ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК СИЛЫ УДАРА
PIEZOELECTRIC IMPACT FORCE SENSOR

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения ударного волнового давления.
Известен датчик воздушных ударных волн (патент RU 2377520 C1), предназначенный для измерения параметров импульсного давления, создаваемого в воздухе взрывным источником ударных волн. Недостатком данного изобретения является то, что данный датчик не предназначен для использования в жидких средах.
Известен эластичный датчик давления (патент RU 182019 U1), который состоит из чувствительного элемента и проводника, при этом чувствительный элемент выполнен из полимера, а проводник выполнен из многожильного провода. Такой датчик предназначен для измерения силы удара в боевых искусствах. Недостатком данной полезной модели является то, что данный датчик не предназначен для использования в жидких средах, и в частности, для измерения силы ударных волновых нагрузок, образующихся при разрушении поверхностных гравитационных волн на поверхности гидротехнических сооружений.
Ближайшим аналогом является устройство для определения волновых давлений на корпус судна (патент RU 2621886 C2). Устройство выполнено в виде измерительной панели, которая содержит, по меньшей мере, один датчик давления. Недостатком данного устройства является его предназначение для использования только на корпусе судна (в районе ватерлинии), а также то, что не предусмотрена возможность перемещения измерительной панели для определения распределения волновых нагрузок на поверхности исследуемого сооружения.
Технический результат заключается в получении эпюры волновых давлений, образующихся при разрушении поверхностных гравитационных волн на стенках исследуемых гидротехнических сооружений в экспериментальных лабораторных условиях (в опытовом бассейне).
Поставленная (обозначенная) цель достигается за счет того, что цельный прямоугольный корпус, выполненный из диэлектрического материала (к примеру, плекса), оснащают чувствительным элементом, представляющим собой мембрану из металлической пластины, на которой установлена пьезоэлектрическая керамика, а на внешней стороне нанесено токопроводящее напыление. Мембрана крепится к корпусу при помощи клея. Для надежной герметизации и исключения воздействия слабых токов на поверхность мембраны наносится слой силикона, который заливается до верхней кромки отверстия. Данный слой силикона также выступает как демпфер, оказывая непосредственное воздействие на АЧХ устройства. Металлические обкладки чувствительного элемента через активный фильтр подключены к входу аналого-цифрового преобразователя, который подключен к компьютеру. Фильтр для уменьшения габаритов датчика, размещен отдельно. Полосовой фильтр рассчитан таким образом, что со стороны высоких частот ƒ>50 Гц он подавляет помехи, связанные с высокочастотными колебаниями напряжения сети и внешними акустическими шумами, а со стороны низких частот ослабляет колебания с частотой ниже ƒ<0,5 Гц.
Таким образом, датчик позволяет с необходимой точностью производить измерение ударного волнового давления, возникающего на поверхности исследуемых гидротехнических сооружениях, и может применяться в экспериментальной гидромеханике.
На фиг. 1 показана принципиальная схема измерительной панели.
На фиг. 2 показан вариант компоновки пьезоэлектрического датчика силы удара.
Датчик давления устроен (функционирует) следующим образом: датчик фиксируется на измерительной панели (1), которая крепится на поверхности исследуемых гидротехнических сооружений в предполагаемой зоне наибольших ударных волновых нагрузок. Для определения распределения нагрузок на поверхности исследуемого сооружения предусмотрена возможность перемещения панели по направлению нормали к урезу воды. На измерительной панели крепится как минимум один датчик давления (2). Расстояние между датчиками Δx<0,1 λ (λ - средняя длина волны). При воздействии внешней волновой нагрузки на измерительную панель и, в частности, на датчик давления, происходит деформирование мембраны (3) и пьезоэлектрического чувствительного элемента (4), что приводит к изменению его состояния. Сигнал изменения состояния чувствительного элемента передается по кабель-каналам (5) в активный фильтр (на рисунке не изображен). Фильтр для уменьшения габаритов датчика, размещен отдельно. Фильтр рассчитан таким образом, что со стороны высоких частот ƒ>50 Гц он подавляет помехи, связанные с высокочастотными колебаниями напряжения сети и внешними акустическими шумами, а со стороны низких частот ослабляет колебания с частотой ниже ƒ<0,5 Гц. Для записи, преобразованных в активном фильтре сигналов используется аналого-цифровой преобразователь (далее АЦП) и персональный компьютер (далее ПК).
Примечание: АЦП и ПК на рисунке не изображены.
Техническим результатом является получение эпюры волновых давлений при различных режимах работы волнопродуктора.