4.1.1. ЭлектроконтактнЫе датчиКи

Н аиболее распространенная дискретная методика исследования волновых и массовых скоростей ударных волн основана на применении закорачивающихся электроконтактных датчиков. Электроконтактными датчиками фиксируются моменты прохождения ударной волны

Рис.4.1. Коаксиальный электроконтактный датчик:1 - латунный стержень; 2 - электроизоляция; 3 - наконечник; 4 - корпус датчика; 5 - слюдяная шайба.

или поверхности через реперные точки базы измерения D или W. Типичная конструкция коаксиального электроконтактного датчика показан на рис.4.1 [3].

Зазор между центральным проводником и корпусом датчика образует разрыв электрической цепи. После воздействия ударной волны зазор датчика замыкается и электрической схемой, вырабатывается импульс тока, который регистрируется электронным осциллографом. По полученным осциллограммам определяется промежутки времени между моментами срабатывания нескольких датчиков, установленных на пути ударной волны в образце или на пути движения свободной поверхности. Типичные схемы расположения датчиков в экспериментах по измерению D и W вместе с двумя разновидностями схем питания электроконтактных датчиков приведены на рис.4.2а, б. При использовании схемы рис.4.2а формируются электрические сигналы, длительность которых намного превышает измеряемый интервал времени. В схеме рис.4.2б при замыкании контактов формируются сигналы, длительность которых в несколько раз меньше измеряемого интервала времени. В обоих схемах на регистратор подаются сигналы калиброванной частоты, определяющие масштаб временной развертки. Типичная осциллограмма сигналов, даваемых электроконтактными датчиками, приведена на рис.4.3.

а) Схема измерения D	б) Схема измерения W

Рис.4.2. Электрическая схема, в которую включается электроконтактный датчик [3].

Рис.4.3. Характерная осциллограмма выходных импульсов с электроконтактных датчиков.

На рис.4.4 представлены витые и штыревые электроконтактные датчики и показаны примеры их использования в экспериментальных устройствах и схемы их установки на сборки.

Рис.4.4. Примеры конструкций электроконтактных датчиков и схемы их применения для регистрации волновых скоростей и скоростей движения пластин.

Простейшим датчиком для измерения скорости ударных волн при скоростях ударника в 1,0 км/сек и более является датчик, изготовленный из витого провода типа ПЭВ-2 диаметром 0,14 мм с толщиной изоляции 0,01 мм.(рис.3.4а). При малых амплитудах ударных волн контакты датчиков изготавливаются в виде тонких оголенных металлических стержней, отделенных от экранов и образцов зазором в 0,03 мм (рис.4.4б) [8]. При измерении скорости ударников W для устранения преждевременного срабатывания датчиков от воздушной ударной волны проволочные и стержневые контакты датчиков помещаются в специальные трубки и прикрываются колпачками.(рис.4.4в) [8].

Воспроизводимость времени срабатывания электороконтактных датчиков зависит от конструктивных особенностей датчика: однородности поверхностей, точности размещения датчика, чистоты механической обработки деталей и точности расположения датчиков в каждом отдельном эксперименте. В зависимости от конструкции датчиков максимальный разброс момента срабатывания электроконтактных датчиков составляет около 5–10 нсек При базах измерения 5 мм и скоростях. 5-10 км/сек регистрируемые интервалы времени составляют 0,5-1,0 мксек. Современные высокоскоростные осциллографы регистрируют эти интервалы с точностью 1 %.

Особенности электрического заряда и гидродинамики процесса замыкания зазора после прихода ударной волны таковы, что при давлениях ниже 5,0 ГПа эти датчики обычно не применяются.

Классическим примером применения простых электроконтактных датчиков для определения положения свободной поверхности от времени и наблюдения профилей сложных ударных волн. в железе могут служить данные, приведенные на рис.4.5.

Рис.4.5. Данные электроконтактных измерений, иллюстрирующие наличие трех волн в железе: 1 - упругая волна; 2 - первая пластическая волна; 3 - основная волна.

С целью повышения точности и надежности результатов измерений электроконтактная методика усовершенствована в [10]. Разработан миниатюрный электроконтактный датчик (рис.4.6) - цилиндр из конденсаторной бумаги, по образующей которого наклеены медные проволочки (контакты) из обмоточного провода ПЭВ.

Рис.4.6. Многоконтактный датчик:

а) спиральный, б) плоский, в) разрез по АА. 1 - база измерения, 2 - конденсаторная бумага толщиной 0,01 мм, 3 - провод ПЭВ-2 диаметром 0,06 мм, 4 - клей БФ-2.

Каждая проволочка обрезается вместе с бумагой на определенную высоту (в зависимости от базы измерения) так что торцы проволочек расположены по спирали (отсюда название датчика - спиральный). Датчик с десятью контактными имеет диаметр 2,3 мм. Проволочки обрезаются шаблоном, который позволяет изготовлять датчики с колебанием измерительных баз в пределах ±0,015 мм. Общая толщина бумаги и клея в датчике не превышает 0,04 мм, однако трубчатая форма придает датчику достаточную жесткость.

При отработке датчиков большое внимание уделялось выбору расстояний между проволочками датчика, исключающих взаимное влияние контактов друг на друга.

Для спирального датчика с контактами из провода диаметром 0,06 мм взято расстояние между контактами 0,6 мм.

Таким образом, группировка контактов в одном спиральном датчике малого диаметра снижает погрешность измерений, связанную с асимметрией поверхности (каждый датчик регистрирует х, t-диаграмму движения практически одной точки поверхности), упрощает монтаж измерительного узла и увеличивает плотность размещения контактов.

Так как торцы контактов не изолированы (для более надежного замыкания с движущимся телом), работа датчика зависит от ионизации газовой среды, в которой проводятся измерения. Так, для воздуха скорость тела не должна превышать 2,5 км/с. При большей скорости воздух за фронтом УВ, идущей перед движущимся телом, ионизирован настолько, что нарушает нормальную работу контактов (они замыкаются не поверхностью тела, а воздушной УВ).

Для измерений при больших скоростях применена газовая защита спирального датчика, заключающаяся в замене воздуха перед движущимся телом другим газом, с меньшей степенью ионизации за фронтом УВ. Можно использовать гелий (с высоким потенциалом ионизации) или многоатомные газы (углекислый газ, метан, пропан и др.), которые имеют большую теплоемкость и меньше нагреваются в УВ, чем воздух.

Для измерений с помощью спиральных датчиков разработан многоканальный измерительный комплекс (рис.4.7), имеющий следующие параметры: число измерений в опыте (число контактов) 200 (20 датчиков по 10 контактов или 10 датчиков по 20 контактов); напряжение на контактах 50 В, временное разрешение 50 нс.

Рис.4.7. Блок-схема (а) и электрическая схема (б) одного канала измерительного комплекса.

Ошибка измерения временных интервалов зависит от используемого измерителя времени и точности изготовления баз датчика. При использовании датчиков, изготавливаемых по шаблону, и современных осциллографов случайная погрешность измерения временных интервалов составляет не более ±20 нс.