СПОСОБ ЛОКАЦИИ СИЛОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ИНДИКАТОРНЫМ ПОКРЫТИЕМ Российский патент 2025 года по МПК H10N30/30 G01L1/16 

Изобретение относится к измерительной технике нахождения локации, величины одиночного силового воздействия, в частности, кусочками бетонной крошки из-под переднего колеса при взлете с взлетно-посадочной полосы, осколками снарядов и пуль в боевых ситуациях, града по внешней поверхности индикаторного полимерного покрытия.

Наиболее близким способом локации силового воздействия индикаторным покрытием является способ (см. Pan’kov A.A. Indicator polymer coating with built-in fiber optic piezosensor / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 1029, Dynamics of Technical Systems (DTS 2020) 11-13 September 2020, Rostov-on-Don, Russia, DOI 10.1088/1757-899X/1029/1/012072), при котором используют индикаторное покрытие в виде полимерного слоя со встроенным в виде плоской спирали оптоволоконным пьезоэлектролюминесцентным (PEL) датчиком, включающее в себя оптоволокно, электролюминесцентный слой и пьезоэлектрический слой в виде покрытия оптоволокна и протяженную двухпроводную линию взаимодействующих через пьезоэлектрический слой электродов. Пьезоэлектрический элемент (слой) и протяженная двухпроводная линия взаимодействующих электродов также, как и, в целом, оптоволоконный PEL-датчик имеют вид спирали в плоскости покрытия. Приемник/анализатор информативных световых импульсов расположен на входе/выходе (т.е. в центре или на периферии) спирали оптоволоконного PEL-датчика с выходами управляющих электродов. Измеряют и анализируют последовательность информативных световых импульсов, формирующихся в силу механолюминесцентного эффекта на «дугах активации» - отрезках спирали оптоволоконного PEL-датчика с входящим в него пьезоэлектрическим слоем (элементом), расположенных в круговой зоне возмущения индикаторного покрытия - окрестности эпицентра силового воздействия.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - используют индикаторное покрытие, включающее в себя пьезоэлектрический элемент, протяженную двухпроводную линию взаимодействующих электродов в виде спирали в плоскости покрытия и приемник/анализатор информативных импульсов на входе/выходе спирали электродов; измеряют и анализируют последовательность информативных импульсов, формирующихся на «дугах активации» - отрезках спирали пьезоэлектрического элемента, расположенных в круговой зоне возмущения индикаторного покрытия в окрестности эпицентра силового воздействия.

Недостатками известного способа локации силового воздействия индикаторным покрытием, принятого за прототип, являются:

низкая чувствительность и точность измерения, обусловленная малой величиной коэффициента прохождения светового потока (генерируемого электролюминисцентным слоем) внутрь световода через его боковую поверхность.

Задачей изобретения является повышение чувствительности и точности локации силового воздействия индикаторным покрытием.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе локации силового воздействия, при котором используют индикаторное покрытие, включающее в себя пьезоэлектрический элемент, протяженную двухпроводную линию взаимодействующих электродов в виде спирали в плоскости покрытия и приемник/анализатор информативных импульсов на входе/выходе спирали электродов; измеряют и анализируют последовательность информативных импульсов, формирующихся на «дугах активации» - отрезках спирали пьезоэлектрического элемента, расположенных в круговой зоне возмущения индикаторного покрытия в окрестности эпицентра силового воздействия, согласно изобретению используют индикаторное покрытие в виде пьезоэлектрического актюатора, включающего пьезоэлектрический элемент в виде пластины с двойной спиралью ленточных взаимодействующих электродов, встроенных внутрь по толщине или установленных на одной (верхней или нижней) или противоположно друг другу на обеих (верхней и нижней) поверхностях пьезоэлектрической пластины, при этом неоднородную поляризацию пластины осуществляют приложением к выходам электродов поляризующего значения электрического напряжения (см. Патенты RU № 2803015 от 05.09.2023 г., № 2811499 от 12.01.2024г.), измеряют и анализируют последовательность информативных импульсов электрического тока между выходами электродов двойной спирали, находят локацию эпицентра и величину силового воздействия по измеренному количеству, временным промежуткам и пиковым значениям последовательности информативных импульсов электрического тока.

В частном случае используют индикаторное покрытие с взаимодействующими электродами в виде спирали Архимеда и локацию силового воздействия осуществляют через вычисление радиальной ρ_{• =}cτ_•/(2π) и угловой ϕ_•=cτ_•/a полярных координат эпицентра силового воздействия по измеренному значению интервала времени τ_• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины измеряемой последовательности информативных импульсов электрического тока, где a - шаг двойной спирали, c - скорость распространения тока вдоль электродов.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа, - используют индикаторное покрытие в виде пьезоэлектрического актюатора, включающего пьезоэлектрический элемент в виде пластины с двойной спиралью ленточных взаимодействующих электродов, встроенных внутрь по толщине или установленных на одной (верхней или нижней) или противоположно друг другу на обеих (верхней и нижней) поверхностях пьезоэлектрической пластины, при этом неоднородную поляризацию пластины осуществляют приложением к выходам электродов поляризующего значения электрического напряжения, измеряют и анализируют последовательность информативных импульсов электрического тока между выходами электродов двойной спирали, находят локацию эпицентра и величину силового воздействия по измеренному количеству, временным промежуткам и пиковым значениям последовательности информативных импульсов электрического тока; используют индикаторное покрытие с взаимодействующими электродами в виде спирали Архимеда и локацию силового воздействия осуществляют через вычисление радиальной ρ_•=cτ_•/(2π) и угловой ϕ_•=cτ_•/a полярных координат эпицентра силового воздействия по измеренному значению интервала времени τ_• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины измеряемой последовательности информативных импульсов электрического тока, где a - шаг двойной спирали, c - скорость распространения тока вдоль электродов.

Отличительные признаки в совокупности с известными обуславливают достижение заявленного результата - повышение чувствительности и точности локации силового воздействия индикаторным покрытием.

Способ локации силового воздействия индикаторным покрытием иллюстрируется чертежом, на котором изображено индикаторное покрытие в виде пьезоэлектрической круглой пластины со встроенной двойной спиралью взаимодействующих электродов.

Индикаторное покрытие в виде пьезоэлектрического актюатора (см. Патенты RU №№ 2803015 от 05.09.2023 г., 2811499 от 12.01.2024 г.) в качестве электромеханического преобразователя включает в себя пьезоэлектрическую пластину 1 с двойной спиралью ленточных взаимодействующих электродов 2, встроенных внутрь по толщине или установленных на одной (верхней или нижней) или обеих (противоположно друг другу на верхней и нижней) поверхностях пьезоэлектрической пластины 1. Неоднородная поляризация пластины 1 осуществляется приложением к выходам электродов 3, 4 поляризующего значения электрического напряжения.

При диагностируемом силовом воздействии на поверхность индикаторного покрытия измеряют и анализируют на выходах электродов 3,4 электрический ток I_inf в виде последовательности информативных импульсов, обусловленных появлением электрических зарядов на дугах «активации» спиралей электродов 2 в круговой зоне возмущения 5 индикаторного покрытия в окрестности эпицентра 6 силового воздействия в силу прямого пьезоэффекта пьезоэлектрической пластины 1. Находят локацию эпицентра 6 и величину силового воздействия по измеренному количеству, временным промежуткам и пиковым значениям последовательности информативных импульсов электрического тока I_inf.

В частном случае используют индикаторное покрытие с взаимодействующими электродами 2 в виде спирали Архимеда и локацию силового воздействия осуществляют через вычисление радиальной ρ_{• =}cτ_•/(2π) и угловой ϕ_•=cτ_•/a полярных координат эпицентра 6 силового воздействия по измеренному значению интервала времени τ_• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины измеряемой последовательности информативных импульсов электрического тока I_inf, где a - шаг двойной спирали, c - скорость распространения тока вдоль электродов 2.

Таким образом, при осуществлении сосредоточенного силового воздействия на поверхность индикаторного покрытия происходит упругое деформирование соответствующей локальной круговой области покрытия вокруг эпицентра воздействия (см. фиг.), при этом на участках (дугах) спирали электрода (внутри этой локальной области) возникают пьезоэлектрические заряды, обусловленные пьезоэффектом пьезоэлектрической пластины 1. Появление (генерация) электрического заряда на каждом таком локальном участке спирали электрода обуславливает появление в электроде волн (импульсов) тока и напряжения, распространяющихся по электроду в обе стороны от источника заряда; этот процесс моделируются телеграфными дифференциальными уравнениями для описания распределения напряжения и тока по времени и расстоянию в линиях электрической связи. Далее, на выходе электрода измеряют значение интервала времени τ_• между двумя максимальными по величине соседними информативными импульсами электрического тока I_inf или напряжения U_inf, с использованием которого осуществляют вычисление радиальной ρ_{• =}cτ_•/(2π) и угловой ϕ_•=cτ_•/a полярных координат эпицентра 6 силового воздействия.

В результате достигается технический результат - повышение чувствительности и точности локации силового воздействия индикаторным покрытием.

Указанный технический результат подтвержден результатами численного моделирования решения краевой задачи электроупругости о вдавливании одиночной жесткой шаровой частицы в поверхность представительного фрагмента индикаторного покрытия со встроенной двойной спиралью взаимодействующих электродов, нахождением величин пьезоэлектрических зарядов на локальных участках (дугах) спирали электрода и последующим численным решением телеграфных дифференциальных уравнений с нахождением формы импульсов - волн тока и напряжения по длине электрода в разные моменты времени, в том числе на выходах электродов.

Изобретение относится к измерительной технике нахождения локации, величины одиночного силового воздействия, в частности, кусочками бетонной крошки из-под переднего колеса при взлете с взлетно-посадочной полосы, осколками снарядов и пуль в боевых ситуациях, града по внешней поверхности индикаторного полимерного покрытия. Согласно способу используют индикаторное покрытие в виде пьезоэлектрического актюатора в качестве электромеханического преобразователя, включающего в себя пьезоэлектрическую пластину с двойной спиралью ленточных взаимодействующих электродов, встроенных внутрь по толщине или установленных на одной (верхней или нижней) или обеих (противоположно друг другу на верхней и нижней) поверхностях пьезоэлектрической пластины. Неоднородная поляризация пластины осуществляется приложением к выходам электродов поляризующего значения электрического напряжения. При диагностируемом силовом воздействии на поверхность индикаторного покрытия измеряют и анализируют на выходах электродов электрический ток I_inf в виде последовательности информативных импульсов, обусловленных появлением электрических зарядов на дугах «активации» спиралей электродов в круговой зоне возмущения индикаторного покрытия в окрестности эпицентра силового воздействия в силу прямого пьезоэффекта пьезоэлектрической пластины. Находят локацию эпицентра и величину силового воздействия по измеренному количеству, временным промежуткам и пиковым значениям последовательности информативных импульсов электрического тока I_inf. Технический результат - повышение чувствительности и точности локации силового воздействия индикаторным покрытием. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ локации силового воздействия индикаторным покрытием, при котором используют индикаторное покрытие, включающее в себя пьезоэлектрический элемент, протяженную двухпроводную линию взаимодействующих электродов в виде спирали в плоскости покрытия и приемник/анализатор информативных импульсов на входе/выходе спирали электродов, измеряют и анализируют последовательность информативных импульсов, формирующихся на «дугах активации» - отрезках спирали пьезоэлектрического элемента, расположенных в круговой зоне возмущения индикаторного покрытия в окрестности эпицентра силового воздействия, отличающийся тем, что используют индикаторное покрытие в виде пьезоэлектрического актюатора, включающего пьезоэлектрический элемент в виде пластины с двойной спиралью ленточных взаимодействующих электродов, встроенных внутрь по толщине или установленных на одной верхней или нижней или противоположно друг другу на обеих верхней и нижней поверхностях пьезоэлектрической пластины, при этом неоднородную поляризацию пластины осуществляют приложением к выходам электродов поляризующего значения электрического напряжения, измеряют и анализируют последовательность информативных импульсов электрического тока между выходами электродов двойной спирали, находят локацию эпицентра и величину силового воздействия по измеренному количеству, временным промежуткам и пиковым значениям последовательности информативных импульсов электрического тока.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют индикаторное покрытие с взаимодействующими электродами в виде спирали Архимеда и локацию силового воздействия осуществляют через вычисление радиальной ρ_•=сτ_•/(2π) и угловой ϕ_•=сτ_•/а полярных координат эпицентра силового воздействия по измеренному значению интервала времени τ_• между двумя максимальными по величине соседними импульсами из середины измеряемой последовательности информативных импульсов электрического тока, где а - шаг двойной спирали, с - скорость распространения тока вдоль электродов.