МАЛОГАБАРИТНЫЙ ПЬЕЗООПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ ЗВУКА В УДАРНО-СЖАТЫХ ВЕЩЕСТВАХ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно датчикам измерения скорости звука, основанным на индикаторном методе измерения, и может быть использована для изучения ударно-волновых свойств веществ в широком диапазоне давлений и температур.
Индикаторный метод измерения скорости звука в ударно-сжатых веществах основан на регистрации изменения интенсивности теплового излучения индикаторного вещества в результате нагружения вещества ударной волной и последующей разгрузкой. Среди имеющихся экспериментальных методов измерения скорости звука, индикаторный метод отличается крайне высокой чувствительностью, поскольку интенсивность теплового излучения пропорциональна четвертой степени приложенного давления.
В датчиках, основанных на индикаторном методе измерения, для регистрации затухания ударных волн используется индикаторное вещество, которое находится в контакте со свободной поверхностью образца и обеспечивает индикацию ударных волн и волн разрежения, распространяющихся в образце. Одними из главных требований, предъявляемых к индикатору, является прозрачность и хорошая излучающая способность. Также немаловажным является создание «идеальной» границы раздела между образцом и индикатором. При наличии воздушных и иных включений между образцом и индикатором, на регистрируемом сигнале могут отразиться помехи, обусловленные отражением волн. Такие помехи усложняют обработку сигнала и в значительной степени снижают качество измерений.
Особенностью индикаторного метода является использование образцов с переменным сечением (свободная поверхность образца выполняется ступенчатой). Использование твердых индикаторных веществ в этом случае предполагает прецизионную точность изготовления детали из индикаторного вещества, зеркально отображающую форму образца из исследуемого материала. Задача по измерению скорости звука с требуемой точностью на порядок усложняется, так как в реальных условиях изготовить такую деталь практически невозможно.
Однако на данный момент известны технические решения, реализованные в конструкциях датчиков для определения скорости звука в ударно-сжатых веществах, позволяющие решить данную задачу.
Известен датчик для определения скорости звука в ударно-сжатых веществах, описанный в монографии «Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках» [М.В. Жерноклетов, монография «Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках», стр. 171-175, «Индикаторный метод измерения скорости звука», Саров, 2003 г.]. Датчик содержит полый, открытый с одного торца корпус, заполняемый индикаторной жидкостью; в глухом торце корпуса выполнено отверстие для установки оптического волокна.
Открытый торец корпуса выполнен в размере, обеспечивающем охват всех ступеней со стороны свободной поверхности исследуемого образца, а отверстия с установленными в них оптическими волокнами выполнены напротив каждой из ступеней. Таким образом, при определении скорости звука в ударно-сжатом образце индикаторная жидкость обеспечивает индикацию ударных волн, возникающих в образце, а оптические волокна, установленные напротив каждой из ступеней, обеспечивают их регистрацию.
Достоинством известного датчика для определения скорости звука в ударно-сжатых веществах является использование в качестве индикатора жидкости, что обеспечивает создание «идеальной» границы раздела между индикатором и образцом.
Недостатком этого датчика является наличие погрешности измерения, обусловленной конструкцией корпуса, внутренний объем которого охватывает все ступени свободной поверхности образца и создает единый объем, заполняемый индикаторной жидкостью. Ударная волна в первую очередь проходит через ступень образца, имеющую наименьшее сечение, в результате чего индикаторная жидкость начинает излучать тепловую энергию в общем объеме полости корпуса, тем самым создавая погрешность индикации в области ступеней образца, имеющих большее сечение. Таким образом, наличие в конструкции датчика полого корпуса, заполненного индикаторной жидкостью, и охватывающего все ступени со стороны свободной поверхности исследуемого образца, негативно сказывается на точности определения скорости звука в ударно-сжатом образце.
Данный оптический индикатор принимается за прототип, как наиболее близкий по технической сущности к заявляемой полезной модели.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание датчика, обеспечивающего возможность определения скорости звука в ударно-сжатом образце с высокой точностью.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в повышении точности определения скорости звука в ударно-сжатом образце исследуемого материала, а также возможность использования индикаторного метода совместно с другими методами регистрации параметров ударного сжатия.
Указанный технический результат достигается тем, что малогабаритный пьезооптический датчик для определения скорости звука в ударно-сжатых веществах содержит полый, открытый с одного торца корпус, заполняемый индикаторной жидкостью, в глухом торце корпуса выполнено отверстие для установки оптического волокна, согласно полезной модели, на глухом торце корпуса выполнен прилив с продольным сквозным отверстием, а оптическое волокно размещено изолированно.
Для заполнения полого корпуса индикаторной жидкостью используется прилив с продольным сквозным отверстием, который выполнен на глухом торце корпуса. В процессе заполнения корпуса индикаторной жидкостью вероятно образование пузырьков воздуха, которые могут оказаться в области регистрации и внести погрешность в результат определения скорости звука в ударно-сжатом образце исследуемого материала.
Выполнение прилива с продольным сквозным отверстием на глухом торце корпуса обеспечивает отвод пузырьков воздуха, которые могут образоваться (остаться) в корпусе при заполнении индикаторной жидкостью, в область, находящуюся заведомо выше области регистрации полезного сигнала, тем самым, исключая возникновение погрешности определения скорости звука в ударно-сжатом образце исследуемого материала. После заполнения корпуса жидкостью прилив плотно закрывается крышкой или пробкой.
Размещение оптического волокна изолированно в отдельном корпусе, устанавливаемом на каждой ступени образца, позволяет регистрировать тепловое излучение индикаторной жидкости только в том корпусе, в котором оно установлено, и в отношении только той ступени, на которой установлен данный корпус. Таким образом, исключается взаимовлияние индикации на смежных ступенях образца, и повышается точность определения скорости звука. Кроме того, установка корпуса на ступени образца осуществляется таким образом, что часть поверхности ступени образца остается свободной и может быть использована для установки дополнительных датчиков, обеспечивающих совместное применение нескольких методик регистрации параметров ударного сжатия образца.
Наличие в заявляемой полезной модели признаков, отличающих ее от прототипа, позволяет считать ее соответствующей условию «новизна».
Полезная модель иллюстрируется чертежом, на фиг. 1 представлен продольный разрез малогабаритного пьезооптического датчика.
Малогабаритный пьезооптический датчик для определения скорости звука в ударно-сжатых веществах (фиг. 1) содержит полый, открытый с одного торца корпус 1, заполняемый индикаторной жидкостью. В глухом торце корпуса 1 выполнено отверстие для установки оптического волокна 4, а также, прилив 2 с продольным сквозным отверстием 3, причем оптическое волокно размещено изолированно в корпусе. Работает датчик следующим образом:
На свободную поверхность каждой ступени исследуемого образца устанавливают корпус 1 датчика открытым торцом и закрепляют его при помощи клея или прижима. В центральном сквозном отверстии 4 корпуса 1 фиксируют оптическое волокно. Внутреннюю полость через отверстие 3 корпуса 1 заполняют индикаторной жидкостью (например: хлороформ, бромоформ и т.п.). Через сквозное отверстие 3 в глухом торце корпуса 1 выводят воздух, после чего прилив 2 плотно закрывают крышкой или пробкой.
Образец нагружают с помощью метаемого ударника, создавая в нем ударную волну, передающуюся через свободную поверхность в индикаторную жидкость, вызывая ее свечение, которое передается по оптическому волокну в оптоэлектронный преобразователь, а с преобразователя в регистрирующую аппаратуру.
По результатам обработки полученных сигналов определяют скорость звука в ударно-сжатом образце исследуемого материала.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленной полезной модели следующей совокупности условий:
средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, относится к измерительной технике, а именно к датчикам измерения скорости звука, основанным на индикаторном методе измерения, и может быть использована для изучения ударно-волновых свойств веществ в широком диапазоне давлений и температур;
для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы полезной модели, подтверждена возможность ее осуществления;
средство, воплощающее заявленную полезную модель при ее осуществлении, способно обеспечить создание малогабаритного пьезооптического датчика позволяющего повысить точность определения скорости звука в ударно-сжатом образце исследуемого материала, а также дать возможность использования индикаторного метода совместно с другими методами регистрации параметров ударного сжатия.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».