ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ВОЗДУШНЫХ УДАРНЫХ ВОЛН

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для измерения параметров импульсного давления, создаваемого в воздухе любым импульсным источником акустической или ударной волны, в том числе и взрывным устройством.
Известно, что определение параметров давления в воздушных ударных волнах можно проводить различными способами:
- измерением параметров отраженной воздушной волны;
- измерением скорости движения воздушной ударной волны с последующим расчетом максимального давления;
- непосредственной регистрацией профиля давления в проходящей воздушной ударной волне.
Наиболее информативным является третий способ параметров давления в воздушной ударной волне, так как он оказывает наименьшее влияние на формирование воздушной ударной волны в ближней зоне от источника, а результаты измерений непосредственно характеризуют параметры импульсного давления за фронтом воздушной ударной волны. Для этого используют датчики различных конструкций, основными элементами которых являются: пьезоэлемент (кварц, турмалин или пьезокерамика) и корпус. Пьезоэлемент предназначен для преобразования механического воздействия от воздушной ударной волны в электрический сигнал, а корпус - для закрепления пьезоэлемента. Все датчики импульсного давления различаются по коэффициенту преобразования, размерам, форме и принципу действия. В зависимости от этого конструкции и размеры датчиков могут сильно различаться.
В некоторых датчиках для компенсации собственных колебаний пьезоэлемента и исключения возврата волн деформаций имеется акустический волновод. Известен, например, пьезоэлектрический датчик
давления [СССР, авторское свидетельство SU №1434293 А1, Пьезоэлектрический датчик давления, опубликовано 30.10.88г., Бюл. №40], состоящий из пьезоэлемента, изготовленного в виде круглой пластины, и корпуса цилиндрической формы, внутри которого, для повышения точности при измерении импульсов давления большой длительности, расположен акустический волновод из эпоксидного компаунда с наполнителем из двуокиси титана и порошка резины. Существенным недостатком такого датчика является то, что это - датчик направленного действия, т.е. его показания, в значительной степени, зависят от угла, под которым пьезоэлемент встречает фронт ударной волны. На практике, при проведении экспериментальных работ направление движения ударной волны не всегда заранее известно и, в этом случае, особое значение приобретают датчики ненаправленного действия. Таким образом, направленная диаграмма чувствительности этого датчика ограничивает область его применения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является сферический титанатбариевый приемник давления воздушных ударных волн [В.П.Макушкин, А.В.Мишуев. Сферические титанатбариевые приемники давления воздушных ударных волн. «Акустический журнал», т.5, вып.1, 1959 г.]. Пьезоэлемент датчика выполнен в виде полой тонкостенной сферической оболочки с электродами и соединен с корпусом посредством держателя (демпфера) в виде трубки, состоящей из двух частей (резиновой и пробковой), что позволяет уменьшить паразитное влияние механической связи пьезоэлемента с корпусом и повысить точность измерения. При этом внешние поверхности демпфера и корпуса образуют единую коническую поверхность. Такой датчик не требует строгой ориентации на источник воздушных ударных волн. К его недостаткам можно отнести то, что при измерении больших давлений пьезоэлемент, представляющий из себя полую тонкостенную сферическую оболочку, испытывает деформации не только от всестороннего сжатия, но
и от растяжения на изгибе в месте своего закрепления, приводящие к искажению выходного сигнала датчика. Кроме того, отсутствие у датчика акустического волновода не позволяет использовать его для измерения импульсных давлений большой длительности из-за многократных отражений волн деформации от внутренней поверхности пьезоэлемента.
Решаемая задача заключается в создании высокоточного пьезоэлектрического датчика воздушных ударных волн с изотропной диаграммой направленности, работающего в широком диапазоне амплитуд и длительностей импульсных давлений.
Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в повышении точности измерения параметров импульсных давлений за фронтом проходящей ударной волны в воздухе и расширении диапазона амплитуд и длительностей регистрируемого импульсного давления.
Указанный технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом датчике воздушных ударных волн, содержащем пьезоэлемент в виде полой сферы с электродами, соединенный с корпусом через демпфер из резиноподобного материала, причем, внешние поверхности демпфера и корпуса образуют единую коническую поверхность, новым является то, что в демпфере и корпусе выполнено сквозное отверстие, соединенное с внутренней полостью пьезоэлемента и заполненное материалом с низким волновым сопротивлением, служащим акустическим волноводом.
Наличие у пьезоэлектрического датчика воздушных ударных волн акустического волновода с низким волновым сопротивлением, заполняющего как внутреннюю полость сферического пьезоэлемента, так и сквозное отверстие, выполненное в демпфере и корпусе, позволяет:
- повысить точность измерения за счет того, что пьезоэлемент реагирует только на действие воздушной ударной волны, воспринимая давление равномерно всей своей поверхностью и исключая многократные
отражения волн деформации от своей внутренней поверхности, а демпфер и волновод обеспечивают акустическую развязку и эффективно подавляют помехи, вызванные волнами деформации, отраженными от элементов корпуса;
- расширить диапазон амплитуд и длительностей регистрируемого давления в проходящей воздушной ударной волне за счет увеличения динамической прочности пьезоэлемента и времени пробега ударной волны.
На приведенной фигуре представлена конструктивная схема заявляемого пьезоэлектрического датчика воздушных ударных волн. Пьезоэлектрический датчик воздушных ударных волн содержит пьезоэлемент (1) в виде тонкостенной полой сферы с электродами (2), который соединен с корпусом (3) через демпфер (4) из резиноподобного материала (например, эпоксидного компаунда с наполнителем), причем, внешние поверхности демпфера и корпуса образуют единую коническую поверхность, которая затем, для удобства закрепления датчика, переходит в цилиндрическую. В корпусе (3) и демпфере (4) выполнено сквозное отверстие (5), соединенное с внутренней полостью сферического пьезоэлемента (1) и заполненное материалом с низким волновым сопротивлением, являющимся акустическим волноводом (6). Электроды (2) припаяны к антивибрационному кабелю (7), расположенному внутри отверстия (5) и соединенному с электроразъемом (8). Кроме того, для предотвращения влияния пироэффекта, внешняя поверхность пьезоэлемента покрыта эластичным теплоизоляционным слоем (9).
Пьезоэлектрический датчик воздушных ударных волн работает следующим образом. В момент прихода воздушной ударной волны происходит динамическое нагружение пьезоэлемента (1), которое вызывает деполяризацию пьезокерамики, из которой изготовлен пьезоэлемент (1), и возникновение между электродами (2) заряда. Этот заряд, величина которого пропорциональна не только действующему
давлению, но также и собственным колебаниям сферического пьезоэлемента (1), передается через кабель (7) на электроразъем (8) и, далее, на согласующую и регистрирующую аппаратуру. Причем, за счет наличия внутри пьезоэлемента части акустического волновода (6) из материала с низким волновым сопротивлением, собственные колебания пьезоэлемента (1) быстро затухают, вследствие чего величина заряда, обусловленного собственными колебаниями пьезоэлемента (1), оказывается незначительной и не влияет на выходной сигнал датчика. Для предотвращения влияния электростатических зарядов, возникающих на поверхности пьезоэлемента из-за изменения температуры в процессе измерения, его внешняя поверхность покрывается теплоизоляционным слоем (9). С целью снижения выброса давления в момент взаимодействия фронта воздушной ударной волны с пьезоэлементом (1), а также для подавления помех, вызванных волнами деформации, отраженными от элементов корпуса (3), пьезоэлемент (1) акустически развязан от корпуса (3) при помощи демпфера (4) и акустического волновода (6), выполненого из материала с низким волновым сопротивлением и размещенного как во внутренней полости пьезоэлемента (1), так и в сквозном отверстии (5), проходящем через демпфер (3) и корпус (4). Кроме того, наличие такого акустического волновода (6) позволяет использовать датчик для регистрации импульсов давления в широком диапазоне амплитуд и длительностей.
Например, пьезоэлектрический датчик воздушных ударных волн с пьезоэлементом из керамики ЦТС-19 сферической формы диаметром 15 мм и теплоизоляционным покрытием толщиной 2 мм может быть использован для измерения импульсных давлений длительностью от 300 мкс до 150 мс в диапазоне от 0,001 до 0,1 МПа при времени нарастания амплитуды от 30 мкс до 15 мс, а датчик с диаметром пьезоэлемента 5 мм и теплоизоляционным покрытием толщиной 1 мм - для измерения
импульсных давлений длительностью от 70 мкс до 50 мс в диапазоне от 0,01 до 5 МПа при времени нарастания амплитуды от 7 мкс до 5 мс.