DE2525425A1

DE2525425A1 - Pressure sensor for detecting millimetric acoustic waves - uses rod-mounted piezo crystal in tubular housing filled with fluid

Info

Publication number: DE2525425A1
Application number: DE19752525425
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl Phys Dr Forssmann
Original assignee: Dornier System GmbH
Current assignee: Dornier System GmbH
Priority date: 1975-06-07
Filing date: 1975-06-07
Publication date: 1976-12-09

Abstract

The rod-type pressure sensor is suitable for the detection of acoustic pressure-waves in fluids with rise- times of the order of 30 n-sec and pressure in the region of kBar. The sensor comprises a piezo-electric disc (20) mounted at the end of an electrically -conducting rod (12) whose lower part is of electrically -isolating material (14). This lower part has an electrically-conducting sheath(16) to which is connected one face of the piezo- crystal transducer. The other connection is via the conducting rod. A pair of conductors connect the output to an amplifier and oscillograph display. The rod has an outer plastic housing and the inner space (26) is filled with an isolating fluid.

Description

Drucksensor Die Erfindung betrifft einen stabförmigen Drucksensor für die punktförmige Vermessung von Stoßwellenfelden in Flüssigkeiten mit Anstiegszeiten im Nanosekundenbereich. Pressure sensor The invention relates to a rod-shaped pressure sensor for punctiform measurement of shock wave fields in liquids with rise times in the nanosecond range.

Es ist bekannt (flailitis, Zeitschrift für Angel. Physik einschl. It is known (flailitis, magazine for Angel. Physik incl.

Nukleonik 9, 5. 429-434, 1957; D.Baganoff, ev. of Scient. Instruments 35, S. 288-295, 1964; B.I2eibold, Dissertation Saarbrücken 1971, Pesonanzfreie piezoelektrische Aufnehmer), Stoßwellen mit hilfe von piezoelektrischen Kristallen nachzuweisen, Die bisher verwendeten Sensoren haben jedoch den Nachteil, dass sie den mechanischen Belastungen bei Ausbreitungsvorgängen von Stoßwellen in Flüssigkeiten oder flüssigkeitsähnlichen Stoffen - wie beispielsweise biologischem Gewebe - nicht gewachsen sind. Dies führt zu einem Abplatzen einzelner Bauteile oder Material schichten.Nukleonik 9, pp. 429-434, 1957; D.Baganoff, ev. Of Scient. Instruments 35, pp. 288-295, 1964; B.I2eibold, dissertation Saarbrücken 1971, Pesonance-free piezoelectric Transducer) to detect shock waves with the help of piezoelectric crystals, However, the sensors used so far have the disadvantage that they are mechanical Loads during propagation processes of shock waves in liquids or liquid-like ones Substances - such as biological tissue - are not able to cope with them. this leads to layers to flake off individual components or material.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drucksensor zu schaffen, mit dem Stoßwellenfelder mit Drücken im kbar-Bereich punktfömig meßbar sind und der der zerstörenden Wirkung der Stoßwellen widersteht. The invention is based on the object of creating a pressure sensor, with the shock wave fields with pressures in the kbar range can be measured punctiform and which withstands the destructive effects of shock waves.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geiöst, dass der Durchmesser des stabförmigen Drucksensors geringer ist als die mittlere Wellenlänge der Stoßwelle, die Kristalldicke wesentlich dünner (min destens un einen Faktor 10) als der Durchmesser des Drucksensors gewählt wird und Materialien für Stab und Kristall mit nahezu gleichen akustischen Eigenschaften verwendet werden0 hierdurch kann die zerstörerische Wirkung von Stoßwellen am Drucksensor nicht wirksam werden. According to the invention, this object is achieved in that the diameter of the rod-shaped pressure sensor is less than the mean wavelength of the shock wave, the crystal thickness is much thinner (at least a factor of 10) than the diameter of the pressure sensor is selected and materials for rod and crystal with almost the same acoustic Properties can be used to reduce the destructive effects of shock waves do not take effect on the pressure sensor.

Bei einer bloßen Miniaturisierung könnte rein zufällig ein Drucksensor uit den o.a. Abmessungen entstehen. Für die verschiedenen Anwendungsfälle ist jedoch die Erkenntnis des Kausalzusammenhangs zwischen Wellenlänge und Durchmesser des Sensors von Bedeut"ng, da hierdurch für verschiedenärtigste Anwendungsfälle nicht zerstörbare !teD-geräte geschaffen werden. In the case of a mere miniaturization, a pressure sensor could be used purely by chance uit the above dimensions arise. However, for the various use cases the knowledge of the causal relationship between the wavelength and the diameter of the Sensor of importance, as it is not for a wide variety of applications Destructible! TeD devices are created.

Erfindungtsgemäß ist es vorteilhaft, wenn aui einen elektrisch leitenden Stab ein piezoelektrischer Kristall befestigt ist und der Stab mit einem isolierenden Material, beispielsweise einem tiunststoffschlauch, umgeben wird, welcher außen elektrisch leitend beschichtet ist, s.B. durch Bedampfung oder mit einem Leitlack und mittels eines dünnen isolierten Drahtstücks mit dem piezoelektrischeu Kristall in Verbindung steht. Der verwendete piezoelektrische Kristall ist möglichst dünn und im Durchmesser möglichst klein, wobei seine Abmessungen in jedem Falle so gewählt sind, dass der Durchmesser kleiner als die mittlere Wellenlänge der Stoßwelle und die Dicke wesentlich dünner als der Durchmesser ist. Für den Stab und den piezoelektrischen Kristall werden Materialien von nahezu gleichen akustischen Eigenschaften - wie beispielsweise Silber-Bleizirkonattitanat oder Aluminium-Lithiumsulfat (LSIl) - verwendet. According to the invention, it is advantageous if there is also an electrically conductive one Rod a piezoelectric crystal is attached and the rod with an insulating Material, for example a tiunststoffschlauch, is surrounded, which outside is electrically conductive coated, see B. by vapor deposition or with a conductive varnish and with the piezoelectric crystal by means of a thin insulated piece of wire communicates. The piezoelectric crystal used is as thin as possible and as small as possible in diameter, its dimensions being chosen in each case are that the diameter is smaller than the mean wavelength of the shock wave and the thickness is much thinner than the diameter. For the rod and the piezoelectric Crystal will be materials of almost the same acoustic properties - like for example silver lead zirconate titanate or aluminum lithium sulfate (LSIl) - used.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Stab und der Kristall des Drucksensors mit freiem Spalt von einer hülle aus Kunststoff, z.B. Polyäthylen oder Polyurethan, umgeben, wobei der Spalt mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die ähnliche akustische Eigenschaften wie die Flüssigkeit aufweist, in der sich die Stoßwelle ausbreitet. Hierdurch wird der Störeinflus des Meßgeräts vermindert, da die Stoßwelle weitgehend unGehindert durch das Meßgerät hindurchtreten kann. In a further advantageous embodiment of the invention is the rod and the crystal of the pressure sensor with a free gap from a shell Plastic, e.g. polyethylene or polyurethane, surrounded, the gap with a Liquid is filled with similar acoustic properties as the liquid has, in which the Shock wave propagates. This will make the Interference from the measuring device is reduced, since the shock wave is largely unhindered by the measuring device can pass through.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Figur, die nachfolgend beschrieben ist. Further advantages, features and possible uses of the invention result from the figure, which is described below.

Die einzige Figur zeigt schematisch und stark vergrößert einen erfindungsgemäßen Drucksensor in axonometrischer Darstellung. The single figure shows schematically and greatly enlarged one according to the invention Pressure sensor in axonometric representation.

Die Figur zeigt einen stabförmigen Druckseusor 2, der mittels der elektrischen Leitungen 4, 6 mit einem Meßgerät 8, z ß. einem Verstärker mit einem Oszillograph verbunden ist. Der Drucksensor 2 wira' ton einer Hülle 10 umgeben, die beispielsweise aus einem 0,1 - 0,5 mm dicken Kunststoffschlnuch aus Polyäthylen oder Polytirethan besteht. The figure shows a rod-shaped Druckseusor 2, which by means of electrical lines 4, 6 with a measuring device 8, z ß. an amplifier with a Oscilloscope is connected. The pressure sensor 2 is surrounded by a sheath 10, For example, from a 0.1-0.5 mm thick plastic hose made of polyethylene or Polytirethan.

Im Innern befindet sich ein Stab 12, der aus elektrisch leitfähigen Material gefertigt ist oder aber eine leitfähige Seele aufweist. tber den größten Teil seiner Länge ist der Stab 12 von einem elektrisch isolierenden Material 14 beispielsweise von einem Schrumpfschlauch aus Polyäthylen, umgeben, das an seinem Mantel mit einem elektrisch leitenden Überzug 16 beschichtet ist. Der Aufnehmer 12 ist an seiner Stirnfläche 18 mittels einer elektrisch leitfähigen Verbindung (Klebnng, Lötung, Diffusionsschweißung) mit einem piezoelektrischen Kristall 20 verbunden. Kristall 20 uhd Stab 12 haben nahezu gleiche akustische Eigenschaften, wie beispielsweise Bleizirkonattitanat und Silber. Der Kristall ist in seinem Durchmesser kleiner als die mit lere Wellenlänge der zu messenden Stoßwellen und seine Dicke wesentlich dünner als der Durchuesser, Über einen Kontakt 22 (dünner Draht) ist der piezoelektrische Kristall 20 mit der leitfähigen Oberfläche 16 verbunden, die viederun mit der zum Meßgerät 8 führenden Leitung 6 verbunden ist. Leitung 4 steht mit den Stab 12 in leitender Verbindung.Inside there is a rod 12 made of electrically conductive Material is made or has a conductive core. over the greatest The rod 12 is made of an electrically insulating material 14 as part of its length For example, by a shrink tube made of polyethylene, surrounded by his Jacket is coated with an electrically conductive coating 16. The transducer 12 is on its end face 18 by means of an electrically conductive connection (Bonding, soldering, diffusion welding) with a piezoelectric crystal 20 tied together. Crystal 20 uhd rod 12 have almost the same acoustic properties, such as lead zirconate titanate and silver. The crystal is in its diameter smaller than the lere wavelength of the shock waves to be measured and its thickness is much thinner than the diameter, via a contact 22 (thin wire) the piezoelectric crystal 20 is connected to the conductive surface 16, the is again connected to the line 6 leading to the measuring device 8. Line 4 is up with the rod 12 in conductive connection.

Wie aus der Figur deutlich au erkennen ist, besteht zwischen Stab 12 mit dem Kristall 20 und hülle 10 ein freier Spalt 24, der mit einer isolierenden Flüssigkeit 26 gefüllt ist. Um die Meßgenauigkeit des Drucksensors zu erhöhen, wird eine Flüssigkeit gewählt, die ähnliche akustische Eigenschaften besitzt wie die Flüssigkeit, in der sich die Stoßwelle ausbreitet. Beispielsweise kann Oel verwendet werden, wenn das Ausbreitungsmedium Wasser ist.As can be clearly seen from the figure, there is between rod 12th with the crystal 20 and envelope 10 a free gap 24, which with an insulating liquid 26 is filled. About the measuring accuracy of the pressure sensor To increase it, a liquid is chosen that has similar acoustic properties like the liquid in which the shock wave propagates. For example Oil can be used if the propagation medium is water.

Typische Abmessungen für den Drucksensor hei einer mittleren Wellenlänge von 3 mm betragen Durchmesser des Kristalls 20 2 mm Dicke des Kristalls 20 0,1 mm Durchmesser des Stabes 12 2 mm Länge des Stabes 12 400 mm Durchmesser der hülle 10 4 mm und Breite des freien Spaltes 24 1 mm. Typical dimensions for the pressure sensor at a medium wavelength of 3 mm, the diameter of the crystal 20 is 2 mm, the thickness of the crystal 20 is 0.1 mm Diameter of the rod 12 2 mm length of the rod 12 400 mm diameter of the sheath 10 4 mm and width of the free gap 24 1 mm.

Mit der erfindungsgemäßen Sonde ist es möglich, Anstiegszeiten bis 30 n-sec zu erreichen und Druckmessungen bis in den kbar-Bereich durchzuführen.With the probe according to the invention it is possible to measure rise times up to 30 n-sec and carry out pressure measurements down to the kbar range.

Claims

) Rod-shaped pressure sensor for punctiform measurement of shock wave fields in liquids, characterized in that the diameter is one for the measurement Piezoelectric crystal (20) used is less than the mean wavelength the shock wave and the thickness of the piezoelectric crystal (20) is much smaller than the diameter of the crystal (20).

2. Rod-shaped pressure sensor according to claim 1, characterized in that that the rod (12) with the piezoelectric crystal (20) is surrounded by a sheath (10) is and a free space (24) is formed between the sheath and rod in which a Medium is located, which has similar acoustic properties as the liquid, in which the shock wave propagates.

3. Rod-shaped pressure sensor according to claims 1 to 2, characterized in that that on the electrically conductive rod (12) a pezoelectric crystal (20) is attached is that the rod (12) is surrounded by a non-conductive tube (14), the Sheath (16) is coated to be electrically conductive and by means of an insulated piece of wire (22) is connected to the piezoelectric crystal (20).

L e r s e i t e