Патент на изобретение №2168158

(54) СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ДАВЛЕНИЯ И ПЕРЕМЕЩЕНИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электрическим измерениям параметров ударных и детонационных волн. Согласно способу в диэлектрической среде размещают пьезорезистивный датчик. Путем соударения с металлической пластиной возбуждают в среде ударную волну (УВ). Регистрируют напряжение на датчике, по которому определяют давление и момент времени прихода к датчику фронта УВ. До прихода УВ к датчику регистрируют ЭДС электромагнитной индукции, обусловленную изменением магнитного поля датчика из-за движения пластины, по которой определяют моменты времени совпадения обращенной к датчику поверхности пластины с фронтом падающей и (или) отраженной УВ. Это позволяет одновременно регистрировать с временным разрешением не хуже 1 нс профиль давления и перемещение не искаженной датчиками УВ и измерение с точностью не хуже 1% скорости свободной поверхности пластины и скорости не искаженной датчиками УВ в среде. 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее – к области электрических измерений параметров ударных и детонационных волн.

Известен способ измерения параметров ударной волны (УВ) /Иванов А.Г., Огородников В. А. Способ измерения параметров ударной волны. Авт.св. N 0934792, G 01 L 23/00, опубл. в БИ N 22, 1993 г./, основанный на измерении давления и скорости УВ датчиками, заключающийся в том, что в исследуемой среде последовательно по пути распространения УВ располагают емкостный датчик и пьезорезисторный, о величине давления судят по скачку напряжения в общей схеме включения датчиков, а о скорости УВ – по времени между упомянутым скачком и импульсом напряжения емкостного датчика.

Недостатки этого способа связаны с тем, что размещение емкостного датчика (как и любых других датчиков) приводит к усложнению постановки опытов и искажению УВ, что уменьшает точность измерений.

Наиболее близким к изобретению является способ регистрации давления и перемещения УВ с использованием пьезорезистивного и электроконтактного датчиков /Павловский М. Н. Измерение скорости звука в ударно-сжатых кварците, доломите, ангидрите, хлористом натрии, парафине, плексигласе, полиэтилене и фторопласте-4. ПМТФ, 1976, N 5, с. 136 – 139/.

В диэлектрической среде размещают пьезореактивный датчик, путем соударения с металлической пластиной возбуждают в среде УВ, регистрируют напряжение на датчике, по которому определяют давление и момент времени прихода к датчику фронта УВ.

Недостаток этого способа связан с тем, что он не позволяет регистрировать перемещение УВ до ее прихода к датчику. Соответственно, оказываются невозможными измерения скорости не искаженной датчиком УВ в среде и скорости движения свободной поверхности пластины (при наличии зазора между пластиной и средой).

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании точного и достоверного способа одновременной регистрации с наносекундным разрешением профиля давления и перемещения УВ.

Технический результат, достигаемый при осуществлении способа, заключается в возможности дополнительной регистрации с разрешением < 1 нс момента времени возбуждения УВ в среде и соответственно измерении с точностью < 1% скорости не искаженной датчиками УВ в среде на расстояниях (базах) 1 мм.

Кроме того, при наличии зазора 1 мм между металлической пластиной и средой оказывается возможной дополнительная регистрация с разрешением < 1 нс до прихода УВ к пьезорезистивному датчику 2-х моментов времени: 1) выхода УВ на поверхность пластины; 2) соударения поверхности пластины с поверхностью среды.

В обоих случаях происходит скачкообразное изменение скорости движения обращенной к датчику поверхности пластины в момент времени ее совпадения с фронтом падающей (1-й случай) и отраженной (2-й случай) УВ.

Соответственно оказываются возможными дополнительные измерения с точностью < 1% скорости движения поверхности пластины в зазоре и скорости УВ в среде.

Это достигается тем, что в способе регистрации давления и перемещения УВ, заключающемся в том, что в диэлектрической среде размещают пьезорезистивный датчик, путем соударения с металлической пластиной возбуждают в среде УВ, регистрируют напряжение на датчике, по которому определяют давление и момент времени прихода к датчику фронта УВ, дополнительно перед приходом УВ к датчику регистрируют ЭДС электромагнитной индукции (ЭИ), обусловленную изменением магнитного поля датчика из-за движения пластины, по которой определяют моменты времени совпадения обращенной к датчику поверхности пластины с фронтом падающей и (или) отраженной УВ.

Движение металлической пластины в магнитном поле, сцепленном с током датчика, приводит к появлению в ней вихревых токов, изменяющих поле, и соответственно к возникновению ЭИ в измерительном контуре.

ЭИ растет с увеличением тока питания, скорости движения поверхности пластины и с уменьшением начального расстояния между датчиком и пластиной.

Скачкообразное ускорение (торможение) поверхности пластины при ее совпадении с фронтом падающей (отраженной) УВ приводит к скачкообразному изменению ЭИ, по которому и определяют соответствующие моменты времени.

При отсутствии зазора между пластиной и средой регистрируется момент времени совпадения поверхности пластины с фронтом падающей УВ.

В случае большого начального расстояния между поверхностями пластины и среды и (или) в случае плавного разгона пластины, исключающего выход сильной УВ на ее поверхность, регистрируется момент времени совпадения поверхности пластины с фронтом отраженной УВ – момент соударения пластины со средой.

Как правило, ЭИ считают помехой, искажающей показания резистивных датчиков и стараются ее уменьшить /Гилев С.Д. Электромагнитные эффекты в измерительной ячейке для исследования электрических свойств ударно-сжатых веществ. ФГВ, 1994, т. 30, N 2, с. 71 – 76/.

Существенно, что ЭИ становится равной нулю в случае движения датчика и поверхности пластины с одинаковой скоростью, т.е. при неизменяющемся расстоянии между ними. ЭДС ) 0,1 В, заметная до прихода УВ к датчику (например, из-за большого тока питания 100 А, высокой скорости движения поверхности пластины 1 – 10 км/с, малого начального расстояния между датчиком и пластиной 1 мм), становится пренебрежимо малой после прихода и практически не искажает показания датчика о давлении УВ.

Важно также, что основной вклад в ЭИ вносит движение участка поверхности пластины, расположенного непосредственно под датчиком, т.е. наиболее близкого к датчику. Это уменьшает ошибку измерения скорости УВ, обусловленную разновременностью выхода УВ на поверхность пластины.

Таким образом, дополнительная регистрация до прихода УВ к датчику ЭИ позволяет по скачкам ЭИ определять моменты времени резкого изменения скорости поверхности пластины (фольги) под действием УВ и соответственно следить за перемещением УВ, практически не искажая показания датчика о давлении УВ.

На фиг. 1 представлен вариант схемы постановки опытов; на фиг. 2 – осциллограмма напряжения на датчике. Стрелками и пунктиром обозначен фронт плоской УВ.

Заявляемый способ может быть реализован следующим образом. В диэлектрической среде 1 размещают пьезорезистивный датчик 2, путем соударения с металлической пластиной 3 возбуждают в среде УВ, регистрируют напряжение на датчике u(t), по которому определяют давление P = f(u/u₀) и момент времени прихода к датчику фронта УВ t₃. Дополнительно перед приходом УВ к датчику регистрируют ЭИ, обусловленную изменением магнитного поля датчика из-за движения пластины, по которой определяют моменты времени совпадения обращенной к датчику поверхности пластины с фронтом падающей (t₁) и (или) отраженной (t₂) УВ.

В момент времени выхода фронта УВ на поверхность пластины 3 t₁ происходит скачкообразное уменьшение напряжения u(t) на датчике 2. При движении пластины 3 в зазоре 4 напряжение меняется незначительно. В момент времени столкновения поверхности пластины 3 и среды 1 t₂ напряжение скачком увеличивается, не достигая однако начального уровня u₀, т.к. продолжается уменьшение расстояния между пластиной 3 и датчиком 2.

В момент прихода фронта УВ к датчику t₂ происходит скачкообразное увеличение напряжения на датчике, обусловленное увеличением его омического сопротивления под действием УВ. По осциллограмме определяют скорость поверхности пластины в зазоре 4 W = (t₂ – t₁); скорость УВ в среде D = l/(t₃ – t₂) и давление УВ P = f(u/u₀). Целесообразно в данном случае использование 2-х регистраторов напряжения на датчике для отдельной регистрации перемещения УВ на более чувствительном.

Так как ударные адиабаты и уравнения состояния эталонных металлов, используемых для возбуждения УВ, известны с высокой точностью, по скорости поверхности пластины можно определить параметры УВ в пластине, а по ним и скорости УВ в среде – параметры УВ в среде, в частности давление, что позволяет осуществить проверку правильности показаний пьезорезистивного датчика, т.е. повысить достоверность и точность измерений.

Формула изобретения

Способ регистрации давления и перемещения ударной волны, заключающийся в том, что в диэлектрической среде размещают пьезорезистивный датчик, путем соударения с металлической пластиной возбуждают в среде ударную волну, регистрируют напряжение на датчике, по которому определяют давление и момент времени прихода к датчику фронта ударной волны, отличающийся тем, что дополнительно перед приходом ударной волны к датчику регистрируют ЭДС электромагнитной индукции, которая обусловлена изменением магнитного поля датчика из-за движения пластины и по которой определяют моменты времени совпадения обращенной к датчику поверхности пластины с фронтом падающей и (или) отраженной ударной волны.

РИСУНКИ