Радиоэлектронные методы и средства испытаний строительных конструкций и сооружений

Рекомендовано в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений,
обучающихся по направлениям подготовки

(квалификация (степень) «бакалавр»)

08.03.01 «Строительство»,

27.03.01 «Стандартизация и метрология»

2020

УДК 006
ББК 30.10

М74

Рецензенты:
С.Я. Галицков — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой
«Механизация, автоматизация и энергосбережение строительства» СГАСУ;
Ю.И. Юрченко — кандидат технических наук, главный инженер
инженерной компании «ПАРЕКС»

Мосесов М.Д.

М74
Радиоэлектронные методы и средства измерений и испытаний

строительных конструкций : учебное пособие / М.Д. Мосесов. — Москва:
ФОРУМ : ИНФРАМ, 2020. — 160 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

ISBN 9785000911860 (ФОРУМ)
ISBN 9785160116839 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161040591 (ИНФРАМ, online)

В учебном пособии рассматриваются основы методов определения основных прочностных и деформационных характеристик строительных материалов и изделий, устройство и принцип действия измерительных приборов, используемых при испытании конструкций и сооружений, а также обработки результатов измерений.

Особое внимание уделено аналоговым и цифровым методам измерений,

использующим современную радиоэлектронику и компьютерную обработку результатов.

Пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки 08.03.01 «Строительство» и

».

УДК 006
ББК 30.10

ISBN 9785000911860 (ФОРУМ)
ISBN 9785160116839 (ИНФРАМ, print)
ISBN 9785161040591 (ИНФРАМ, online)

© Мосесов М.Д., 2015
© Издательство «ФОРУМ», 2015

метрология
27.03.01 «Стандартизация и

Предисловие

Современное производство немыслимо без совершенствования систем контроля качества материалов и изделий. Наряду с
традиционными механическими методами испытаний развиваются и принципиально новые метода контроля, основанные на достижениях физики, радиоэлектроники и измерительной техники,
позволяющие определять необходимые параметры без разрушения образцов. Они получили название неразрушающих. Весьма
важным их преимуществом является возможность проводить измерения не только на образцах, но и на натурных изделиях и сооружениях практически в любой интересующей точке, широкое
применение они находят и в дефектоскопии.
Особое значение в последнее время, в связи с развитием компьютерных технологий, получили цифровые методы измерений.
Применение этих методов в системе производственного контроля
позволяет не только контролировать качество выпускаемых изделий, но и более рационально организовывать технологический
цикл. Сказанное подтверждается опытом передовых предприятий
стройиндустрии Москвы, СанктПетербурга, Самары, Новосибирска и др.
В настоящее время промышленностью освоен и выпускается
целый ряд приборов неразрушающего контроля. Однако их широкое внедрение в производственную практику требует не только
организационной перестройки и соответствующего оснащения,
но и подготовки достаточно квалифицированного персонала. Последнее обстоятельство является весьма важным.
К сожалению, сведения о методах и технических средствах неразрушающего контроля разбросаны по различным источникам и
в подавляющем большинстве случаев изложены на таком уровне,
что их понимание без соответствующей подготовки затруднено.

В настоящем пособии дается описание основных методов и
аппаратуры, применяемых для неразрушающего контроля, а также
рекомендации по их практическому использованию.
Автор стремился по возможности избежать излишней математизации изложения, однако так, чтобы не нанести ущерба строгости понятий, а также чтобы упрощенчеством не скрыть сложности
самих физических процессов.
Приводимые материалы не претендуют, разумеется, на исчерпывающую полноту и глубину изложения. Ставилась задача дать
основные сведения, без которых невозможно практическое применение современных методов и средств контроля. Для более
подробного ознакомления с этими вопросами можно воспользоваться литературой, список которой приведен в конце настоящего
пособия.
Автор выражает глубокую благодарность профессору, доктору
технических наук С.Я. Галицкому и кандидату технических наук
Ю.И. Юрченко за ценные советы, которые были учтены при подготовке учебного пособия.

4
Предисловие

Глава 1
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Электрический ток есть направленное движение электронов.
Ток, при котором движение электронов направлено в одну сторону и с одинаковой интенсивностью, называют постоянным. Если
же направление или интенсивность тока во времени поочередно
меняется, ток называют переменным или импульсным.
Вещества, по которым проходит ток, поразному относятся к
движению зарядов. Те из них, которые хорошо проводят ток, называются проводниками, те, которые вообще не проводят ток,
называются изоляторами. Существуют материалы, которые проводят ток только при определенных условиях. Они называются
полупроводниками. В радиоэлектронике они занимают особое
место.

1.1. Электростатика

Заряд
Известно, что при взаимном трении некоторых материалов
они приобретают способность притягивать к себе легкие предметы. Это явление получило название электризации. Оба трущихся
предмета получают электризацию разного знака. Например, если
потереть стекло кожей, стекло будет заражено положительно, а
кожа — отрицательно. Меру наэлектризованности тела называют
электрическим зарядом. Под элементарным отрицательным электрическим зарядом понимается заряд электрона.
Степень наэлектризованности тел можно установить по силам
взаимодействия между ними. Сила взаимодействия между точечными зарядами пропорциональна произведению величин зарядов

q1 и q2 обратно пропорциональна расстоянию r между ними (закон
Кулона):

f
q q

r
=
⋅
1
4

1
2
2
π
ε
.
(1.1)

Здесь величина ε называется электрической проницаемостью
среды. В пустоте и со значительным приближением в воздухе она
равна:

ε
π
=
⋅

1

36
109 .

Потенциал
При перемещении заряда в электрическом поле совершается
работа А, которая зависит от величины заряда q и его начального и
конечного местоположений, но не зависит от длины пути, по которому перемещался заряд:

А = q(V1 − V2).
(1.2)

Здесь V1 и V2 — некоторые функции, зависящие от положения
точки в пространстве поля, называемые потенциалом точки поля.
В электротехнике разность потенциалов называют напряжением.
Единицей измерения разности потенциалов является 1 вольт —
разность потенциалов между двумя точками, при перемещении
между которыми совершается работа в 1 джоуль.
Электрическая емкость
Если зарядить одинаковым количеством электричества различные по размерам и формам проводники, они примут разные
по количеству потенциалы. Для характеристики этого свойства
вводится понятие электрической емкости проводника. Емкостью
проводника называют коэффициент пропорциональности между
потенциалом проводника и полученным зарядом:

q = CV.
(1.3)

Практической единицей емкости является фарада. Одна фарада — это емкость такого проводника, потенциал которого возрастает на 1 вольт при увеличении заряда на 1 кулон.
Устройство, предназначенное для накопления электрических
зарядов, называется конденсатором. Конденсатор состоит из двух

6
Глава 1. Основные законы электрического тока

проводников, называемых обкладками, между которыми размещается диэлектрик (изолятор) очень малой толщины. Емкость конденсатора (в фарадах) численно равна отношению заряда на его

обкладках к напряжению между ними C
q
V
=
и зависит от электрической проницаемости ε, площади пластин А, расстояния между
ними d и электрической проницаемости изолятора:

C
A
d
= ε
.
(1.4)

Диэлектрики могут выдерживать только определенную величину напряжения, при превышении которой происходит пробой —
то есть изолятор начинает проводить ток. Этой величиной, с определенным запасом, ограничивается рабочее напряжение конденсатора. Различные виды конденсаторов, применяемых в радиоэлектронике, показаны на рис. 1.1.

В электронных схемах конденсаторы для увеличения емкости
могут соединяться параллельно (рис. 1.2) или для увеличения рабочего напряжения (рис. 1.3) последовательно. В первом случае
увеличивается общая площадь пластин, что ведет к увеличению
суммарной емкости и полная емкость равна сумме емкостей конденсаторов:

С = С1 + С2 + С3 + ... + Сn.
(1.5)

1.1. Электростатика
7

Рис. 1.1. Конденсаторы

При последовательном соединении на каждом из конденсаторов падение напряжения будет обратно пропорционально их емкости:

U U U
C
C
C
1
2
3
1
2
3

1
1
1
:
:
=
+
+
,

откуда следует:

1
1
1
1

1
2
3
С
C
C
C
=
+
+
.
(1.6)

На рис. 1.4 и 1.5 показаны схемы соединения сопротивлений и
конденсаторов. В первом случае нагрузкой является сопротивле8
Глава 1. Основные законы электрического тока

Рис. 1.2. Параллельное соединение
конденсаторов

Рис. 1.3. Последовательное соединение
конденсаторов

Рис. 1.4. Дифференцирующая цепочка

Рис. 1.5. Интегрирующая цепочка

ние (дифференцирующая цепочка), а ток на него подается через
конденсатор, а во втором конденсатор заражается через сопротивление (интегрирующая цепочка).
Время, в течение которого происходит заряд—разряд конденсатора, определяется произведением емкости конденсатора на величину сопротивления. Действительно, количество электричества
Q = It, требуемое для зарядки конденсатора до напряжения U, будет равно CU. С учетом закона Ома получим:

U
R t
CU
=
,

откуда t = RC.

1.2. Электрический ток

Электрический ток есть направленное перемещение электрических зарядов. Заряды создают вокруг себя электрическое поле,
которое действует на находящиеся в нем другие заряды. При перемещении зарядов в пространстве, по проводнику в частности, возникает электрический ток I, который измеряется количеством
электричества q, переносимого через сечение проводника в единицу времени t:

I
q
t
=
.
(1.7)

Единицей измерения тока является ампер — ток, при котором
через поперечное сечение проводника за одну секунду переносится один кулон электричества.
В метрологическом стандарте СИ силе тока в 1 ампер соответствует сила, действующая на два проводника ничтожно малого
диаметра и бесконечной длины, расположенные в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, на участке длиной 1 м, равная
2 ⋅ 10−7 Ньютон. (При одинаковом направлении тока в обоих проводниках действует сила притяжения, а при различном — отталкивания) (Стандарт СЭВ 1052—78).

1.2. Электрический ток
9

Сопротивление
Экспериментально подтверждено (Закон Ома), что ток прямо
пропорционален разности потенциалов на концах проводника U и
обратно пропорционален сопротивлению:

I
U
R
=
.
(1.8)

Здесь R — величина сопротивления участка проводника, характеризующая противодействие этого участка прохождению
электрического тока. Практической величиной сопротивления является Ом — сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 вольт возникает ток в 1 ампер. Сопротивление проводника
зависит от площади его поперечного сечения А, длины l и удельного сопротивления ρ:

R
l
A
= ρ
,
(1.9)

где ρ — удельное сопротивление материала проводника. Это сопротивление однородного куска материала длиной 1 м и поперечным сечением 1 мм2. Размерность удельного сопротивления Ом⋅м.
Различные виды сопротивлений (резисторов), применяемых в
приборах, показаны на рис. 1.6.
В электрических цепях встречаются различные виды соединений: параллельные, последовательные и смешанные, которые
представляют собой комбинации первых двух.

10
Глава 1. Основные законы электрического тока

Рис. 1.6. Резисторы