ДАТЧИК УДАРНЫХ ВОЛН

Полезная модель относится к области измерительной техники и предназначена для регистрации ударных волн, в частности, для контроля детонации малых масс взрывчатого вещества, недоступных для непосредственного контроля, путем установки на их поверхности датчиков.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является пьезоэлектрический датчик ударных волн /Свидетельство РФ на полезную модель №23981, МПК 7 G01L 23/10 "Датчик ударных волн", опубликовано 20.07.2002 г в бюл. №20./, пьезоэлемент которого выполнен в виде стержня, один электрод пьезоэлемента размещен на его торце, а другой - на противоположном торце и примыкающей к нему части боковой поверхности пьезоэлемента, при этом между электродами выполнен зазор. Недостатком этого датчика является то, что его чувствительность слабо зависит от направления прихода регистрируемой волны. Это связано с тем, что данный датчик обладает симметрией относительно оси стержня либо плоскости, проведенной через эту ось, в зависимости от формы сечения стержня. Также данный датчик может устанавливаться только на проводящую поверхность, поскольку она используется для связи торцевого электрода с электрической цепью датчика.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в создании датчика ударных волн, позволяющего получать достоверную информацию о факте срабатывания (возникновения детонации) контролируемого объекта.
Технический результат, полученный при осуществлении полезной модели, заключается в повышении избирательности датчика к направлению прихода ударной волны.
Дополнительный технический результат заключается в повышении удобства крепления пьезокерамического элемента в корпусе датчика, обеспечении возможности установки датчика на любой - проводящей или непроводящей поверхности и уменьшении длительности генерируемого импульса.
Указанный технический результат достигается тем, что в датчике ударных волн, содержащем пьезокерамический элемент в виде стержня с нанесенными на нем с зазором электродами, один из которых размещен на одном из его торцов, новым является то, что пьезокерамический элемент выполнен в виде прямоугольного параллелепипеда, а второй электрод размещен на части примыкающей к указанному торцу поверхности одной из его боковых граней.
Для повышения удобства крепления датчика, обеспечения возможности установки датчика на любой: проводящей или непроводящей поверхности и уменьшения длительности генерируемого импульса токовыводы электродов выполнены в виде электропроводящих полос, нанесенных на боковые грани прямоугольного параллелепипеда и максимально удаленных друг от друга, а поляризация пьезокерамического элемента производится только в зоне, расположенной между его рабочими электродами.
Причинно-следственная связь между указанной совокупностью признаков и достигаемыми техническими результатами поясняется следующим образом. После поляризации пьезокерамического элемента, с указанным расположением электродов, в нем возникает неоднородно распределенная по объему остаточная поляризация. Максимально поляризованная зона при этом примыкает к поверхности межэлектродного промежутка и вытянута по ширине грани, на которой нанесен "боковой" электрод, вдоль межэлектродного промежутка. При удалении от этой зоны величина поляризации в пьезокерамическом элементе заметно уменьшается.
При ударно-волновом воздействии фронт ударной волны делит пьезокерамический элемент на две зоны: сжатую и несжатую. Величина заряда, выделяемого на рабочих электродах пьезокерамического элемента, на данный момент времени будет зависеть от величины сжатого объема поляризованной зоны пьезоэлемента и начальной поляризации сжатого объема. Чем быстрее сжимается поляризованная область пьезокерамического элемента, тем больше амплитуда генерируемого датчиком тока и короче длительность сигнала.
В случае, когда ударная волна приходит со стороны торца с электродом, либо в направлении, промежуточном между нормалью к торцу и нормалью к поверхности межэлектродного промежутка, максимально поляризованная область пьезокерамического элемента сжимается за максимально короткий промежуток времени. В результате амплитуда генерируемого тока максимальна, а длительность сигнала минимальна. При приходе ударной волны в любом другом направлении поляризованная область будет сжиматься за большее время. В результате амплитуда генерируемого тока будет меньше, а длительность сигнала больше. Таким образом амплитудно-временные характеристики генерируемых сигналов будут зависеть от направления прихода ударной волны, т.е. будет достигнута повышенная избирательность датчика к направлению прихода ударной волны.
Выполнение пьезокерамического элемента в виде прямоугольного параллелепипеда, ширина торца (сторона, примыкающая к межэлектродному промежутку) которого существенно больше толщины, усиливает избирательность датчика к направлению прихода ударной волны.
Расположение токовыводов на боковых гранях пьезокерамического элемента позволяет, в отличие от прототипа, осуществить подключение датчика к измерительной линии со стороны, противоположной его рабочему торцу, что делает удобным подключение пьезокерамического элемента к измерительной линии и устраняет необходимость использования контролируемой поверхности для связи торцевого электрода с электрической цепью.
Если пьезокерамический элемент поляризован только в рабочей зоне, расположенной между электродами, то время генерации будет равно только времени прохождения ударной волны по рабочей зоне, при этом прохождение ударной волны по зоне пьезокерамического элемента, где расположены токовыводы, не будет вызывать генерацию сигнала, что имело бы место при полной поляризации пьезоэлемента. Это позволяет уменьшить длительность генерируемого импульса.
На фиг.1 представлена конструктивная схема заявляемого датчика ударных волн в изометрии. На фиг.2, 3, 4 схематично представлен пример использования заявляемого датчика, вид сбоку, спереди и вид сверху соответственно.
Датчик ударных волн содержит пьезокерамический элемент в форме прямоугольного параллелепипеда (1) с нанесенными на его поверхности рабочими электродами (2, 3) и токовыводами (4, 5). Электрод (2) нанесен на нижний торец пьезокерамического элемента, а электрод (3) - на части примыкающей к указанному торцу поверхности одной из боковых граней пьезоэлемента. При этом между электродами имеется зазор (А) (межэлектродный промежуток). Токовыводы (4, 5) выполнены в виде электропроводящих полос, нанесенных на боковые грани пьезокерамического элемента. При этом пьезокерамический элемент поляризован только в зоне, расположенной между рабочими электродами (2 и 3).
Датчик ударных волн работает следующим образом. Для пояснения работы датчика приведены фигуры 2,3,4, на которых показан датчик (6), установленный над контролируемым детонирующим элементом (7), между ними располагаются слой твердого материала (8) и воздушный зазор (9). Рядом с контролируемым элементом (7) имеются другие детонирующие элементы (10). Когда ударная волна приходит на пьезокерамический элемент (направление (а) на фиг.2, 3, 4) со стороны торца с электродом, либо со стороны расположения "бокового" рабочего электрода, либо в промежуточном направлении, то происходит ударное сжатие зоны пьезокерамического элемента имеющей максимальную поляризацию. Соответственно за минимальное время датчик будет генерировать импульс тока с максимальной амплитудой и крутизной переднего фронта импульса. При приходе ударной волны со стороны противоположной боковой грани с электродом (направление (б) на фиг.2, 4), первоначально будет деполяризоваться слабо поляризованная часть рабочей зоны пьезоэлемента и только потом - максимально поляризованная ее часть. В результате передний фронт импульса, генерируемого датчиком, будет иметь существенно меньшую крутизну. При приходе ударной волны со стороны одной из граней, перпендикулярной к грани с "боковым" электродом (направление (в) на фиг.3, 4), заряд будет выделяться в течении времени прохождения ударной волны между этими гранями вдоль межэлектродного промежутка, в результате длительность импульса будет больше, а амплитуда меньше. Увеличение ширины грани, на которой располагается "боковой" электрод, увеличивает длительность и уменьшает амплитуду сигнала, генерируемого при приходе ударной волны сбоку. Если направление прихода ударной волны будет промежуточным по отношению к последним двум случаям, то крутизна переднего фронта и амплитуда также будут заметно меньше, чем в первом случае. Таким образом, если ударная волна будет приходить не по нормали к поверхности торцевого электрода или не со стороны расположения "бокового" электрода, амплитудно-временные характеристики генерируемых сигналов будут заметно отличаться от сигналов, генерируемых при нормальном воздействии ударной волны, т.е. будет достигнута повышенная избирательность датчика к направлению прихода ударной волны.