СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРНОЙ ВОЛНЫ Российский патент 2005 года по МПК G01L23/00 

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических измерений параметров ударных и детонационных волн.

Известен способ измерения параметров ударной волны (УВ) /А.Г.Иванов, В.А.Огородников. Способ измерения параметров ударной волны. Авт. св. №0934792, G 01 L 23/00, опубл. в БИ №22, 1993 г./, основанный на измерении давления и скорости УВ датчиками, заключающийся в том, что в исследуемой среде последовательно по пути распространения УВ располагают емкостной датчик и пьезорезистивный, о величине давления судят по сигналу напряжения в общей схеме включения датчиков, а о скорости УВ - по времени между упомянутым сигналом и импульсом напряжения емкостного датчика.

Известен способ регистрации давления и перемещения УВ с использованием пьезорезистивного и электроконтактного датчиков /М.Н.Павловский. Измерение скорости звука в ударно-сжатых кварците, доломите, ангидрите, хлористом натрии, парафине, плексигласе, полиэтилене и фторопласте - 4. ПМТФ, 1976, №5, с.136-139/. В диэлектрической среде размещают пьезорезистивный датчик, путем соударения с металлической пластиной возбуждают в среде УВ, регистрируют напряжение на датчике, по которому определяют давление и момент времени прихода к датчику фронта УВ. Скорость УВ определяют путем регистрации интервала времени между указанным моментом и моментом срабатывания электроконтактного датчика, размещенного на известной базе (расстоянии) от пьезорезистивного.

Недостатком этих способов является использование двух датчиков, что приводит к усложнению постановки опытов.

Наиболее близким к изобретению является способ измерения параметров УВ с помощью одного пьезорезистивного датчика /Л.А.Гатилов. Способ регистрации давления и перемещения ударной волны. Патент RU №2168158, G 01 L 23/00, опубл. в БИ №15, 2001/. Согласно способу в диэлектрической среде размещают пьезорезистивный датчик. Путем соударения с металлической пластиной возбуждают в среде ударную волну. Регистрируют напряжение на датчике, по которому определяют давление и момент времени прихода к датчику фронта УВ. До прихода УВ к датчику регистрируют ЭДС электромагнитной индукции, обусловленную изменением магнитного поля датчика из-за движения пластины, по которой определяют моменты времени совпадения обращенной к датчику поверхности пластины с фронтом падающей и (или) отраженной УВ. Это позволяет одновременно регистрировать профиль давления, скорость свободной поверхности пластины и скорость УВ в среде.

Недостатком этого способа является использование для регистрации сопутствующего эффекта с низким уровнем полезного сигнала, более чем на порядок величины меньшего уровня сигнала за счет основного пьезорезистивного эффекта, и отсутствие возможности разделения этих сигналов в измерительной цепи. Это снижает достоверность измерений и приводит к усложнению постановки опытов вследствие необходимости принятия мер для защиты от электромагнитных наводок. Другим недостатком этого способа является то, что область его применения ограничена измерениями только в диэлектрической среде, нагруженной ударом металлической пластины, и только пьезорезистивным датчиком. Отметим, что в способе невозможно использовать другие пьезочувствительные датчики, например пьезоэлектрический датчик, который в отличие от предыдущего представляет собой с электрической точки зрения конденсатор, а не плоскую катушку индуктивности.

Недостатком всех трех рассмотренных выше способов является, кроме того, их низкая информативность, а именно отсутствие возможности измерения в одном опыте параметров (давления и массовой скорости) для двух (или более) различных состояний ударно-сжатой среды, соответствующих двум (или более) разным точкам на ее ударной адиабате (адиабате Гюгонио).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке простого способа регистрации параметров ударной волны с широкой областью его применения.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в повышении достоверности, информативности и универсальности способа за счет возможности регистрации по одному измерительному каналу одним пьезочувствительным датчиком (пьезорезистивным или пьезоэлектрическим), работающим в номинальном режиме, как давления, так и скорости движения конденсированной среды (диэлектрической или недиэлектрической) для двух (или более) ее различных состояний, образующихся при воздействии ударной волны, полученной произвольным способом.

Это достигается тем, что в способе измерения параметров ударной волны, заключающемся в том, что в конденсированной среде по пути распространения падающей ударной волны размещают пьезочувствительный датчик, регистрируют электрический сигнал с датчика, по которому определяют давление и момент времени прихода к датчику фронта падающей ударной волны, а также моменты времени, связанные с образованием отраженных волн, датчик размещают в зазоре, ширина которого больше толщины датчика, с образованием слоя газообразного вещества за датчиком, дополнительно определяют давление в отраженных волнах, образующихся при схлопывании зазора и столкновении датчика со стенками зазора, а моменты времени, связанные с образованием отраженных волн, определяют по моментам времени прихода указанных волн к датчику.

Для повышения информативности в способе перед конденсированной средой по пути распространения падающей ударной волны размещают экран из эталонного материала с акустической жесткостью больше акустической жесткости среды.

Для расширения области применения и информативности в способе между средой и датчиком размещают пластину из эталонного материала с акустической жесткостью меньше акустической жесткости среды.

В такой редакции опытов датчик подвергается неоднократному ударному нагружению падающей и отраженными УВ, проходя последовательно стадии сжатия, свободного полета, торможения и повторного сжатия при схлопывании зазора. Характер движения и, соответственно, электрический отклик датчика зависит от соотношения волновых сопротивлений (акустической жесткости) среды, датчика, а также экрана и пластины при использовании последних. Как известно, при выходе УВ из более "жесткого" слоя (материала) в более "мягкий" и последующей разгрузке слои разделяются, поскольку "мягкий" слой движется с большей скоростью. И наоборот, при выходе УВ из более "мягкого" слоя в более "жесткий" и разгрузке слои движутся вместе с одной скоростью. Поэтому "мягкий" датчик после прихода падающей УВ отлетает от ближней стенки зазора и тормозится при столкновении с дальней стенкой до момента схлопывания зазора.

"Жесткий" датчик движется вместе с ближней стенкой зазора. Если между "жестким" датчиком и средой поместить пластину из более "мягкого" материала (чем среда), то последняя будет действовать на датчик как поршень и обеспечит движение датчика с большей скоростью, чем среда (ближняя стенка зазора). Поэтому "жесткий" датчик в этом случае столкнется с дальней стенкой до момента схлопывания зазора. Это расширяет область применения и повышает информативность способа за счет возможности использования в нем не только "мягких", но и "жестких "датчиков.

При использовании "жесткого" экрана аналогично более "мягкий" образец среды отлетает от экрана и тормозится затем в момент схлопывания зазора при столкновении с образцом среды, находящимся в состоянии покоя. Поэтому экран догоняет образец и в результате столкновения в среде возникает УВ, зондирующая образец уже после схлопывания зазора. Это повышает информативность способа.

Таким образом, в результате скачкообразного движения образца среды, датчика, пластины и экрана при их столкновении образуются отраженные УВ, которые регистрирует пьезочувствительный датчик.

Соответственно, оказывается возможным измерение скорости движения поверхности (образца) среды, скорости движения датчика и скорости движения поверхности экрана, что позволяет, используя также измеренные значения давления отраженных волн, однозначно определить следующие состояния среды известными методами, например методом (P,U) - диаграмм /см. Е.И.Забабахин. Некоторые вопросы газодинамики взрыва. - Снежинск, РФЯЦ-ВНИИТФ, 1997, с.21; В.В.Селиванов, В.В.Соловьев, Н.Н.Сысоев. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. - М.: Изд. МГУ, 1990, 256 с./.

Состояние А (см. на фигурах ниже) возникает в среде при воздействии падающей УВ, а также после схлопывания зазора при столкновении движущейся и покоящейся частей (образцов) среды.

Состояние В возникает после распада произвольного разрыва на границе раздела среда-датчик вследствие прихода на эту границу падающей УВ.

Состояние Е - на границе раздела датчик-среда при столкновении движущегося в зазоре датчика с образцом среды, находящимся в состоянии покоя.

В случае, если акустическая жесткость датчика меньше акустической жесткости среды, состояния А, В и Е различны. В противном случае состояния В и Е одинаковы, но отличаются от А. Возможность применения в данном способе пьезоэлектрических датчиков позволяет использовать датчики из "мягких" материалов - пьезополимерных пленок, акустическая жесткость которых значительно ниже, чем у обычно используемых пьезорезистивных датчиков из манганина и большинства конструкционных материалов. Использование дополнительно пластины из "мягкого" эталонного материала позволяет перейти от второго из рассматриваемых случаев к первому практически во всех опытах. Использование также "жесткого" экрана из эталонного материала позволяет определить параметры состояния А без измерения давления.

Соответственно, в способе оказывается возможным измерение параметров различных состояний среды с помощью одного пьезочувствительного датчика.

На фиг.1 представлен вариант схемы постановки опыта, в котором реализуется заявляемый способ; на фиг.2 - осциллограмма напряжения на датчике; на фиг.3 - (P,U) - диаграмма опыта.

Заявляемый способ может быть реализован следующим образом. В конденсированной среде, представленной на фиг.1 двумя образцами 1 и 2, по пути распространения падающей ударной волны размещают пьезочувствительный датчик 3, например пьезоэлектрический датчик из поливинилиденфторида (ПВДФ) с акустической жесткостью меньше акустической жесткости среды. При этом датчик размещают между образцами в зазоре, ширина которого больше толщины датчика, с образованием слоя 4 газообразного вещества (например, воздуха) за датчиком. Регистрируют напряжение на датчике u(t), по которому определяют давление Р_i=f(u(t_i)) и моменты времени прихода к датчику падающей и отраженных УВ t_i, i=1, 2, 3. В моменты времени t_i происходит скачкообразное увеличение напряжения на датчике за счет пьезоэффекта, отмеченное на фиг.2 стрелками.

В момент времени t_i падающая УВ выходит на границу раздела образец 1 среды - датчик. После распада произвольного разрыва на этой границе (как в среде, так и в датчике) реализуется состояние В' (Р_в, U_g), см. фиг.3. Точка В' является точкой пересечения известной адиабаты датчика ОВ' и исследуемой (неизвестной) кривой торможения АВ' среды. В интервале времени (t₁, t₂) датчик движется в зазоре со скоростью W_g. В момент времени t=t₂ датчик тормозится при столкновении с образцом 2 среды. В результате распада произвольного разрыва на границе раздела датчик - образец 2 среды возникает состояние Е, которое на (Р, U) - диаграмме определяется точкой пересечения кривой торможения датчика ЕВ' и ударной адиабаты среды ОВА. В интервале времени (t₁, t₃) свободная поверхность образца 1 движется со скоростью W_c<W_g. В момент времени t=t₃ происходит схлопывание зазора при столкновении образца 1 с датчиком и образцом 2. После установления давления в системе образец 1 - датчик - образец 2 реализуется состояние А, которое определяется точкой пересечения ударной адиабаты ВЕА и кривой торможения В'А среды. По осциллограмме определяют скорость движения датчика в зазоре W_g=(d-a)/(t₂-t₁), скорость свободной поверхности образца 1 среды W_c=(d-а)/(t₃-t₁), где d - ширина зазора (расстояние между 1 и 2 образцами среды), а - толщина датчика, и, соответственно, по закону удвоения массовую скорость U_g=W_g/2 в состоянии В' и массовую скорость в состоянии А U_c=W_c/2. Также по осциллограмме определяют давление в состоянии А Р_A=Р₃, в состоянии В'-Р_B'=P₁ и в состоянии Е-Р_Е=Р₂. Таким образом, состояние А определяется массовой скоростью U_c и давлением Р_A; состояние Е - давлением Р_Е по известной кривой торможения датчика В'Е, которая находится с помощью зеркального отражения адиабаты датчика OB' относительно прямой U=U_g на (Р, U) - диаграмме; состояние В' - давлением Р_B и массовой скоростью U_g или одной из этих двух величин по известной кривой торможения датчика B'E. Отметим, что т.В' лежит на кривой торможения среды АВ', а соответствующая ей точка В на ударной адиабате среды находится зеркальным отражением т.В' относительно прямой U=U_c. Найденные точки А, В и Е принадлежат искомой ударной адиабате среды и различны, как видно на фиг.3. Причем состояние В, как следует из сказанного выше, можно определить без непосредственного измерения давления, что позволяет осуществить проверку правильности показаний пьезочувствительного датчика.

В случае использования дополнительно "жесткого" экрана из эталонного материала, размещенного перед средой, аналогично измеряют скорость W_э движения свободной поверхности экрана, находят кривую торможения экрана AW_э (путем зеркального отражения его ударной адиабаты относительно прямой U=W_э/2), а по ней положение точки А при U=U_c, см. фиг.3, определяя состояние точки А также (как и В) без измерения давления.

В случае использования дополнительно "мягкой" пластины из эталонного материала, размещенной перед датчиком, скорость последней равна скорости W_g датчика. Измерения проводятся аналогично, считая, что пластина и датчик представляют собой одно целое, и введя поправки, связанные с толщиной пластины.

Таким образом, в заявляемом способе оказывается возможным измерение параметров УВ в конденсированной среде для нескольких различных ее состояний одним датчиком, что повышает информативность измерений. При регистрации этих параметров датчик работает в номинальном режиме за счет основного эффекта - пьезоэффекта, что повышает достоверность измерений. Универсальность способа заключается в возможности использования в нем как пьезорезистивных, так и пьезоэлектрических датчиков, работающих в обычных для них условиях.

Изобретение относится к измерительной технике. Сущность: в исследуемой среде по пути распространения падающей ударной волны размещают датчик. Регистрируют электрический сигнал с датчика, по которому определяют давление и момент времени прихода к датчику фронта падающей ударной волны, а также моменты времени, связанные с образованием отраженных волн. Измерения проводят в конденсированной среде, образованной двумя образцами, в зазоре между которыми размещают датчик. Ширина зазора больше толщины датчика, с образованием слоя газообразного вещества за датчиком. Дополнительно определяют давление в отраженных волнах, образующихся при схлопывании зазора и столкновении датчика со стенками зазора, а моменты времени, связанные с образованием отраженных волн, определяют по моментам времени прихода указанных волн к датчику. Технический результат: повышение достоверности и информативности измерений. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ измерения параметров ударной волны, заключающийся в том, что в исследуемой среде по пути распространения падающей ударной волны размещают датчик, регистрируют электрический сигнал с датчика, по которому определяют давление и момент времени прихода к датчику фронта падающей ударной волны, а также моменты времени, связанные с образованием отраженных волн, отличающийся тем, что измерения проводят в конденсированной среде, образованной двумя образцами, в зазоре между которыми размещают датчик, причем ширина зазора больше толщины датчика, с образованием слоя газообразного вещества за датчиком, дополнительно определяют давление в отраженных волнах, образующихся при схлопывании зазора и столкновении датчика со стенками зазора, а моменты времени, связанные с образованием отраженных волн, определяют по моментам времени прихода указанных волн к датчику.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед конденсированной средой по пути распространения падающей ударной волны размещают экран из эталонного материала с акустической жесткостью более акустической жесткости среды.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед датчиком размещают пластину из эталонного материала с акустической жесткостью меньше акустической жесткости среды.