон. Большая длина аморфного провода как тензочувствительного элемента позволяет в режиме on-line проводить измерение механических напряжений в протяженных объектах и конструкциях.
Преимуществами аморфных датчиков нагрузок являются:
1. Возможность мониторинга нагрузок в протяженных объектах.
2. Простота введения в композиты и высокая адгезия закладных датчиков.
3. Возможность изготовления площадных (сеточных) датчиков.
4. Контактный и бесконтактный съем сигнала.
5. Использование простых и недорогих блоков приема сигнала.
Уникальным отличием аморфных датчиков от существующих является использование аморфных проводов из сложного железо-кобальто-никелевого сплава. Особая аморфная и доменная структура таких микропроводов обеспечивают им сочетание уникальных характеристик: высокой прочности, сверхупругости, коррозионной стойкости, а также высокой стресс-чувствительности, характеризующейся изменением величины электросопротивления и амплитуды собственного электромагнитного сигнала при растяжении, сжатии, изгибе или кручении микропровода.
Используемый аморфный провод обладает высоким удельным электросопротивлением, которое изменяется линейно во всем интервале приложенных нагрузок, вплоть до разрыва.
Блок приема сигнала обеспечивает высокую чувствительность регистрации изменения электросопротивления нагруженного микропровода по сравнению с ненагруженным, принятым за ноль. Используемая схема регистрации сигнала позволяет осуществлять мониторинг нагрузок в режиме реального времени.
Для измерения механических нагрузок аморфный датчик крепится к поверхности контролируемых металлических, полимерных, композиционных объектов при помощи клея, саморезов, винтов, зажимов, магнитов, липкой ленты и пр. В композиционные материалы такие датчики можно закладывать внутрь самих изделий при их изготовлении. В качестве контролируемых объектов могут выступать большие и длинные объекты и конструкции: балки, трубы, опоры, перекрытия, железнодорожные рельсы, мосты, дороги, туннели, крылья, шпангоуты, лопасти и пр.
Уникальность новой разработки российских ученых подтверждена патентом RU 2843091 C1. Новые аморфные датчики уже прошли испытания на разных протяженных объектах: трубопроводах, балках крыш, железнодорожных рельсах и др.