- •Электрические измерения неэлектрических величин
- •Часть 3
- •Содержание
- •4. Методы регистрации быстропротекающих процессов в динамических исследованиях.
- •4.1. Дискретные методы измерения волновых и массовых скоростей
- •4.1.1. ЭлектроконтактнЫе датчиКи
- •4.1.2. Пьезоэлектричекие датчики
- •4.1.5. Электрооптическая методика
- •4.1.7. Метод замкнутых контактов
- •4.2. Методы непрерывной регистрации профилей скорости движения вещества
- •4.2.1. Емкостной датчик
- •4.2.2. Магнитоэлектрический метод
- •3.2.3. Электромагнитный метод
- •4.2.4. Индукционный метод
- •Лазерные интерфероменты
- •Лазерные доплеровские измерительные системы
- •2.Теоретическая основа интерферометрических методик измерения скорости.
- •3.Интерферометр Майкельсона и оптически симметричные интерферометр visar.
- •1.1.3. Лазерный интерферометр Фабри-Перо.
- •4.2.6 Пример определение скорости лайнера в нагружающих устройствах электроконтактным и интерферометрическими методами.
- •1. Конструкция нагружающих устройств.
- •2. Постановка опытов.
- •1 Втулка из пенопласта; 2 экд; 3 корпус приемника.
- •3.1 Нагружающее устройство а0311-л260.01.350-06 (w 2,9 км/с).
- •4.3. Методы непрерывной регистрации профилей давления
- •4.3.1. Пьезоэлектрические датчики давления
- •1. Кварцевый датчик
- •4.3.2. Пьезорезисторные датчики давления
- •2. Описание конструкции фольгового датчика
- •3. Технология изготовления
- •4. Измерение и обработка.
- •Назначение и область применения методики.
- •Недостатки датчиков
- •2. Иттербиевый датчик
- •3. Угольный датчик
- •4. Серный датчик
- •4.3.3. Диэлектрический датчик давления
- •4.3.4. Pvdf2 -датчики
- •3.3.5. Поляризационные датчики давления
4. Методы регистрации быстропротекающих процессов в динамических исследованиях.
Измерения физических параметров быстропротекающих нестационарных процессов, к которым относятся и ударно-волновые процессы, имеют свои характерные особенности. Их приходится проводить за очень короткое время, регистрация данных должна производиться дистанционно, поскольку при взрыве и ударе нельзя избежать разрушения, а измерения должны быть как можно более полными, ибо исследуемую систему (сборку, образец) невозможно вернуть в исходное состояние для проверки полученных результатов.
Трудности получения надежной количественной информации, связанные с особенностями измерений параметров взрыва и удара, привели к разработке большого количества специальных методов, позволяющих все же получить необходимую информацию на требуемом уровне [1-3]. На сегодняшний день исследователи с разным успехом используют большое количество физических факторов, изменения которых в процессе взрыва и удара позволяют извлекать необходимую информацию о ходе интересующего исследователя процесса. Данные факторы должны рассматриваться применительно к конкретным методам измерений. Как правило, тот или иной экспериментальный метод получает свое название по физическому принципу, лежащему в основе получения информации. Для электрических измерений: электроконтактный – вследствие замыкания электрической цепи, емкостной – из-за изменения емкости конденсатора, электромагнитный – по причине изменения магнитного потока и, как следствие, появления в контуре ЭДС и т.д. Для оптических методов название дают либо по физическому принципу, например, метод, использующий явление полного внутреннего отражения, метод светящихся зазоров, либо по известным аналогиям; аквариумный метод, метод фольг, метод оптического рычага и т.д. Если отметить главное для указанных методов, то для электрических это будет выделение и запись полезного сигнала, для оптических – визуализация исследуемого процесса.
Экспериментальные методы делятся на два основных типа [2]: 1) дискретные, когда регистрируется сигнал, соответствующий определенному событию в пространстве; 2) непрерывные, в которых непрерывно записывается движение заданной поверхности, либо профили массовой скорости, либо профили напряжения во времени. В свою очередь по способам размещения датчиков в экспериментальном устройстве указанные методы можно разделить на внутренние и внешние. К комбинированным методам относятся методы, сочетающие использование датчиков, работающих на разных физических принципах.
Важнейшим элементом любого метода, любой измерительной системы является датчик (преобразователь, детектор). Датчики и соответствующие им схемы измерений обычно разделяют в зависимости от того, какую функциональную физическую связь можно получить в результате эксперимента. В эксперименте датчики используются при регистрации: временных интервалов t, пути по времени х-t (дискретно и непрерывно), скорости (волновой D, массовой U, звука С) во времени (непрерывно) давления Р (напряжения ) во времени (непрерывно), плотности или объема V=1/ (дискретно и непрерывно).
Существующие датчики используют самые различные физические принципы, позволяющие получать требуемую информацию. Многообразие физических принципов, используемых в датчиках, при исследовании быстропротекающих процессов может быть сведено к трем основным, приводящим к различной разрешающей способности методам: механические, электрические (магнитоэлектрические), оптические (рентгеноскопические, электронно-оптические).
В таблице 4.1 в порядке увеличения сложности получения информации представлены последовательно измеряемые параметры ударных волн (скорость, давление, плотность) и методы измерения.
Таблица 4.1.
Параметр |
Обозначение |
Оптические методы |
Электрические методы |
Рентгенографические методы |
||
дискретные |
непрерывные |
дискретные |
непрерывные |
дискретные |
||
Скорость движения тела, фрагмента |
V |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
Волновая скорость |
D |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
Скорость детонации |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
|
Массовая скорость |
U |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
Фронтальное значение |
Uф |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
Профиль массовой скорости |
U(t) |
+ |
+ |
+ |
+ |
— |
Скорость звука |
C |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
«Голова» волны разгрузки |
Сr |
+ |
+ |
+ |
+ |
+ |
«Веер» |
Cхв |
— |
— |
+ |
+ |
— |
Давление |
P |
— |
— |
+ |
+ |
— |
Фронтальное значение |
Pф |
— |
— |
+ |
+ |
— |
Профиль давления t |
Р(t) |
— |
— |
+ |
+ |
— |
Плотность |
|
+ |
+ |
— |
— |
+ |
Фронтальное значение |
Ф |
+ |
+ |
— |
— |
+ |
Профиль плотности |
(t) |
+ |
+ |
— |
— |
+ |
Температура |
T |
+ |
+ |
— |
+ |
— |
Отметим, что электрические методы измерений получают свое название также и по типу датчика, используемого в измерительной схеме, например, электроконтактный, электромагнитный, емкостной методы, метод манганинового датчика и т.д. В таблице 4.2 представлены наиболее часто используемые электрические методы и их основные характеристики.
Таблица 4.2.
Название метода |
Год разработки |
Перемещение время |
Скорость, напряжениевремя |
Преобразователь генератор |
Преобразователь требует питания |
Разрешающая способность |
Точность, % |
Расположение преобразователя |
Ограничения в применении (недостатки) |
Примечания |
||
дискретное |
непрерывное |
по времени прихода |
по скорости |
|||||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
1. Электроконтактный метод (игольчатый) преобразователь) |
1945 |
+ |
• |
• |
• |
+ |
5...10 |
200 |
|
Любые участки свободной поверхности образца |
Трудность точной установки; проводящий образец; вакуумирование при высоких температурах |
|
2. Емкостный метод (конденсатор перемещения) |
1957 |
+ по времени замыкания обкладок |
+ |
•
|
•
|
+ |
200 |
100 |
3—5 |
То же |
Недопустима асинхронность движения поверхности; необходимо усиление сигнала |
Требуется дифференцировать сигнал; проводящая поверхность |
3. Реостатный метод |
1958 |
• |
• |
+ |
• |
+ |
50 |
50 |
5 |
Внутри образца на всей длине регистрации |
Ограничивается низкими давлениями в среде |
Требуется специальный источник питания |
4. Электромагнитный метод |
1960 |
+ |
• |
+ |
+ |
• |
10 |
50 |
5 |
В любой точке образца (лагранжевый датчик) |
Только непроводящие материалы |
Требуется создание магнитного поля |
5. Емкостный метод (конденсатор скорости) |
1961 |
+ по времени замыкания обкладок |
•
|
+ |
•
|
+ |
5 |
25... 50 |
5 |
Любой участок свободной поверхности образца |
Недопустима асинхронность движения поверхности; затруднена тарировка |
Требуется проводящая поверхность |
6. Метод манганинового преобразователя (пьезорезистивный метод) |
1962 |
•
|
•
|
+ |
•
|
+ |
10 |
50 |
3 |
В любой точке образца (лагранжевый датчик) |
Ограничено время записи; подбор изолятора |
Специальный источник питания |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
7. Пьезоэлектрический метод (кварцевый преобразователь режима тока) |
1962 |
• |
•
|
+ |
+ |
•
|
1 |
2 |
1 |
Преобразователь-ударник; преобразователь-образец |
Применение ограничено пределом упругости |
Требуется плоская нагрузка |
8. Метод наклонного сопротивления |
1964 |
• |
• |
+ |
|
+ |
20 |
100 |
5 |
Любой участок свободной поверхности образца |
Только плоское нагружение образца |
Требуется проводящая поверхность, источник питания |
9. Электроконтактный метод (анодированный игольчатый преобразователь) |
1968 |
+ |
• |
•
|
•
|
+ |
5 |
200 |
• |
То же |
Нечувствителен к упругим волнам |
Может использоваться при любых температурах |
10. Пьезоэлектрический метод (сапфировый преобразователь тока) |
1968 |
• |
• |
+ |
+ |
• |
5 |
5 |
3 |
Преобразователь-ударник; преобразователь-образец |
Время записи определяется размерами преобразователя |
Рекомендуется в методе отражения; высокий предел упругости |
11. Магнитный метод (осесимметричный магнитный преобразователь) |
1970 |
• |
• |
+ |
+ |
• |
5 |
5...10 |
3 |
Вне исследуемого образца перпендикулярно или параллельно фронту процесса |
Сложная обработка данных; используется внутри изоляторов и на непроводящих поверхностях |
Используется только для электропроводящих течений |
12. Пьезоэлектрический метод (LiNbO3 пьезоэлектрический, Z, Y, 36° срез; преобразователь тока) |
1974 |
• |
• |
+ |
+ |
• |
1 |
2 |
2 |
Преобразователь ударник; преобразователь-образец |
Ограничен низким пределом упругости (0,8...1,4) ГПа |
Высокий по сравнению с кварцем пьезомодуль |
13. Электроконтактный метод (пьезоэлектрический игольчатый преобразователь) |
1977
|
+ |
• |
• |
+ |
• |
10 |
200 |
• |
Любые участки свободной поверхности образца |
Ограниченное применение выше 50ГПа |
Высокая помехозащищенность; любой материал образца (проводник, изолятор) |