RU2073222C1

RU2073222C1 - Simulator for measuring pressure surges under effect of indenter

Info

Publication number: RU2073222C1
Authority: RU
Inventors: А.А. Казарян; В.Г. Мильков; Б.Н. Лукичев
Original assignee: Центральный аэрогидродинамический институт им.проф.Н.Е.Жуковского
Priority date: 1992-06-16
Filing date: 1992-06-16
Publication date: 1997-02-10

Abstract

FIELD: measurement technology; high surge pressure measurements. SUBSTANCE: device has film sensors for measuring pressure on glass sandwich surface in case of its collision with bird or indenter. Pressure maximum and minimum region is determined for different angles of bird collision with glass sandwich surface relative to center (90 to 22 deg.). Sensing elements of sensor are arranged in one three vertical rows. Sensing elements are spaced L= 0.5-3a apart, where a is sensor plate width. EFFECT: improved informative capacity connecting pressure distribution over glass sandwich surface. 2 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления на поверхности изделия конструкционной оптики. The invention relates to the field of measuring equipment and can be used to measure pressure on the surface of a product of structural optics.

Известно устройство измерения динамического значения давления на поверхности конструкционной оптики, в котором давление на поверхности стеклоблока измеряют с помощью датчиков стержневой конструкции. Датчики монтируют на поверхности стеклоблока после дренирования. Давление возникает в результате столкновения птицы с остеклением самолета. Результаты экспериментальных исследований показывают, что давление изменяется по закону

, где ρ плотность птицы, v скорость столкновения птицы с поверхностью стекла.A device for measuring the dynamic value of pressure on the surface of structural optics, in which the pressure on the surface of the glass block is measured using sensors of the rod structure. The sensors are mounted on the surface of the glass block after drainage. The pressure arises as a result of the collision of the bird with the glazing of the aircraft. The results of experimental studies show that the pressure changes according to the law

, where ρ is the density of the bird, v is the speed of collision of the bird with the glass surface.

С помощью скоростной киносъемки показывают, что птица во время контакта со стеклоблоком не приобретает дополнительного ускорения или замедления; показывают, что максимальное давление при ударе птицы о жесткое стекло возникает при угле 90^o и при скорости движения 350 м/с.Using high-speed filming show that the bird during contact with the glass block does not acquire additional acceleration or deceleration; show that the maximum pressure when a bird hits a hard glass occurs at an angle of 90 ^o and at a speed of 350 m / s.

При анализе выбирают форму птицы как эллипс с длиной в два раза больше диаметра птицы. In the analysis, the shape of the bird is chosen as an ellipse with a length two times the diameter of the bird.

Такое решение в указанном способе измерения давления не обеспечивается без дренирования стеклоблока (см. R.L.Peterson and S.P.Barber. Bird Impast Forcesin Aircraft Windsiced. Design part 7, p.791.829, 1975). Such a solution in the indicated pressure measurement method is not provided without drainage of the glass block (see R. L. Peterson and S. P. Barber. Bird Impast Forcesin Aircraft Windsiced. Design part 7, p.791.829, 1975).

Недостаток этого способа заключается в том, что стеклоблок для расположения датчиков дренируется. Вследствие дренажа нарушают прочностные характеристики стеклоблока, из-за чего в дальнейшем выбранные параметры стеклоблока нарушаются. Низкая информативность и точность измерения динамического давления, возникают в стеклоблоке и его опорах из-за ограниченного количества дренажных точек. Кроме этого, с помощью стержневых датчиков невозможно определить давление птицы на стеклоблоках, имеющих различную цилиндрическую жесткость. The disadvantage of this method is that the glass block for the location of the sensors is drained. Due to drainage, the strength characteristics of the glass block are violated, which is why the selected parameters of the glass block are subsequently violated. Low information content and accuracy of dynamic pressure measurements occur in the glass block and its supports due to the limited number of drainage points. In addition, using rod sensors it is impossible to determine the pressure of the bird on glass blocks having different cylindrical stiffness.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство измерения пульсации давления на поверхности моделей авиационной техники с помощью тонкопленочных датчиков давления. На поверхности изделий наклеивают пленочные датчики с несколькими чувствительными элементами. Датчики не нарушают обтекаемости потока на поверхности изделий без дополнительной механической обработки. Пленочный датчик емкостного типа содержит четыре слоя диэлектрической пленки. Датчик защищен от внешних воздействий. Closest to the invention, the technical solution is a device for measuring pressure pulsation on the surface of aircraft models using thin-film pressure sensors. Film sensors with several sensitive elements are glued on the surface of the products. Sensors do not violate the streamlined flow on the surface of the products without additional machining. The capacitive-type film sensor contains four layers of dielectric film. The sensor is protected from external influences.

Такое решение в указанной конструкции обеспечивает измерение давления на поверхности исследуемого объекта без дренирования (1). Such a solution in this design provides a pressure measurement on the surface of the investigated object without drainage (1).

Однако это устройство обладает рядом недостатков, затрудняющих его применение для определения давления во время столкновения (удара) птицы с жестким стеклоблоком летательных аппаратов. К ним относятся: недостаточная прочность металлизированного слоя при столкновении птицы со стеклом ударной силой в несколько десятков тонн длительностью 80-2500 мкс, неопределенность конкретного места возникновения максимального и минимального значения давления. However, this device has several disadvantages that make it difficult to use to determine the pressure during a collision (impact) of a bird with a rigid glass block of aircraft. These include: insufficient strength of the metallized layer when a bird collides with glass with an impact force of several tens of tons with a duration of 80-2500 μs, the uncertainty of the specific place of occurrence of the maximum and minimum pressure values.

Задачей изобретения является повышение точности измерения, расширение области применения, снижение затрат и повышение надежности. The objective of the invention is to improve the accuracy of measurement, expanding the scope, reducing costs and increasing reliability.

Поставленная задача достигается тем, что в имитаторе измерения пульсации (динамического) давления при воздействии индентора, содержащем изделие и укрепленные на его поверхности тонкопленочные датчики с несколькими ЧЭ на одной подложке датчика, выполненные не менее чем из трех слоев металлизированных и неметаллизированных диэлектрических пленок, датчики давления расположены в центре окружности 0, находящемся в центре масс изделия, по окружности со средним диаметром d_c, равным половине диаметра индентора и по окружности диаметром d_и, равным диаметру индентора, по периметру эллипса, точка пересечения осей которого, расположенных по координатным осям, находится в центре упомянутых окружностей, малая ось равна диаметру индентора d_и, большая ось равна длине индентора, кроме того, датчики располагают по части окружности с диаметром d_э, заключенном внутри эллипса и проходящей через фокусные точки эллипса, в точке О_n, расположенной ниже по оси ординат, по окружности с диаметром d_и и центром в точке O_n, по эллипсу с центром в точке O_nи с размерами, аналогично описанному выше, а также по линиям, касательным ко второму эллипсу и первой окружности с диаметром d_и, и линии, соединяющей центры 0 и О_n, причем датчики расположены относительно друг друга с интервалом (между ЧЭ) L 0,5.3а, где а ширина обкладки ЧЭ датчика, и от одного до трех рядов по вертикали.The task is achieved by the fact that in the simulator of measurement of pulsation (dynamic) pressure under the influence of an indenter containing the product and thin-film sensors with several SE mounted on its surface on one sensor substrate, made of at least three layers of metallized and non-metallized dielectric films, pressure sensors located in the center of the circle 0 is located at the center of mass of the product at the circumference with a mean diameter d _c, equal to half the diameter of the indenter and on the circle of diameter d _and p an apparent diameter indenter at ellipse perimeter point of intersection of the axes is located on the coordinate axes is located at the center of said circle, the minor axis is equal to the diameter of the indentor d _{and a} major axis equal to the length of the indenter, in addition, the sensors are arranged on the circumference to the diameter d _e It concluded inside the ellipse and passing through the focal point of the ellipse, at O _n, situated below the ordinate axis of the circle with diameter d _and centered at point O _n on the ellipse with the center at point O _n and dimensioned as described above , a akzhe along lines tangential to the second circle and the first ellipse having a diameter d _{and a} and the line connecting the centers 0 and G _n, wherein sensors are arranged relative to each other with an interval (between CHE) L 0,5.3a, wherein the width of the sensor electrode SE , and from one to three rows vertically.

На фиг. 1 изображены отдельные элементы и конструкция датчика давления (фиг.1 сеч. А-А, Б-Б), на фиг.2 расположение чувствительных элементов датчика давления и области столкновения птицы с изделиями конструкционной оптики (стеклоблока). Датчик имеет основу 1, сплошной экран 2, изоляционную диэлектрическую пленку 3. На нижней поверхности третьей диэлектрической пленки 4 металлизированы экран 5 и выводы 6, обкладки 7 (см. фиг.1 сеч.А-А), а на верхней поверхности сформированы экран 8, обкладки 9. Четвертая диэлектрическая пленка 10 перфорированная. Экран 11 и общая обкладка конденсатора 12 для поляризации датчика металлизированы на поверхности пятой диэлектрической пленки 13, на верхней поверхности которой сформированы экран 14, обкладки 15, защитный слой 16. Слои пленок между собой и с основанием 17 скрепляют клеем 18. In FIG. 1 shows the individual elements and the design of the pressure sensor (FIG. 1, section A-A, BB), FIG. 2 shows the location of the sensitive elements of the pressure sensor and the area of collision of the bird with structural optics (glass block). The sensor has a base 1, a continuous screen 2, an insulating dielectric film 3. On the lower surface of the third dielectric film 4, the screen 5 and conclusions 6, plates 7 are metallized (see Fig. 1, section A-A), and the screen 8 is formed , plates 9. The fourth dielectric film 10 is perforated. The screen 11 and the general lining of the capacitor 12 for polarizing the sensor are metallized on the surface of the fifth dielectric film 13, on the upper surface of which a screen 14, plates 15, a protective layer 16 are formed. The layers of films are bonded to each other and to the base 17 with glue 18.

На фиг. 2 показана форма птицы 19 под углом 22^o относительно центра 0 стеклоблока 17. Форма птицы в виде окружности 20 под углом удара 90^o относительно центра 0 стеклоблока 17. Линии минимальных нагрузок АД, ВС 21, 22 при ударе птицы о стеклоблок от 90^o до 22^o в интервале (линии максимальной нагрузки) от 0 до О_n в центре стеклоблока 17. Точки от 1 до 55 показывают место расположения ЧЭ датчика, где а ширина обкладки ЧЭ датчика, b длина датчика. Линия минимальной нагрузки при угле Φ ≥ 22^° СЕDFC (см. фиг.2, точки 41, 39, 45, 43).In FIG. 2 shows the shape of the bird 19 at an angle of 22 ^o relative to the center 0 of the glass block 17. The shape of the bird in the form of a circle 20 at an angle of impact of 90 ^o relative to the center 0 of the glass block 17. The lines of minimum loads HELL, BC 21, 22 when the bird hits the glass block from 90 ^o to 22 ^o in the interval (maximum load line) from 0 to О _n in the center of the glass block 17. Points 1 to 55 show the location of the SE of the sensor, where a is the width of the cover of the SE of the sensor, b is the length of the sensor. The line of minimum load at an angle Φ ≥ 22 ^° CEDFC (see figure 2, points 41, 39, 45, 43).

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

1. Удар птицы о стеклоблок рассматривают в полярных координатах. Размеры датчика: ширина а, длина b и высота ее прямоугольные координаты. Значение от 0 до О_n называют полюс, ОХ полярная ось, ρ полярный радиус. Форма птицы эллипсоид.1. The impact of a bird on a glass block is considered in polar coordinates. Sizes of the sensor: width a, length b and height its rectangular coordinates. A value from 0 to O _n is called the pole, OX is the polar axis, ρ is the polar radius. Bird shape ellipsoid.

2. Наиболее максимальное давление возникает, когда птица сталкивается в центре (в полюсе 0, 0_n) стеклоблока 17 под полярным углом 90^o в точках 17, 34, 38, 48 (см. фиг.2) в тот момент, когда поверхность птицы соприкасается с поверхностью стеклоблока с минимальной площадью. При этом характерно возникновение в стеклоблоке короткого импульса с высокими амплитудами. Минимальное значение усилия (давление) возникает при максимальном прикосновении площади птицы со стеклоблоком по диаметру d_u1 и d_u в точках от 1 до 12, 39, 49, 43, 47. Эти точки являются характерными точками минимального значения нагрузки 20 с большими длительностями импульса. Среднее значение давления возникает между максимумом и минимумом по радиусу d_c в точках 13.16.2. The maximum pressure occurs when the bird collides in the center (at the pole 0, 0 _n ) of the glass block 17 at a polar angle of 90 ^o at points 17, 34, 38, 48 (see figure 2) at that moment when the surface of the bird in contact with the surface of the glass block with a minimum area. In this case, the appearance of a short pulse with high amplitudes in the glass block is characteristic. The minimum value of effort (pressure) occurs when the bird’s area is touched with the glass block in diameter d _u1 and d _u at points from 1 to 12, 39, 49, 43, 47. These points are characteristic points of the minimum load value of 20 with long pulse durations. The average pressure value occurs between the maximum and minimum along the radius d _c at points 13.16.

3. При столкновении птицы под углом меньше 90^o, до 22^o, относительно полюса 0, 0_n в центре стеклоблока 17 возникает максимальное значение давления, а среднее и минимальное значение по туловищу птицы формой эллипсоида в точках 1, 22, 31-33, 18, 7, 27-30, 23. Средние значения давления возникают по диаметру d_э окружности, проходящей через оси фокуса эллипса в точках 20, 25 и т.д. С увеличением полярного угла 1 длина эллипса увеличивается и уменьшается амплитуда давления. При угле Φ < 22^° практически отсутствует столкновение птицы со стеклоблоком. Под таким углом площадь птицы формой эллипса скользит мимо стеклоблока. В зависимости от угла столкновения птицы со стеклоблоком длину птицы относительно полюса 0 определяют:

где x, y параметры птицы по осям координат (длина, ширина) (см. фиг.2).3. When a bird collides at an angle of less than 90 ^o , up to 22 ^o , relative to the pole 0, 0 _n in the center of the glass block 17, the maximum pressure value appears, and the average and minimum value along the body of the bird in the form of an ellipsoid at

points

1, 22, 31-33, 18, 7, 27-30, 23. Average pressure values arise along the diameter d _{e of the} circle passing through the focal axis of the ellipse at

points

20, 25, etc. With increasing polar angle 1, the length of the ellipse increases and the pressure amplitude decreases. At an angle Φ <22 ^{°, there is} practically no collision of the bird with the glass block. At such an angle, the area of the bird slides past the glass block in the form of an ellipse. Depending on the angle of collision of the bird with the glass block, the length of the bird relative to pole 0 is determined by:

where x, y are the parameters of the bird along the coordinate axes (length, width) (see figure 2).

4. Возможный вариант столкновения птицы со стеклоблоком, начиная от центра стеклоблока, кончая местом крепления O_n (в опорных точках), столкновение может происходить под углом от 90^o до 22^o в интервале ОО_n. В интервале ОО_n в каждом сечении 17, 15, 7, 34.39, 48 и 43 столкновению птицы от максимального до минимального значения соответствуют импульсы давления указанных от 1 до 55 точек. Линии минимальных нагрузок 21, 22 соединяют между собой вершины эллипсоида с изменением угла столкновения птицы со стеклоблоком 2 под углом от 90^o до 22^o. В центре совпадения каждого эллипсоида в окружности 17, 15, 7, 34-39, 48 измеряют максимальное значение давления.4. A possible variant of the collision of a bird with a glass block, starting from the center of the glass block, ending with the attachment point O _n (at reference points), the collision can occur at an angle from 90 ^o to 22 ^o in the interval of O _n . In the OO interval _n, in each section 17, 15, 7, 34.39, 48, and 43, pressure collisions from 1 to 55 points correspond to bird collisions from maximum to minimum values. The lines of minimum loads 21, 22 connect the vertices of the ellipsoid to each other with a change in the angle of collision of the bird with the glass block 2 at an angle from 90 ^o to 22 ^o . In the center of coincidence of each ellipsoid in a circle 17, 15, 7, 34-39, 48, the maximum pressure value is measured.

5. Чувствительные элементы датчика располагают так, чтобы их площадь находилась в области максимального значения давления, с целью получения достоверной информации. Расстояние между чувствительными элементами L (см. фиг. 1 сеч. А-А) выбирают, исходя из условия проводимого эксперимента и размеров ЧЭ датчика (ахb 4х6.6х9 мм). ЧЭ датчика располагают симметрично в точках от 1 до 55 по контурным линиям нагрузки 12.23, т.е. внутри эллипсов АВС₁E₁D₁ADECFD, по диаметру индентора (туловища птицы) d_и, d_и1, d_c и т.д. Оптимальное значение между ЧЭ находится в диапазоне от 0,5а до 3а, где а ширина обкладки ЧЭ датчика. Для получения минимального значения между СЭ, равного 0,5а, датчик изготавливают из пяти слоев диэлектрических пленок 1, 3, 4, 8, 13 и на поверхности третьей и пятой диэлектрической пленки 4, 13 формируют обкладки 7, 9 15, симметрично смещенные между собой. Максимальное расстояние между обкладками, находящимися на нижней и верхней поверхности третьей диэлектрической пленки, составляет не менее L L 19.20 мм.5. The sensitive elements of the sensor are positioned so that their area is in the region of the maximum pressure value in order to obtain reliable information. The distance between the sensing elements L (see Fig. 1 sec. A-A) is selected based on the conditions of the experiment and the size of the SE of the sensor (ahb 4x6.6x9 mm). The SE of the sensor is located symmetrically at points from 1 to 55 along the contour load lines 12.23, i.e. inside the ABC ₁ E ₁ D ₁ ADECFD ellipses, according to the diameter of the indenter (bird's body) d _and , d _{and 1} , d _c , etc. The optimal value between the SE is in the range from 0.5a to 3a, where a is the width of the cover of the SE of the sensor. To obtain a minimum value between SCs of 0.5a, the sensor is made of five layers of dielectric films 1, 3, 4, 8, 13 and on the surface of the third and fifth dielectric films 4, 13 form plates 7, 9 15, symmetrically offset from each other . The maximum distance between the plates located on the lower and upper surface of the third dielectric film is at least LL 19.20 mm.

Точность измерения повышается за счет осуществления измерения бездренажным способом, благодаря которому не нарушается цельность стеклоблока и происходящего физического процесса. Область применения расширяется благодаря сокращению затрат на эксперимент и снижению стоимости датчика. Надежность стеклоблока в процессе эксперимента повышается за счет недренирования стеклоблока. The accuracy of the measurement is increased due to the measurement in a drainless manner, due to which the integrity of the glass block and the ongoing physical process are not violated. The scope is expanding due to reduced experiment costs and lower sensor costs. The reliability of the glass block during the experiment increases due to the non-drainage of the glass block.

Принцип работы датчика. При ударе птицы на поверхности датчика под давлением Р пятая пленка 13 изгибается внутрь ячейки перфорации четвертой диэлектрической пленки 8, а емкость С изменяется пропорционально давлению на величину ΔC. При этом выходное напряжение, снимаемое с выходов обкладок 7, 9 относительно обкладок 12, пропорционально напряжению поляризации и отношению ΔC/C.. The principle of operation of the sensor. When a bird hits the surface of the sensor under pressure P, the fifth film 13 bends into the perforation cell of the fourth dielectric film 8, and the capacitance C changes in proportion to the pressure by ΔC. In this case, the output voltage removed from the outputs of the plates 7, 9 relative to the plates 12 is proportional to the polarization voltage and the ratio ΔC / C ..

Во втором случае (при угле <90^o) при ударе птицы на поверхности датчика с изменением давления изменяется толщина пятой диэлектрической пленки 13. Изменение толщины пленки вызывает изменение емкости с ЧЭ датчика, а емкость С изменяется пропорционально давлению тоже на величину ΔC.. При этом сигнал с выходов обкладок 15 снимают относительно обкладок 12 тоже пропорционально напряжению поляризации и отношению ΔC/C..In the second case (at an angle <90 ^o ), when a bird strikes on the surface of the sensor, the thickness of the fifth dielectric film 13 changes with pressure. Changing the film thickness causes a change in capacitance with the SE of the sensor, and the capacitance C changes in proportion to pressure by ΔC .. the signal from the outputs of the plates 15 is removed relative to the plates 12 is also proportional to the polarization voltage and the ratio ΔC / C ..

По изменению емкости судят о давлении. Конструкция датчика позволяет измерять давления высоких уровней в широком диапазоне температуры и частоты. The change in capacity is judged on pressure. The design of the sensor allows the measurement of high pressure levels over a wide range of temperature and frequency.

Это предложение позволяет повысить технико-экономическую эффективность в стадии разработки движущихся объектов с целью предотвращения аварийной ситуации столкновения птицы или других предметов со стеклоблоком. This proposal allows to increase technical and economic efficiency at the stage of development of moving objects in order to prevent an emergency situation of a collision of a bird or other objects with a glass block.

Claims

A simulator of measuring pressure pulsation under the influence of an indenter, containing the product and thin-film sensors mounted on its surface with several sensitive elements on one sensor substrate, made of at least three layers of metallized and non-metallized dielectric films, characterized in that the pressure sensors are located in the center circumference O, which is located in the center of mass of the product at the circumference _with a diameter d equal to half the diameter of the indenter, and a circumferential diameter d _and equal diameter indentor at ellipse perimeter point of intersection of the axes is disposed in the vertical and horizontal axes passing through a center of mass located at the center of said circle, the minor axis is equal to the diameter of the indentor d _{and a} major axis equal to the length of the indenter, in addition, the sensors have on the part a circle with a diameter of d _e, the ellipse enclosed within and passing through the center of gravity, the point O _n, situated below on the vertical axis passing through the center of mass of the circle with diameter d _and centered at point O _n, an ellipse with the center point O _n and dimensioned as described above, as well as lines, tangent to the second ellipse, and a first circle having a diameter d _{and a} and the lines connecting O and O _n centers, the sensors are arranged relative to each other with an interval L (0, 5 - 3) a, where a is the width of the plate of the sensitive element of the sensor, and from one to three rows vertically.