Способ определения динамического коэффициента Пуассона Российский патент 2024 года по МПК G01N3/08 

Область техники

Настоящее изобретение относится к технике радиофизических измерений, в частности к способам измерения механических деформаций упругих материалов, находящихся под воздействием импульсной сжимающей нагрузки.

Уровень техники

Оценка динамического коэффициента Пуассона, характеризующего отношение поперечной деформации тела к продольной при его растяжении или сжатии, возможна с помощью радиоэлектронных методов.

Известен бесконтактный радиоинтерферометрический способ, позволяющий производить непрерывную регистрацию движения поверхности исследуемого образца. В обзорах [Кох Б. Радиоэлектронные методы исследования быстропротекающих процессов / В кн. Физика быстропротекающих процессов. Перевод под ред. Златина Н. А., М.: МИР, 1971, т.1; Зарко В. Е. и др. Методические проблемы измерения скорости горения твердых топлив с использованием СВЧ-излучения. Физика горения и взрыва, 2000, Т. 36, №1., С.68-78] показаны типовые схемы построения микроволновых радиоинтерферометров с использованием T-мостов или волноводных кольцевых ответвителей, где происходит интерференция опорной волны с волной, отраженной от движущегося объекта. Сигнал на выходе детектора пропорционален векторной сумме опорной и отраженной волн:

,

где , – амплитуды напряженности электрического поля опорной и отраженной волн соответственно;

– фазовый сдвиг между опорной и отраженной волной, пропорциональный перемещению зондируемого объекта.

Когда амплитуды , постоянны, то на выходе детектора сигнал имеет чисто синусоидальный характер. В действительности амплитуда постоянна, а может изменяться в зависимости от характера движения исследуемого объекта. Поэтому такой способ применим только для измерения квазистационарных процессов, где амплитуда измерительной волны существенно не изменяется. Рассмотренный способ измерения параметров движения объекта является аналогом настоящего изобретения.

Альтернативным способом являются фазометрические измерения, когда выходной сигнал пропорционален сдвигу фазы между опорной и отраженной волнами, а изменение амплитуды отраженной волны существенно не влияет на вычисление перемещения зондируемого объекта. По сравнению с типовыми микроволновыми радиоинтерферометрами фазометрические радиоинтерферометры с квадратурными (отличающимися по фазе на 90°) выходными сигналами обладают повышенной чувствительностью и позволяют определять параметры движения с пространственным разрешением в десятки микрометров на микросекундных интервалах с точностью 1% [Бельский В. М. и др. Микроволновая диагностика ударно-волновых и детонационных процессов. Физика горения и взрыва, 2011, Т. 47, № 6, С. 29-41.; RU 2569581 C2 (Орехов Ю. И. и др. Микроволновый одноканальный радиоинтерферометр с волноведущим зондирующим трактом), 27.11.2015, Бюллетень № 33]. Способ фазометрических измерений с помощью радиоинтерферометра с квадратурными выходными сигналами с последующей их регистрацией цифровым регистратором является аналогом настоящего изобретения.

Известен способ бесконтактного измерения электронной плотности химически активной плазмы с помощью её просвечивания непрерывным сигналом миллиметрового диапазона длин волн [Sintsov S. et al. Study of the Electron Density in an Induc-tively Coupled Plasma of Fluorine-Hydrogen-Argon Gas Mixture. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2022, v. 42, No. 6, P. 1237-1247]. Схема реализации этого способа обладает рядом характерных признаков, необходимых для фазометрических измерений поперечной деформации: зондирующий тракт содержит направленный ответвитель, отводящий часть сигнала генератора миллиметрового диапазона длин волн на регистратор (опорный сигнал), опорный и принимаемый сигналы регистрируются высокоскоростным цифровым регистратором непосредственно на частоте зондирующего излучения. Однако реализация измерения поперечной деформации может быть осуществлена только в случае регистрации отраженного от объекта сигнала, когда зондирующая и приемная антенны имеют существенно более узкие диаграммы направленности с коэффициентом усиления не менее 20 дБ и размещаются с одной стороны от боковой поверхности исследуемого образца. Способ бесконтактного измерения электронной плотности химически активной плазмы является аналогом настоящего изобретения.

Известен способ определения динамического коэффициента Пуассона на основе измерения продольной деформации сжатия исследуемого образца по сигналам, зарегистрированным с помощью малобазных тензорезисторов, и поперечной деформации с использованием радиоинтерферометра миллиметрового диапазона длин волн [Баландин В. В. и др. Измерение величины динамического коэффициента Пуассона древесины с помощью радиоинтерферометра. Проблемы прочности и пластичности, 2020, Т. 82, № 4, С. 413-427]. Нагружение исследуемого образца импульсной сжимающей нагрузкой производится на установке, реализующей методику Кольского с использованием разрезного стержня Гопкинсона. Недостатком этого способа является использование сложной схемы микроволнового радиоинтерферометра, приемо-передатчик которого выполнен с гетеродинным преобразованием опорного и отраженного сигналов с 93,7 ГГц в область промежуточных частот на 2 ГГц. Применение гетеродинного преобразования вносит дополнительную неопределенность в вычисление сдвига фаз между опорной и отраженной волнами за счет снижения отношения сигнал/шум при преобразовании сигналов в смесительных элементах гетеродинной схемы, а также негативного влияния фазовых шумов самого гетеродина, что в целом снижает точность определения величины поперечной деформации, а, следовательно, и динамического коэффициента Пуассона. Способ определения динамического коэффициента Пуассона на основе измерения продольной деформации сжатия исследуемого образца по сигналам, зарегистрированным с помощью малобазных тензорезисторов, и поперечной деформации с использованием радиоинтерферометра миллиметрового диапазона длин волн с нагружением исследуемого образца импульсной сжимающей нагрузкой выбран в качестве прототипа настоящего изобретения.

Рассмотренные аналоги и прототип не позволяют обеспечить определение динамического коэффициента Пуассона материала на временном интервале в 1 мкс с погрешностью не более 10%, однако обладают рядом признаков, совокупность которых необходима, но недостаточна для достижения указанной точности.

Цифровая регистрация сигналов миллиметрового диапазона длин волн непосредственно на зондирующей частоте позволяет исключить из схемы фазометрических измерений гетеродинное преобразование частоты опорного и принятого сигналов, что повышает точность измерения поперечной деформации до 1 мкм при временном разрешении в 1 мкс.

Краткое описание чертежей

Способ определения динамического коэффициента Пуассона поясняется следующими чертежами.

Фиг. 1 – схема реализации способа определения динамического коэффициента Пуассона.

Фиг. 2 – схема подключения тензорезисторов.

Сущность изобретения

Задачей, на решение которой направлено предложенное изобретение, является возможность определения динамического коэффициента Пуассона упругих материалов с относительной погрешностью не хуже 10 % при временном разрешении в 1 мкс.

Технический результат достигается тем, что в способе определения динамического коэффициента Пуассона, также как и в способе-прототипе, включающем бесконтактные фазометрические измерения поперечной и тензометрические измерения продольной деформаций исследуемого образца, на боковой поверхности исследуемого образца размещают соединенные последовательно тензорезисторы, изменение падения электрического напряжения на которых, пропорциональное изменению их электрического сопротивления под воздействием механической деформации, регистрируют цифровым регистратором, по сигналу которого вычисляют продольную деформацию исследуемого образца, исследуемый образец нагружают импульсной сжимающей нагрузкой, по отношению поперечной деформации к продольной вычисляют динамический коэффициент Пуассона материала. Отличием настоящего изобретения является то, что с помощью направленного ответвителя отводят часть сигнала генератора зондирующего излучения на первый канал цифрового регистратора, а оставшийся основной сигнал через развязывающий вентиль подают на направленную зондирующую антенну, которую вместе с направленной приемной антенной размещают в одной плоскости со стороны боковой поверхности исследуемого образца, принимаемый направленной приемной антенной отраженный от исследуемого образца сигнал подают на второй канал цифрового регистратора, запускаемого в момент столкновения ударника с исследуемым образцом, при отложенной цифровой обработке по сигналам с цифрового регистратора, используя математический аппарат комплексных аналитических сигналов, вычисляют мгновенную фазу, пропорциональную перемещению боковой поверхности исследуемого образца, вычисляют поперечную деформацию исследуемого образца по отношению усредненного на микросекундном интервале перемещения к радиальному размеру исследуемого образца в точке измерения.

Описание изобретения

Способ определения динамического коэффициента Пуассона осуществляется следующим образом.

На фиг. 1 генератор зондирующего излучения 1 формирует непрерывный синусоидальный сигнал в миллиметровом диапазоне длин волн, часть которого с помощью направленного ответвителя 2 отводится на первый канал цифрового регистратора 3 для регистрации опорного сигнала S(t), а основная часть сигнала генератора зондирующего излучения 1 поступает на направленную зондирующую антенну 4 через развязывающий вентиль 5, имеющий коэффициент развязки не менее 20 дБ и исключающий проникновение отраженного от исследуемого образца 6 сигнала в зондирующий тракт. Отраженный от исследуемого образца 6 сигнал принимается направленной приемной антенной 7 и подается на второй канал цифрового регистратора 3 для регистрации отраженного сигнала R(t).

Направленные зондирующая и приемная антенны 4 и 5, имеющие ширину диаграммы направленности основного лепестка по уровню -3 дБ не более 20° с коэффициентом усиления не менее 20 дБ, размещаются в одной плоскости со стороны боковой поверхности исследуемого образца 6 таким образом, что линии, соединяющие их фазовые центры, образуют в данной плоскости равные углы α относительно нормали к поверхности исследуемого образца 6, восстановленной в центре области зондирования. Угол α выбирается минимально возможным, при котором прямое проникновение зондирующего сигнала в приемный тракт в отсутствии исследуемого образца 6 и иных отражающих поверхностей не превышает -30 дБ.

На боковой поверхности исследуемого образца 6 через равные расстояния по окружности путем наклеивания размещаются соединенные последовательно тензорезисторы 8, изменение падения электрического напряжения на которых, пропорциональное изменению их электрического сопротивления под воздействием механической деформации, регистрируется третьим каналом цифрового регистратора 3.

Для создания импульсной сжимающей нагрузки используется ударник 9, разгоняемый высоким давлением в газовой пушке. В момент столкновения ударника 9 с исследуемым образцом 6 срабатывает триггер запуска цифрового регистратора 3, настроенного на запись временной реализации процесса распространения деформации по исследуемому образцу 6.

На фиг. 2 представлена схема подключения соединенных последовательно тензорезисторов 8 к источнику питания с напряжением +U через последовательно включенное балластное сопротивление 10. Регистрируемый третьим каналом цифрового регистратора 3 сигнал снимается со средней точки между балластным сопротивлением 10 и соединенными последовательно тензорезисторами 8.

При отложенной цифровой обработке по сигналам S(t) и R(t) вычисляется мгновенная фаза по формуле:

,

где и – комплексные сигналы, действительные части которых совпадают с исходными сигналами R(t) и S(t) соответственно, а мнимые части находятся в квадратуре, символ * означает комплексное сопряжение; затем вычисляется перемещение боковой поверхности для каждого i-го временного интервала по формуле:

,

где k – волновое число;

- угол между фазовым центром антенны и нормалью к поверхности исследуемого образца, восстановленной в центре области зондирования;

– время, соответствующее началу импульса поперечной деформации;

– мгновенное время для i-го интервала.

Коэффициент поперечной деформации вычисляют по формуле:

,

где – значение перемещения боковой поверхности, усредненное по всем i-м временным интервалам, соответствующим процессу поперечной деформации;

r₀ – радиальный размер исследуемого образца; коэффициент продольной деформации вычисляют по формуле:

,

где – изменение общего сопротивления соединенных последовательно тензорезисторов;

– общее сопротивление соединенных последовательно тензорезисторов в недеформированном состоянии;

– коэффициент тензочувствительности.

Динамический коэффициент Пуассона вычисляют по формуле:

.

Была проведена экспериментальная проверка реализации способа определения динамического коэффициента Пуассона в стержне диаметром 60 мм длиной 1,5 м, выполненного из сплава Д16Т, нагружаемого ударом разогнанного ударника из того же сплава без пластической деформации стержня. Поперечная деформация определялась с помощью схемы, содержащей генератор зондирующего излучения Г4-156, работающий на частоте 32,5 ГГц, зондирующую и приемную направленные антенны, выполненные в виде пирамидальных рупоров, высокоскоростной цифровой регистратор DSAZ594A с полосой пропускания 59 ГГц и частотой дискретизации 160 ГВыб./с. Измеренное значение попереченой деформации на интервале длительностью 100 мкс составило 6,88 мкм. Продольная деформация определялась с помощью тензорезисторов FLA-3-350-11 и на интервале 100 мкс составила 40,96 мкм. Данамический коэффициент Пуассона составил 0,3356, что отличается от справочного значения 0,33 для Д16Т на 1,8%. Аналогичные оценки коэффициента Пуассона, полученные на интервалах длительностью в 1 мкс, имели среднеквадратичное отклонение не более 0,023 (7,7% от справочного значения).

Использование: настоящее изобретение относится к технике радиофизических измерений, в частности к способам измерения механических деформаций упругих материалов, находящихся под воздействием импульсной сжимающей нагрузки. Сущность: способ определения динамического коэффициента Пуассона включает в себя бесконтактные фазометрические измерения поперечной и тензометрические измерения продольной деформаций исследуемого образца. В способе определения динамического коэффициента Пуассона с помощью направленного ответвителя отводят часть сигнала генератора зондирующего излучения на первый канал цифрового регистратора, а оставшийся основной сигнал через развязывающий вентиль подают на направленную зондирующую антенну, которую вместе с направленной приемной антенной размещают в одной плоскости со стороны боковой поверхности исследуемого образца, принимаемый направленной приемной антенной отраженный от исследуемого образца сигнал подают на второй канал цифрового регистратора, запускаемого в момент столкновения ударника с исследуемым образцом. Технический результат: повышение точности измерения поперечной деформации до 1 мкм при временном разрешении в 1 мкс. 2 ил.

Способ определения динамического коэффициента Пуассона, включающий в себя бесконтактные фазометрические измерения поперечной и тензометрические измерения продольной деформаций исследуемого образца, включающий в себя несколько этапов, а именно на боковой поверхности исследуемого образца размещаются соединенные последовательно тензорезисторы, регистрирующие падение электрического напряжения под воздействием механической деформации цифровым регистратором, на основании сигнала цифрового регистратора вычисляется продольная деформация исследуемого образца, который нагружают импульсной сжимающей нагрузкой и вычисляют динамический коэффициент Пуассона материала по отношению поперечной деформации к продольной, с помощью направленного ответвителя отводят часть сигнала генератора зондирующего излучения на первый канал цифрового регистратора, а оставшийся основной сигнал через развязывающий вентиль подают на направленную зондирующую антенну, которую вместе с направленной приемной антенной размещают в одной плоскости со стороны боковой поверхности исследуемого образца, подают сигнал, принимаемый направленной приемной антенной, отраженный от исследуемого образца, на второй канал цифрового регистратора, запускаемого в момент столкновения ударника с исследуемым образцом, отличающийся тем, что при отложенной цифровой обработке на основе сигналов цифрового регистратора, используя математический аппарат комплексных аналитических сигналов, вычисляют мгновенную фазу, пропорциональную перемещению боковой поверхности исследуемого образца, и вычисляют поперечную деформацию исследуемого образца по отношению усредненного на микросекундном интервале перемещения к радиальному размеру исследуемого образца в точке измерения.