ДАТЧИК ВОЗДУШНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН
SENSOR OF AIR SHOCK WAVES

Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения параметров импульсного давления, создаваемого в воздухе взрывным источником ударных волн.
макс
ф
+
-
+
макс
ф
+
-
2
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 (ΔР), длительность фронта (τ), длительность фазы сжатия (τ) и разрежения (τ), механический импульс (J). При этом ΔР может изменяться в пределах от 0.01 до 1500 кг/см, τ - от единиц нс до единиц мкс, а τ и τ - от нескольких десятков мкс до единиц мс. Чтобы точно определить эти параметры, необходимо как можно точнее зарегистрировать профиль давления в проходящей ВУВ.
макс
ф
+
-
+
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 (ΔР; τ, τ, τ 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.), α-кварца, турмалина и сульфата лития.
2
2
2
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×кг/см) 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/см. Временное разрешение датчика определяется временем прохождения ВУВ расстояния, равного толщине датчика, и равно Δt=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.
2
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 и предназначены для измерения импульсных давлений в грунтах, но иногда используются и для измерения давлений в воздухе.
2
2
2
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 и предназначенные для измерения импульсных давлений с амплитудой от 1 до 1500 кг/см в воде и воздухе, а также пьезокерамические датчики с ЧЭ сферической формы, предназначенные для измерения давлений величиной от 0.1 до 1 кг/см [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:
ф
мак
+
-
- пленочными датчиками достаточно точно регистрируется лишь фронтальная часть импульса давления (τ и ΔР); а параметры давления за фронтом ВУВ (τ, τ
+
и J) невозможно точно определить из-за многократных отражений ВУВ от жесткого основания;
-6
макс
ф
+
-
+
- датчиками торцевого и мембранного типов существенно искажается начальный участок ВУВ, т.к. скорость нарастания давления, действующего на ЧЭ, определяется относительно низким временным разрешением (≥10 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 (ΔР, τ, τ, τ и J) торцевыми и мембранными датчиками оказывается достаточно высокой;
макс
+
-
ф
+
- сульфат-литиевыми датчиками и датчиками с ЧЭ сферической формы точность регистрации параметров давления за фронтом ВУВ (ΔР, τ и τ) 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 (τ) за счет времени обтекания ударной волной ЧЭ датчика, имеющего конечный размер, и не позволяют точно определять значение механического импульса J.
макс
+
-
-
+
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 (ΔР, τ и τ), но он по-прежнему искажает начальный участок ВУВ (τ) за счет времени обтекания ударной волной ЧЭ датчика и не позволяют точно определять значение J.
макс
ф
+
-
+
Анализ результатов измерений параметров ВУВ датчиками различных конструкций показывает, что наиболее информативным и точным методом для определения параметров проходящей ВУВ (ΔР, τ τ, τ и J) является регистрация полного профиля импульсного давления, включающего фронтальную часть и область за фронтом ВУВ.
макс
ф
+
-
+
Решаемая в изобретении задача заключается в создании датчика воздушной ударной волны, который позволит с достаточной степенью точности (~ ±5%) определять параметры ВУВ, такие как ΔР, τ, τ, τ и J.
+
макс
ф
макс
+
-
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 (ΔР и τ) и параметров импульса давления за фронтом ВУВ (ΔР, τ, τ).
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.
макс
ф
+
-
+
макс
ф
макс
+
-
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 (ΔР, τ, τ, τ) за счет регистрации полного профиля (J) импульсного давления в проходящей ВУВ, так как пленочный ЧЭ регистрирует параметры фронтальной части ВУВ (ΔР и τ), а сферический ЧЭ - параметры импульсного давления за фронтом ВУВ (ΔР, τ и τ). 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).
ф
макс
макс
+
-
+
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 (τ и ΔР), а сферический ЧЭ (1) - параметров импульсного давления за фронтом ВУВ (ΔР, τ и τ), после чего по совокупности измерений определяется величина механического импульса J.