RU2297640C2 - Method of measurement of electric pulse parameters - Google Patents
Method of measurement of electric pulse parameters Download PDFInfo
- Publication number
- RU2297640C2 RU2297640C2 RU2005118290/28A RU2005118290A RU2297640C2 RU 2297640 C2 RU2297640 C2 RU 2297640C2 RU 2005118290/28 A RU2005118290/28 A RU 2005118290/28A RU 2005118290 A RU2005118290 A RU 2005118290A RU 2297640 C2 RU2297640 C2 RU 2297640C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- parameters
- pulse
- converter
- piezoelectric
- measurement
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических и оптических измерений параметров импульсных нагрузок, в том числе механических нагрузок в виброакустике и физике быстропротекающих процессов, и может быть использовано при проведении испытаний различных технических систем для регистрации электрических сигналов датчиков физических величин в экстремальных условиях.The invention relates to measuring equipment, and more particularly to the field of electrical and optical measurements of pulsed loads, including mechanical loads in vibroacoustics and physics of fast processes, and can be used in testing various technical systems for recording electrical signals of physical quantity sensors in extreme conditions.
Известен способ измерения параметров однократного электрического импульса /А.с. СССР №892323, МПК 7 G01R 19/04, БИ №47, 1981/, основанный на измерении измененного под влиянием исследуемого импульса параметра чувствительного элемента, согласно которому исследуемым импульсом воздействуют на полупроводниковый элемент, вызывая его необратимый тепловой или лавинно-тепловой пробой, измеряют остаточное сопротивление пробитого полупроводникового элемента и по заранее полученной экспериментальной зависимости между амплитудой импульса и остаточным сопротивлением полупроводникового элемента определяют амплитуду исследуемого импульса.A known method of measuring the parameters of a single electric pulse / A.C. USSR No. 892323, IPC 7 G01R 19/04, BI No. 47, 1981 /, based on the measurement of a parameter of a sensing element changed under the influence of the studied pulse, according to which the studied pulse acts on the semiconductor element, causing it to irreversible thermal or avalanche-thermal breakdown, measure the residual resistance of the punched semiconductor element and the predetermined experimental dependence between the pulse amplitude and the residual resistance of the semiconductor element determines the amplitude of the studied Pulse.
Недостатком известного способа является его низкая информативность, поскольку он не позволяет одновременно с амплитудой импульса регистрировать его длительность или форму.The disadvantage of this method is its low information content, since it does not allow simultaneously with the amplitude of the pulse to register its duration or shape.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому (прототипом) является разработанный ранее заявителем способ измерения параметров (амплитуды и длительности) электрического импульса /Толстиков И.Г. Способ регистрации параметров одиночного прямоугольного электрического импульса тока. Патент RU №2029311, G01R 19/04, БИ №5, 1995/ с помощью пьезоэлектрического устройства (пьезопреобразователя) из сегнетоэлектрического пьезоматериала, выполненного в виде пассивного регистратора (запоминающего устройства) конденсаторного типа, содержащего несколько соединенных электрически параллельно чувствительных запоминающих элементов (сегнетоэлектрических конденсаторов). Чувствительные элементы (ЧЭ) этого регистратора изменяют свое физическое состояние (а именно, величину остаточной поляризации) при воздействии импульсного электрического поля. Это позволяет установить взаимосвязь между параметрами измеряемого электрического импульса и степенью изменения под его влиянием остаточной поляризации сегнетоэлектрических ЧЭ. Непосредственно способ измерения заключается в следующем. Подключают регистратор к нагрузке. Затем подают исследуемый импульс в нагрузку. Воздействие импульса на ЧЭ приводит к возникновению в их объеме различных по величине электрических полей, что приводит к изменению остаточной поляризации отдельных ЧЭ в различной степени, реализовавшиеся значения которой могут сохраняться длительное время. После прохождения импульса измеряют известными методами (например, по величине прямого пьезоэффекта) величину остаточной поляризации в каждом ЧЭ. Параметры (амплитуду и длительность) исследуемого импульса определяют затем по заранее полученной экспериментальной зависимости между этими параметрами и степенью изменения под его влиянием остаточной поляризации сегнетоэлектрических ЧЭ.The closest in technical essence to the claimed (prototype) is a method developed earlier by the applicant for measuring the parameters (amplitude and duration) of an electric pulse / Tolstikov I.G. A method of recording parameters of a single rectangular electric current pulse. Patent RU No. 2029311, G01R 19/04, BI No. 5, 1995 / using a piezoelectric device (piezoelectric transducer) made of a ferroelectric piezomaterial made in the form of a passive registrar (storage device) of a capacitor type containing several electrically parallel sensitive memory elements (ferroelectric capacitors) ) The sensitive elements (SE) of this recorder change their physical state (namely, the magnitude of the residual polarization) when exposed to a pulsed electric field. This allows us to establish the relationship between the parameters of the measured electric pulse and the degree of change under its influence of the residual polarization of ferroelectric CEs. The direct measurement method is as follows. Connect the recorder to the load. Then, the test pulse is supplied to the load. The impact of the pulse on the SE leads to the appearance of electric fields of different magnitude in their volume, which leads to a change in the residual polarization of individual SEs to various degrees, the realized values of which can remain for a long time. After the passage of the pulse, the residual polarization in each SE is measured by known methods (for example, by the magnitude of the direct piezoelectric effect). The parameters (amplitude and duration) of the studied pulse are then determined from the previously obtained experimental dependence between these parameters and the degree of change under its influence of the residual polarization of ferroelectric CEs.
Недостатком известных способов является то, что элементы системы, выполняющие функции преобразования (считывания) информации и ее длительного хранения, конструктивно объединены в одном устройстве. Это приводит к необходимости принятия дополнительных мер с использованием длинных измерительных линий для защиты устройства от внешних электромагнитных и механических воздействий в экстремальных условиях проведения измерений, например во взрывном эксперименте, с целью сохранения информации, что в ряде случаев является невыполнимой задачей.A disadvantage of the known methods is that the elements of the system that perform the functions of converting (reading) information and its long-term storage are structurally combined in one device. This leads to the need for additional measures using long measuring lines to protect the device from external electromagnetic and mechanical influences in extreme conditions of measurements, for example in an explosive experiment, in order to save information, which in some cases is an impossible task.
Недостатком прототипа является отсутствие возможности регистрации формы исследуемого импульса одновременно с его амплитудой и длительностью.The disadvantage of the prototype is the lack of registration of the shape of the investigated pulse simultaneously with its amplitude and duration.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании простого помехозащищенного способа измерения параметров однократного электрического импульса микро- и субмикросекундного диапазона, генерируемого, например, датчиками физических величин при импульсных нагрузках, в экстремальных условиях при воздействии сильных электромагнитных и механических помех.The problem to which the claimed invention is directed is to create a simple noise-immune method for measuring the parameters of a single electrical pulse of the micro- and submicrosecond range, generated, for example, by sensors of physical quantities under pulsed loads, under extreme conditions when exposed to strong electromagnetic and mechanical interference.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в повышении помехозащищенности способа измерений от электромагнитных наводок и механических воздействий, расширении области его применения, а также повышении его информативности за счет возможности регистрации формы электрического импульса.The technical result achieved by the implementation of the present invention is to increase the noise immunity of the measurement method from electromagnetic interference and mechanical stress, expand its field of application, as well as increase its information content due to the possibility of detecting the shape of an electric pulse.
Это достигается тем, что в способе измерения параметров электрического импульса, заключающемся в том, что воздействуют исследуемым импульсом на пьезоэлектрический преобразователь, определяют степень изменения его параметров, по величине которой судят о параметрах исследуемого импульса, новым является то, что в качестве преобразователя используют нерезонансный электромеханический преобразователь с коэффициентом электромеханической связи К2≪1, при этом изменение параметров указанного преобразователя определяют по амплитудно-временным зависимостям смещения или скорости движения его поверхности лазерными интерферометрическими методами.This is achieved by the fact that in the method of measuring the parameters of the electric pulse, which consists in the fact that the studied pulse acts on the piezoelectric transducer, determine the degree of change in its parameters, the value of which judges the parameters of the studied pulse, the new is that non-resonant electromechanical converter with the electromechanical coupling coefficient K 2 «1 with the change of said parameters of the converter is determined by the amplitude-time nnym dependencies displacement or velocity of the surface laser interferometric techniques.
Техническая сущность предлагаемого изобретения заключается, с одной стороны, в использовании обратного пьезоэффекта в особых условиях его проявления, в которых удается установить простую взаимосвязь между параметрами электрического нагружающего импульса и механическим откликом пьезоэлектрика, а именно, когда интерференция локальных (вторичных, возникающих при неоднократном проявлении прямого и обратного пьезоэффектов) акустических волн в объеме последнего не оказывает существенного влияния на механический отклик. Такие условия можно создать, используя так называемое кварцевое приближение (пьезоэффект проявляется слабо, коэффициент электромеханической связи К достаточно мал так, что К2≪1). При выполнении условия К2≪1 эквивалентную схему пьзопреобразователя можно представить в виде конденсатора с источником приложенного к нему напряжения /см., например, Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, 656 с., см. с.58/. Поэтому в кварцевом приближении временная форма механического напряжения, а следовательно, и скорости (лицевой) поверхности пьезоэлектрического преобразователя повторяет временную форму приложенного электрического напряжения (поля) в течение полупериода (Т) собственных акустических колебаний, а также с достаточной для практики точностью определяется им при заданных граничных условиях в течение всего указанного выше времени регистрации /см. также Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под общ. ред. Ермолова И.Н. - М.: Машиностроение, 1986, 280 с., см. с.33, с.61/. В последнем случае, используя известные методы фильтрации ультразвуковых сигналов, можно легко исключить вклад в информационный сигнал отраженных (первичных) акустических волн, поскольку собственные частоты колебаний пьезопреобразователя известны /см., например, Перов Д.В., Ринкевич А.Б. Фильтрация ультразвуковых сигналов лазерного интерферометра с использованием диадного вейвлет-преобразования. Дефектоскопия. 2002, №4, с.78-98/. Следовательно, по амплитудно-временным зависимостям скорости (или смещения с последующим дифференцированием) движения поверхности пьезопреобразователя можно судить о параметрах исследуемого электрического импульса.The technical essence of the invention consists, on the one hand, in using the inverse piezoelectric effect under special conditions of its manifestation, in which it is possible to establish a simple relationship between the parameters of the electric loading pulse and the mechanical response of the piezoelectric, namely, when the interference is local (secondary, arising from the repeated manifestation of direct and the inverse piezoelectric effects) of acoustic waves in the volume of the latter does not significantly affect the mechanical response. Such conditions can be created using the so-called quartz approximation (the piezoelectric effect is weakly manifested, the electromechanical coupling coefficient K is sufficiently small so that K 2 ≪ 1). When condition K 2 ≪1 is fulfilled, the equivalent piezoelectric transducer circuit can be represented as a capacitor with a source of voltage applied to it / see, for example, Kayno G. Acoustic waves: Devices, visualization and analog signal processing: Per. from English - M .: Mir, 1990, 656 p., See p. 58 /. Therefore, in the quartz approximation, the temporary form of mechanical stress, and hence the velocity of the (front) surface of the piezoelectric transducer, repeats the temporal form of the applied electric voltage (field) during the half-period (T) of its own acoustic vibrations, and it is also determined with sufficient accuracy for practice at boundary conditions during all the above registration time / cm. also Ultrasonic piezoelectric transducers for non-destructive testing. Under the total. ed. Ermolova I.N. - M.: Mechanical Engineering, 1986, 280 p., See p. 33, p. 61 /. In the latter case, using well-known methods of filtering ultrasonic signals, one can easily exclude the contribution of reflected (primary) acoustic waves to the information signal, since the natural frequencies of the piezoelectric transducer are known / see, for example, Perov D.V., Rinkevich AB Filtering the ultrasonic signals of a laser interferometer using a dyadic wavelet transform. Flaw detection 2002, No. 4, pp. 78-98 /. Therefore, according to the amplitude-time dependences of the velocity (or displacement with subsequent differentiation) of the surface motion of the piezoelectric transducer, one can judge the parameters of the electric pulse under study.
С другой стороны, техническая сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании в качестве регистратора нерезонансного электромеханического пьезопреобразователя, имеющего простую конструкцию, например, в виде пьезоэлемента (пьезокристалла из кварца), небольшие геометрические размеры и низкую себестоимость, а также обладающего хорошей электромагнитной совместимостью с датчиками физических величин. Это позволяет конструктивно объединить названный пьезопреобразователь (устройство преобразования информации) с этими датчиками, а устройство сохранения информации (лазерный интерферометр) расположить вне зоны внешних воздействий. При этом в процессе регистрации в течение приблизительно нескольких микросекунд пьезопреобразователь (в отличие от ЧЭ датчика) подвергается воздействию только электромагнитных помех, а сразу же после регистрации может быть разрушен механическим воздействием.On the other hand, the technical essence of the invention consists in the use of a non-resonant electromechanical piezoelectric transducer having a simple structure, for example, in the form of a piezoelectric element (quartz piezoelectric crystal), small geometric dimensions and low cost, and also having good electromagnetic compatibility with physical quantity sensors . This allows you to constructively combine the named piezoelectric transducer (information conversion device) with these sensors, and to store the information storage device (laser interferometer) outside the zone of external influences. Moreover, during the registration process, for a few microseconds, the piezoelectric transducer (in contrast to the SE of the sensor) is exposed only to electromagnetic interference, and immediately after registration it can be destroyed by mechanical action.
Использование нерезонансного электромеханического пьезопреобразователя для измерения параметров однократного электрического импульса путем прецизионного измерения параметров (характера) движения его поверхности лазерными интерферометрическими методами заявителю неизвестно.The use of a non-resonant electromechanical piezoelectric transducer to measure the parameters of a single electric pulse by precision measuring the parameters (nature) of its surface motion by laser interferometric methods is unknown to the applicant.
Отметим, что если к пластине из пьезоэлектрика приложить напряжение 1 В, то ее деформация составит величину, равную для кварца 2,3·10-3 нм, ниобата лития - 16,2·10-3 нм, титаната бария - 225·10-3 нм, для пьезокерамик ЦТС - 200-500·10-3 нм соответственно, значительно превышающую разрешающую способность современных интерферометрических методов (не менее 10-4 нм, см. ссылки ниже). Отметим также, что рабочая полоса частот нерезонансных электромеханических пьезопреобразователей достигает многих сотен мегагерц. Например, с помощью так называемых толстых пьезопреобразователей можно излучать акустические импульсы нано- и пикосекундной длительности /Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под общ. ред. Ермолова И.Н. - М.: Машиностроение, 1986, 280 с., см. с.47/. Быстродействие пьезопреобразователей теоретически ограничивается только временем установления ионной поляризации в пьезоматериалах и лежит в пределах 10-10-10-13 с. На практике минимальная длительность акустических импульсов, излучаемых обычными толстыми пьезопреобразователями из пьезокерамики, составляет единицы наносекунд и ограничивается чисто техническими возможностями создания электронных схем генераторов наносекундной длительности и чистотой обработки излучающей поверхности пьезоэлемента. О частотных характеристиках пьезоэлектриков можно судить также, например, по использованию их в пьезоэлектрических резонаторах и фильтрах. Для кристаллических резонаторов диапазон частот ограничен сверху частотой 500-1000 МГц /Пьезоэлектрические резонаторы. Справочник. Под ред. Кандыбы П.Е. и Позднякова П.Г. - М.: Радио и связь, 1992. 392 с./. Полосовые фильтры на ПАВ (поверхностных акустических волнах) широко используются в диапазоне частот 2-10 ГГц /Рез И.С., Поплавко Ю.М. Диэлектрики. Основные свойства и применения в электронике. - М.: Радио и связь, 1989, 288 с./.Note that if a voltage of 1 V is applied to the piezoelectric plate, then its deformation will be equal to 2.3 · 10 -3 nm for quartz, 16.2 · 10 -3 nm for lithium niobate, 225 · 10 - for barium titanate 3 nm, for PZT piezoceramics - 200-500 · 10 -3 nm, respectively, significantly exceeding the resolution of modern interferometric methods (at least 10 -4 nm, see links below). We also note that the working frequency band of non-resonant electromechanical piezoelectric transducers reaches many hundreds of megahertz. For example, using the so-called thick piezoelectric transducers, acoustic pulses of nano- and picosecond durations can be emitted / Ultrasonic piezoelectric transducers for non-destructive testing. Under the total. ed. Ermolova I.N. - M.: Mechanical Engineering, 1986, 280 p., See p. 47 /. The speed of piezoelectric transducers is theoretically limited only by the time it takes for the ionic polarization to be established in the piezoelectric materials and lies in the range of 10 -10 -10 -13 s. In practice, the minimum duration of acoustic pulses emitted by ordinary thick piezoelectric transducers from piezoceramics is a few nanoseconds and is limited by the purely technical capabilities of creating electronic circuits of nanosecond duration generators and the cleanliness of the processing of the radiating surface of the piezoelectric element. The frequency characteristics of piezoelectrics can also be judged, for example, by their use in piezoelectric resonators and filters. For crystalline resonators, the frequency range is limited from above to a frequency of 500-1000 MHz / Piezoelectric resonators. Directory. Ed. Kandyby P.E. and Pozdnyakova P.G. - M.: Radio and Communications, 1992.394 s. /. Band-pass filters for surfactants (surface acoustic waves) are widely used in the frequency range 2-10 GHz / Res I.S., Poplavko Yu.M. Dielectrics. Basic properties and applications in electronics. - M.: Radio and Communications, 1989, 288 pp. /.
Важно также, что современные лазерные интерферометрические методы позволяют регистрировать механические колебания с минимальной амплитудой порядка 10-4-10-5 нм в полосе частот от единиц герц до сотен мегагерц, при этом зондирующий луч может быть сфокусирован в пятно диаметром несколько десятков микрон /см., например, 1. А.И.Кондратьев, Ю.М.Криницын, С.А.Гусаков. Лазерные интерферометры для измерений ультразвуковых колебаний. Автометрия. 2000, №4, с.116-123; 2. П.В.Базылев. Двухканальный лазерный приемник ультразвуковых колебаний. ПТЭ, 2003, №1, с.110-111; 3. Патент (США) US 5909279 А от 17.03.1997. Ультразвуковой датчик с источником когерентного излучения и способ его применения/.It is also important that modern laser interferometric methods make it possible to detect mechanical vibrations with a minimum amplitude of the order of 10 -4 -10 -5 nm in the frequency band from units of hertz to hundreds of megahertz, while the probe beam can be focused into a spot with a diameter of several tens of microns / cm. , for example, 1. A.I. Kondratiev, Yu.M. Krinitsyn, S. A. Gusakov. Laser interferometers for measuring ultrasonic vibrations. Autometry. 2000, No. 4, p. 116-123; 2. P.V. Bazylev. Two-channel laser receiver of ultrasonic vibrations. PTE, 2003, No. 1, pp. 110-111; 3. Patent (USA) US 5909279 A dated 03/17/1997. Ultrasonic sensor with a coherent radiation source and method of its application.
Приведенные выше параметры известных пьезопреобразователей и интерферометров свидетельствуют о принципиальной возможности реализации предлагаемого способа при разработке электропьезооптических преобразователей информации для датчиков физических величин, генерирующих информативный электрический импульс с характерными амплитудой и длительностью, принадлежащих соответственно диапазонам 10-2-10+2 В и 10-1-10+2 МГц и выше.The above parameters of the known piezoelectric transducers and interferometers indicate the fundamental possibility of implementing the proposed method in the development of electro-piezoelectric information converters for physical quantity sensors generating an informative electric pulse with characteristic amplitude and duration, respectively, belonging to the ranges 10 -2 -10 +2 V and 10 -1 - 10 +2 MHz and higher.
Основные интерферометрические системы, использующиеся в экстремальных условиях при проведении взрывных экспериментов, рассмотрены в монографии /4. Методы исследования свойств материалов при интенсивных динамических нагрузках (гл.9. Лазерные доплеровские измерительные системы и их применение в ударно-волновых исследованиях.). Монография. Под общ. ред. д-ра физ.-мат. наук М.В.Жерноклетова. - Саров: ФГУП РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2003, 403 с., см. с.372/. Такие системы используются здесь для измерения скорости движущейся поверхности, а также распределения скорости по поверхности как в покадровом, так и в непрерывном многоканальном режиме.The main interferometric systems used under extreme conditions during explosive experiments are considered in monograph / 4. Methods for studying the properties of materials under intense dynamic loads (Chap. 9. Laser Doppler measuring systems and their application in shock wave studies.). Monograph. Under the total. ed. Dr. Phys.-Math. Sciences M.V.Zhernokletova. - Sarov: FSUE RFNC-VNIIEF, 2003, 403 p., See p. 372 /. Such systems are used here to measure the speed of a moving surface, as well as the distribution of speed over the surface in both single-frame and continuous multi-channel modes.
Положительным моментом является то, что предложенный способ позволяет расширить функциональные возможности названных систем и область их применения за счет возможности регистрации других физических характеристик исследуемых процессов, например профилей импульсов давления (напряжения), а также способствует унификации современных измерительных комплексов на основе многоканальных интерферометров. В ряде случаев использование способа позволяет улучшить характеристики самих датчиков за счет снижения их паразитной индуктивности или может оказаться единственно возможным путем получения информации. Ожидаемый экономический эффект при внедрении предлагаемого способа в рассматриваемые измерительные интерферометрические системы связан с возможностью использования обычных маломощных (десятки мВт) лазерных приемников для измерений ультразвуковых колебаний /1, 2/ вместо специализированных мощных (102-104 Вт) лазерных интерферометров /4/, стоимость которых больше приблизительно на порядок.A positive point is that the proposed method allows you to expand the functionality of these systems and the scope of their application due to the possibility of recording other physical characteristics of the studied processes, for example, pressure (voltage) pulse profiles, and also helps to unify modern measuring systems based on multichannel interferometers. In some cases, the use of the method improves the characteristics of the sensors themselves by reducing their parasitic inductance or may be the only possible way to obtain information. The expected economic effect when implementing the proposed method in the considered measuring interferometric systems is associated with the possibility of using conventional low-power (tens of MW) laser receivers for measuring ultrasonic vibrations / 1, 2 / instead of specialized powerful (10 2 -10 4 W) laser interferometers / 4 /, the cost of which is approximately an order of magnitude greater.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить помехозащищенность способа измерений от электромагнитных наводок и механических воздействий, расширить область его применения, а также повысить его информативность за счет возможности регистрации формы электрического импульса.Thus, the use of the proposed method allows to increase the noise immunity of the measurement method from electromagnetic interference and mechanical stresses, to expand its scope, and also to increase its information content due to the possibility of registering the shape of an electric pulse.
На фиг.1 представлен вариант схемы постановки опыта для регистрации параметров ударной волны во взрывном эксперименте, в котором реализуется заявляемый способ.Figure 1 presents a variant of the setup of the experiment for recording the parameters of the shock wave in an explosive experiment in which the inventive method is implemented.
На фиг.2 представлена пьезоэлектрическая схема нерезонансного электромеханического пьезопреобразователя в виде пьезоэлемента с демпфером на тыльной стороне, поясняющая его работу.Figure 2 presents the piezoelectric circuit of a non-resonant electromechanical piezoelectric transducer in the form of a piezoelectric element with a damper on the back side, explaining its operation.
На фиг.3 представлена амплитудно-временная зависимость скорости w(t) лицевой поверхности указанного нерезонансного электромеханического пьезопреобразователя.Figure 3 presents the amplitude-time dependence of the velocity w (t) of the front surface of the indicated non-resonant electromechanical piezoelectric transducer.
Заявляемый способ может быть реализован следующим образом. Во взрывном эксперименте (см. фиг.1) на пути распространения ударной волны (УВ) 1 размещается датчик физической величины (например, датчик импульсного давления) 2, электрический сигнал U(t) с которого поступает на вход нерезонансного электромеханического преобразователя (электропьезооптического преобразователя) 3. Датчик 2 и преобразователь 3 конструктивно объединены и размещены в одном корпусе 4, при этом преобразователь 3 расположен за датчиком 2 так, что УВ воздействует на него после прихода сигнала U(t). С помощью преобразователя 3 электрический информационный сигнал U(t) преобразуется в оптический аналог J(t) и поступает на вход лазерного приемника (интерферометра) 5 по волоконному световоду 6. Приемник 5 защищен от воздействия взрыва экраном 7. Преобразование информативного сигнала происходит в данном случае по следующему пути: параметр УВ (импульс давления p(t)) - электрический импульс U(t) датчика - импульс электрического поля E(t) в пьезоматериале преобразователя - импульс σ(t) механического напряжения в пьезоматериале за счет обратного пьезоэффекта - параметр движения (амплитудно-временные зависимости смещения x(t) или скорости w(t) ультразвуковых колебаний) поверхности нерезонансного преобразователя - оптический информационный сигнал J(t).The inventive method can be implemented as follows. In an explosive experiment (see Fig. 1), a physical quantity sensor (for example, a pulse pressure sensor) 2, an electric signal U (t) from which is fed to the input of a non-resonant electromechanical transducer (electropiezo-optical transducer), is placed on the path of shock wave (HC) 1
В качестве нерезонансного электромеханического преобразователя 3 (с коэффициентом электромеханической связи К2≪1), имеющего наиболее простую конструкцию, может быть использован, например, пьезоэлемент 8 в виде тонкого диска из кварца х-среза (см. фиг.2) толщиной d с электродами на основаниях 9 и 10, размещенный вплотную с демпфером 11. Демпфер 11, выполненный, например, из эпоксидной смолы с вольфрамовым порошковым наполнителем, акустически согласован с пьезоэлементом 8 и обеспечивает быстрое поглощение входящих в него акустических волн. Работа такого преобразователя основана на том, что акустические сигналы возникают на поверхностях (основаниях), несущих электроды 9 и 10. Если преобразователь возбудить коротким электрическим импульсом U(t) длительностью t0<d/c (где с - скорость упругих волн в кварце), то на электродах 9 и 10 появляются свободные электрические заряды и вследствие обратного пьезоэффекта оба его основания приходят в движение. Каждое основание работает как источник двух ультразвуковых волн (сжатия и растяжения, обозначенных на фиг.2 штриховыми линиями), излучаемых в двух направлениях (обозначенных на фиг.2 стрелками): в объем пьезоэлемента (волны σтп и σлп) и во внешнюю среду (волны σтд и σлн). В результате для случая, показанного на фиг.2 и определенного направлением вектора скорости w(t), на лицевой поверхности 9 возникает два акустических импульса: первый импульс (волна растяжения σлп в пьезоэлементе), излучаемый лицевой стороной с момента времени t=0; второй импульс (волна сжатия σтп в пьезоэлементе), излучаемый с момента времени t=0 тыльной поверхностью 10 и приходящий на лицевую поверхность 9 в момент t=Т=d/c, то есть с задержкой, соответствующей времени распространения упругой волны по пьезоэлементу. Временная диаграмма этих импульсов σ(t) имеет вид двух импульсов взаимно противоположной полярности, следующих через интервал времени Т (см. фиг.3). При этом для первого импульса справедливы соотношения σ1(t)~E(t)~U(t)~w1(t), для второго - σ2(t-T)~E(t)~U(t)~w2(t-Т). Для обоих импульсов закон сохранения импульса записывается в виде σ(t)=-w(t)·Z, где Z - акустический импеданс кварца. Вследствие различных граничных условий (условий акустического согласования) на тыльной и лицевой поверхностях пьезоэлемента амплитуда второго импульса приблизительно в два раза меньше первого. Однако форма обоих импульсов одинакова и совпадает с формой исследуемого импульса U(t), поскольку для кварца справедливо соотношение К2=0,009≪1 и приведенные выше рассуждения. Отметим, что все волны, прошедшие влево через тыльную поверхность 10, поглощаются демпфером 11, отражение на тыльной поверхности 10 отсутствует.As a non-resonant electromechanical transducer 3 (with an electromechanical coupling coefficient K 2 ≪1) having the simplest design, for example, a
Прецизионное измерение скорости лицевой поверхности w(t) непосредственно или ее смещения с последующим дифференцированием и определением w(t) расчетным путем производится с помощью оптического канала, содержащего (отражающую) лицевую поверхность электрода 9 и волоконный световод 6, торец которого направлен к центру пьезоэлемента 8. Волоконный световод 6 обеспечивает передачу оптических сигналов к оптическому регистратору, например лазерному интерферометру для измерений ультразвуковых колебаний /см., например, приведенные выше ссылки 1, 2/. Параметры исследуемого импульса U(t) можно определить из простого соотношения, вытекающего из уравнения обратного пьезоэффекта и закона сохранения импульса для упругой волны при рассматриваемых граничных условиях, а именноA precision measurement of the velocity of the front surface w (t) directly or its displacement, followed by differentiation and determination of w (t) by calculation, is carried out using an optical channel containing (reflecting) the front surface of the
U(t)=w(t)·d·Z/е11 при 0≤t<Т,U (t) = w (t) · d · Z / e 11 at 0≤t <T,
где е11 - пьезоконстанта для кварца.where e 11 is the piezoelectric constant for quartz.
Очевидно, что параметры импульса U(t) можно определить также по зависимости w(t) для второго импульса на фиг.3 (при t≥T). В случае, если длительность исследуемого импульса t0>d/c=Т, то импульсы на фиг.3 накладываются друг на друга с момента t=Т и требуется восстановление (фильтрация) первого импульса в интервале Т<t≤t0. Эту операцию легко осуществить расчетным путем, исходя из подобия обоих импульсов и зная параметры первого импульса в интервале 0≤t<Т.Obviously, the pulse parameters U (t) can also be determined from the dependence w (t) for the second pulse in Fig. 3 (at t≥T). If the duration of the studied pulse t 0 > d / c = T, then the pulses in figure 3 are superimposed on each other from the moment t = T and restoration (filtering) of the first pulse in the interval T <t≤t 0 is required. This operation is easy to carry out by calculation, proceeding from the similarity of both pulses and knowing the parameters of the first pulse in the
Ожидаемая погрешность измерения давления в рассматриваемом примере составляет 5-10%.The expected error of pressure measurement in this example is 5-10%.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить помехозащищенность способа измерений от электромагнитных наводок и механических воздействий, расширить область его применения, а также повысить его информативность за счет возможности регистрации формы электрического импульса.Thus, the use of the proposed method allows to increase the noise immunity of the measurement method from electromagnetic interference and mechanical stresses, to expand its scope, and also to increase its information content due to the possibility of registering the shape of an electric pulse.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005118290/28A RU2297640C2 (en) | 2005-06-14 | 2005-06-14 | Method of measurement of electric pulse parameters |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005118290/28A RU2297640C2 (en) | 2005-06-14 | 2005-06-14 | Method of measurement of electric pulse parameters |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005118290A RU2005118290A (en) | 2006-12-20 |
RU2297640C2 true RU2297640C2 (en) | 2007-04-20 |
Family
ID=37666605
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005118290/28A RU2297640C2 (en) | 2005-06-14 | 2005-06-14 | Method of measurement of electric pulse parameters |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2297640C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2675076C1 (en) * | 2017-12-05 | 2018-12-14 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Method of measuring frequency characteristics of mechanical constructions by optical method |
-
2005
- 2005-06-14 RU RU2005118290/28A patent/RU2297640C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
И.Г.ТОЛСТИКОВ (РФЯЦ - ВНИИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ, Саров) "Новые методы измерения параметров ударных волн",. VIII конференция "Забабахинские научные чтения", г.Снежинок, 5-9 сентября 2005 г. * |
КОРОЛЕВ М.В. и КАРПЕЛЬСОН А.Е. Широкополосные. ультразвуковые пьезопреобразователи. - М.: Машиностроение, 1982, с.82-92. А.И.МОРОЗОВ, В.В.ПРОКЛОВ, Б.А.СТАНКОВСКИЙ "ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ", М.: Радио и связь, 1981, с.24-27. * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2675076C1 (en) * | 2017-12-05 | 2018-12-14 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" | Method of measuring frequency characteristics of mechanical constructions by optical method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005118290A (en) | 2006-12-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Alleyne et al. | A 2-dimensional Fourier transform method for the quantitative measurement of Lamb modes | |
Liu et al. | Piezoelectric coefficient measurement of piezoelectric thin films: an overview | |
JPH0525045B2 (en) | ||
Dewhurst et al. | Comparative study of wide-band ultrasonic transducers | |
Bruttomesso et al. | Development of interferometer for acoustic emission testing | |
Scruby et al. | A new technique for the measurement of acoustic emission transients and their relationship to crack propagation | |
RU2297640C2 (en) | Method of measurement of electric pulse parameters | |
US3276249A (en) | Ultrasonic measuring apparatus | |
US4649750A (en) | Acoustic radiation stress measurement | |
US6584848B1 (en) | Non-destructive evaluation method employing dielectric electrostatic ultrasonic transducers | |
Theobald et al. | Acoustic emission transducers—development of a facility for traceable out-of-plane displacement calibration | |
Cantrell Jr et al. | Elimination of transducer bond corrections in accurate ultrasonic‐wave velocity measurements by use of capacitive transducers | |
Miller et al. | Sampled‐cw Study of``Inhomogeneous''Ultrasonic Responses in Solids | |
JPH0560551B2 (en) | ||
US2847853A (en) | Measuring apparatus employing ultrasonic waves | |
Bernstein | Improvements to the Electrically Stimulated Acoustic Wave method for analyzing bulk space charge | |
Yan et al. | A conical piezoelectric transducer with integral sensor as a self-calibrating acoustic emission energy source | |
Aindow et al. | A spherical capacitance transducer for ultrasonic displacement measurements in NDE | |
RU2285266C1 (en) | Capacitive sensor | |
Rupitsch et al. | Measurement of Physical Quantities and Process Measurement Technology | |
Birchmeier et al. | Experimental characterization of Active Fiber Composites used as piezoelectric transducers for emitting and receiving Lamb waves in plate-like structures | |
SU1714381A1 (en) | Acoustic vibration amplitude tester | |
JPH03262909A (en) | Ultrasonic measuring instrument | |
Keprt et al. | Progress in primary calibration of acoustic emission sensors | |
Shaw et al. | Development and characterization of a differential interferometer setup using ultra-wideband SAW devices |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080615 |