датчик воздушных ударных волн

Формула изобретения

Датчик воздушных ударных волн, содержащий чувствительный элемент в виде пьезокерамической полой сферы с электродами на внутренней и наружной поверхностях, соединенный с корпусом через демпфер, причем внутри сферического чувствительного элемента, демпфера и корпуса размещен акустический волновод, отличающийся тем, что в центральной части наружной поверхности сферического чувствительного элемента установлен дополнительный чувствительный элемент в виде пьезополимерной пленки с электродами, один из которых объединен с наружным электродом сферического чувствительного элемента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения параметров импульсного давления, создаваемого в воздухе взрывным источником ударных волн.

Известно, что одним из опасных для окружающей среды и людей, объектов промышленной и жилой застройки факторов, сопутствующих взрывам зарядов ВВ при авариях, проведении промышленных взрывных работ и при испытаниях боеприпасов, является действие воздушных ударных волн (ВУВ). Для оценки опасности взрыва используются параметры ВУВ, такие как максимальное избыточное давление ( Р_макс), длительность фронта ( _ф), длительность фазы сжатия ( ₊) и разрежения ( _-), механический импульс (J₊). При этом Р_макс может изменяться в пределах от 0.01 до 1500 кг/см², _ф - от единиц нс до единиц мкс, а ₊ и _- - от нескольких десятков мкс до единиц мс. Чтобы точно определить эти параметры, необходимо как можно точнее зарегистрировать профиль давления в проходящей ВУВ.

Согласно теории [1. Под редакцией К.П.Станюковича // Физика взрыва // М., «Наука», 1975. 2. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. // Физика ударных волн и высокотемпературных явлений // М., «Наука», 1966] для ВУВ при больших избыточных давлениях скачок уплотнения состоит из двух частей: зоны резких изменений параметров состояния (длительностью ~ единиц нс) и зоны, в которой параметры состояния меняются сравнительно медленно (длительностью ~ единиц мкс). Все использующиеся на сегодняшний день методики измерения параметров импульсных давлений ( Р_макс; _ф, ₊, _- и J₊) основаны на использовании пленочных пьезополимерных датчиков или датчиков (торцевых и мембранных), чувствительный элемент (ЧЭ) которых выполнен в виде цилиндра или сферы из пьезокерамики (титаната бария, цирконата-титаната свинца и др.), -кварца, турмалина и сульфата лития.

Из литературы [3. Борисенок В.А., Симаков В.Г., Брагунец В.А. и др. // ПВДФ-датчик давления: физическая модель и результаты экспериментов // ж. «ФГВ», № 5, 2003. 4. F.Bauer. // Properties of Ferroelectric Polymers under High pressure and Shock Loading. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research // b. 105, 1995. 5. Graham R.A. // Solids under High-Pressure Shock Compression // New York, Springer-Verlag, 1993] известно, что для регистрации начального участка (фронта) импульсного давления в проходящей ВУВ используются так называемые ПВДФ-датчики, у которых в качестве материала ЧЭ используется тонкая (10-30 мкм) пленка из сегнетоэлектрического полимера ПВДФ. Конструктивно датчик выполнен в виде плоского конденсатора, размещенного на жестком основании из материала, близкого к ПВДФ по акустическому импедансу, электроды которого, по возможности, должны быть параллельны фронту ВУВ. Достаточно высокая чувствительность (~100 пКл/см ²×кг/см²) и тот факт, что ток, генерируемый ПВДФ-датчиком, пропорционален производной давления по времени, позволяет проводить регистрацию сигналов с датчика без использования усилителя заряда, начиная с давлений ~0.2 кг/см². Временное разрешение датчика определяется временем прохождения ВУВ расстояния, равного толщине датчика, и равно t=5.6÷16.7 нс.

Датчики торцевого типа [6. Ю.В.Звонарев, В.В.Александров, В.И.Кольцов // Пьезоэлектрический датчик торцевого типа для записи изменения давления во времени в воздушных ударных волнах взрыва ТРТ и ВВ // ж. «Вопросы оборонной техники», серия 3, вып.6, 1968. 7. С.И.Бодренко, Н.Н.Гердюков, Ю.А.Крысанов, С.А.Новиков // Применение кварцевых датчиков давления для исследования ударно-волновых процессов // ж. «ФГВ», т.17, № 3, 1981] имеют высокую (до 100 кГц) собственную частоту, но низкую чувствительность и применяются, как правило, для измерения давления в отраженной ударной волне.

Пьезоэлектрические датчики давления мембранного типа [8. Ю.П.Нещименко, В.М.Потапов, С.П.Струков, И.И.Чикин, Ю.В.Филиппов // Пьезодатчики для регистрации ударных волн // ж. «Вопросы оборонной техники», серия 14, вып.22, 1976] имеют чувствительность от 100 до 25000 пКл/кг/см ² и предназначены для измерения импульсных давлений в грунтах, но иногда используются и для измерения давлений в воздухе.

Для измерения параметров ударных волн широко используются сульфат-литиевые и турмалиновые датчики давления [9. А.Н.Ривин // Широкополосный ненаправленный измерительный гидрофон на частоты до 200 кГц // ж. «Измерительная техника», № 5, 1974], имеющие чувствительность от единиц до сотен пКл/кг/см ² и предназначенные для измерения импульсных давлений с амплитудой от 1 до 1500 кг/см² в воде и воздухе, а также пьезокерамические датчики с ЧЭ сферической формы, предназначенные для измерения давлений величиной от 0.1 до 1 кг/см² [10. В.П.Макушкин, А.В.Мишуев // Титанат-бариевые приемники давления воздушных ударных волн // Акустический журнал, т.5, вып.1, 1959].

При этом существенными недостатками перечисленных выше датчиков является то, что при измерении параметров ВУВ:

- пленочными датчиками достаточно точно регистрируется лишь фронтальная часть импульса давления ( _ф и Р_мак); а параметры давления за фронтом ВУВ ( ₊, _-

и J₊) невозможно точно определить из-за многократных отражений ВУВ от жесткого основания;

- датчиками торцевого и мембранного типов существенно искажается начальный участок ВУВ, т.к. скорость нарастания давления, действующего на ЧЭ, определяется относительно низким временным разрешением ( 10^-6 с) таких датчиков [11. Ю.Е.Нестерихин, Р.И.Солоухин // Методы скоростных изменений в газодинамике и физике плазмы // М., «Наука», 1967]. Кроме того, возникают искажения импульса давления из-за отражения ВУВ от торца ЧЭ датчика и времени обтекания датчика ударной волной. Появляется также дополнительная погрешность измерения параметров ВУВ из-за неправильной ориентации датчиков по отношению к направлению движения фронта ВУВ, так как регистрируемые ими сигналы сильно зависят от угла встречи ЧЭ с фронтом ВУВ. С учетом всех перечисленных факторов погрешность измерения параметров ВУВ ( Р_макс, _ф, ₊, _- и J₊) торцевыми и мембранными датчиками оказывается достаточно высокой;

- сульфат-литиевыми датчиками и датчиками с ЧЭ сферической формы точность регистрации параметров давления за фронтом ВУВ ( Р_макс, ₊ и _-) повышается за счет того, что они не требуют строгой ориентации на заряд, так как их ЧЭ реагирует на всестороннее сжатие, но они по-прежнему искажают начальный участок ВУВ ( _ф) за счет времени обтекания ударной волной ЧЭ датчика, имеющего конечный размер, и не позволяют точно определять значение механического импульса J₊.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический датчик воздушных ударных волн [12. Е.Д.Вишневецкий, А.К.Жиембетов, С.А.Лобастов, Г.С.Смирнов // Пьезоэлектрический датчик воздушных ударных волн // Полезная модель № 51423, опубл. 10.02.2006, Бюл. № 4], который содержит ЧЭ в виде тонкостенной полой сферы из пьезокерамики с внутренним и внешним электродами, который соединен с корпусом через демпфер из резиноподобного материала, обеспечивающий снижение влияния упругих волн, распространяющихся по корпусу, на полезный сигнал, генерируемый ЧЭ при воздействии внешнего давления. Внешние поверхности демпфера и корпуса образуют единую коническую поверхность, которая затем, для удобства закрепления датчика, переходит в цилиндрическую. В корпусе и демпфере выполнено сквозное отверстие, соединенное с внутренней полостью сферического ЧЭ и заполненное материалом с низким волновым сопротивлением, являющимся акустическим волноводом. Электроды припаяны к антивибрационному кабелю, расположенному внутри отверстия и соединенному с электроразъемом. Для предотвращения влияния пироэффекта внешняя поверхность пьезоэлемента покрыта эластичным теплоизоляционным слоем. Этот датчик обладает изотропией пьезочувствительности и обеспечивает достаточно точную регистрацию параметров давления за фронтом ВУВ ( Р_макс, ₊ и _-), но он по-прежнему искажает начальный участок ВУВ ( _-) за счет времени обтекания ударной волной ЧЭ датчика и не позволяют точно определять значение J₊ .

Анализ результатов измерений параметров ВУВ датчиками различных конструкций показывает, что наиболее информативным и точным методом для определения параметров проходящей ВУВ ( Р_макс, _{ф +}, _- и J₊) является регистрация полного профиля импульсного давления, включающего фронтальную часть и область за фронтом ВУВ.

Решаемая в изобретении задача заключается в создании датчика воздушной ударной волны, который позволит с достаточной степенью точности (~ ±5%) определять параметры ВУВ, такие как Р_макс, _ф, ₊, _- и J₊.

Технический результат, достигаемый при осуществлении изобретения, заключается в повышении точности регистрации полного профиля импульсного давления (J₊) в проходящей ВУВ за счет регистрации его фронтальной части ( Р_макс и _ф) и параметров импульса давления за фронтом ВУВ ( Р_макс, ₊, _-).

Указанный технический результат достигается тем, что в датчике воздушных ударных волн, содержащем ЧЭ в виде пьезокерамической полой сферы с электродами на внутренней и наружной поверхностях, соединенный с корпусом через демпфер, причем внутри сферического ЧЭ, демпфера и корпуса размещен акустический волновод, новым является то, что в центральной части наружной поверхности сферического чувствительного элемента со стороны прихода ВУВ установлен дополнительный ЧЭ в виде пьезополимерной пленки с электродами, один из которых объединен с наружным электродом сферического ЧЭ.

Наличие у такого датчика, предназначенного для регистрации полного профиля импульсного давления в проходящей ВУВ, в центральной части наружной поверхности сферического ЧЭ еще одного ЧЭ в виде пьезополимерной пленки с электродами, один из которых объединен с наружным электродом сферического ЧЭ, позволяет повысить точность измерения параметров ВУВ ( Р_макс, _ф, ₊, _-) за счет регистрации полного профиля (J ₊) импульсного давления в проходящей ВУВ, так как пленочный ЧЭ регистрирует параметры фронтальной части ВУВ ( Р_макс и _ф), а сферический ЧЭ - параметры импульсного давления за фронтом ВУВ ( Р_макс, ₊ и _-). При этом оба ЧЭ воспринимают давление равномерно всей своей поверхностью, исключая многократные отражения волн деформации от своей внутренней поверхности, а общие демпфер и волновод обеспечивают акустическую развязку и эффективно подавляют помехи, вызванные волнами деформации, отраженными от элементов корпуса.

Кроме того, единый акустический волновод переменного сечения позволяет расширить диапазон амплитуд и длительностей регистрируемого импульсного давления в проходящей ВУВ за счет увеличения динамической прочности сферического ЧЭ и времени пробега ударной волны по волноводу.

На чертеже представлена общая конструктивная схема заявляемого датчика воздушных ударных волн. Датчик содержит ЧЭ (1) в виде пьезокерамической тонкостенной полой сферы с электродами (2 и 3), который соединен выходным кабелем (4) с электроразъемом (5), установленным на задней крышке (6) корпуса (7). Сферический ЧЭ (1) соединен с корпусом (7) через демпфер (8) из резиноподобного материала. В центральной части наружной поверхности сферического ЧЭ (1) со стороны прихода ВУВ закреплен еще один ЧЭ (9) в виде тонкой пленки из сегнетоэлектрического полимера с электродами, один из которых (10) объединен с наружным электродом (2) сферического ЧЭ и соединен с общим контактом электроразъема (5), а внутренний электрод (3) сферического ЧЭ и внешний электрод (11) пленочного ЧЭ соединены выходным кабелем (4) каждый со своим контактом электроразъема (5). Внешние поверхности корпуса (7) и демпфера (8) образуют единую коническую поверхность. В корпусе (7) и демпфере (8) выполнено сквозное отверстие, соединенное с внутренней полостью сферического ЧЭ (1). При этом полость и отверстие заполнены материалом с низким волновым сопротивлением, служащим общим акустическим волноводом (12) для сферического ЧЭ (1) и пленочного ЧЭ (9) и позволяющим использовать заявляемый датчик для регистрации импульсов давления в широком диапазоне амплитуд и длительностей. Для предотвращения влияния электростатических зарядов, возникающих на поверхности обоих ЧЭ (1 и 9) из-за изменения температуры в процессе проведения измерений, их внешняя поверхность защищена теплоизоляционным покрытием (13).

Датчик воздушных ударных волн работает следующим образом. В момент прихода ВУВ происходит динамическое нагружение как пленочного ЧЭ (9), так и сферического ЧЭ (1), в результате чего между электродами (10 и 11) пленочного ЧЭ (9) протекает ток, пропорциональный производной давления во времени, а между электродами (2 и 3) сферического ЧЭ (1) возникает заряд, величина которого пропорциональна действующему давлению. Кроме того, на величину тока и заряда оказывают паразитное влияние собственные колебания чувствительных элементов (1 и 9) и сигналы, отраженные от других деталей датчика. Для их подавления предназначен демпфер (8) из резиноподобного материала и общий для них акустический волновод (12) из материала с низким волновым сопротивлением. Электрические сигналы от обоих ЧЭ (1 и 9) передаются по кабелю (4) на электроразъем (5) и далее на согласующую и регистрирующую аппаратуру. При этом пленочный ЧЭ (9) используется для регистрации параметров фронтальной части ВУВ ( _ф и Р_макс), а сферический ЧЭ (1) - параметров импульсного давления за фронтом ВУВ ( Р_макс, ₊ и _-), после чего по совокупности измерений определяется величина механического импульса J₊.