способ измерения параметров электрического импульса

Формула изобретения

Способ измерения параметров электрического импульса, заключающийся в том, что воздействуют исследуемым импульсом на пьезоэлектрический преобразователь, определяют степень изменения его параметров, по величине которой судят о параметрах исследуемого импульса, отличающийся тем, что в качестве преобразователя используют нерезонансный электромеханический преобразователь с коэффициентом электромеханической связи K²<1, при этом изменение параметров указанного преобразователя определяют по амплитудно-временным зависимостям смещения или скорости движения его поверхности лазерными интерферометрическими методами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических и оптических измерений параметров импульсных нагрузок, в том числе механических нагрузок в виброакустике и физике быстропротекающих процессов, и может быть использовано при проведении испытаний различных технических систем для регистрации электрических сигналов датчиков физических величин в экстремальных условиях.

Известен способ измерения параметров однократного электрического импульса /А.с. СССР №892323, МПК 7 G01R 19/04, БИ №47, 1981/, основанный на измерении измененного под влиянием исследуемого импульса параметра чувствительного элемента, согласно которому исследуемым импульсом воздействуют на полупроводниковый элемент, вызывая его необратимый тепловой или лавинно-тепловой пробой, измеряют остаточное сопротивление пробитого полупроводникового элемента и по заранее полученной экспериментальной зависимости между амплитудой импульса и остаточным сопротивлением полупроводникового элемента определяют амплитуду исследуемого импульса.

Недостатком известного способа является его низкая информативность, поскольку он не позволяет одновременно с амплитудой импульса регистрировать его длительность или форму.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является разработанный ранее заявителем способ измерения параметров (амплитуды и длительности) электрического импульса /Толстиков И.Г. Способ регистрации параметров одиночного прямоугольного электрического импульса тока. Патент RU №2029311, G01R 19/04, БИ №5, 1995/ с помощью пьезоэлектрического устройства (пьезопреобразователя) из сегнетоэлектрического пьезоматериала, выполненного в виде пассивного регистратора (запоминающего устройства) конденсаторного типа, содержащего несколько соединенных электрически параллельно чувствительных запоминающих элементов (сегнетоэлектрических конденсаторов). Чувствительные элементы (ЧЭ) этого регистратора изменяют свое физическое состояние (а именно, величину остаточной поляризации) при воздействии импульсного электрического поля. Это позволяет установить взаимосвязь между параметрами измеряемого электрического импульса и степенью изменения под его влиянием остаточной поляризации сегнетоэлектрических ЧЭ. Непосредственно способ измерения заключается в следующем. Подключают регистратор к нагрузке. Затем подают исследуемый импульс в нагрузку. Воздействие импульса на ЧЭ приводит к возникновению в их объеме различных по величине электрических полей, что приводит к изменению остаточной поляризации отдельных ЧЭ в различной степени, реализовавшиеся значения которой могут сохраняться длительное время. После прохождения импульса измеряют известными методами (например, по величине прямого пьезоэффекта) величину остаточной поляризации в каждом ЧЭ. Параметры (амплитуду и длительность) исследуемого импульса определяют затем по заранее полученной экспериментальной зависимости между этими параметрами и степенью изменения под его влиянием остаточной поляризации сегнетоэлектрических ЧЭ.

Недостатком известных способов является то, что элементы системы, выполняющие функции преобразования (считывания) информации и ее длительного хранения, конструктивно объединены в одном устройстве. Это приводит к необходимости принятия дополнительных мер с использованием длинных измерительных линий для защиты устройства от внешних электромагнитных и механических воздействий в экстремальных условиях проведения измерений, например во взрывном эксперименте, с целью сохранения информации, что в ряде случаев является невыполнимой задачей.

Недостатком прототипа является отсутствие возможности регистрации формы исследуемого импульса одновременно с его амплитудой и длительностью.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании простого помехозащищенного способа измерения параметров однократного электрического импульса микро- и субмикросекундного диапазона, генерируемого, например, датчиками физических величин при импульсных нагрузках, в экстремальных условиях при воздействии сильных электромагнитных и механических помех.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в повышении помехозащищенности способа измерений от электромагнитных наводок и механических воздействий, расширении области его применения, а также повышении его информативности за счет возможности регистрации формы электрического импульса.

Это достигается тем, что в способе измерения параметров электрического импульса, заключающемся в том, что воздействуют исследуемым импульсом на пьезоэлектрический преобразователь, определяют степень изменения его параметров, по величине которой судят о параметрах исследуемого импульса, новым является то, что в качестве преобразователя используют нерезонансный электромеханический преобразователь с коэффициентом электромеханической связи К ²<1, при этом изменение параметров указанного преобразователя определяют по амплитудно-временным зависимостям смещения или скорости движения его поверхности лазерными интерферометрическими методами.

Техническая сущность предлагаемого изобретения заключается, с одной стороны, в использовании обратного пьезоэффекта в особых условиях его проявления, в которых удается установить простую взаимосвязь между параметрами электрического нагружающего импульса и механическим откликом пьезоэлектрика, а именно, когда интерференция локальных (вторичных, возникающих при неоднократном проявлении прямого и обратного пьезоэффектов) акустических волн в объеме последнего не оказывает существенного влияния на механический отклик. Такие условия можно создать, используя так называемое кварцевое приближение (пьезоэффект проявляется слабо, коэффициент электромеханической связи К достаточно мал так, что К ²<1). При выполнении условия К² <1 эквивалентную схему пьзопреобразователя можно представить в виде конденсатора с источником приложенного к нему напряжения /см., например, Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, 656 с., см. с.58/. Поэтому в кварцевом приближении временная форма механического напряжения, а следовательно, и скорости (лицевой) поверхности пьезоэлектрического преобразователя повторяет временную форму приложенного электрического напряжения (поля) в течение полупериода (Т) собственных акустических колебаний, а также с достаточной для практики точностью определяется им при заданных граничных условиях в течение всего указанного выше времени регистрации /см. также Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под общ. ред. Ермолова И.Н. - М.: Машиностроение, 1986, 280 с., см. с.33, с.61/. В последнем случае, используя известные методы фильтрации ультразвуковых сигналов, можно легко исключить вклад в информационный сигнал отраженных (первичных) акустических волн, поскольку собственные частоты колебаний пьезопреобразователя известны /см., например, Перов Д.В., Ринкевич А.Б. Фильтрация ультразвуковых сигналов лазерного интерферометра с использованием диадного вейвлет-преобразования. Дефектоскопия. 2002, №4, с.78-98/. Следовательно, по амплитудно-временным зависимостям скорости (или смещения с последующим дифференцированием) движения поверхности пьезопреобразователя можно судить о параметрах исследуемого электрического импульса.

С другой стороны, техническая сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании в качестве регистратора нерезонансного электромеханического пьезопреобразователя, имеющего простую конструкцию, например, в виде пьезоэлемента (пьезокристалла из кварца), небольшие геометрические размеры и низкую себестоимость, а также обладающего хорошей электромагнитной совместимостью с датчиками физических величин. Это позволяет конструктивно объединить названный пьезопреобразователь (устройство преобразования информации) с этими датчиками, а устройство сохранения информации (лазерный интерферометр) расположить вне зоны внешних воздействий. При этом в процессе регистрации в течение приблизительно нескольких микросекунд пьезопреобразователь (в отличие от ЧЭ датчика) подвергается воздействию только электромагнитных помех, а сразу же после регистрации может быть разрушен механическим воздействием.

Использование нерезонансного электромеханического пьезопреобразователя для измерения параметров однократного электрического импульса путем прецизионного измерения параметров (характера) движения его поверхности лазерными интерферометрическими методами заявителю неизвестно.

Отметим, что если к пластине из пьезоэлектрика приложить напряжение 1 В, то ее деформация составит величину, равную для кварца 2,3·10 ^-3 нм, ниобата лития - 16,2·10^-3 нм, титаната бария - 225·10^-3 нм, для пьезокерамик ЦТС - 200-500·10^-3 нм соответственно, значительно превышающую разрешающую способность современных интерферометрических методов (не менее 10 ^-4 нм, см. ссылки ниже). Отметим также, что рабочая полоса частот нерезонансных электромеханических пьезопреобразователей достигает многих сотен мегагерц. Например, с помощью так называемых толстых пьезопреобразователей можно излучать акустические импульсы нано- и пикосекундной длительности /Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под общ. ред. Ермолова И.Н. - М.: Машиностроение, 1986, 280 с., см. с.47/. Быстродействие пьезопреобразователей теоретически ограничивается только временем установления ионной поляризации в пьезоматериалах и лежит в пределах 10 ^-10-10^-13 с. На практике минимальная длительность акустических импульсов, излучаемых обычными толстыми пьезопреобразователями из пьезокерамики, составляет единицы наносекунд и ограничивается чисто техническими возможностями создания электронных схем генераторов наносекундной длительности и чистотой обработки излучающей поверхности пьезоэлемента. О частотных характеристиках пьезоэлектриков можно судить также, например, по использованию их в пьезоэлектрических резонаторах и фильтрах. Для кристаллических резонаторов диапазон частот ограничен сверху частотой 500-1000 МГц /Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник. Под ред. Кандыбы П.Е. и Позднякова П.Г. - М.: Радио и связь, 1992. 392 с./. Полосовые фильтры на ПАВ (поверхностных акустических волнах) широко используются в диапазоне частот 2-10 ГГц /Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. - М.: Радио и связь, 1989, 288 с./.

Важно также, что современные лазерные интерферометрические методы позволяют регистрировать механические колебания с минимальной амплитудой порядка 10^-4-10 ^-5 нм в полосе частот от единиц герц до сотен мегагерц, при этом зондирующий луч может быть сфокусирован в пятно диаметром несколько десятков микрон /см., например, 1. А.И.Кондратьев, Ю.М.Криницын, С.А.Гусаков. Лазерные интерферометры для измерений ультразвуковых колебаний. Автометрия. 2000, №4, с.116-123; 2. П.В.Базылев. Двухканальный лазерный приемник ультразвуковых колебаний. ПТЭ, 2003, №1, с.110-111; 3. Патент (США) US 5909279 А от 17.03.1997. Ультразвуковой датчик с источником когерентного излучения и способ его применения/.

Приведенные выше параметры известных пьезопреобразователей и интерферометров свидетельствуют о принципиальной возможности реализации предлагаемого способа при разработке электропьезооптических преобразователей информации для датчиков физических величин, генерирующих информативный электрический импульс с характерными амплитудой и длительностью, принадлежащих соответственно диапазонам 10^-2-10⁺² В и 10 ^-1-10⁺² МГц и выше.

Основные интерферометрические системы, использующиеся в экстремальных условиях при проведении взрывных экспериментов, рассмотрены в монографии /4. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках (гл.9. Лазерные доплеровские измерительные системы и их применение в ударно-волновых исследованиях.). Монография. Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук М.В.Жерноклетова. - Саров: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003, 403 с., см. с.372/. Такие системы используются здесь для измерения скорости движущейся поверхности, а также распределения скорости по поверхности как в покадровом, так и в непрерывном многоканальном режиме.

Положительным моментом является то, что предложенный способ позволяет расширить функциональные возможности названных систем и область их применения за счет возможности регистрации других физических характеристик исследуемых процессов, например профилей импульсов давления (напряжения), а также способствует унификации современных измерительных комплексов на основе многоканальных интерферометров. В ряде случаев использование способа позволяет улучшить характеристики самих датчиков за счет снижения их паразитной индуктивности или может оказаться единственно возможным путем получения информации. Ожидаемый экономический эффект при внедрении предлагаемого способа в рассматриваемые измерительные интерферометрические системы связан с возможностью использования обычных маломощных (десятки мВт) лазерных приемников для измерений ультразвуковых колебаний /1, 2/ вместо специализированных мощных (10²-10⁴ Вт) лазерных интерферометров /4/, стоимость которых больше приблизительно на порядок.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить помехозащищенность способа измерений от электромагнитных наводок и механических воздействий, расширить область его применения, а также повысить его информативность за счет возможности регистрации формы электрического импульса.

На фиг.1 представлен вариант схемы постановки опыта для регистрации параметров ударной волны во взрывном эксперименте, в котором реализуется заявляемый способ.

На фиг.2 представлена пьезоэлектрическая схема нерезонансного электромеханического пьезопреобразователя в виде пьезоэлемента с демпфером на тыльной стороне, поясняющая его работу.

На фиг.3 представлена амплитудно-временная зависимость скорости w(t) лицевой поверхности указанного нерезонансного электромеханического пьезопреобразователя.

Заявляемый способ может быть реализован следующим образом. Во взрывном эксперименте (см. фиг.1) на пути распространения ударной волны (УВ) 1 размещается датчик физической величины (например, датчик импульсного давления) 2, электрический сигнал U(t) с которого поступает на вход нерезонансного электромеханического преобразователя (электропьезооптического преобразователя) 3. Датчик 2 и преобразователь 3 конструктивно объединены и размещены в одном корпусе 4, при этом преобразователь 3 расположен за датчиком 2 так, что УВ воздействует на него после прихода сигнала U(t). С помощью преобразователя 3 электрический информационный сигнал U(t) преобразуется в оптический аналог J(t) и поступает на вход лазерного приемника (интерферометра) 5 по волоконному световоду 6. Приемник 5 защищен от воздействия взрыва экраном 7. Преобразование информативного сигнала происходит в данном случае по следующему пути: параметр УВ (импульс давления p(t)) - электрический импульс U(t) датчика - импульс электрического поля E(t) в пьезоматериале преобразователя - импульс (t) механического напряжения в пьезоматериале за счет обратного пьезоэффекта - параметр движения (амплитудно-временные зависимости смещения x(t) или скорости w(t) ультразвуковых колебаний) поверхности нерезонансного преобразователя - оптический информационный сигнал J(t).

В качестве нерезонансного электромеханического преобразователя 3 (с коэффициентом электромеханической связи К ²<1), имеющего наиболее простую конструкцию, может быть использован, например, пьезоэлемент 8 в виде тонкого диска из кварца х-среза (см. фиг.2) толщиной d с электродами на основаниях 9 и 10, размещенный вплотную с демпфером 11. Демпфер 11, выполненный, например, из эпоксидной смолы с вольфрамовым порошковым наполнителем, акустически согласован с пьезоэлементом 8 и обеспечивает быстрое поглощение входящих в него акустических волн. Работа такого преобразователя основана на том, что акустические сигналы возникают на поверхностях (основаниях), несущих электроды 9 и 10. Если преобразователь возбудить коротким электрическим импульсом U(t) длительностью t₀<d/c (где с - скорость упругих волн в кварце), то на электродах 9 и 10 появляются свободные электрические заряды и вследствие обратного пьезоэффекта оба его основания приходят в движение. Каждое основание работает как источник двух ультразвуковых волн (сжатия и растяжения, обозначенных на фиг.2 штриховыми линиями), излучаемых в двух направлениях (обозначенных на фиг.2 стрелками): в объем пьезоэлемента (волны _тп и _лп) и во внешнюю среду (волны _тд и _лн). В результате для случая, показанного на фиг.2 и определенного направлением вектора скорости w(t), на лицевой поверхности 9 возникает два акустических импульса: первый импульс (волна растяжения _лп в пьезоэлементе), излучаемый лицевой стороной с момента времени t=0; второй импульс (волна сжатия _тп в пьезоэлементе), излучаемый с момента времени t=0 тыльной поверхностью 10 и приходящий на лицевую поверхность 9 в момент t=Т=d/c, то есть с задержкой, соответствующей времени распространения упругой волны по пьезоэлементу. Временная диаграмма этих импульсов (t) имеет вид двух импульсов взаимно противоположной полярности, следующих через интервал времени Т (см. фиг.3). При этом для первого импульса справедливы соотношения ₁(t)˜E(t)˜U(t)˜w ₁(t), для второго - ₂(t-T)˜E(t)˜U(t)˜w ₂(t-Т). Для обоих импульсов закон сохранения импульса записывается в виде (t)=-w(t)·Z, где Z - акустический импеданс кварца. Вследствие различных граничных условий (условий акустического согласования) на тыльной и лицевой поверхностях пьезоэлемента амплитуда второго импульса приблизительно в два раза меньше первого. Однако форма обоих импульсов одинакова и совпадает с формой исследуемого импульса U(t), поскольку для кварца справедливо соотношение К ²=0,009<1 и приведенные выше рассуждения. Отметим, что все волны, прошедшие влево через тыльную поверхность 10, поглощаются демпфером 11, отражение на тыльной поверхности 10 отсутствует.

Прецизионное измерение скорости лицевой поверхности w(t) непосредственно или ее смещения с последующим дифференцированием и определением w(t) расчетным путем производится с помощью оптического канала, содержащего (отражающую) лицевую поверхность электрода 9 и волоконный световод 6, торец которого направлен к центру пьезоэлемента 8. Волоконный световод 6 обеспечивает передачу оптических сигналов к оптическому регистратору, например лазерному интерферометру для измерений ультразвуковых колебаний /см., например, приведенные выше ссылки 1, 2/. Параметры исследуемого импульса U(t) можно определить из простого соотношения, вытекающего из уравнения обратного пьезоэффекта и закона сохранения импульса для упругой волны при рассматриваемых граничных условиях, а именно

U(t)=w(t)·d·Z/е₁₁ при 0 t<Т,

где е₁₁ - пьезоконстанта для кварца.

Очевидно, что параметры импульса U(t) можно определить также по зависимости w(t) для второго импульса на фиг.3 (при t T). В случае, если длительность исследуемого импульса t ₀>d/c=Т, то импульсы на фиг.3 накладываются друг на друга с момента t=Т и требуется восстановление (фильтрация) первого импульса в интервале Т<t t₀. Эту операцию легко осуществить расчетным путем, исходя из подобия обоих импульсов и зная параметры первого импульса в интервале 0 t<Т.

Ожидаемая погрешность измерения давления в рассматриваемом примере составляет 5-10%.

Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить помехозащищенность способа измерений от электромагнитных наводок и механических воздействий, расширить область его применения, а также повысить его информативность за счет возможности регистрации формы электрического импульса.