ДАТЧИК УДАРНЫХ ВОЛН

ДАТЧИК УДАРНЫХ ВОЛН
Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для регистрации моментов выхода ударных волн на поверхностях элементов исследуемого объекта, находящихся в
труднодоступных местах, а также для измерения параметров ударных
Известен пьезоэлектрический датчик /1/, состоящий из закрытого корпуса, внутри которого жестко закреплен пьезоэлемент. Недостатками этого датчика являются неприспособленность к установке в труднодоступных местах и сложность изготовления миниатюрных вариантов датчика.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический датчик /2/, выполненный в виде коаксиального кабеля, с открытого торца которого закреплён пьезоэлемент, заподлицо с наружным экраном кабеля. Один электрод пьезоэлемента имеет электрическую связь с внутренней жилой кабеля, а другой открыт и не имеет электрического подвода. Этот датчик может быть достаточно миниатюрным. Его недостатком является неприспособленность к установке в труднодоступных местах.
МПК6О01Ы/16
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании миниатюрного датчика ударных волн, приспособленного для установки в труднодоступных местах исследуемых конструкций.
Технический результат, полученный при осуществлении изобретения, заключается в увеличении величины допуска на точность установки датчика, необходимой для создания надёжного контакта между пьезоэлементом и поверхностью ко1ггролируемого объекта, а также в появлении у датчика способности менять свои размеры при перемещении датчика через места, где расстояние между корпусом датчика и элементами конструкщ1и исследуемого объекта меньше величины выступания пьезоэлемента из корпуса при свободном состоянии упругого элемента, что позволяет устанавливать датчик в труднодоступных местах исследуемых объектов. Простота конструкции позволяет делать датчик достаточно миниатюрным.
Дополнительный технический результат заключается в возможности изменения электрофизических свойств датчика (амплитуды и длительности импульса, генерируемого при воздействии ударной волны) при сохранении формы и размеров пьезоэлемента путём изменения формы и размеров наносимых на пьезоэлемент электродов.
Указанные технические результаты достигаются тем, что в датчике ударных волн, содержащем пьезоэлемент с электродами.
размещённый в корпусе со стороны его открытого торца, новым является то, что в корпус дополнительно введен упругий элемент в свободном состоянии, пьезоэлемент установлен с возможностью перемещения вдоль корпуса, пространство между указанными элементами заполнено вязкой смазкой, при этом размеры внутренней части корпуса, пъезоэлемента и упругого элемента связаны соотноще1шем;
где 1к - длина внутренней части корпуса; 1 „, - длина пьезоэлемента; 1  длрша упругого элемента в свободном состоянии.
Кроме того, пьезоэлемент выполнен в виде стержня, один электрод пьезоэлемента размещён на его торце, а другой на противоположном торце и примыкающей к нему части боковой поверхности пьезоэлемента (несимметричные электроды), при этом между электродами выполнен зазор.
Причинно-следственная связь между указанной совокупностью признаков и достигаемым техническим результатом поясняется следующим образом. При установке, датчик подводится к поверхности контролируемого объекта на расстояние, при котором между корпусом и поверхностью имеется зазор величиной h, причём LK h  Li, где  + Ur - IK - величина выступания пьезоэлемента из корпуса при
1  1 +1
К  1 пэ  уэ
свободном состоянии упругого элемента,  + lyf - 1к - величина
выступания пьезоэлемента из корпуса при сжатом состоянии упругого элемента (  длина максимально сжатого упругого элемента). В этом
случае упругий элемент поджимает пьезоэлемент к поверхности исследуемого объекта. Таким образом, датчик не требователен к точности установки. Изменяя размеры элементов конструкции датчика, можно изменять величшгу необходимого допуска на точность установки корпуса датчика относительно контролируемой поверхности.
В случае, когда в процессе установки датчика необходимо провести датчик через места, в которых расстояние между корпусом датчика и элементами конструкции исследуемого объекта плавно уменьшается до величины меньше Li, но больше L:, подвижность пьезоэлемента приводит к его перемещению внутрь корпуса датчика и таким образом изменяются размеры датчика, что позволяет ему проходить через такие места.
Заявляемое размещение электродов позволяет, при неизменных форме и размерах пьезоэлемента, изменять конфигурацию и относительное расположение электродов, что влияет на величину и распределение поляризации в объёме пьезоэлемента, и, соответственно, на электрофизические свойства датчика при ударном воздействии на него, например, изменять амплитуду и длительность импульса. Так
амплитуда импульса прямо пропорциональна величине зазора между электродами, а длительность импульса обратно пропорциональна, что известно из исследований по ударному нагружению пьезокерамики /3/.
На приведённой фигуре представлена конструктивная схема заявляемого датчика ударных волн.
Датчик ударных волн содержит металлический корпус (1), пьезоэлемент (2), размещённый со стороны открытого торца корпуса (1), и упругий элемент в свободном состоянии, например, пружину (3). Пространство между этими элементами заполнено вязкой смазкой, предотвращающей выпадение пьезоэлемента (2) при тряске и под действием силы тяжести, в тоже время не препятствующей его перемещению при надавливании на его выступающий торец. В датчике может применяться, например, смазка ЦИАТИМ-201. Пьезоэлемент (2) установлен с возможностью перемещения вдоль внутренней поверхности корпуса (1). При установке на поверхность контролируемого объекта пьезоэлемент (2) перемещается внутрь корпуса, сжимая пружину (3). При отводе датчика от поверхности, пружина (3) возвращает пьезоэлемент (2) в исходное состояние. Длина внутренней части корпуса 1к, длина пьезоэлемента 1пэ, и длина упругого
элемента (пружины) в свободном состоянии у° связаны соотношением: IK  „,+ 1уз°% что обеспечивает выступание
jjooo -/
пьезоэлемента (2) из корпуса (1). Пьезоэлемент (2) выполнен в виде цилиндрического стержня, на поверхности которого нанесены два электрода (4, 5). Один электрод (4) покрывает открытую торцевую поверхность пьезоэлемента (2), второй (5)- покрывает противоположную торцевую поверхность и часть боковой поверхности. Между электродами имеется зазор. Электрод (4) контактирует с контролируемой металлической поверхностью, а электрод (5) через пружину (3) электрически связан с корпусом (1) датчика. Измерительная линия датчика подключена к электродам пьезоэлемента через контакт с контролируемой поверхностью с одной стороны и к корпусу датчика с другой (на фигуре не показано). Пьезоэлемент изготавливается из пьезокерамики, например, ЦТС-19. Корпус (1) снаружи имеет резьбу (6), что позволяет прикреплять его к приспособлениям для установки датчика.
Датчик ударных волн работает следующим образом. При выходе ударной волны на контролируемую поверхность, на которой установлен датчик, происходит ударное нагружение пьезоэлемента (2), при этом происходит деполяризация пьезокерамики, что приводит к выделению заряда на электродах (4,5) датчика, и соответственно к появлению сигнала в измерительной линии. Начало сигнала соответствует моменту выхода ударной волны на контролируем то поверхность. По величине выделившегося заряда можно оценить величину давления в
действовавшей ударной волне. Генерация сигнала происходит при прохождении ударной волной зазора между электродами, поскольку эта область пьезоэлемента имеет наиболее сильную заполяризованность. Величина зазора определяет амплитуду и длительность импульса. Датчик регистрирует ударные волны в диапазоне от 0.1 до 100 ГПа и более.
Источники информации
1.Швейцария, патент № 434801, МПК G01L 1/16  Пьезоэлектрический датчик Заявлено 13.04.55, опубликовано 14.10.67
2.П.Кальдирола, Г.Кнопфель, Физика высоких плотностей энергии, с.74, 1974г, Москва, издательство Мир
3.Е.З.Новицкий, В.Д.Садунов, Энергетические характеристики сегнетоэлектрика как рабочего тела преобразователя энергии УВ, ФГВ №5, стр.104, 1985г.
aoY-/