2. Иттербиевый датчик

В работах Гинсберга и Грэйди [] исследован пьезорезисторный эффект в иттербии. Сопротивление иттербия при ударном сжатии изменяется (растет) пропорционально давлению (рис. ), что открывает возможность использования иттербия в качестве датчика давления ударных волн []. По сравнению с гидростатическим сжатием кривая зависимости Р(R/R₀) лежит несколько выше, что объяснено влиянием напряженно-деформированного состояния. Авторами предложена тарировочная зависимость Р(R/R₀) в виде

R_i /R₀=_i/₀+l_i/l₀-A_i/A₀,

где А - площадь поперечного сечения, индекс "i" соответствует x, y, z направлениям, в которых измеряется сопротивление.

Рис. Пьезорезисторный эффект в иттербии: 1 - гидростатика, 2 - ударное сжатие.

При l_x/l₀=_х, А/А₀=_g+_z, R_i /R₀=_ij_j+G_ij_j, G_ij= .

Для одноосного растяжения _х=_у=0, _z0,

, ₁₁= -0,020 кбар^-1.

При гидродинамическом сжатии _х=_у=_z=-Р,

=-(₁₁+2₁₂- В)Р, ₁₂= -0,019 кбар^-1,

где В - модуль объемного сжатия.

Для одноосной деформации, имеющей место в плоской ударной волне =1/(1-) [₁₁+₁₂+{(1+2)-1}/E] _x=-0,039_х.

В иттербии отмечен значительный гистерезис, достигающий 12 % от максимальной величины изменения сопротивления при Р=10 кбар.

По предложению авторов, изменение сопротивления, обусловленное сжатием иттербия в ударной волне состоит из 2-х частей: 1 - обратимое в упругой волне, 2 - необратимое в пластической волне. Характеристики иттербия: Модуль Юнга Е - 187 кбар, коэффициент Пуассона =0,29, предел текучести Гюгонио около 1 кбар.

Преимущество иттербия по сравнению, например, с манганином состоит в более высокой чувствительности к давлению, в связи с чем он находит применение при измерении давления ударных волн малой интенсивности.

В работе [] описан датчик из иттербиевой фольги толщиной 0,025 мм, использовавшийся для регистрации откола в глицероле.

Чувствительности датчика 0,07-0,08 Ом/Ом кбар в диапазоне давлений 4-7 кбар. Сопротивление около 1 Ом (в других случаях - 9,1 Ом). Схема включения - четырехточечная. Такая схема более удобна для низкоомных датчиков (1-2 Ом), т.к. позволяет отстроиться от электрических шумов. Для датчиков сопротивлением 5-50 Ом применяется мостовая схема. Численное моделирование поведения иттербия с использованием двумерного расчета позволяет получить удовлетворительное соответствие с экспериментом [].

3. Угольный датчик

В работе Уотсона [] описан простой угольный датчик для измерения давления ударной волны, представляющий собой угольный резистор с мощностью рассеяния 0,1 Вт, длиной 5 мм, диаметром 1,7 мм, запрессованный в отверстие диаметром 1,6 мм, просверленное в полиэтиленовом стержне перпендикулярно оси (рис. ).

Сопротивление такого датчика уменьшается с ростом давления.

Рис. Схема измерений угольным датчиком.

На рис. приведена зависимость сопротивления угольного датчика от давления. Градуировка производилась в диапазоне 10-70 кбар. Исследовалась только амплитудная зависимость, профиль волны не изучался.

В работе [] указано, что углерод обладает линейным пьезорезисторным эффектом. Среднее значение пьезомодуля углерода при давлении до 15 кбар К=-0,03 Ом/Ом кбар /К= /

Рис. Зависимость сопротивления угольного датчика от давления ударной волны.