ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ НАТЯЖЕНИЯ В ГИБКИХ СОЕДИНЕНИЯХ Советский патент 2007 года по МПК G01L5/04 

Изобретение относится к области измерений и может быть использовано при исследовании источников акустических помех на приемниках гибких протяженных гидроакустических и сейсмических антенн.

Для определения амплитуды и частоты переменной составляющей продольного натяжения в гибких протяженных гидроакустических и сейсмических антеннах используются специальные измерительные датчики. Известен датчик для измерения переменных натяжений в плавучем натянутом кабеле ("Vibratory Dynamic Force Meter", патент США №3.024.645, класс 73-71.4 от 13.III.62 г.), представляющий собой герметичный жесткий корпус с гибкой верхней стенкой, к центральной части которой приклеена круглая пьезоэлектрическая пластинка. Датчик рассчитан на установку на донном основании плавучей кабельной линии, причем кабельная линия крепится к специальному болту (рыму), установленному в верхней части гибкой стенки напротив пьезоэлектрического элемента. Продольные натяжения в кабельной линии вызывают изгиб гибкой стенки датчика, а вместе с тем и изгиб пьезоэлектрической пластины, при этом в пьезоэлектрической пластинке возникает электрическое напряжение, частота и амплитуда которого определяется частотой и амплитудой натяжений, действующих в кабельной линии.

Описанный датчик обладает рядом существенных недостатков, основными из которых являются следующие.

Во-первых, указанный датчик наряду с измерением продольной составляющей переменного натяжения воспринимает вибрационные помехи (продольные вибрации).

Во-вторых, указанный датчик является приемником давления, то есть наряду с измерением натяжения принимает акустические помехи.

Кроме того, конструкция указанного датчика не приспособлена для установки внутри шланговых антенн и не обеспечивает транзита сигнальных проводов антенны, следовательно, указанный датчик может быть использован лишь для стационарных (небуксируемых) гибких протяженных антенн, как и отмечено в патенте (для плавучей донной кабельной линии).

Для измерения продольного переменного натяжения на произвольном участке шланговой оболочки буксируемой антенны необходимо иметь датчик, установленный внутри антенны, жестко скрепленный с оболочкой антенны, обеспечивающий транзит сигнальных проводов антенны и не нарушающий наружный диаметр антенны во избежание изменения условий буксировки антенны, то есть не создающий дополнительных гидродинамических помех. Кроме того, датчик должен воспринимать лишь переменную составляющую продольного натяжения и должен быть нечувствительным к акустическому давлению, а также к продольным и поперечным вибрациям антенны.

Указанная цель достигается при выполнении датчика в виде конструкции, в состав которой входят две одинаковые упругие пластины с пьезоэлементами, симметрично установленные на концах жесткого стержня, который механически соединяет центры обеих пластин, причем к краям каждой пластины присоединены специальные жесткие кольца, предназначенные для скрепления датчика с исследуемой оболочкой, а пьезоэлементы обеих пластин включены согласно по отношению к направлению поляризации. Для обеспечения транзита сигнальных проводов исследуемой антенны в пластинах имеются симметричные относительно центров пластин отверстия, имеющие, например, форму сектора.

На фиг.1 представлен эскиз конструкции датчика и показан способ его установки внутри шланговой антенны, на фиг.2 - вид А на фиг.1.

В состав датчика входят две одинаковые упругие пластины 1.

Центры пластин механически соединены между собой жестким, например, металлическим стержнем 2 при помощи гаек 3. Края пластин соединены с жесткими кольцами 4, которые при установке датчика в антенну скреплены с оболочкой антенны, например, при помощи бандажа 5. На фиг.1 показана трехслойная оболочка буксируемой антенны, состоящая из герметизирующего слоя 6, силовой оплетки 7 и сглаживающего слоя 8. У краев пластин сделаны специальные выточки 9, выполняющие роль механических развязок. На каждой пластине 1 установлены симметрично расположенные относительно оси датчика пьезоэлементы 10. Пьезоэлементы обеих пластин электрически включены согласно по отношению к направлению поляризации. Транзитные сигнальные провода антенны 11 пропущены сквозь отверстия в пластинах и закреплены на кольцах 4 при помощи скоб 12.

Работа датчика происходит следующим образом. Продольные натяжения, возникающие в оболочке антенны, через забандажированные участки оболочки и кольца 4 передаются на упругие пластины 1, вызывая в них деформации изгиба. Отметим, что в гибких антеннах при буксировке всегда имеется некоторое статическое натяжение, т.е. на датчик при буксировке всегда действует некоторое постоянное при данной скорости буксировки растягивающее усилие F₀. Таким образом, переменная составляющая натяжения вызывает соответствующее увеличение или ослабление постоянного натяжения. По этой причине пьезоэлементы 10 установлены лишь на одной стороне упругой пластины 1, а именно на той, которая при изгибе пластины под воздействием растягивающего усилия испытывает деформацию сжатия. Толщина пьезоэлементов 10, в соответствии с общими правилами проектирования изгибных преобразователей, составляет примерно половину толщины упругой пластины 1. Сохранение знака деформации по всей длине пьезоэлементов 10 обеспечено наличием выточек 9, которые выполняют роль механических развязок, изменяющих условие закрепления пластины на одном краю из защемленного на опертое. Таким образом, при согласном относительно направления поляризации включении пьезоэлементов, возникающие в них под действием натяжений электрические напряжения складываются. С другой стороны, при воздействии продольных вибраций инерционным элементом является масса пластин и масса стержня 2. Следовательно, под действием продольных вибраций в пьезоэлементах 10 двух пластин возникают деформации взаимно противоположного знака, т.е. при согласном включении пьезоэлементов двух пластин возникающие в пьезоэлементах при воздействии на датчик продольных вибраций электрические напряжения вычитаются. Благодаря этому обеспечивается низкая чувствительность датчика к продольным вибрациям. Низкая чувствительность датчика к поперечным вибрациям обеспечена симметрией его конструкции относительно продольной оси.

Низкая чувствительность датчика к акустическому давлению обеспечена тем, что при достаточной жесткости колец 4 под воздействием акустического давления происходит всестороннее сжатие (или растяжение) пьезоэлементов (без изгиба упругих пластин 1), благодаря чему чувствительность датчика предлагаемой конструкции к акустическому давлению на 2÷3 порядка ниже, чем для конструкции, описанной в противопоставленном патенте при сравнимых габаритных размерах датчика.

Отметим, что для упрощения работы с датчиком и повышения точности измерений необходимо, чтобы продольная жесткость датчика была много выше продольной жесткости исследуемой оболочки между упругими пластинами датчика; в противном случае при обработке результатов измерений следует вводить поправку, учитывающую соотношение жесткостей датчика и оболочки.

Транзит сигнальных проводов антенны через датчик осуществлен через специальные отверстия в пластинах, причем для исключения возможности возникновения помех за счет трения транзитных проводов о пластины 1, транзитные провода закреплены на кольцах 4 с помощью скоб 11 так, что транзитные провода не касаются пластин 1.

При проведении работ по НИР "Акведук" авторами были изготовлены и испытаны в лабораторных условиях и использованы при проведении натурных испытаний шланговых протяженных гидроакустических антенн ряд датчиков переменных натяжений. Испытания полностью подтвердили работоспособность датчиков, их низкую чувствительность к поперечным и продольным вибрациям и практически полную нечувствительность к акустическому давлению. Для датчиков натяжения, предназначенных для установки в шланговых антеннах с внутренним диаметром 32 мм, чувствительность к вибрациям в диапазоне частот 20÷200 Гц не превышала 3 мВ/д (при чувствительности специальных вибродатчиков порядка 150 мВ/д), чувствительность к акустическому давлению не превышала (при чувствительности приемников давления порядка ), чувствительность датчика к продольным переменным натяжениям составляла в среднем 60 мкВ/дин при электрической емкости около 40000 пФ. Приведенные параметры датчика натяжений оказались достаточными для измерения переменных натяжений разделения помех различного происхождения при исследовании условий работы шланговых антенн при различных режимах буксировки.

Датчик для измерения переменных натяжений в гибких протяженных гидроакустических и сейсмических антеннах содержит упругую пластину с пьезоэлементом, работающую на колебаниях изгиба. Дополнительно введена вторая такая же пластина с пьезоэлементом и обе пластины симметрично установлены на концах жесткого стержня, механически соединяющего центры обеих пластин. К краям каждой пластины присоединены жесткие кольца, предназначенные для скрепления датчика с исследуемой оболочкой. Пьезоэлементы обеих пластин включены согласно по отношению к направлению поляризации. В пластинах выполнены симметричные относительно центров пластин отверстия, имеющие, например, форму сектора. Технический результат - измерение продольных натяжений в оболочках антенн, повышение точности измерений при наличии вибрационных и акустических помех и обеспечение транзита сигнальных проводов исследуемой антенны через датчик. 1 н. з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Датчик для измерения натяжения в гибких соединениях, например, протяженных гидроакустических и сейсмических антеннах, содержащий упругую пластину с пьезоэлементом, отличающийся тем, что, с целью уменьшения вибрационных и акустических помех при измерении продольного натяжения, он снабжен аналогичной второй пластиной с пьезоэлементом, причем обе пластины симметрично установлены на концах жесткого стержня, механически соединяющего центры обеих пластин и к краям каждой пластины прикреплены жесткие кольца для соединения с исследуемым объектом, а пьезоэлементы обеих пластин включены согласно по отношению к направлению поляризации.2. Датчик по п.1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения транзита сигнальных проводов исследуемой антенны через датчик, пластины выполнены с симметричными относительно их центров отверстиями.