УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ И СКОРОСТИ ДВИЖУЩЕЙСЯ ПЛОСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE FOR DETERMINING SPACE POSITION AND SPEED OF MOVING FLAT SURFACE

Изобретение относится к области контрольного испытательного оборудования и предназначено для применения в испытаниях на ударное воздействие.
В ряде испытательных работ, связанных с метанием ударников, характеризующихся наличием плоской поверхности и движущихся плоскопараллельно в направлении нормали к этой поверхности, требуется определить скорость ударников и их пространственное положение на момент испытаний. Для определения положения поверхности такого рода ударника достаточно зарегистрировать угол между его поверхностью и характерной плоскостью (или осью), положение которой в пространстве заранее известно.
Из описания патента РФ №2250434 «Способ непрерывной регистрации положения, профиля и скорости движущейся поверхности» (МПК G01B 7/00, G01P 3/66, G01H 5/00, опубл. 20.04.2005) известно выбранное в качестве прототипа устройство регистрации скорости и положения в пространстве движущейся поверхности ударника, содержащее, по крайней мере, два электроконтактных датчика резистивного типа коаксиальной конструкции, установленных на общей платформе. Чувствительные элементы датчиков устанавливают на заданном расстоянии от платформы и друг от друга * вплотную и перпендикулярно исследуемой движущейся поверхности. Каждый датчик представляет собой центральную жилку из нихрома в лаковой изоляции, помещенную в защитную трубку из никелевого сплава. Один из концов (торец) датчика имеет тонкий слой лаковой изоляции, другой конец закрепляется неподвижно и подключается к измерительным трактам. При воздействии движущейся поверхности на резистивные датчики в каждом из них на торце нарушается слой лаковой изоляции, что приводит к контакту центральной жилки с защитной трубкой и включению измерительных трактов. При взаимодействии с движущейся поверхностью резистивные датчики уменьшают свою длину и электрическое сопротивление, создают информационные сигналы, которые регистрируют и по откалиброванным зависимостям определяют положение и скорость движущейся поверхности ударника.
Недостатками прототипа являются:
- указанная авторами в описании патента малая инерционность датчиков, что для решаемой ими задачи является положительным моментом, но требует установки датчиков вплотную к начальному положению исследуемой поверхности ударника. При изменении положения поверхности ударника в процессе разгона (например, его повороте при несимметричном воздействии продуктов детонации взрывчатого вещества) и его движении в какой-нибудь среде (например, воздухе), применяемые датчики, вследствие малой удельной массы (внешний диаметр 0,3 мм, диаметр центральной нихромовой нити 0,05 мм), будут смещены ударной волной сжатой среды, распространяющейся перед движущейся в высокоскоростном режиме (0,8-8 км/с) поверхностью. Это не позволит определить требуемые параметры;
- несоответствие скорости исследуемой поверхности регистрируемой скорости взаимодействия с датчиком при неперпендикулярном его расположении относительно поверхности ударника. Это ужесточает требования к точности установки датчиков и ограничивает их область применения;
- требуемый для определения параметров движущейся поверхности постоянный и длительный контакт чувствительного элемента резистивного датчика с ударником. При перпендикулярном воздействии поверхности ударника на датчик, строго говоря, регистрируется не перемещение поверхности ударника, а перемещение зоны контакта чувствительного элемента и материала ударника. При повышении жесткости конструкции датчика (или применении относительно мягкого материала ударника) увеличится и погрешность измерения скорости взаимодействия вследствие проникания датчика в материал ударника с образованием каверны.
Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое устройство заключается в создании устройства, обеспечивающего получение информации о фактическом положения движущейся плоской поверхности в пространстве и ее скорости в направлении нормали к плоской поверхности.
Технический результат, получаемый при использовании устройства, состоит, во-первых, в определении величины угла между движущейся плоской поверхностью и плоскостью общей платформы установки электроконтактов, положение которой в пространстве известно, во-вторых, в определении скорости движущейся плоской поверхности ударника в направлении нормали к ней.
Технический результат достигается тем, что устройство для определения положения в пространстве и скорости движущейся плоской поверхности, содержащее группу установленных на общей платформе электрических контактных датчиков, чувствительные элементы которых установлены на заданном расстоянии от платформы и друг от друга с возможностью замыкания под воздействием движущейся плоской поверхности ответных контактов, установленных перпендикулярно общей платформе, в отличие от прототипа содержит, по крайней мере, две группы электрических контактных датчиков реакционного типа, установленных на общей платформе, чувствительные элементы в каждой группе датчиков установлены вдоль прямых, перекрещивающихся в параллельных плоскостях, ориентированных перпендикулярно движущейся плоской поверхности.
Использование, по крайней мере, двух групп электрических контактных датчиков реакционного типа, установленных на общей платформе, в которых в каждой труппе датчиков чувствительные элементы размещены вдоль прямых, перекрещивающихся в параллельных плоскостях, ориентированных перпендикулярно движущейся плоской поверхности, обеспечивает надежное и достоверное получение информации о фактическом положении плоской поверхности ударника в пространстве и его скорости в направлении нормали к плоской поверхности, в том числе и при изменении положения поверхности ударника в процессе разгона (например, при ее повороте в результате несимметричного воздействии продуктов детонации взрывчатого вещества) и движении ударника в какой-нибудь среде (например, воздухе).
Использование заявляемого устройства снижает требование к точности установки датчиков, поскольку достаточно до испытания зарегистрировать фактическое положение общей платформы устройства в пространстве, что расширяет область применения устройства.
Изобретение поясняется фиг. 1, на которой в двух проекциях схематично показан принцип расстановки чувствительных элементов электрических контактных датчиков реакционного типа устройства для определения положения в пространстве и скорости движущейся плоской поверхности.
1
1
2
2
n
n
Заявляемое устройство содержит: 1, 1 - чувствительные элементы первой группы электрических контактных датчиков реакционного типа; 1, 1 - чувствительные элементы второй группы электрических контактных датчиков реакционного типа; 2 - общая платформа размещения указанных датчиков (платформа устройства). Чувствительные элементы электрических контактных датчиков установлены на заданном расстоянии от платформы 2 и друг от друга.
1
2
n
На фиг. 1 обозначено: 3 - прямая, вдоль которой установлены чувствительные элементы первой группы датчиков; 4 - прямая, вдоль которой установлены чувствительные элементы второй группы датчиков; α - угол наклона к платформе 2 прямой 3; α - угол наклона к платформе 2 прямой 4; 5 - ориентированные перпендикулярно движущейся плоской поверхности и параллельные между собой плоскости, которым принадлежат прямые 3 и 4; 6 - горизонталь; 7- движущаяся плоская поверхность ударника (на фиг. 1 показано положение перед началом взаимодействия с чувствительными элементами электрических контактных датчиков реакционного типа); V - искомая скорость движения поверхности ударника 7 в направлении нормали к ней; ϕ - искомый угол между движущейся плоской поверхностью и горизонталью.
Каждый электрический контактный датчик реакционного типа может быть выполнен следующим образом: одним ответным контактом-электродом является токопроводящий штырь, изолированный от наружной оболочки, жестко соединенный с общей платформой 2, а другим контактом-чувствительным элементом является токопроводящий колпачок, размещенный относительно штыря с зазором, соединенный с токопроводящей наружной оболочкой, которая также как и штырь установлена перпендикулярно общей платформе устройства и жестко соединена с ней. При соударении с движущейся поверхностью ударника 7 чувствительный элемент (колпачок) деформируется на величину зазора, благодаря чему происходит замыкание контактов датчика и выдача электрического сигнала (см. п. РФ №2186334, №2219487, №2289784, №2399019).
Одним из необходимых начальных условий для использования результатов хронографической регистрации срабатывания датчиков устройства является наличие информации о положении его общей платформы в пространстве. Для пояснения примем, что положение плоскости платформы известно, например, относительно горизонтали. Определение угла между движущейся плоской поверхностью ударника и горизонталью производится путем сложения углов между движущейся плоской поверхностью ударника и общей платформой устройства и между указанной платформой и горизонталью.
Устройство работает следующим образом.
Движущаяся плоская поверхность ударника 7 взаимодействует с чувствительными элементами 1 электрических контактных датчиков реакционного типа, установленных вдоль прямых 3 и 4, перекрещивающихся в параллельных плоскостях, ориентированных перпендикулярно движущейся плоской поверхности. При замыкании каждым чувствительным элементом соответствующего ему ответного контакта происходит замыкание электрической цепи и регистрируется время момента замыкания контактов.
В дальнейшем, используя известное расстояние между чувствительными элементами в каждой группе датчиков (конструктивный параметр устройства) и зарегистрированные значения времени замыкания контактов, вычисляют скорости распространения замыкания контактов для каждой группы.
n
Из геометрических построений, при рассмотрении векторов скоростей распространения замыкания контактов в проекции, аналогичной представленной на фиг. 1, используя теорему косинусов, вычисляют искомые параметры ϕ и V.
Порядок вычислений следующий.
Первый шаг: определяют промежуточный параметр вычислений F:
1
1
n
где  - скорость распространения замыкания контактов первой группы датчиков (1-1) при взаимодействии с движущейся плоской поверхностью ударника 7;
2
2
n
- скорость распространения замыкания контактов второй группы датчиков (1-1) при взаимодействии с движущейся плоской поверхностью ударника 7;
F - промежуточный параметр вычислений, характеризующий скорость распространения замыкания контактов обеих групп относительно друг друга в плоскости движущейся поверхности ударника 7.
Отсюда, используя ту же теорему косинусов, вторым шагом определяют величину угла β (является промежуточным параметром вычислений, не показан) между движущейся плоской поверхностью ударника 7 и платформой 2 устройства:
Фактическое положение в пространстве движущейся плоской поверхности ударника 7 определяют, вычисляя угол ее наклона относительно горизонтали. Для этого используется известный (зарегистрированный при установке до испытания) угол наклона платформы устройства к горизонтали γ.
ϕ=β+γ
n
И завершающим шагом определяют V - скорость движения ударника в направлении нормали к его плоской поверхности:
n
k1
1
k2
2
V=V*sin(α-β)=V*sin(α+β)
Достижение технического результата подтверждается данными экспериментальных исследований.
Таким образом, использование устройства обеспечивает получение информации о фактическом положении плоской поверхности ударника и его скорости.