Чувствительный элемент датчика давления Советский патент 1992 года по МПК G01N21/70 G01L23/10 

Изобретение относится к области измерения, в частности к измерениям ударно- волнового и массового воздействий микровзрыва.

Известен пьезоэлектрический датчик импульсных давлений, содержащий размещенные в корпусе чувствительный пьезоэлектрический элемент и акустический волновод, последний снабжен выполненным за одно целое с ним расширителем с развитой рассеивающей поверхностью.

Наиболее близким техническим решением является малоинерционный пьезоэлектрический датчик для измерения импульсных давлений, пригодный для индикации ударно-волнового и массового воздействий, возникающих в результате микровзрыва. В этой конструкции кристалл прикрепляется к волноводу большего сечения, что приводит к радиальному рассеиванию акустических возмущений и позволяет уменьшить размеры датчика в целом.

Недостатками известных индикаторов с пьезоэлектриком в качестве чувствительного элемента являются низкая помехоустойчивость, что снижает точность индикации воздействия. Низкая помехоустойчивость связана с тем что чувствительный элемент и источник ударной волны, возникающей в результате микровзрыва должны находиться на достаточно малом расстоянии друг от друга ( 3 м). При этом в электрической цепи наряду с полезным сигналом, регистрируется паразитный сигнал. Появление этого паразитного сигнала обусловлено быстрым изменением тока от максимального значения до нуля в момент обрыва электрической цепи источника микровзрыва. Это существенно снижает точность определения времени прохождения ударной волной расстояния между источником микровзрыва и чувствительным элементом индикатора. Регистрация массового воздействия, проводимая в условиях глубокого вакуума (р 105 мм рт.ст.) практичесл

с

XI о

ю

ю

00

ски невозможна, т.к. массовое воздействие осуществляется раскаленной парокалель- ной смесью, температура которой достигает 8000 К, вто время как разогрев пьезоэле- мента до 400 К приводит к потере чувствительности пьезоэлемента из-за невысокой температуры Кюри ( 379 - 423 К).

Целью изобретения является повышение точности индикации ударно-волнового и массового воздействия микровзрыва.

Указанная цель достигается тем, что чувствительный элемент датчика давления, включающий индикатор изменения давления, расположенный на подложке, предназ- наченной для передачи сигнала к регистрирующему прибору, подложка выполнена прозрачной, а индикатор представляет собой слой триболюминофора, на который нанесен слой металла, толщина которого выбрана из условия непрозрачности металлического слоя для электромагнитного излучения микровзрыва, но не более 1х .

При срабатывании источника микровзрыва из небольшого объема выделяется энергия, которая распределяется по следующим каналам:

1)ударная волна,

2)массовое воздействие,

3)электромагнитное излучение в видимой и ближней инфракрасной областях спектра Для того, чтобы излучение, появляющееся в результате микровзрыва, не попадало на регистратор необходимо нанести на слой триболюминофора слой металла, такой толщины d, чтобы чувствительный элемент индикатора стал непрозрачным. Используя известное условие прозрачности металлического слоя

1 - R Г е

,2,-kd

R2

и считая, что выполнение соотношения

шрош -10-6..Ю-9 С

означает, практически, непрозрачность слоя, где прош интенсивность света, прошедшего через чувствительный элемент индикатора, пад интенсивность света, падающего на чувствительный элемент индикатора, определим толщину d, при кото- рой слой металла становится непрозрачным для электромагнитного излучения микровзрыва. Причем, уже при толщине металлического слоя м, знаменатель в (1)

практически равен единице, поэтому формулу (1) можно записать в виде

(1-R)Vkd C,(3)

Откуда нижняя граница для толщины металлического слоя определяется из условия, (к - коэффициент поглощения, a R - коэффициент отражения металла)

10

1

TTTj

(4)

15

20

25

30

35

40

45

50 55

С другой стороны установлено, что с увеличением толщины металлического слоя падает чувствительность триболюминофора к механическому возбуждению. Проведенные исследования показали, что для целого ряда металлов, например AI, Си, чувствительность люминофора к механическому воздействию уменьшается в 2 раза при толщине металла 1 -10 м. Поэтому в качестве верхней границы необходимо брать толщину металлического слоя d м. Таким образом для выполнения требований, изложенных выше, толщина металлического слоя выбирается из условия непрозрачности этого слоя для электромагнитного излучения микровзрыва, но не более 1 10 6м.

На фиг. 1 схематически изображен чувствительный элемент индикатора ударно- волнового и массового воздействий. На прозрачной подложке 1 расположен слой триболюминофора 2, на поверхность которого нанесен слой металла 3, толщиной d. выбираемой из условия непрозрачности металлического слоя для электромагнитного излучения, но не более 1 10 м.

Примером конкретного исполнения служит триболюминофорная панель, представляющая собой пластину из стекла,-на которую нанесен слой( триболюминофора марки ЭЛС-580 В, толщиной м с максимумом излучения Лт 600 нм. На поверхность триболюминофора напылен слой алюминия, требуемая толщина которого рассчитана из условия непрозрачности. Для алюминия коэффициент отражения R для видимойи ближней инфракрасной областей спектра R 0,954, К 1 16 10е 1 /м. Отношение прош/1пад. выбирается равным , Тогда нижняя граница толщины алюминия равна

ln(1 -R)2-ln

-6.146 +18.421 1

1,16 108

При этом значении толщины знаменатель в (1) равен 1, а отношение 1прош/ пад

(м).

10 для микровзрыва означает полную непрозрачность слоя при толщинах алюминия d 2:10 м. Поэтому в используемом чувствительном элементе индикатора толщина металлического слоя была выбрана из нера- венства

1 d

и равна 6 2 .

Индикация ударно-волнового и массового воздействия осуществляется следую- щим образом. На измеренном расстоянии от источника микровзрыва установлен чувствительный элемент индикатора ударно- волнового и массового воздействий микровзрыва, таким образом, что со старо- ны металлического слоя расположен источник микровзрыва, а со стороны стеклянной подложки установлена регистрирующая система, например ФЭУ, соединенный с запо- минающим осциллографом. В качестве источника микровзрыва использован полупроводниковый КСДИ резистор, работающий в режиме теплового пробоя. Ударная волна, образовавшаяся в результате микровзрыва, распространяется в среде в направ- лении чувствительного элемента. При достижении его металлического слоя 3 наступает его деформация, которая передается через слой металла 3 слою триболюминофора 2. Слой триболюминофора 2 в результате меха- нического воздействия начинает люминес- цировать в месте удара. Полученный оптический сигнал сквозь стеклянную подложку 1 попадает на регистрирующую систему (не показано). На фиг. 2 представлена типичная осциллограмма индикации ударно-волнового или массового воздействий,

где 1 - зависимость силы тока от времени в электрической цепи КСДИ-резистора (максимальное значение I (т.) соответствует наступлению взрыва; 2 - напряжение с регистрирующего устройства, пропорциональное ударно-волновому или массовому воздействию на чувствительный элемент. По этой осциллограмме определяется время t прохождения ударной волной или летящей массой расстояния I. По измеренному значению определяются скорость распространения ударной волны. энергия, затрачиваемая на образование ударной волны, при проведении эксперимента в вакуумной камере определяется массовая скорость микровзрыва.

Использование чувствительного элемента данной конструкции позволяет повысить точность измерения времени распространения ударной волны или массового воздействия на 20%.

Формула изобретения. Чувствительный элемент датчика давления, включающий индикатор изменения давления, расположенный на подложке, предназначенной для передачи сигнала к регистрирующему прибору, отличающийся тем, что, с целью повышения точности индикации ударно-волнового и массового воздействия микровзрыва, под- ложка выполнена прозрачной, а индикатор представляет собой слой триболюминофора, на который нанесен слой металла, толщина которого выбрана из условия непрозрачности металлического слоя для электромагнитного излучения микровзрыва, но не более 1 м.

Изобретение относится к технике измерений, в частности к измерениям ударно-волнового и массового воздействий микрсззрыва. Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент индикатора ударно- волнового и массового воздействий выполнен в виде прозрачной подложки со слоем трибс- люминофора, на который нанесен слой металла. 2 ил.

7Ј

%

.3 .2

1

фиг. 1

фиг. 2