СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСОВ Советский патент 1968 года по МПК G01H9/00 

Изобретение относится к области виброметрии. Для обнаружения механических импульсов известны различные способы, основанные на механических, электромагнитных, пьезоэлектрических, аэродинамических и интерференционных явлениях. Однако такие способы либо обладают недостаточной чувствительностью, либо сложны в реализации.

Предложенный способ основан на использовании в качестве датчика жидкокристаллических веществ, что позволяет повысить его чувствительность. В основу способа положена способность молекул жидкокристаллических веществ, ориентированных в тонком слое, изменять под действием приходящих импульсов направление оптических осей, что вызывает явление двойного лучепреломления, в результате которого возникает оптический сигнал, регистрируемый визуально.

На чертеже изображена схема установки для осуществления предлагаемого способа преобразования механического импульса в оптический сигнал.

Установка содержит чувствительный элемент (датчик) 1, поляризационный прибор, включающий поляризатор 2 и анализатор 3, фотоумножитель 4, микроамперметр 5, источник света 6 и небольшую электрическую печь 7. Для реализации способа может быть использован поляризационный микроскоп. Электропечь имеет отверстие, она служит для расплавления и поддержания температуры рабочего вещества в нужном интервале. Печь ставят между поляризатором и анализатором на предметный столик микроскопа. Оптический сигнал регистрируют визуально. При применении фотоумножителя, устанавливаемого над анализатором, его выход подают на микроамперметр или осциллограф. Источником света служит электролампа, питаемая постоянным или переменным током.

Естественный луч света, посылаемый источником света, из поляризатора выходит плоско-поляризованным. Далее свет проходит через отверстие в печи и попадает в датчик.

В зависимости от расположения главных сечений поляризатора и анализатора, а также оптических осей молекул в слое свет задерживается или пропускается анализатором. В последнем случае свет попадает в глаз наблюдателя или в фотоумножитель, которые регистрируют наличие оптического сигнала или его отсутствие.

В качестве рабочего вещества в датчике используют следующие органические вещества: параазоксианизол, параазоксифенол, этиловый эфир параэтоксибензальамино-α-метилкоричная кислота и др. Эти вещества (жидкие кристаллы) в определенном интервале температур способны быть в нематическом состоянии При этом молекулы расположены так, что их длинные оси взаимнопараллельны. Однако упорядоченность во взаимном расположении центров тяжести молекул отсутствует. В нематическом состоянии молекулы способны прочно сцепляться со стенками.

Датчик представляет собой тонкий нормальный слой вещества в нематическом состоянии, заключенного между предметным и покровным стеклом. Под нормальным слоем понимается слой, в котором молекулы удлиненной формы стоят перпендикулярно стеклам, ограничивающим вещество. Для получения тонкого нормального слоя стекла предварительно обрабатывают в такой последовательности: серная кислота, дистиллированная вода, азотная кислота, дистиллированная вода. Далее стекла сушат в термостате. Хороший нормальный слой между стеклами получают также после предварительной обработки стекол в плавиковой кислоте и последующего промывания в дистиллированной воде.

Взаимодействие молекул вещества со стеклянными стенками и между собой обеспечивает образование нормального слоя между предметным и покровным стеклами. Оптические свойства слоя аналогичны свойствам пластинки одноосного кристалла, вырезанной перпендикулярно оптической оси. Если нормальный слой поместить между скрещенными николями, то при его вращении вокруг луча света, падающего перпендикулярно стеклам, как вокруг оси, он остается темным, так как оптические оси молекул параллельны лучам.

Нормальный слой готовят следующим образом. На плоское предварительно обработанное способами, указанными выше, предметное стекло помещают небольшое количество (около 0,1 г) твердого вещества, которое закрывают покровным стеклом, препарат помещают на электропечь. Нагревая стекла, расплавляют твердое вещество и доводят его до температуры изотропного состояния. В скрещенных николях оно выглядит темным.

Далее расплав охлаждают до нематического состояния, при котором образуется нормальный слой. Интервал существования нематической фазы этилового параэтоксибензальамина-α-метилкоричной кислоты около 30°С (95-125°С). В этом интервале полученный нормальный слой работает в качестве датчика.

Приготовленный однажды датчик работает в течение длительного времени в разных температурных режимах. Было установлено, что такой слой весьма чувствителен к слабым деформациям (сдвиг, сжатие, кручение). В результате деформации масса вещества, ранее выглядевшая для глаза в скрещенных николях темной, становится белой. Таким образом, в результате действия механического импульса, вызвавшего деформации нормального слоя, возникает оптический сигнал. Площадь чувствительного элемента (датчика) от 4-5 мм² до 4-7 мм² и более.

Способ обнаружения механических импульсов состоит в следующем. Готовый датчик приклеивают непосредственно или через промежуточную среду к телу, по которому распространяются механические импульсы в результате удара, взрыва, движения воздушной среды, и т.д. Путем нагревания тонкий слой приводят в нематическое состояние. Если, например, мы имеем тело в форме стержня, то датчик приклеивают в торцовой части и устанавливают между поляризатором и анализатором.

При визуальном наблюдении слабый механический импульс величиной 4 г·см/сек, сообщенный препарату, точнее покровному стеклу, площадь которого 1 см² и толщина 0,15 см, надежно регистрируется датчиком. При более тонком покровном стекле (0,01 см) благодаря меньшей инерционности достаточно слабого направленного к датчику потока воздуха, чтобы его действие также было отчетливо отмечено датчиком. При этом деформация слоя упругая. Поэтому датчик, отметив приход импульса, мгновенно готов к принятию нового. Время, в течение которого датчик приходит в исходное состояние (время релаксации), зависит от величины действующего импульса: при слабых импульсах (менее 4 г·см/сек) процесс протекает мгновенно, при импульсах mυ>>4 г·см/сек время релаксации оказывается равным нескольким секундам (3-4 сек).

Существенным в работе датчика является также то, что при внешних силах, даже весьма значительных (10-15 кг), но постоянных по величине и направлению, он создает оптический сигнал лишь при начальном толчке, после чего слой быстро возвращается в прежнее состояние. Изменение величины силы любым способом снова отмечается датчиком.

Применение фотоумножителя дает возможность отмечать приход импульсов при помощи микроамперметра или осциллографа. Так, например, при отсутствии механического импульса, при напряжении питания фотоумножителя ФЗУ-19 М 1,1 кв микроамперметр показывает ток 75 мка. Действие механического импульса скачком увеличивает ток до 180 мка.

Способ обнаружения механических импульсов, например, с помощью поляризационного устройства, заключающийся в том, что крепят датчик непосредственно или через промежуточную среду к телу и помещают его между поляризатором и анализатором, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, получают используемый в качестве датчика нормальный слой жидкокристаллического вещества, например параазоксианизола, между пластинками, например стеклянными, и поддерживают его температуру в интервале существования нематического состояния.