RU2815206C1

RU2815206C1 - Photoelastic pressure sensor

Info

Publication number: RU2815206C1
Application number: RU2023132908A
Authority: RU
Inventors: Виктор Михайлович Абашев; Георгий Алексеевич Козлов
Filing date: 2023-12-12
Publication date: 2024-03-12

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, namely to devices for measuring static pressure in supersonic gas-dynamic internal channels of structural elements. Device comprises coaxially located and glued inner cylinder with outer structural element and polarization-optical unit. External element of structure is fixed along external surfaces and is made in the form of rectangular ribs located along generatrix of internal cylinder and uniformly distributed in circumferential direction. One of the ribs is equipped with at least one small hole, and the static pressure measurement accuracy is determined by optimal ratios.

EFFECT: high accuracy of measuring rapidly varying and non-uniformly acting static pressure.

1 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для измерения статического давления в сверхзвуковых газодинамических внутренних трактах элементов конструкции.The invention relates to mechanical engineering, namely to devices for measuring static pressure in supersonic gas-dynamic internal paths of structural elements.

Известен насадок статического давления по кн. Лепешинского И.А. Газодинамика одно- и двухфазных течений в реактивных двигателях / М., Изд-во МАИ, 2003. - 276 с. (с. 214-216, рис. 8.1), представляющий собой трубку, присоединенную с одной стороны к дренажному отверстию элемента конструкции, имеющего внутренний тракт, а с другой стороны - к измерителю давления. Под действием собственного давления газ из внутреннего тракта последовательно проходит через дренажное отверстие, трубку и подводится к измерителю давления. Диаметр дренажного отверстия находится в диапазоне 0,3…0,8 мм. Диаметр трубки в 2,0…2,5 раза больше диаметра дренажного отверстия. Измерение давления осуществляется манометрами, пьезометрами или датчиками с электрическими преобразователями сигнала. Погрешность измерения статического давления составляет примерно 1%. Однако эта величина ухудшается с увеличением длины трубки, что часто встречается при регистрации статического давления в экспериментальных моделях, испытываемых в аэродинамических трубах. Кроме того, в сверхзвуковом газовом потоке возникает пограничный слой, прилегающий к обтекаемой поверхности внутреннего тракта. Он оказывает значительное влияние на увеличение погрешности измерения. Особенно большая ошибка измерения возникает при ламинарном пристеночном потоке.Known static pressure nozzles according to the book. Lepeshinsky I.A. Gas dynamics of one- and two-phase flows in jet engines / M., MAI Publishing House, 2003. - 276 p. (p. 214-216, Fig. 8.1), which is a tube connected on one side to the drainage hole of a structural element having an internal path, and on the other side to a pressure meter. Under the influence of its own pressure, gas from the internal path sequentially passes through the drainage hole, the tube and is supplied to the pressure meter. The diameter of the drainage hole is in the range of 0.3...0.8 mm. The diameter of the tube is 2.0...2.5 times larger than the diameter of the drainage hole. Pressure is measured using pressure gauges, piezometers or sensors with electrical signal converters. The error in static pressure measurement is approximately 1%. However, this value deteriorates with increasing tube length, which is often encountered when recording static pressure in experimental models tested in wind tunnels. In addition, a boundary layer appears in a supersonic gas flow adjacent to the streamlined surface of the internal duct. It has a significant impact on increasing the measurement error. A particularly large measurement error occurs with laminar wall flow.

Известно косвенное определение величины статического давления при измерении деформации наружной поверхности элемента конструкции. С этой целью применяются тензодатчики по кн. Феодосьев В. И. Сопротивление материалов/ М., Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1972.- 544 с. (с. 512-516, рис. 574-579), которые регистрируют деформации с точностью 1…3%. Измерение осуществляется гальванометром, показания которого пропорциональны сопротивлению датчика и, следовательно, замеряемой деформации. Однако это устройство очень чувствительно к изменению температуры. Компенсация этого эффекта приводит к более сложной и громоздкой системе измерения, практически не работоспособной при воздействии сверхзвукового газового потока на обтекаемую поверхность внутреннего тракта элемента конструкции. Кроме того, при быстропротекающих колебательных процессах не удается регистрировать результирующие сигналы с требуемой точностью. Также следует отметить, что обычно оперируют не с деформациями, а с напряжениями. Напряжения вычисляются в зависимости от измеренных величин деформации с помощью известных численных методов, что приводит к увеличению ошибки измерения. Например, ошибка вычислений напряжений наиболее распространенного численного метода конечных элементов находится в диапазоне 15…25% по учебному пособию Абашев В. М. Основы метода конечных элементов// М., Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2008. - 84с. (с. 79-81).It is known to indirectly determine the value of static pressure when measuring the deformation of the outer surface of a structural element. For this purpose, strain gauges according to the book are used. Feodosyev V.I. Strength of materials / M., Main editorial office of physical and mathematical literature of the Nauka publishing house, 1972. - 544 p. (p. 512-516, fig. 574-579), which record deformations with an accuracy of 1...3%. The measurement is carried out by a galvanometer, the readings of which are proportional to the resistance of the sensor and, therefore, to the measured deformation. However, this device is very sensitive to temperature changes. Compensation for this effect leads to a more complex and cumbersome measurement system, which is practically inoperable when exposed to a supersonic gas flow on the streamlined surface of the internal path of a structural element. In addition, with fast oscillatory processes, it is not possible to record the resulting signals with the required accuracy. It should also be noted that they usually operate not with deformations, but with stresses. Stresses are calculated depending on the measured strain values using known numerical methods, which leads to an increase in measurement error. For example, the error in stress calculations of the most common numerical finite element method is in the range of 15...25% according to the textbook Abashev V. M. Fundamentals of the finite element method // M., MAI-PRINT Publishing House, 2008. - 84 p. (pp. 79-81).

Известна поляризационно-оптическая установка по кн. Тимошенко С. П., Гудьер Дж. Теория упругости - 2-е изд./ М., Наука, 1979. - 560 с. (с. 162-167, рис. 99-102), содержащая расположенные на одной оси: источник света, поляризатор, модель, анализатор, экран и линзы. Установка реализует экспериментальный метод фотоупругости, основанный на эффекте двойного лучепреломления в нагруженной силами модели, сделанной из анизотропного оптически чувствительного материала. Точность измерения напряжений составляет 1…3%. Однако такая установка не позволяет регистрировать и анализировать напряжения при снятии нагрузки.A known polarization-optical installation according to the book. Timoshenko S.P., Goodyear J. Theory of elasticity - 2nd ed. / M., Nauka, 1979. - 560 p. (p. 162-167, Fig. 99-102), containing located on the same axis: light source, polarizer, model, analyzer, screen and lenses. The setup implements an experimental photoelasticity method based on the effect of birefringence in a force-loaded model made of an anisotropic optically sensitive material. The voltage measurement accuracy is 1…3%. However, this setup does not allow recording and analyzing stresses when the load is removed.

Известен «Фотоупругий датчик для измерения модуля упругости горных пород» по авторскому свидетельству СССР №933998, кл. E21С 39/00, опубл. в БИ №21 за 1982 г. Датчик содержит цилиндрический элемент и коаксиально расположенный внутренний цилиндр. Цилиндрический элемент состоит из двух полуцилиндров, выполненных из прочных материалов, имеющих разные модули упругости. Внутренний цилиндр сделан из анизотропного оптически чувствительного материла. Сжимающая нагрузка, возникающая от действия горной породы, передается на наружную поверхность внутреннего цилиндра, что вызывает оптическую картину полос, соответствующих определенной величине разности главных напряжений. Центральное отверстие цилиндра служит для стабилизации картины распределения полос разности главных напряжений. Недостатком датчика является то, что внутренний цилиндр не способен выдерживать большие по величине нагрузки и не определен его диаметр центрального отверстия.Known for "Photoelastic sensor for measuring the elastic modulus of rocks" according to the USSR author's certificate No. 933998, class. E21С 39/00, publ. in BI No. 21 for 1982. The sensor contains a cylindrical element and a coaxially located internal cylinder. The cylindrical element consists of two half-cylinders made of durable materials with different elastic moduli. The inner cylinder is made of anisotropic optically sensitive material. The compressive load arising from the action of the rock is transferred to the outer surface of the inner cylinder, which causes an optical pattern of stripes corresponding to a certain value of the difference in the principal stresses. The central hole of the cylinder serves to stabilize the distribution pattern of the principal stress difference bands. The disadvantage of the sensor is that the inner cylinder is not able to withstand large loads and its central hole diameter is not determined.

Наиболее близким к предложенному датчику по техническому решению и совокупности отдельных признаков является фотоупругий датчик напряжений по патенту Российской Федерации № 2431115, кл. G01B 11/16, опубл. в БИ №28 за 2011 г. Датчик состоит из двух коаксиальных цилиндров, слоя клея, заполняющего радиальный зазор между ними, и зеркального слоя. Внешний цилиндр образован двумя полуцилиндрами, выполненными из прочного материала, например, металла. Внутренний цилиндр имеет малое осевое отверстие, служащее концентратором напряжений, и сделан из анизотропного оптически чувствительного материала. Зеркальный слой нанесен на торцевую поверхность внутреннего цилиндра.The closest to the proposed sensor in terms of technical solution and set of individual features is the photoelastic stress sensor according to the patent of the Russian Federation No. 2431115, class. G01B 11/16, publ. in BI No. 28 for 2011. The sensor consists of two coaxial cylinders, a layer of glue that fills the radial gap between them, and a mirror layer. The outer cylinder is formed by two half-cylinders made of durable material, such as metal. The inner cylinder has a small axial hole that serves as a stress concentrator and is made of an anisotropic optically sensitive material. The mirror layer is applied to the end surface of the inner cylinder.

Источником нагрузки является цилиндрическая поверхность скважины с нанесенным слоем водоцементного раствора. После затвердевания цемента, на наружные поверхности внешних полуцилиндров действует предварительная распределенная сжимающая нагрузка. Нагрузка передается на внутренний цилиндр. Применяя метод фотоупругости, регистрируют распределение разности главных напряжений около осевого отверстия внутреннего цилиндра. Изменение нагрузки, действующей со стороны поверхности скважины, приводит к соответствующему изменению распределения разности главных напряжений около осевого отверстия внутреннего цилиндра. Соотношение между нагрузкой и распределением разности главных напряжений предварительно определяется при тарировочных испытаниях.The source of the load is the cylindrical surface of the well with a layer of water-cement mortar applied. After the cement hardens, a preliminary distributed compressive load acts on the outer surfaces of the outer half-cylinders. The load is transferred to the inner cylinder. Using the photoelasticity method, the distribution of the difference in principal stresses near the axial hole of the inner cylinder is recorded. A change in the load acting from the well surface leads to a corresponding change in the distribution of the difference in principal stresses near the axial hole of the inner cylinder. The relationship between the load and the distribution of the difference in principal stresses is preliminarily determined during calibration tests.

Для обеспечения точности, стабильности регистрации картины распределения разности главных напряжений и работоспособности, датчик имеет оптимальные соотношения: величина радиального зазора Δ между цилиндрами находится в диапазоне Δ ≤ 0,8 мм и он заполнен самотвердеющим клеем, модуль Е_к, упругости которого в отвержденном состоянии 0,7Е_ом≤Е_к≤Е_ом (Е_ом - модуль упругости материала внутреннего цилиндра); отношение диаметра d осевого отверстия к наружному диаметру D внутреннего цилиндра 1/6 ≤ d/D ≤ 1/3; толщина t стенки внешнего цилиндра t=f(σ_max), σ_max ≤ [σ], где σ_max - максимальное предварительное напряжение во внутреннем цилиндре, [σ] - допустимый прирост напряжений во внутреннем цилиндре.To ensure accuracy and stability of recording the distribution pattern of the difference in principal stresses and operability, the sensor has optimal ratios: the value of the radial gap Δ between the cylinders is in the range Δ ≤ 0.8 mm and it is filled with self-hardening glue, modulus E _k , the elasticity of which in the cured state is 0 .7E _ohm ≤E _to ≤E _ohm (E _ohm is the elastic modulus of the material of the inner cylinder); the ratio of the diameter d of the axial hole to the outer diameter D of the inner cylinder is 1/6 ≤ d/D ≤ 1/3; thickness t of the wall of the outer cylinder t=f(σ _max ), σ _max ≤ [σ], where σ _max is the maximum prestress in the inner cylinder, [σ] is the permissible increase in stress in the inner cylinder.

К недостатку устройства относится отсутствие возможности измерять статическое давление во внутреннем тракте, образованным малым осевым отверстием внутреннего цилиндра. Этот цилиндр выполнен из анизотропного оптически чувствительного материала, имеющего низкие прочностные характеристики. Внутренний цилиндр разрушается при действии определенной величины статического давления во внутреннем тракте.A disadvantage of the device is the inability to measure static pressure in the internal tract formed by the small axial hole of the inner cylinder. This cylinder is made of an anisotropic optically sensitive material with low strength characteristics. The inner cylinder is destroyed under the action of a certain amount of static pressure in the internal tract.

Еще одним недостатком является то, что в датчике не предусмотрена регистрация напряжений при быстро меняющейся и неравномерно действующей вдоль внутреннего тракта нагрузке.Another disadvantage is that the sensor does not provide for recording voltages under rapidly changing and unevenly acting load along the internal path.

К недостатку устройства также относится неопределенное численное значение величины предварительной нагрузки, действующей на наружную поверхность внутреннего цилиндра. Предварительная нагрузка создается за счет физического процесса затвердевания цемента в зазоре между скважиной и внешними полуцилиндрами. Требуются дополнительные предварительные измерения напряжений. Кроме того, неравномерное распределение этой нагрузки в окружном направлении приводит к искажению поля напряжений во внутреннем цилиндре и снижению точности измерения. Another disadvantage of the device is the indefinite numerical value of the preload acting on the outer surface of the inner cylinder. The preload is created by the physical process of cement hardening in the gap between the borehole and the outer half-cylinders. Additional preliminary voltage measurements are required. In addition, the uneven distribution of this load in the circumferential direction leads to a distortion of the stress field in the inner cylinder and a decrease in the measurement accuracy.

Цель изобретения - определение быстро меняющегося и неравномерно действующего статического давления сверхзвукового газового потока вдоль внутреннего тракта испытываемого элемента конструкции с использованием фотоупругого датчика давления. The purpose of the invention is to determine the rapidly changing and unevenly acting static pressure of a supersonic gas flow along the internal path of a tested structural element using a photoelastic pressure sensor.

Техническим результатом, при осуществлении заявляемого изобретения, является повышение точности измерения быстро меняющегося и неравномерно действующего статического давления сверхзвукового газового потока вдоль внутреннего тракта испытываемого элемента конструкции за счет применения оптического метода фотоупругости.The technical result, when implementing the claimed invention, is to increase the accuracy of measuring the rapidly changing and unevenly acting static pressure of a supersonic gas flow along the internal path of the tested structural element through the use of the optical photoelasticity method.

Технический результат достигается тем, что устройство содержит внутренний цилиндр и приклеенные к нему прямоугольные продольные ребра, неподвижно закреплённые по наружным поверхностям и равномерно распределенные в окружном направлении, причем одно из ребер снабжено по крайней мере одним малым отверстием, а точность измерения статического давления определяются оптимальными соотношениями:The technical result is achieved by the fact that the device contains an internal cylinder and rectangular longitudinal ribs glued to it, fixedly fixed on the outer surfaces and evenly distributed in the circumferential direction, and one of the ribs is equipped with at least one small hole, and the accuracy of static pressure measurement is determined by optimal ratios :

• h/d= 12…15, где h - высотаребра d - диаметр малого отверстия;• h/d= 12…15, where h is the height of the fin d is the diameter of the small hole;

• δ = 10…20 мм, где δ - толщина ребра;• δ = 10…20 mm, where δ is the rib thickness;

• m > 1, где m - количество отверстий при одновременном измерении нескольких величин статического давления во внутреннем тракте испытываемого элемента конструкции;• m > 1, where m is the number of holes when simultaneously measuring several values of static pressure in the internal path of the tested structural element;

• l/d= 2…3 при m > 1, где l - расстояние между вертикальными осями малых отверстий.• l/d= 2…3 for m > 1, where l is the distance between the vertical axes of small holes.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1, 2 показаны объемное изображение, продольное и поперечное сечения фотоупругого датчика давления (далее датчика). Датчик содержит: внутренний цилиндр 1 и, приклеенные к нему, ребра 2. Ребра расположены в осевом направлении вдоль образующей цилиндра и имеют прямоугольное сечение. Количество ребер определяется условием прочности датчика и симметричностью распределения нагрузки. В одном из ребер сделано малое отверстие 3, являющееся концентратором напряжений. Возможно выполнение ряда отверстий, расположенных вдоль ребра. Их количество зависит от числа мест замера давления.The essence of the invention is illustrated by drawings, where in Fig. 1, 2 show a three-dimensional image, longitudinal and cross sections of a photoelastic pressure sensor (hereinafter referred to as the sensor). Sensor contains: inner cylinder 1 and, glued to it, ribs 2. The ribs are located in the axial direction along the generatrix of the cylinder and have a rectangular cross-section. The number of ribs is determined by the strength of the sensor and the symmetry of the load distribution. A small hole 3 is made in one of the ribs, which serves as a stress concentrator. It is possible to make a number of holes located along the edge. Their number depends on the number of pressure measurement points.

Датчик скреплен с неподвижными опорами 4 стенда. Он воспринимает нагрузку по внутренней поверхности 5 цилиндра 1.The sensor is attached to fixed supports 4 of the stand. It takes the load along the inner surface 5 of cylinder 1.

Внутренний цилиндр и ребра сделаны из анизотропного оптически чувствительного материала, например, эпоксидной смолы. Напряжения, возникающие около малого отверстия, регистрируются поляризационно-оптической установкой 6. По картине распределения напряжений и их численным значениям определяют величину статического давления.The inner cylinder and fins are made of an anisotropic optically sensitive material such as epoxy resin. The stresses arising near the small hole are recorded by a polarization-optical installation 6. The value of the static pressure is determined from the stress distribution pattern and their numerical values.

На фиг. 3 показана картина распределения полос разности главных напряжений при сжатии ребра, которую фиксирует поляризационно-оптическая установка, реализуя метод фотоупругости. Картина полос устойчива и стабильна. Она зависит от величины сжимающей силы.In fig. Figure 3 shows the distribution of bands of the difference in principal stresses during rib compression, which is recorded by a polarization-optical installation using the photoelasticity method. The stripe pattern is stable and stable. It depends on the magnitude of the compressive force.

На фиг. 4 представлен датчик с осевым рядом малых отверстий. Здесь рассмотрен случай, когда на внутреннюю поверхность цилиндра датчика действует меняющаяся по его длине нагрузка от статического давления. В этом случае определяется величина статического давления одновременно в нескольких местах. In fig. Figure 4 shows a sensor with an axial row of small holes. Here we consider the case when the inner surface of the sensor cylinder is subjected to a load from static pressure that varies along its length. In this case, the value of static pressure is determined simultaneously in several places.

На фиг. 5 показаны расчетная схема и на фиг. 6 деформация датчика с тремя малыми отверстиями в ребре при действии изменяемого по его длине статического давления. Распределенная нагрузка в каждой из областей A, B, C постоянна и различается по величине. Это определяет различные картины распределения напряжений около отверстий.In fig. 5 shows the design diagram and FIG. 6 deformation of a sensor with three small holes in the rib under the action of static pressure varying along its length. The distributed load in each of the areas A, B, C is constant and varies in magnitude. This determines different stress distribution patterns around the holes.

На фиг. 7, 8, 9 представлены картины распределения разности главных напряжений около, соответственно, левого, среднего и правого отверстий датчика с тремя малыми отверстиями в ребре.In fig. 7, 8, 9 show the distribution patterns of the difference in principal stresses near, respectively, the left, middle and right holes of the sensor with three small holes in the rib.

Перед испытанием датчик устанавливается соосно на испытываемый элемент конструкции 4 по внутренней поверхности цилиндра и неподвижно крепится по всем наружным поверхностям ребер к опорам 3 стенда (фиг. 4). Испытываемый элемент конструкции имеет наружную поверхность, соответствующую внутренней поверхности цилиндра датчика, и сквозной внутренний канал, являющийся внутренним трактом сверхзвукового газового потока, движущегося со скоростью, соответствующей числу Маха М > 1.Before testing, the sensor is installed coaxially on the tested structural element 4 along the inner surface of the cylinder and is fixedly attached along all the outer surfaces of the ribs to the supports 3 of the stand (Fig. 4). The tested structural element has an outer surface corresponding to the inner surface of the sensor cylinder, and a through internal channel, which is the internal path of a supersonic gas flow moving at a speed corresponding to the Mach number M > 1.

Во время эксперимента сверхзвуковой поток газа проходит через внутренний тракт испытываемого элемента конструкции. Возникает распределенная нагрузка от статического давления газа, действующая на поверхность внутреннего тракта. Эта нагрузка передается к ребрам через испытываемый элемент, клеевой состав и внутренний цилиндр датчика. Ребра сжимаются, так как они закреплены опорами стенда. Вокруг малых отверстий образуются стабильные и устойчивые картины напряжений. Разность главных напряжений фиксируется поляризационно-оптической установкой. Сигналы от установки передаются на компьютер для хранения информации и проведения анализа, основанного на сравнении полученных данных с результатами тестовых расчетов. По величинам разности главных напряжений, возникающих около отверстий, определяют величину статического давления, действующего на поверхность внутреннего тракта испытываемого элемента конструкции. Таким образом, пограничный слой, возникающий около обтекаемой поверхности внутреннего тракта при сверхзвуковом газовом потоке, не оказывает влияния на результат измерения статического давления, в отличие от традиционных устройств.During the experiment, a supersonic gas flow passes through the internal path of the tested structural element. A distributed load arises from the static gas pressure acting on the surface of the internal path. This load is transferred to the fins through the test element, the adhesive and the inner cylinder of the sensor. The ribs are compressed as they are secured by the stand supports. Stable and consistent stress patterns develop around small holes. The difference in the principal voltages is recorded by a polarization-optical installation. Signals from the installation are transmitted to a computer to store information and carry out analysis based on comparison of the received data with the results of test calculations. Based on the difference in principal stresses that arise near the holes, the magnitude of the static pressure acting on the surface of the internal path of the tested structural element is determined. Thus, the boundary layer that appears near the streamlined surface of the internal duct during a supersonic gas flow does not affect the result of measuring static pressure, in contrast to traditional devices.

Поляризационно-оптическая установка реализует экспериментальный оптический метод фотоупругости. Метод основан на эффекте двойного лучепреломления в анизотропном оптически чувствительном материале, нагруженном силами. Двойное лучепреломление является оптическим свойством кристаллического тела и анизотропного вещества (типа стекла, эпоксидной смолы и др.). Это свойство исчезает при снятии нагрузки.The polarization-optical installation implements the experimental optical method of photoelasticity. The method is based on the effect of birefringence in an anisotropic optically sensitive material loaded with forces. Birefringence is an optical property of a crystalline solid and an anisotropic substance (such as glass, epoxy resin, etc.). This property disappears when the load is removed.

В поляризационно-оптической установке луч поляризованного света после поляризатора проходит через нагруженное ребро с малым отверстием и разлагается на две составляющие волны, которые движутся в направлении двух взаимно перпендикулярных плоскостей. Эти плоскости соответствуют плоскостям, где действуют главные напряжения σ₁ и σ₂. Так как материал анизотропный, то скорости распространения волн различны. Следовательно, образуется разность хода для взаимно распространяющихся составляющих волны. Пройдя анализатор, проекции волн накладываются друг на друга и появляется эффект интерференции, с образованием картины полос разности главных напряжений около малого отверстия. Эта картина записывается высокоскоростной кинокамерой и передается на компьютер для анализа результатов. Картина полос содержит совокупность отдельных полос, по которым определяются величины разности главных напряжений.In a polarization-optical installation, a beam of polarized light after a polarizer passes through a loaded rib with a small hole and is decomposed into two component waves that move in the direction of two mutually perpendicular planes. These planes correspond to the planes where the main stresses σ ₁ and σ ₂ act. Since the material is anisotropic, the speeds of wave propagation are different. Consequently, a path difference is formed for the mutually propagating wave components. Having passed through the analyzer, the projections of the waves overlap each other and an interference effect appears, forming a pattern of stripes of principal stress differences near the small hole. This picture is recorded by a high-speed movie camera and transferred to a computer for analysis of the results. The pattern of stripes contains a set of individual stripes, from which the values of the difference in the principal stresses are determined.

Для получения функционального соотношения между величинами статического давления во внутреннем тракте испытываемого элемента конструкции и картинами полос разности главных напряжений около малых отверстий, предусмотрены тарировочные экспериментальные и тестовые численные исследования. Определяются тарировочные функции: величины напряжений и сил в месте соединения внутреннего цилиндра датчика с ребром в зависимости от величины статического давления во внутреннем тракте испытываемого элемента конструкции; картины полос разности главных напряжений в зависимости от силы в месте соединения внутреннего цилиндра датчика с ребром.To obtain a functional relationship between the values of static pressure in the internal path of the tested structural element and the patterns of bands of principal stress differences near small holes, calibration experimental and test numerical studies are provided. Calibration functions are determined: the magnitude of stresses and forces at the junction of the inner cylinder of the sensor with the rib, depending on the magnitude of static pressure in the internal path of the tested structural element; patterns of stripes of the difference in principal stresses depending on the force at the junction of the inner cylinder of the sensor with the rib.

Численные значения вычисляются с помощью компьютерных систем САПР, например, SolidWorks/COSMOSWorks по кн. Алямовский А. А. Инженерный анализ методом конечных элементов. - М.: ДМК Пресс, 2004. - 432 с. (с. 1-9). Тарировочные эксперименты выполняются с использованием тензодатчиков, наклеенных на наружную поверхность внутреннего цилиндра датчика.Numerical values are calculated using computer CAD systems, for example, SolidWorks/COSMOSWorks according to the book. Alyamovsky A. A. Engineering analysis using the finite element method. - M.: DMK Press, 2004. - 432 p. (pp. 1-9). Calibration experiments are performed using strain gauges glued to the outer surface of the inner cylinder of the sensor.

На ребре может быть выполнено одно или несколько малых отверстий (фиг. 1, 2, 4). Если величина статического давления во внутреннем тракте испытываемого элемента конструкции постоянна, то для измерения его значения достаточно одного отверстия. Типичное распределения полос разности главных напряжений показан на фиг. 3. Если величина статического давления меняется по длине внутреннего тракта, то в ребре выполняется несколько малых отверстий (фиг. 4) для регистрации величин давления вдоль тракта. Для этого тракт представляется совокупностью областей 1, 2,…n измерения. Вертикальная ось каждого малого отверстия совпадает с серединой соответствующей области. One or more small holes can be made on the edge (Fig. 1, 2, 4). If the value of static pressure in the internal path of the tested structural element is constant, then one hole is sufficient to measure its value. A typical distribution of principal stress difference bands is shown in Fig. 3. If the value of static pressure changes along the length of the internal tract, then several small holes are made in the rib (Fig. 4) to record pressure values along the tract. For this purpose, the path is represented by a set of areas of 1, 2,…n dimensions. The vertical axis of each small hole coincides with the middle of the corresponding region.

Условием точного измерения является отсутствие возможности взаимного влияния полос разности главных напряжений соседних отверстий и краевых зон ребра. На основе численных исследований, выполненных с использованием компьютерной системы SolidWorks/COSMOSWorks, получены оптимальные соотношения, определяющие геометрические места расположения малых отверстий в ребре. Осевое расстояние между отверстиями соответствует отношению l/d= 2…3, где l - расстояние между вертикальными осями малых отверстий, d - диаметр малого отверстия. Высота, толщина и количество ребер определяются не только их прочностными характеристиками, но и условиями точности измерений. Следует выбирать эти параметры так, чтобы не было взаимного влияния полос разности главных напряжений, между отверстием и краевыми областями ребра в радиальном направлении, т.е. наружной поверхностью ребра и местом соединения ребра с внутренним цилиндром датчика. Эти условия выполняются при h/d= 12…15, где h - высота ребра. Величина δ=10…20 мм толщины ребра определяется технологией визуализации результатов методом фотоупругости.The condition for accurate measurement is the absence of the possibility of mutual influence of the principal stress difference bands of adjacent holes and edge zones of the rib. Based on numerical studies performed using the SolidWorks/COSMOSWorks computer system, optimal relationships were obtained that determine the geometric locations of small holes in the rib. The axial distance between the holes corresponds to the ratio l/d= 2…3, where l is the distance between the vertical axes of the small holes, d is the diameter of the small hole. The height, thickness and number of ribs are determined not only by their strength characteristics, but also by the conditions of measurement accuracy. These parameters should be chosen so that there is no mutual influence of the principal stress difference bands between the hole and the edge regions of the rib in the radial direction, i.e. the outer surface of the rib and the junction of the rib with the inner cylinder of the sensor. These conditions are met at h/d= 12…15, where h is the rib height. The value δ=10...20 mm of the rib thickness is determined by the technology of visualizing the results using the photoelasticity method.

Расчеты проводись при обеспечении условий прочности металлического испытываемого элемента конструкции и анизотропного оптически чувствительного материала. Величина температуры сверхзвукового газового потока определяется значением предельной температуры внутреннего цилиндра и ребер датчика, например, не более 180…200°С для эпоксидной смолы.Calculations were carried out while ensuring the strength conditions of the metal structural element being tested and the anisotropic optically sensitive material. The temperature of the supersonic gas flow is determined by the maximum temperature of the inner cylinder and sensor fins, for example, no more than 180...200°C for epoxy resin.

На фиг. 5 представлена расчетная схема датчика, установленного на испытываемый элемент конструкции. Его деформация видна на фиг. 6 при действии ступенчато изменяющегося по длине внутреннего тракта статического давления: p_A/p_A = 1, p_B/p_A = 0,5, p_C/p_A = 0,23, где p_A, p_B, p_C - статические давления в областях A, B, C измерения. Под действием нагрузки происходит несимметричное деформирование конструкции, показанное линией 1. Это приводит к изменению распределения полос разности главных напряжений по сравнению с полосами около одного малого отверстия при равномерно нагруженном статическим давлением внутреннего тракта. In fig. Figure 5 shows the design diagram of the sensor installed on the tested structural element. Its deformation is visible in Fig. 6 under the action of static pressure changing stepwise along the length of the internal path: p _A /p _A = 1, p _B /p _A = 0.5, p _C /p _A = 0.23, where p _A , p _B , p _C - static pressures in measurement areas A, B, C. Under the influence of the load, an asymmetrical deformation of the structure occurs, shown by line 1. This leads to a change in the distribution of the bands of the difference in principal stresses compared to the bands near one small hole when the internal tract is uniformly loaded with static pressure.

На фиг. 7, 8, 9 показаны картины распределения разности главных напряжений около, соответственно, левого, среднего и правого малых отверстий. Видно постепенное снижение напряжений, соответствующее уменьшению статического давления вдоль датчика.In fig. 7, 8, 9 show the distribution patterns of the difference in principal stresses near, respectively, the left, middle and right small holes. A gradual decrease in stress is visible, corresponding to a decrease in static pressure along the sensor.

Claims

Photoelastic pressure sensor made of anisotropic optically sensitive material, containing a coaxially located and glued inner cylinder with an external structural element and a polarization-optical installation, characterized in that the external structural element is fixedly fixed along the outer surfaces and is made in the form of rectangular ribs located along the generatrix of the inner cylinder and uniformly distributed in the circumferential direction, with one of the ribs equipped with at least one small hole, and the accuracy of measuring static pressure is determined by the optimal ratios:

h/d = 12…15, where h is the height of the rib, d is the diameter of the small hole;

δ = 10...20 mm, where δ is the rib thickness;

m > 1, where m is the number of holes when simultaneously measuring several values of static pressure in the internal supersonic path of the tested structural element;

l/d = 2...3 for m > 1, where l is the distance between the vertical axes of small holes.