устройство для измерения параметров импульсного давления

Формула изобретения

Устройство для измерения параметров импульсного давления, содержащее чувствительный элемент в виде плоского пьезоэлемента с входным и выходным электродами на двух противоположных поверхностях, перпендикулярных полярной оси пьезоэлемента, и измерительную линию, отличающееся тем, что входной и выходной электроды электрически непосредственно соединены друг с другом, а измерительная линия выполнена в виде оптического канала для измерения параметров движения поверхности пьезоэлемента с выходным электродом, при этом выходной электрод служит отражающей поверхностью для оптического канала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических и оптических измерений параметров импульсных механических нагрузок в виброакустике и физике ударных волн, в том числе при электровзрыве проводников и воздействии на вещество интенсивного излучения или корпускулярных пучков.

Известен пьезоэлектрический датчик импульсного давления /Электрические измерения неэлектрических величин. Под ред. проф. Новицкого П.В. Изд.5-е перераб. и доп. Л.: Энергия, 1975, 576 с., см. с.289/, содержащий корпус, чувствительный элемент из кварца х-среза, мембрану и измерительную линию. Измеряемое давление действует на мембрану, представляющую собой дно корпуса датчика. Кварцевые пластины соединены параллельно. Наружные обкладки кварцевых пластин заземляются, внутренняя обкладка изолируется от корпуса самим кварцем, имеющим очень высокое удельное сопротивление. Сигнал с кварцевых пластин снимается экранированным кабелем. Пьезопреобразователь (чувствительный элемент) работает в так называемом режиме заряда, близком к режиму холостого хода. Его выходная мощность очень мала, поэтому к выходу датчика подключается усилитель заряда с возможно большим входным сопротивлением.

Недостатком известного датчика является его низкая помехозащищенность от электромагнитных наводок в экстремальных условиях, например в условиях взрывного эксперимента, вследствие низкого уровня выходного сигнала, а также низкой помехозащищенности усилителя заряда. Другим недостатком датчика является относительно низкая частота регистрируемых сигналов, обусловленная большой постоянной времени измерительной цепи.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является пьезоэлектрический датчик импульсного давления /Graham R.A., Nelson F.W., Benedick W.B. Piezoelectric current from schockloaded quartz gauge. J.Appl. Phys. 1965. Vol.36, N 5. P.1775-1778/, предназначенный для регистрации профиля давления плоской ударной волны при одномерном нагружении. Чувствительный элемент этого пьезоэлектрического датчика представляет собой тонкий диск с диаметром значительно больше его толщины L из синтетического кварца х-среза, плоские поверхности которого перпендикулярны полярной (кристаллографической) оси х. На эти поверхности наносятся металлические электроды толщиной несколько микрон и площадью А. В качестве материала электродов обычно используют серебро. Чувствительные элементы датчиков могут быть изготовлены также из кристаллов ниобата лития у- и z- срезов. Отметим, что теория и вопросы применения названного датчика наиболее полно рассмотрены в следующих обзорных работах:

1. R.A. Graham. Solids under High-pressure Shock Compression. Springer-Velag, 1992, 221 р., see p.74; 2. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках. Монография. Под общ. ред. д-ра физ.-мат.наук М.В.Жерноклетова. - Саров: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003, 403 с., см. с.102; 3. Канель Г.И., Разоренов С. В., Уткин А.В., Фортов В.Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. - М.: "Янус-К", 1996, 408 с., см. с.60.

В опытах датчик устанавливается на поверхность исследуемого образца. Ударная волна (импульс давления) p(t) из образца переходит через контактную поверхность в датчик и вызывает появление в нем упругой ударной волны (t), движущейся со скоростью U и вызывающей, в свою очередь, диэлектрическую поляризацию пьезоматериала чувствительного элемента величиной Р( ). Индуцированный поляризацией заряд стекает с электродов последнего через сопротивление R нагрузки (с измерительным шунтом R_ш), при этом параметры электрического сигнала V(t) в измерительной цепи датчика несут информацию о характеристиках нагружения. В случае, если пьезопреобразователь работает в так называемом режиме источника тока, близком к режиму короткозамкнутой цепи (к.з., R=0, V(t)=0), форма импульса тока I(t) в измерительном шунте R_ш практически совпадает с профилем упругой волны (формой импульса механического напряжения в направлении полярной оси) (t) на входном электроде чувствительного элемента в течение интервала времени прохождения ударной волны через пьезопреобразователь от входного до выходного электродов 0 t Т (Т=L/U), составляющего обычно десятые доли или единицы микросекунд.

Соотношения для связи между регистрируемым сигналом и давлением в образце записываются следующим образом:

V(t)=R_ш-I(t)=к·R _ш·-A·U· (t)/L при 0 t T, R_ш 0;

p(t)= (t)·Z_O;

p(t)=I(t)·L·Z _O/·к·A·U;

Z_o =(Z_об+Z_кв)/2·Z _кв;

где к - эмпирический пьезоэлектрический коэффициент пьезоматериала, к=2,01 нКл/мм²·ГПа=2,01 пКл/Н для кварца х-среза;

Z_o - константа в конкретном опыте,

Z_об и Z _кв - акустистические импедансы образца и чувствительного элемента датчика соответственно.

Приведенные соотношения получены в предположениях, что деформация датчика строго одномерна, датчик работает в короткозамкнутом режиме, его диэлектрическая проницаемость постоянна и не изменяется при сжатии ( =const), электропроводность отсутствует, зависимость скорости распространения механических возмущений в пьезоматериале от сжимающего напряжения и изменения толщины датчика несущественны, пьезоэлектрическая поляризация прямо пропорциональна механическому напряжению P(t)=к· (t) и электрическое поле в датчике ориентировано строго перпендикулярно электродам. Отметим, что в рассматриваемых условиях эксперимента коэффициент к является аналогом пьезомодуля d при нормальных условиях, d₁₁=2,03 пКл/Н для кварца х-среза.

Временное разрешение известного датчика составляет несколько наносекунд. Верхний предел измеряемых давлений находится ниже предела упругости Гюгонио пьезоматериалов и определяется влиянием электрических релаксационных процессов, при этом он составляет 4 ГПа для кварца и 1,4 ГПа для ниобата лития. Сопротивление цепи нагрузки (шунта) в прототипе выбирается относительно большим и обычно равным волновому сопротивлению измерительной линии (радиочастотного кабеля) с целью увеличения амплитуды полезного сигнала и электрического согласования цепей соответственно.

Недостатком прототипа является его низкая помехозащищенность, связанная с наличием шунта и мест его соединения с электрической измерительной линией. Другим недостатком является относительно высокое сопротивление цепи нагрузки с шунтом, что приводит к искажению формы сигнала вследствие отклонения условий работы пьезопреобразователя от номинального режима источника тока, а также ограничивает область высокочастотных измерений из-за большой постоянной времени цепи.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании помехозащищенного устройства для измерения параметров импульсного давления (например, для регистрации профиля давления плоской ударной или упругой акустической волны при одномерном нагружении конструкционных материалов в течение интервала времени до нескольких микросекунд).

Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в повышении помехозащищенности устройства от электромагнитных наводок, расширении его полосы пропускания и области применения, а также в повышении информативности измерений.

Это достигается тем, что в устройстве для измерения параметров импульсного давления, содержащем чувствительный элемент в виде плоского пьезоэлемента с входным и выходным электродами на двух противоположных поверхностях, перпендикулярных полярной оси пьезоэлемента, и измерительную линию, новым является то, что входной и выходной электроды электрически непосредственно соединены друг с другом, а измерительная линия выполнена в виде оптического канала для измерения параметров движения поверхности пьезоэлемента с выходным электродом, при этом выходной электрод служит отражающей поверхностью для оптического канала.

Техническая сущность заявляемого устройства заключается в том, что в процессе преобразования информативного сигнала чувствительный элемент устройства используется не только в качестве (механоэлектрического) преобразователя механической энергии нагружающего импульса в электрическую за счет прямого пьезоэффекта как в прототипе, но и одновременно в качестве (электромеханического) преобразователя электрической энергии в механическую за счет обратного пьезоэффекта. При этом прямое преобразование происходит в сжатой, а обратное - в несжатой зонах пьезоэлемента, разделенных движущимся волновым фронтом. Поэтому геометрические размеры этих зон (преобразователей) изменяются со временем: ширина сжатой зоны увеличивается и равна U·t, a ширина несжатой зоны соответственно уменьшается и равна L-U·t в любой момент времени 0 t Т. Преобразование информативного сигнала в предлагаемом датчике происходит в интервале времени 0 t Т по следующему новому пути: исследуемый профиль импульса давления p(t) в образце - профиль упругой волны (t) в пьезоэлементе - временная зависимость электрического поля в несжатой зоне E₁(t) - профиль вторичной упругой волны _r(t), возникающей за счет обратного пьезоэффекта в несжатой зоне и движущейся в обратном направлении от выходного электрода к входному - временная зависимость скорости (смещения) выходной поверхности пьезоэлемента w(t) - регистрируемый с помощью лазерных интерферометрических методов оптический сигнал.

Основные соотношения для связи между регистрируемым сигналом w(t) и давлением p(t) в образце записываются здесь следующим образом:

p(t)= (t)·Z_o;

P(t)=к· (t), для прямого пьезоэффекта;

E₁ (t)=K· (t)·t/ - ₀·T;

_е(t)=e·E₁ (t), для обратного пьезоэффекта в несжатой зоне;

w(t)= _e(t)/ ·U;

p(t)=K₀-w(t)/t;

где ₀ - электрическая постоянная;

_e(t) - механическое напряжение, индуцированное полем E₁(t) в несжатой зоне;

е - пьезоконстанта пьезоматериала, е₁₁ для кварца х-среза;

- плотность пьезоматериала;

К₀ = · ₀· ·L-Z_o/е·к - константа в конкретном опыте. Как видно из последнего соотношения искомый профиль импульса давления p(t) можно легко получить из экспериментальной зависимости w(t) расчетным путем. Проведение таких измерений в ударно-волновом эксперименте заявителю не известно.

В отличие от прототипа в предлагаемом устройстве возможна запись информативного сигнала о параметрах исследуемого импульса p(t) также и в интервале времени t Т после прихода на свободную поверхность пьезоэлемента с выходным электродом основной упругой волны (t). Отметим, что амплитуда основной волны значительно (на два порядка величины для кварца) превышает амплитуду вторичной волны, поэтому влиянием последней на описываемые ниже процессы можно пренебречь. С этого момента t=Т в результате распада произвольного разрыва на свободной поверхности образуется волна разгрузки, движущаяся от выходного электрода к входному, а свободная поверхность движется в противоположную сторону со скоростью W, значительно превышающей скорость w. Поэтому в момент времени t=Т происходит резкий скачок скорости свободной поверхности, который точно регистрируется. Измерение скорости W позволяет получить дополнительную информацию об исследуемом импульсе, в частности определить его амплитуду и длительность переднего фронта.

Таким образом, с помощью предлагаемого устройства удается в одном опыте зарегистрировать импульс давления и получить дополнительную информацию о его параметрах независимым способом. Это повышает информативность и достоверность эксперимента.

Использование в предлагаемом изобретении нового пути преобразования информативного сигнала и прецизионные измерения параметров движения (смещения или скорости) свободной поверхности пьезоэлемента с помощью оптических методов позволяют исключить электрическую измерительную линию с шунтом, заменив ее на оптическую. При этом оказывается необходимым для обеспечения работы пьезопреобразователя в номинальном режиме непосредственно электрически соединить друг с другом входной и выходной электроды (в режиме к.з.), что приводит к уменьшению постоянной времени цепи нагрузки чувствительного элемента на два-три порядка величины и уменьшению искажения информативного сигнала при прямом преобразовании, и, соответственно, к расширению полосы пропускания устройства по сравнению с прототипом. Отметим, что в противоположность прототипу в предлагаемом устройстве уменьшение сопротивления цепи нагрузки (и, следовательно, ее постоянной времени) приводит к увеличению амплитуды полезного (оптического) сигнала из-за роста электрических полей, а значит, и механических деформаций в несжатой зоне. С другой стороны, исключение шунта и мест его соединения с измерительной линией и соединение электродов в режиме к.з. приводит к уменьшению паразитной индуктивности устройства и повышению его помехозащищенности к электромагнитным наводкам. Отметим, что одним из вариантов выполнения чувствительного элемента является полностью экранированный пьезоэлемент в виде диска из кварца х-среза с нанесенным проводящим покрытием на всю его поверхность (см. ниже). Такое выполнение максимально усиливает положительный эффект предлагаемого изобретения - электромагнитную помехозащищенность устройства. Это позволяет использовать устройство в таких новых областях как исследование электровзрыва проводников, исследование воздействия на вещество интенсивного излучения и корпускулярных пучков, генерируемых соответственно мощными импульсными лазерами и сильноточными ускорителями релятивистских электронов и ионов, созданных для целей управляемого термоядерного синтеза.

Расширение полосы пропускания в предлагаемом устройстве достигается за счет уменьшения постоянной времени и паразитной индуктивности измерительной цепи, а также возможностью использования высокоскоростных оптических регистраторов. Например, при использовании устройства для регистрации формы однократных оптических импульсов / Воробьев Б.П., Даниленко К.Н., Евреев А.И., Зюзин Л.Н., Шувалов В.М. Устройство для регистрации формы однократных оптических и электрических импульсных сигналов. Патент RU №2100815, G 01R 29/02, БИ №36, 1997 / с помощью волоконно-оптической техники обработки и преобразования сигналов, полоса пропускания может быть расширена до 10 ГГц.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения приводит к повышению помехозащищенности устройства от электромагнитных наводок, расширению его полосы пропускания и области применения, а также к повышению информативности измерений.

На фиг.1 представлен один из вариантов конструкции заявляемого устройства для измерения параметров импульсного давления и схема размещения его в эксперименте. На фиг.2 представлена пьезоэлектрическая схема устройства, поясняющая его работу. На фиг.3 представлена характерная форма временной зависимости скорости движения свободной поверхности пьезоэлемента при воздействии плоской ударной волны с постоянной амплитудой.

Устройство для измерения параметров импульсного давления (фиг.1) содержит корпус 1, чувствительный элемент 2 в виде плоского пьезоэлемента (диска) 3 из кварца х-среза с входным 4 и выходным 5 электродами на двух противоположных поверхностях, перпендикулярных полярной оси х пьезоэлемента и направлению распространения импульса давления, отмеченных на фиг.1 стрелками, и измерительную линию 6. Входной и выходной электроды 4, 5 электрически непосредственно соединены друг с другом, например, путем нанесения на все поверхности чувствительного элемента 2, свободные от плоских электродов 4 и 5, дополнительного сплошного электрода 7 с образованием полностью экранированной конструкции. В случае, если пьезоматериал в отличие от кварца обладает не только продольным, но также и поперечным пьезоэффектом, когда при деформации вдоль рассматриваемой полярной оси поляризационные заряды возникают также и на боковой поверхности пьезоэлемента, последняя изолируется слоем диэлектрика 8. Слой диэлектрика 8 может наноситься также с целью уменьшения влияния боковой разгрузки. Измерительная линия 6 выполнена в виде оптического канала, содержащего отражающую поверхность выходного электрода 5 и волоконный световод 9, торец которого направлен к центру пьезоэлемента. Волоконный световод обеспечивает передачу оптических сигналов к оптическому регистратору (интерферометру).

Устройство для измерения параметров импульсного давления функционирует следующим образом. Устройство устанавливается на поверхность исследуемого образца 10 (фиг.1). Плоская ударная волна 11 (импульс давления) p(t) из образца 10 переходит через контактную поверхность и вызывает появление в пьезоэлементе 3 упругой ударной волны (t) 12 (фиг.2), движущейся со скоростью U и вызывающей, в свою очередь, диэлектрическую поляризацию Р( ) пьезоматериала в сжатой зоне 13 пьзоэлемента 3. На фиг.2 показана схема для случая, когда направление движения волны (t) совпадает с направлением вектора Р( ) и, следовательно, полярной оси х кварца. Индуцированный поляризацией заряд стекает с электродов 4 и 5 через дополнительный электрод (нагрузку) 7, сопротивление R которого близко к нулю. Поэтому пьезопреобразователь работает в режиме источника тока и становятся справедливыми приведенные выше соотношения и теория пьезоэлектрического (кварцевого) датчика (см. ссылку /1/). В соответствии с последней, несмотря на то, что напряжение между электродами 4 и 5 равно нулю, внутри пьезоэлемента возникают сильные электрические поля как в сжатой 13 (поле E ₂), так и несжатой 14 (поле Е₁) зонах, разделенных фронтом ударной волны (t), направление которых показаны соответствующими стрелками на фиг.2. В несжатой зоне 14 поле Е₁ монотонно (линейно при =const) увеличивается со временем от нулевого значения до максимального Е_max=к· (t)/ · ₀ в интервале 0 t Т. В сжатой зоне 13 поле Е₂ наоборот уменьшается аналогичным образом. При появлении электрического поля в несжатой зоне 14 мгновенно возникают механические напряжения _е(t), обусловленные обратным пьезоэффектом, релаксация которых происходит путем образования на свободной поверхности пьезоэлемента вторичной упругой волны 15 _r(t), движущейся со скоростью U в направлении от выходного электрода 5 к входному 4, противоположном направлению распространения основной волны (t). На фиг.2 направления распространения этих волн показаны соответствующими стрелками. Отметим, что поскольку поле Е ₂ стремиться противодействовать сжатию волны (t), а поле Е₁ направлено в противоположном е2 направлении, то напряжение _е(t) является сжимающим в рассматриваемом случае, а волна _r(t) есть волна разгрузки. Волна _r(t) образуется в результате распада произвольного разрыва на свободной поверхности пьезоэлемента с выходным электродом непрерывно в интервале времени 0<t<Т, поскольку механическое напряжение в непосредственной близости к этой поверхности, равное _e(t), монотонно растет вместе с полем Е₁. При этом названная поверхность движется со скоростью w(t)= _e(t)/ ·U, определяемой из закона сохранения количества движения (см., например, ссылку /2/), в направлении, противоположном направлению распространения волны _r(t), см. фиг.2. Прецизионное измерение скорости свободной поверхности w(t) непосредственно или ее смещения с последующим дифференцированием и определением w(t) расчетным путем производится с помощью оптического канала, содержащего отражающую поверхность выходного электрода 5 и волоконный световод 9, торец которого направлен к центру пьезоэлемента 3. Волоконный световод обеспечивает передачу оптических сигналов к оптическому регистратору, например лазерному интерферометру для измерений ультразвуковых колебаний /см., например, 4. А.И.Кондратьев, Ю.М.Криницын, С.А.Гусаков. Лазерные интерферометры для измерений ультразвуковых колебаний. Автометрия. 2000, №4, с.116-123; 5. П.В.Базылев. Двухканальный лазерный приемник ультразвуковых колебаний. ПТЭ, 2003, №1, с.110-111./. Исследуемый импульс давления в образце p(t)=К ₀-w(t)/t определяется по экспериментальной зависимости w(t), см. фиг.3, расчетным путем.

С момента t=T прихода на свободную поверхность с выходным электродом основной упругой волны (t) в результате распада произвольного разрыва на свободной поверхности образуется волна разгрузки, движущаяся от выходного электрода 5 к входному 4, а свободная поверхность движется в противоположную сторону со скоростью W, значительно превышающей скорость w. Поэтому в момент времени t=Т происходит резкий скачок скорости свободной поверхности, который точно регистрируется, см. фиг.3. Измерение скорости W с помощью оптического канала позволяет получить дополнительную информацию об исследуемом импульсе, в частности определить его амплитуду р₀ = ·U·W_max·Z _o/2 и длительность переднего фронта.

Приведем расчетный пример. При нагружении кварца х-среза плоской ударной волной амплитудой =1 ГПа поляризация в сжатой зоне составит Р=к· =2,01 мКл/м², максимальная напряженность электрического поля - Е_max=P/ · ₀=50,4 кВ/мм, амплитуда _r вторичной волны - _r= _e(T)=е₁₁-Е ₁(Т)=9,1 МПа, максимальная скорость w_max свободной поверхности - w_max= _е(Т)/ ·U=0,6 м/с. При этом деформация пьезоэлемента толщиной L=1 мм в момент времени t=Т составит приблизительно величину 50 нм, значительно превышающую чувствительность современных интерферометров, оцениваемую значением не менее 10^-4 нм. Скорость W_max свободной поверхности составит W_max= / ·U=66 м/с. Для расчета приняты значения: к=2,01 пКл/Н, ₀=8,854·10^-12 Ф/м, =4,5, е₁₁=0,18 Кл/м ², =2,65·10³ кг/м ³, U=5,72 км/с.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения приводит к повышению помехозащищенности устройства от электромагнитных наводок, расширению его полосы пропускания и области применения, а также к повышению информативности измерений.