Пьезоэлектрический датчик давления Советский патент 1980 года по МПК G01L9/08 

(54) ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДАВЛЕНИЯ

Изобретение относится к области коктропьно-измерительной техники и может быть использовано для измерения импуль сных давлений большой длительности и а тшитуды,. например, в пресс-пушках при ударе снаряда о жидкость, в камерах с малым объемом при электрогидравлической обработке, при взрывном прессовании порошков, где длительности импульсов достигают 1О - 10, Измерение имгульсов таких длительгностей представляет значительные трудности. Известны пьезоэлектрические датчики давления, содержащие размещенный в корпусе пьезоэлектрический элемент и акустический волновод, снабженный за одно целое с ним расширителем с рассеи вающей поверхностью . Такие датчики сложны S изготовпении, громоздки и дорогостоящи. Известны также пьезоэлектрические датчики, содержащие чувствительный тшезоэлектрический элемент, соединенны С одним из концов акустического волновода. Акустиче.ский волновод имеет постоянные сечение и акустическое сопротивление по длине и выполнен с участком в виде пучка проволок 2. Такие датчики пригодны для измерения импульсов большой даительности и малой амплитуды, а также -одиночных или серии коротких импульсов большой ампли туды типа ударных волн. При измерении же импульсов большой длительности и амплитуды происходит потеря устойчивости проволочной связки, что приводит к по$голению отраженных продольных и изгибных волн, создающих помехи. Известен также пьезоэлектрический датчик давления, содержащий размещенный в корпусе пьезоэлемент, соединенный с одним из концов акустического волно- . вола с постоянными сечением и акустическим сопротивлением по длине з. Этот датчик по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому. Длина волновода в таких датчиках выбирается равной, как минимум, половине длины измеряемого импульса давления в материале волновода. Поэтому при иоследовании импульсов давления большой длительности необходимы датчики с длинными волноводами и большими габаритами Например, для измерения импульсов длительностью 10 -10 с. необходимы волноводы длиной 2,5-25 м, что в большинстве случаев исключает возможность , их применения на практике ввиду громозд кости. Наряду с этим действие импульса на волновод проявляется в потере устойчивости последнего при достижении давления в импульсе критической величины, определяемой зависимостью ез где Е - модуль Юнга; 3 - осевой момент инерции волновода; - длина волновода. Критическое давление обратно пропорционально длине волновода. Таким образом длина волновода огранич1гаается амплитудой давления в импуль се, что противоречит требованию по длительности. Целью изобретения является повьпиени точности измерения импульсных давлений большой длительности и амплитуды и уменьшение габаритов датчика, ЭтацеЛь достигае ся тем, что в известном датчике волновод вы полнен с участком в виде набора пустотелых цилиндров, размешенных коаксиально с радиальными зазорами и скрепленных между собой последовательно по торцам, причем внутренний цилиндр охватьшает стерж невую часть волновода и скреплен со CBO бедным его концом. Допустимая длина волновода выбирает ся из условия сохранения его устой-чйвоо ти при действии измеряемого импульса давления, а количество цилиндров в зависимости от длительности исследуемого процесса принимается из условия предотвращения наложения помех от упругих волн, отраженных от конца волновода, на основной регистрируемый импульс. Площадь сечения каждого цилиндра равна се чениго стержневой части волновода. Применение соосных цилиндров позволяет значительно сократить размеры волновода. На чертеже схематически изображено редлагаемое устройство. Пьезоэлектриеский датчик импульсного давления сотоит из пьезоэлемента 1, укрепленного на одном конце металлического стержня 2, и набора цилиндров 3. Внутренний цилин;ф охватьюает металлический стержень 2 с радиальным зазором и приварен или другим способом жестко прикреплен к его концу. На внутренний цилиндр одет с зазором другой цилиндр, жестко скрепленный с его свободным торцом и т. д... Устройство работает следующим образом. При воздействии импульсного давления на пьезоэлемент 1 возникает упругая волна сжатия в стержневой части волновода 2 дойдя до конца которой, она переходит во внутренний цилиндр без отражения в виде волны разрежения а затем - последовательно в каждьй цилин;, изменяя при каждом переходе . фазу. При отражении от свободного торца наружного цилиндра волна прот.ивОпЬлож- . ной фазы продельгаает обратный путь, возврашаясь к чувствительному элементу. 1, но т. к. время пробега прямой и обрат- ной волны, определяемое акустической ; дпиной волновода, больше времени дей- ствия измеряемого импульса, наложения отраженного импульса на исследуемьтй не происходит, и, таким образом, не , создается помеха записи сигнала. Изменение фазы измеряемого импульса давле.ния при прохождении торцов приво- дит к тому, что весь волновод разделяется на участки, испзытьгоакацие сжатие . или растяжение. Если число цилиндров п, то количество таких участков будет п + I. Следовательно, эффективная длина волновода, в которой может произойти потеря устойчивости, приводящая к появлению изгибньгх: волн, уменьшается в П+ 1 раз пр сравнению с акустической длиной волновода, что позволяет значительно увеличить амплитуду намеряемогб давления при той же длителькости, а длительность измеряемого импульса, определяемая акустической длиной волновода, зависит от количества цилиндров и может быть увеличена в И + 1 риз при той же амплитуде. Таким образом, использование предлагаемого пьезоэлектрического датчика давления позволяет повысить точность измерения, импульсов большой длительности и амплитуды.

Формула изобретения

Пьезоэлектрический датчик давления, содержа1ций чувствительный пьезоэлектрический элемент, соеданейный с одаим из концов акустического волновода с постоянными сечением и акустическим сопротивлением по длине, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения импульсных давлений большой длительности и амплитуды и : уменьшения габаритов, в нем волновод , выполнен с участком в виде набора пустотелых цилиндров, размещенных коакси-

ально с радиальными зазорами и скрепленных между собой последовательно по торцам, причем внутренний цилиндр охватьшает стержневую часть волновода и скреплен со свободным его концом.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

N9 263950, кл. Q 01 L 23/10, 1969.

3.Патент США Ne 3336807, кл. 73-398, 1967 (прототип).