Способ непрерывной регистрации положения, профиля и скорости неподвижной поверхности пластины, подвергающейся деформации в результате ударно-волнового воздействия
METHOD FOR CONTINUOUS RECORDING OF THE POSITION, PROFILE AND VELOCITY OF A STATIONARY SURFACE OF A PLATE SUBJECTED TO SHOCK-WAVE DEFORMATION

Изобретение относится к технике регистрации и исследования пространственно-временных параметров однократных быстропротекающих процессов. К ним относится скоростное горение веществ, взрыв, высокоскоростное взаимодействие материалов, распространение ударных волн и т.п.). Она может быть использована в исследованиях фундаментальной науки, во взрывных и разрядно-импульсных технологиях.
Известен способ непрерывной регистрации скорости детонации взрывчатых веществ (см. статью J.Ribovich, W.Watson, F.Gibson “Измерительная аппаратура для изучения чувствительности взрывчатых веществ по отношению к передаче детонации”, опубликованную в журнале “Ракетная техника и космонавтика”, Труды американского института аэронавтики и космонавтики, том 6, №7, июль 1968 г., стр.51-55), в котором используется резистивный датчик вместе со схемой питания датчика постоянным током. Конструктивно резистивный датчик выполнен в виде спирали из длинной, изолированной проволочки с высоким удельным сопротивлением, которая навита на медный изолированный сердечник и защищена снаружи алюминиевой трубкой. С одной стороны датчика алюминиевая трубка, медный сердечник и проволочка соединены между собой, а с другой стороны к проволочке и соединенным вместе сердечнику и трубке подключен источник постоянного тока. Резистивный датчик помещен в жидкое взрывчатое вещество. Под воздействием фронта ударной волны жидкого взрывчатого вещества, алюминиевая трубка в датчике непрерывно замыкается на проволочку, подобно ползунку проволочного реостата. Регистрируемый сигнал с измерительного тракта пропорционален длине незамкнутой части датчика, и он линейно связан с перемещением детонации в той точке исследуемого взрывчатого вещества, где установлен датчик. Скорость детонации на любой момент времени определяется как угол наклона касательной к этому сигналу относительно оси времени.
Недостатком известного способа является то, что он применим только в мягких средах, имеет недостаточную точность измерения, поскольку используемый в нем резистивный датчик инерционен из-за значительных индуктивности и габаритов.
Известен приемник давления, принцип работы которого основывается на преобразовании силы давления измеряемой среды на приемную мембрану в пропорциональное изменение электрических параметров тензорезисторов. Приемник давления содержит установленные на корпусе приемную и измерительную мембраны, жестко соединенные штоком. Сущность технического решения заключается в том, что на торце корпуса, на котором установлена приемная мембрана выполнен профильный упор, форма которого повторяет форму мембраны, изогнутой под действием давления, не превышающего предел пластической деформации мембраны. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении высокой перегрузочной способности к воздействию давления, значительно превышающего номинальное с сохранением работоспособности приемника давления (Пат. RU № 69 242, МПК G01L 7/02, 10.12.2007).
Недостатком полезной модели приемника давления является ограниченность диапазона измеряемых давлений вследствие использования профильного упора, форма которого повторяет форму мембраны, изогнутой под действием давления, не превышающего предел пластической деформации мембраны. Кроме того, при использовании данного приемника давления необходимо иметь представление о геометрии фронта ударно-волнового воздействия.
Наиболее близким по сущности к заявляемому способу является способ непрерывной регистрации положения, профиля и скорости движущейся поверхности (Пат. RU № 2 250 434 МПК G01B 7/00, G01P 3/66, 20.04.2005). Его сущность заключается в том, что при высокоскоростном воздействии на резистивный датчик, включенный в измерительный тракт, регистрируют электрический сигнал, который изменяется пропорционально длине и сопротивлению резистивного датчика, используя калиброванную чувствительность регистратора, определяют положение и скорость высокоскоростного воздействия в любой момент времени регистрации, и применяют исследуемую поверхность с возможностью ее перемещения от воздействия продуктов взрыва, используют, по крайней мере, два резистивных датчика коаксиальной конструкции, которые устанавливают изолированными концами вплотную и перпендикулярно исследуемой поверхности, а другие концы резистивных датчиков закрепляют неподвижно и подключают их к своим измерительным трактам без образования тока в резистивных датчиках, предварительно измерительные тракты калибруют с целью получения зависимостей их выходных напряжений от эталонных резисторов, осуществляют высокоскоростное воздействие движущейся поверхности на каждый резистивный датчик, используя информационные сигналы с измерительных трактов и калибровочные зависимости, строят графики перемещения отдельных движущихся частей исследуемой поверхности во времени, первые производные от которых характеризуют скорости этих частей, по графикам перемещения определяют в любой фиксированный момент времени регистрации, как положения отдельных частей движущейся поверхности, так и ее профиль в целом.
Недостатком известного способа является то, что в данном способе предлагаемая методика измерения параметров является громоздкой и трудоемкой в применении, он не в полной мере способен регистрировать пространственно-временные параметры ударно-волнового воздействия с достоверной точностью. К ним можно отнести профиль волнового фронта ударных волн различной геометрии и импульс давления, как функцию времени.
Задачей данного способа является получение более полной и достоверной информации о пространственно-временных параметрах ударно-волновых процессов, протекающих в газообразных и конденсированных средах.
Техническим результатом является расширение диапазона разнообразности геометрии и форм при регистрации волнового фронта давлений взрывов и электрических разрядов.
Поставленный технический результат достигается тем, что в способе непрерывной регистрации положения, профиля и скорости неподвижной поверхности пластины, подвергающейся деформации в результате ударно-волнового воздействия, заключающийся в том, что при высокоскоростном воздействии на датчик, включенный в измерительный тракт, регистрируют электрический сигнал, определяют положение и скорость высокоскоростного воздействия в любой момент времени регистрации, а также применяют исследуемую поверхность с возможностью ее перемещения от воздействия продуктов взрыва, при этом используют систему волноводных пьезоэлектрических датчиков с реактивными волноводами, выполненными на основе неньютоновской жидкости, установленных на исследуемой поверхности пластины вдоль линии перпендикулярно к источнику ударно-волнового воздействия, исследуемая поверхность выполнена в виде плоской пластины в форме, соответствующей геометрии ударно-волнового воздействия и, размеры которой заведомо больше его размеров, с жестко защемленными краями, а положение и скорость высокоскоростного воздействия в любой момент времени регистрации определяют путем анализа пластического деформирования пластины от ударно-волнового воздействия и сравнительного анализа градуировочных графиков с полученными осциллограммами волноводных пьезоэлектрических датчиков.
Сущность изобретения заключается в использовании явлений пластической деформации и пьезоэлектрического эффекта. Реализация способа базируется на свойствах пластического деформирования металлической пластины и возникновения поляризации пьезоэлектрического датчика под воздействием внешней импульсной механической нагрузки.
Структурная схема реализации данного способа поясняется на фиг. 1.
На фиг. 2 показана осциллограмма сгенерированного пьезоэлементом электрического сигнала вследствие ударно-волнового воздействия.
На фиг. 3 представлены схема градуировочной установки.
На фиг. 4, 5 показаны в качестве примера характерные графики, посредством которых осуществляется определение пространственно-временных параметрах ударно-волновых процессов.
Способ непрерывной регистрации положения, профиля и скорости движущейся поверхности осуществляется с помощью деформируемой пластины (пластинчатый датчик) 1, волноводных пьезоэлектрических датчиков 2, состоящих из активных волноводов 3 и реактивных волноводов 4, защемляющего устройства 5, фиксирующего деформируемую пластину 1. Белыми стрелками схематично показано ударно-волновое воздействие.
Деформируемая пластина (пластинчатый датчик) 1 выполняется в форме, соответствующей геометрии ударно-волнового воздействия, в частности, геометрии волнового фронта ударной волны (УВ) и заведомо больше его размеров. Пластина может быть выполнена в форме прямоугольника, круга, квадрата и т.п. Материал пластины выбирается в зависимости от степени ударно-волнового воздействия, от его амплитуды и длительности. Основное требование заключается в отсутствии трещинообразования и разрывов металла при пластической деформации. Края деформируемой пластины 1 прочно защемлены с обеспечением жесткой неподвижности пластины посредством защемляющего устройства 5, которое обладает необходимой жесткостью и надежно закреплено относительно источника ударной волны. В качестве волноводных пьезоэлектрических датчиков 2 могут использоваться датчики известные из литературных источников (Теоретические основы измерения импульсных давлений в жидких средах / Бескаравайный Н.М., Позднеев В.А. - Киев: Науковадумка, 1981. - 190 с.; Пат. RU № 2241212, МПК G01L9/08, G01L23/10, 27.11.2004). Волноводные пьезоэлектрические датчики 2 устанавливаются в определенном порядке, в зависимости от постановки задачи и фиксируются на деформируемой пластине 1 посредством клеевого или иного соединения. Для получения, в частности, пространственной картины давления ударно-волнового воздействия, генерируемого линейным источником (взрывающееся вещество в виде шнура, электрический взрывающийся проводник в виде прямолинейной проволочки и т.п.) волноводные пьезоэлектрические датчики располагаются вдоль линии перпендикулярно линейному источнику. Если источником является, допустим, “плазменный поршень” круглого сечения датчики располагаются вдоль диаметра, и т.д.
Способ осуществляется следующим образом. Предварительно на деформируемую пластину 1 (вдоль срединной линии или диаметра) размещаются волноводные датчики 2 и закрепляются посредством, в частности, клеевого соединения или термопластика. Деформируемая пластина 1 располагается в устройстве (на рисунке не показано), конструкция которого обеспечивает жесткое защемление краев пластины 5 и устанавливается непосредственно по направлению ударно-волнового воздействия. Расстояние между источником механической импульсной нагрузки и деформируемой пластиной определяется возможностью и степенью осуществления пластического деформирования пластины. Формирование импульсной механической нагрузки может осуществляться, например, посредством генерации ударной волны (УВ) вследствие электрического взрыва проводника (ЭВП). Вследствие ударно-волнового воздействия осуществляется пластическое деформирование пластинчатого датчика 1 и возникновение поляризационных зарядов на волноводных пьезоэлектрических датчиках 2.
m
Величина и геометрия пластической деформации пластины 1 говорят об амплитудном значении импульсного давления и о форме волнового фронта ударной волны, действующей на пластину 1. Регистрируемые электрические сигналы, генерируемые волноводными пьезоэлектрическими датчиками 2, позволяют определять пространственно-временные характеристики ударно-волнового воздействия. Более того, дополнительным источником информации об ударно-волновых процессах служит возникновение пластического деформирования пластины 1 в локальном месте расположения волноводных пьезоэлектрических датчиков 2. Датчики 2, хотя и имеют сравнительно незначительную массу, порядка ≈ 3,3 г.
Следует отметить, что предлагаемый способ, как и другие устройства и способы, относящиеся к измерениям физико-технических параметров, требует проведения градуировочных процедур. В данном случае градуировка может базироваться на методе падающего груза (Теоретические основы измерения импульсных давлений в жидких средах / Бескаравайный Н.М., Позднеев В.А. - Киев: Науковадумка, 1981. - 190 с.).
Пример
Al2
d
l
d
1
2
Деформируемая пластина 1 выполнена из алюминия марки , в форме круга диаметром . Края пластины 1 жестко защемлены. Геометрические размеры источника ударной волны меньше размеров деформируемой пластины 1, которая устанавливается в необходимой близости от источника УВ. При воздействии УВ генерируемые волноводными пьезоэлектрическими датчиками 2 электрические сигналы регистрируются многоканальным микроконтроллером или запоминающими осциллографами. Используются волноводные пьезоэлектрические датчики 2 с диаметром ≈4мм, длиной ≈8мм, диаметром реактивного волновода 4 ≈6мм. Пьезоэлектрическим элементом выступает пьезокерамика марки ЦТС-19, выполненная в виде таблетки.
В результате проведенного эксперимента под воздействием воздушной ударной волны электрического взрыва линейного проводника с запасенной энергией , максимальная деформация пластины – стрела прогиба, составила . Характерная осциллограмма волноводного пьезоэлектрического датчика показана на фиг. 2. Пространственно-временные характеристики ударно-волнового воздействия определяются путем анализа пластического деформирования пластины и полученных осциллограмм волноводных пьезоэлектрических датчиков, с использованием предварительно полученных градуировочных графиков.
Пример получения пространственно-временных параметров ударной волны.
М
Градуировка методом падающего груза. Стальной шар массой  располагался на варьируемой высоте , при падении последнего на деформируемую пластину 1 осуществлялась ее пластическая деформация, характеризуемая стрелой прогиба . Проводя серию экспериментов, строятся градуировочные графики зависимости стрелы прогиба от высоты падения груза  (фиг. 4). Пунктирная линия – экстраполяция. При взаимодействии падающего груза с деформируемой пластиной 1 и, соответственно, с волноводным пьезоэлектрическим датчиком 2, генерируется электрический сигнал (фиг. 5).  Начало электрического сигнала есть начало пластического деформирования пластины. Время взаимодействия, т.е. время деформации, в данном случае составило .
Использования этой осциллограммы позволяет произвести градуировку волноводного пьезоэлектрического датчика 2, как источника информации о возникающем давлении при взаимодействии, и получить соотношение для переводного коэффициента, переводящего генерируемое напряжение в параметр импульса давления . Тогда получив осциллограмму реального ударно-волнового воздействия (фиг. 2), можно рассчитать значение давления в интересующий момент времени и в конкретной точке, которое сопоставляется с понятием механического напряжения при деформации пластины. Время существования ударно-волнового воздействия составило .
Момент формирование ударной волны, т.е. момент взрыва, определяем, используя осциллограммы тока и напряжения для электрического взрыва проводников. При использовании ВВ разработаны методики, определяющие параметры энерговыделения. Момент достижения ударной волны деформируемой пластины определяем по началу осциллограммы давления, генерируемой волноводными пьезоэлектрическими датчиками. В первом приближении считаем, что скорость пластической деформации остается постоянной. Пик импульса давления говорит о завершении пластического деформирования. Используя закон сохранения импульса при градуировке можно получить соотношение , применение которого позволит определять необходимые параметры ударно-волнового воздействия.
Проводя сравнительный анализ градуировочных графиков и полученных результатов, можем получить пространственно-временную картину ударно-волнового воздействия, т.е. получить значения параметров в определенной точке пространства в конкретное время.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет расширить возможность регистрации ударных волн произвольной геометрии и формы волнового фронта давлений взрывов и электрических разрядов.