ДАТЧИК УДАРНЫХ ВОЛН Российский патент 2005 года по МПК G01L23/10 

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для регистрации моментов выхода ударных и детонационных волн на поверхностях элементов исследуемого объекта, а также для измерения параметров ударных и детонационных волн.

Известен пьезоэлектрический датчик ударных волн [1], состоящий из закрытого корпуса, внутри которого жестко закреплен пьезоэлемент. Недостатком этого датчика является использование аксиального режима нагружения пьезокерамического элемента, приводящего к искажениям формы импульса, генерируемого при ударном воздействии на датчик, кроме того, наличие закрытого корпуса приводит к задержке срабатывания датчика.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический датчик [2], выполненный в виде коаксиального кабеля, с открытого торца которого закреплен пьезоэлемент заподлицо с наружным экраном кабеля. Рабочая поверхность пьезоэлемента ориентирована в сторону распространения ударных волн. Один электрод пьезоэлемента имеет электрическую связь с внутренней жилой кабеля, а другой, размещенный на рабочей поверхности пьезоэлемента, открыт и не имеет электрического подвода. При такой конструкции датчика в пьезоэлементе также реализуется аксиальный режим нагружения, что приводит к искажениям формы импульса, генерируемого при ударном воздействии на датчик.

В используемых до настоящего времени пьезодатчиках ударных волн плоскость рабочей поверхности перпендикулярна направлению вектора поляризации пьезоэлемента, т.е. реализуется аксиальный режим нагружения (когда ударная волна распространяется от электрода к электроду), при этом, в независимости от величины подключаемой нагрузки, в ударно-сжатой области пьезоэлемента реализуются максимально возможные электрические поля, приводящие к возникновению пробойных явлений и, как следствие, к искажению формы импульса, генерируемого датчиком [3]. Случайный характер пробойных явлений приводит к существенному разбросу параметров импульсов, генерируемых датчиками, находящимися в равных условиях, и, соответственно, к снижению точности измерений.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании датчика, генерирующего при воздействии на него ударных и детонационных волн импульс напряжения с предсказуемой скоростью нарастания переднего фронта и амплитудой, зависящих от параметров, действующих на датчик ударных и детонационных волн.

Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в устранении нежелательных искажений импульсов, генерируемых датчиком, и, соответственно, в увеличении точности регистрации моментов прихода на датчик ударных и детонационных волн.

Дополнительный технический результат заключается в появлении возможности измерять величину давления в ударной волне и скорость детонации в скользящей детонационной волне.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в датчике ударных волн, содержащем пьезоэлемент с электродами, рабочая поверхность которого ориентирована в сторону направления распространения ударных волн, новым является то, что вектор поляризации пьезоэлемента направлен параллельно его рабочей поверхности.

Для минимизации возмущений, вносимых датчиком в работу исследуемого объекта, пьезоэлемент выполнен в виде тонкой пластины, при этом рабочая поверхность пьезоэлемента образована зазором между двумя электродами, расположенными в плоскости размещения рабочей поверхности, или их проекциями на указанную плоскость при размещении электродов на противоположной плоскости пьезоэлемента.

Причинно-следственная связь между указанной совокупностью признаков и достигаемыми техническими результатами поясняется следующим образом. При ударном воздействии на рабочую поверхность пьезоэлемента в нем возникает ударная волна, распространяющаяся таким образом, что ее фронт оказывается параллелен вектору поляризации. Ударная волна приводит к деполяризации рабочего тела датчика, в результате чего на его электродах выделяется электрический заряд. При таком условии распространения ударной волны электрические поля, возникающие в рабочем теле датчика, зависят от величины подключаемой к датчику нагрузки. При этом напряженность электрического поля выражается следующей формулой (для пьезоэлемента в виде прямоугольного параллелепипеда):

где E(t) - напряженность электрического поля, U - скорость распространения УВ в рабочем теле датчика; R_н - величина нагрузки, подключаемой к датчику; ΔPr - величина уменьшения поляризации под действием УВ; Х_o - толщина пьезоэлемента; Y_o - ширина пьезоэлемента.

Нагрузка датчика подбирается таким образом, чтобы возникающие в пьезоэлементе электрические поля не приводили к возникновению процессов, способствующих утечке выделившегося при деполяризации заряда через материал пьезоэлемента, главным образом, это электрический пробой и повторная поляризация деполяризованной ударной волной области пьезоэлемента. В этом случае параметры генерируемых датчиком импульсов зависят только от величины и характера ударных нагрузок, и импульсы, генерируемые датчиками, находящимися в равных условиях, одинаковы.

В случае если пьезоэлемент выполнен в виде тонкой пластины, то для создания поляризации, параллельной рабочей поверхности пьезоэлемента, необходимо расположить электроды описанным выше способом. Тогда при приложении коэрцитивного электрического поля к электродам такого пьезоэлемента на его рабочей поверхности возникает поляризация пьезокерамики, вектор которой ориентирован параллельно плоскости рабочей поверхности и, соответственно, параллельно фронту ударной волны. В результате плоский датчик приобретает свойства, описанные выше.

На фиг.1 представлена простейшая конструктивная схема заявляемого датчика ударных волн. На фиг.2 представлены возможные варианты расположения электродов на пьезоэлементе в виде тонкой пластины. На фиг.3 показан вариант конструктивного исполнения заявляемого датчика.

Датчик ударных волн (см. фиг.1, 2) содержит пьезоэлемент (1) с электродами (2), рабочая поверхность (3) которого ориентирована в сторону направления распространения ударных волн. При этом вектор поляризации (4) пьезоэлемента (1) направлен параллельно его рабочей поверхности (3).

В случае выполнения пьезоэлемента в виде тонкой пластины (1) (см. фиг.2) рабочая поверхность (3) пьезоэлемента образована зазором между двумя электродами (2), расположенными в плоскости размещения рабочей поверхности (а), или их проекциями на указанную плоскость при размещении электродов (2) на противоположной плоскости пьезоэлемента (б).

Датчик ударных волн работает следующим образом. При ударном воздействии на рабочую поверхность (3) датчика в нем возникает ударная волна, распространяющаяся таким образом, что ее фронт оказывается параллелен вектору поляризации (4). Ударная волна приводит к деполяризации рабочего тела (1) датчика, в результате чего на его электродах (2) выделяется электрический заряд и, соответственно, появляется сигнал в измерительной цепи, подключенной к электродам (2) датчика. Начало сигнала соответствует моменту выхода ударной волны на рабочую поверхность (3) датчика. В случае, когда на рабочую поверхность (3) датчика приходит плоская УВ, импульс имеет прямоугольную форму, его амплитуда пропорциональна давлению действующей УВ, зависимость амплитуды сигнала от давления зависит от состава используемого пьезоактивного материала.

В случае, когда датчик нагружается скользящей детонационной волной, распространяющейся в плоскости рабочей поверхности датчика, и ее направление перпендикулярно вектору поляризации, передний фронт импульса имеет наклон, крутизна которого прямо пропорциональна скорости распространения детонации, что может быть использовано для измерения скорости детонации или давления за фронтом детонационной волны, если известна скорость детонационной волны. Для прямоугольного пьезоэлемента передний фронт импульса описывается выражением

где ΔР_r. - удельный заряд деполяризации, D - скорость детонационной волны исследуемого ВВ, U - скорость УВ в пьезокерамике, R_н - волновое сопротивления кабеля, t - текущее время.

Представленный на фиг.3 датчик ударных волн содержит пьезоэлемент (1) с электродами (2), рабочая поверхность (3) которого ориентирована в сторону направления распространения ударных волн. Вектор поляризации пьезоэлемента (1) направлен параллельно его рабочей поверхности (3). Пьезоэлемент расположен в диэлектрическом корпусе (5) так, что его рабочая поверхность (3) располагается заподлицо с передним торцом корпуса (5). Передняя часть корпуса помещена в пенопластовую втулку (6). Внутри корпуса (5) располагается также конец кабеля (7) измерительной линии, выводы которого подключены к электродам (2) пьезоэлемента (1). Датчик поджимается к поверхности установки при помощи накидной гайки (8), упирающейся в выступ на корпусе. С целью компенсации температурных колебаний на выступе корпуса перед накидной гайкой (8) установлено резиновое кольцо (9). На рабочую поверхность (3) пьезоэлемента может наноситься тонкий защитный диэлектрический слой, например фторопласт, для предотвращения преждевременного замыкания электродов (2) пьезоэлемента проводящими продуктами детонации или материалом с хорошей проводимостью, если на такой устанавливается датчик.

Датчик работает аналогично описанному выше, с той разницей, что пенопластовая втулка (6), выполняющая роль демпфирующего элемента, ослабляет боковые воздействия, делая, таким образом, датчик чувствительным только к воздействиям, приходящим на рабочую поверхность (3) датчика.

Источники информации

1. СССР, авторское свидетельство №250555, МПК G 01 h 5/00 "Датчик для отметки ударных волн". Заявлено 31.05.1968, опубликовано 16.01.1970 г. в БИ №26.

2. П.Кальдирола, Г.Кнопфель, "Физика высоких плотностей энергии", с.74, 1974 г., Москва, издательство "Мир".

3. Е.З.Новицкий, В.Д.Садунов, "О развитии пробоя в ударно-сжатом сегнетоэлектрике", ФГВ №4, стр.88, 1984 г.

Использование: для регистрации моментов выхода ударных и детонационных волн на поверхностях элементов исследуемого объекта, а также для измерения параметров ударных и детонационных волн. Сущность: датчик ударных волн содержит пьезоэлемент с электродами, рабочая поверхность которого ориентирована в сторону направления распространения ударных волн. Вектор поляризации пьезоэлемента направлен параллельно его рабочей поверхности. Пьезоэлемент может быть выполнен в виде тонкой пластины, при этом рабочая поверхность пьезоэлемента образована зазором между двумя электродами, расположенными в плоскости размещения рабочей поверхности, или их проекциями на указанную плоскость при размещении электродов на противоположной плоскости пьезоэлемента. Технический результат изобретения заключается в устранении нежелательных искажений импульсов, генерируемых датчиком, и, соответственно, в увеличении точности регистрации моментов прихода на датчик ударных и детонационных волн. Дополнительный технический результат заключается в появлении возможности измерять величину давления в ударной волне и скорость детонации в скользящей детонационной волне. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Датчик ударных волн, содержащий пьезоэлемент с двумя электродами, рабочая поверхность которого ориентирована в сторону направления распространения ударных волн, отличающийся тем, что вектор поляризации пьезоэлемента направлен параллельно его рабочей поверхности.2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что в случае выполнения пьезоэлемента в виде тонкой пластины рабочая поверхность пьезоэлемента образована зазором между двумя электродами, расположенными в плоскости размещения рабочей поверхности, или их проекциями на указанную плоскость при размещении электродов на противоположной плоскости пьезоэлемента.