Способ калибровки датчика импульсного давления

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ДАТЧИКА ИМПУЛЬСНОГО ДАВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Петренко Александр Михайлович Чумаков Александр Никитич Чекан Павел Владимирович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ калибровки датчика импульсного давления, в котором создают в пространстве сферическую ударную волну посредством воздействия на поверхность мишени сфокусированным лазерным импульсом, а затем находят коэффициент калибровки указанного датчика путем сравнения его показания, снятого при воздействии на него указанной сферической ударной волны, с соответствующей амплитудой давления этой волны, определяемой в соответствии с выражением где ,и- амплитуда давления ударной волны, энергия лазерного импульса и радиус ударной волны, выраженные в барах, джоулях и сантиметрах соответственно. 17161 1 2013.06.30 Изобретение относится к области техники измерения импульсных давлений и может быть использовано при экспериментальных исследованиях в газодинамике, лазерной физике, в различных областях техники для обеспечения измерений импульсного давления. Известен способ калибровки датчиков импульсного давления путем использования баллистического маятника 1. Маятник выполнен в виде подвешенного на нити твердого шарика известной массы, который наносит удар по чувствительному элементу датчика. По высоте предварительного подъема шарика определяется амплитуда импульсного давления при ударе. Сравнивая эту амплитуду с показаниями датчика, получают искомый коэффициент калибровки. Недостаток этого способа обусловлен большой длительностью времени соударения шарика с датчиком. И если эта длительность превышает время возврата отраженного сигнала внутри датчика, то такой способ калибровки неприменим. Область контакта при ударе мала по сравнению с поперечным размером чувствительного элемента датчика. Вследствие этого в чувствительном элементе инициируется не плоская,а сферическая волна возмущения, что вносит ошибку в определение коэффициента калибровки. Другой недостаток данного способа - низкая производительность. Он позволяет калибровать датчики по одному. Кроме того, для использования этого способа требуются аналитические весы, чтобы точно определить вес шарика. Известен способ калибровки датчиков импульсного давления путем воздействия на чувствительный элемент датчика ударной волны (УВ), инициированной взрывом небольшого заряда химического взрывчатого вещества (ВВ) или электрическим взрывом проволочки 2. Недостатками данного способа являются сложность и высокая стоимость используемого оборудования в виде взрывной камеры, внутри которой помещен заряд ВВ и на стенке которой укреплены калибруемый и образцовый датчики. Другой недостаток - низкая производительность. Датчики можно калибровать по одному. Кроме того, для калибровки требуется дополнительный датчик. Недостатком является также сложность проведения взрывных работ. Кроме того, при использовании данного способа в лаборатории или на производственном участке нужно хранить запас ВВ, что создает повышенную пожаро- и взрывоопасность. Был также предложен способ калибровки путем воздействия на чувствительный элемент датчика УВ, создаваемой в ударной трубе, состоящей из двух камер высокого и низкого давления, разделенных мембраной 3. Недостатком этого способа является использование сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме того, для того чтобы прокалибровать один датчик, требуется использование двух дополнительных датчиков для измерения скорости УВ. Недостатком данного способа также является низкая производительность. За один цикл работы установки можно прокалибровать только один датчик. Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ, используемый в 4, где калибровку осуществляют путем воздействия на чувствительный элемент датчика плоской УВ, инициированной приповерхностным лазерным пробоем воздуха. Для реализации этого способа применяют специальное устройство, представляющее собой ударную трубку с телескопической насадкой, в которой закрепляется калибруемый датчик. Пробой инициируют у поверхности поглощающей излучение таблетки, установленной на глухом торце трубки, оптически связанной окном в боковой стенке с импульснопериодическим лазером. Недостаток этого способа состоит в том, что для его реализации требуется специальное устройство. Другой недостаток в том, что для калибровки требуется измерять скорость УВ, а по ней рассчитывать амплитуду давления в предположении, что волна плоская. Но вследствие торможения газодинамического потока на стенке трубки при малом ее диаметре форма УВ будет искажаться и отклоняться от плоской, что ведет к ошибкам калибровки. Далее, измерение скорости УВ осуществляется времяпролетным методом, перемещением датчика на телескопической насадке при повторении лазерных импульсов. Это предъявляет повышенные требования к стабильности временных и энергетических параметров лазера. Недостатком является низкая производительность чтобы прокалибровать один датчик, требуется несколько циклов работы установки. 2 17161 1 2013.06.30 Задачей изобретения является обеспечение возможности калибровки датчиков импульсного давления различных типов, упрощение и удешевление процесса калибровки, а также повышение его производительности. Поставленная задача решается следующим образом. В способе калибровки датчика импульсного давления, в котором создают в пространстве сферическую ударную волну посредством воздействия на поверхность мишени фокусированным лазерным импульсом,а затем находят коэффициент калибровки указанного датчика путем сравнения его показания, снятого при воздействии на него указанной сферической волны, с соответствующей амплитудой давления этой волны, определяемой в соответствии с выражением где ,и- амплитуда давления ударной волны, энергия лазерного импульса и радиус ударной волны, выраженные в барах, в джоулях и сантиметрах соответственно. Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами, где на фиг. 1 показана схема расположения калибруемого датчика, лазера - источника импульсного излучения, фокусирующей линзы и малоразмерной металлической мишени, у поверхности которой осуществляется оптический пробой на фиг. 2 показаны результаты калибровки датчика импульсного давления, полученные предлагаемым способом. Калибровка датчика импульсного давления, согласно предлагаемому способу, осуществляется следующим образом. Калибруемый датчик 1, электрически соединенный с регистратором его сигналов (на фиг. 1 не показан), фиксируется на заданном расстоянииот места оптического пробоя воздуха. Расстояниедолжно не менее чем на порядок превышать радиус входного окна датчика. В этом случае расстояние от центра пробоя до края окна менее чем на 0,5 превышает расстояние до его середины. Потому часть фронта УВ, попавшая внутрь датчика, мало отличается от плоскости. Вследствие этого кривизна фронта сферической УВ не приводит к искажению его показаний. Пробой может быть осуществлен как в открытом воздухе, так и у поверхности твердотельной мишени. Однако пробой в открытом воздухе требует высоких значений плотности мощности фокусируемого излучения (1011 Вт/см 2), тогда как пробой у твердой поверхности требует меньших значений плотности мощности (108 Вт/см 2) и потому позволяет в широких пределах варьировать энергию инициирующих лазерных импульсов. Поэтому для наших целей приповерхностный пробой более предпочтителен. Импульс излучения лазера 2 фокусируется линзой 3 на поверхности металлической мишени малого размера 4 и инициирует приповерхностное плазмообразование, генерирующее УВ в воздухе. При этом выполняются условия практически полного поглощения лазерного излучения генерируемой плазмой длительность лазерного импульса не превышает времени формирования УВ ( 10-7 с), а плотность мощности в области фокуса 5108 Вт/см 2. В этом случае оптический пробой подобен взрыву, а УВ после удаления от места пробоя на расстояние, на порядок превышающее размер области фокуса, становится сферической и достигает в таком виде чувствительного элемента калибруемого датчика. Датчик импульсного давления в результате воздействия на него ударной волны генерирует электрический сигнал, форма которого однозначно связана с временным профилем ударного пика. Соответствующая осциллограмма записывается регистратором. По ней определяют амплитуду сигнала , однозначно связанную с амплитудой давленияпришедшей ударной волны. Искомый коэффициент калибровки определяется соотношением рассчитывается по формуле Садовского с модифицированными коэффициентами. Исходная формула Садовского 5 получена в результате анализа экспериментальных 3 17161 1 2013.06.30 данных по крупномасштабным взрывам зарядов тринитротолуола. Переписанная в форме,удобной для анализа лазерного взрыва, она имеет вид где- амплитуда давления в барах,- энергия лазерного импульса в Дж,- радиус ударной волны в см. Ее коэффициенты равны 1,699,1,0572,0,5307.(3) Однако формула (2) с коэффициентами (3) применительно к лазерному взрыву дает завышенные результаты 6. В связи с этим для учета специфики лазерного взрыва потребовалась модификация коэффициентов соотношения (2). Модифицированные значения коэффициентов (2), найденные из анализа лазерных экспериментов с использованием метода наименьших квадратов 7, равны 0,7143,0,9604,0,3595.(4) С такими коэффициентами соотношение (2) вполне удовлетворительно описывает экспериментальные амплитудные зависимости лазерного взрыва. При этом погрешность аппроксимации экспериментальных данных (75 мДж) не превысила 67. Это позволяет для расчета коэффициента калибровки по (1) использовать формулу Садовского (2) с модифицированными коэффициентами (4). В качестве примера применения предлагаемого способа калибровки на фиг. 2 приведены результаты калибровки пьезоэлектрического датчика импульсного давления. Радиус входного окна датчика равен 5 мм. В качестве источника импульсного излучения использовалась лазерная установка в моноимпульсном режиме с длиной волны излучения 1,06 мкм,длительностью лазерного импульса 74 не и энергией 1,37 Дж. Излучение фокусировалось плосковыпуклой линзой с фокусным расстоянием 10 см на торец латунного стержня в пятно диаметром 3 мм, что обеспечивало достижение плотности мощности излучения 3108 Вт/см 2 в пятне лазерного облучения на мишени. Для регистрации ударной волны датчик 1 устанавливался перпендикулярно направлению лазерного излучения на оптической скамье, что позволяло варьировать расстояние от датчика до мишени в пределах от 1 до 80 см. Сигнал с датчика регистрировался электронным осциллографом 3034. Входное сопротивление осциллографа составляло 1 МОм. Калибровочный коэффициент рассчитывался по формуле (1) для 60 см его величина равна 0,137 бар/В. На фиг. 2 (расстояния- в см, амплитуда давления ударной волны- в барах) кривая 1 - прокалиброванные показания датчика, 2 - результаты расчетов по формуле (2) с модифицированными коэффициентами (4), 3 - результаты расчетов по формуле (2) с исходными коэффициентами (3) применительно к энергии используемых лазерных импульсов. Из фиг. 2 видно, что калиброванные показания датчика хорошо согласуются с формулой (1) с модифицированными коэффициентами (4) для расстояний начиная от 5 см и выше. При этом отклонение не превышает 9,5 . Отклонения, как видно из фиг. 2,нарастают для расстояния менее 5 см по мере его уменьшения вследствие нарастания влияния кривизны фронта УВ. Это означает, что для калибровки предлагаемым способом калибруемый датчик требуется устанавливать на расстоянии от места пробоя, по крайней мере в пять раз превышающем поперечный размер его чувствительного элемента. Таким образом, предложен способ калибровки датчиков импульсного давления, который обладает всеми достоинствами способов калибровки ударной волной с крутым фронтом и имеет ряд преимуществ по сравнению с известными. Его применение не требует никаких специальных устройств типа взрывных камер и ударных труб. Кроме того, сферическая УВ оказывает одинаковое воздействие на датчики, установленные на одинаковом расстоянии от места пробоя. Поэтому предлагаемый способ позволяет проводить калибровку и испытания единовременно нескольких датчиков разного типа с использованием единичного импульса лазерного излучения, энергия которого может быть измерена с 4 17161 1 2013.06.30 высокой точностью. То есть предлагаемый способ калибровки предъявляет умеренные требования к стабильности временных и энергетических параметров лазера. При этом калибруемые датчики должны быть ориентированы радиально, навстречу приходящей сферической УВ, и установлены либо на одинаковом расстоянии от места пробоя, либо на разных, но так, чтобы датчики, установленные на меньших расстояниях, не искажали формы фронта УВ, идущей к удаленным датчикам. Каждый из калибруемых датчиков присоединяют к индивидуальному регистратору либо все датчики присоединяют к одному многоканальному регистратору. Таким образом предлагаемый способ калибровки обеспечивает повышение энергетической эффективности и производительности процесса калибровки. Он пожаро- и взрывобезопасен и одинаково пригоден для использования как в лабораторных условиях, так и в условиях промышленного поточного производства. Источники информации 1. Войтенко В.А., Кузнецов Л.И. Маятниковый метод тарировки пьезодатчиков // ПТЭ. - 1992. -4. - С. 189-191. 2. Федяков Е.М., Колтаков В.К., Багдатьев Е.Е. Измерение переменных давлений. - М. Издательство стандартов, 1982. - 215 с. 3. Уиллмарт У. и др. Миниатюрные датчики из титаната бария для аэродинамических и акустических измерений давления // Ударные трубы сборник. / Под ред. Х.А.Рахматуллина. и С.С.Семенова. - М. Издательство иностранной литературы, 1962. - С. 364-373. 4. Патент РБ 6749, МПК 701 27/00, 2004. 5. Садовский М.А. Геофизика и физика взрыва. - М., 1999. 6. Чумаков А.Н., Петренко А.М., Босак Н.А. Динамика ударной волны при лазерном приповерхностном пробое воздуха. Инженерно-физический журнал. - 2002. - Т. 75. -3.- С. 161-165. 7. Чумаков А.Н., Петренко А.М., Босак Н.А. Аналитическое представление радиальной зависимости амплитуды давления импульсного приповерхностного оптического разряда //международный симпозиум по радиационной плазмодинамике Сборник научных трудов. - М., 2006. - С. 102-105. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5