4. Серный датчик

Эйхельбергер и Хаувер [] использовали тонкий диск серы в качестве чувствительного элемента пьезорезисторного датчика для измерения давления детонации баротола. Берг [] предложил использовать серу для регистрации профиля давления ударных волн.

Тувенин и Жюно [] провели тщательное исследование электропроводности серы в ударной волне. В указанных работах отмечается, что принципиальным недостатком серы как чувствительного элемента датчика является нелинейность зависимости , что ограничивает диапазон ее применимости снизу давлением 70 кбар.

4.3.3. Диэлектрический датчик давления

Диэлектрический датчик давления [] представляет собой плоский конденсатор, состоящий из тонких металлических обкладок и пленки диэлектрика между ними, которая, по-существу, является чувствительным элементом датчика (рис.3.50). Применение диэлектрического датчика основано на регистрации изменения его электрической емкости С₀ при сжатии. Предполагается, что изменение емкости датчика обусловлено изменением толщины пленки и ее диэлектрической постоянной, а процессами ударной поляризации можно пренебречь.

Датчик располагается внутри испытуемого образца и включается в высокоомную измерительную цепь с тем, чтобы постоянная времени разряда конденсатора была много выше длительности регистрируемого процесса (рис.3.51). На датчик подается начальное поляризующее напряжение U₀, достаточно высокое, чтобы вклад ударной поляризации не оказывал заметного влияния на результаты измерений. При высокоомной нагрузке заряд на обкладках сохраняется практически постоянным, а изменение разности потенциалов на них пропорциональны изменению емкости измерительного конденсатора.

Для определения связи между относительным изменением емкости датчика С/С и давлением P(t) построены калибровочные зависимости – своя для каждого вещества диэлектрической пленки. Способ построения калибровочных зависимостей аналогичен применявшемуся для манганиновых датчиков. Сигнал диэлектрического датчика линейно возрастает с ростом начальных емкости и напряжения, независимо от толщины диэлектрика.

Диэлектрические датчики обладают более высокой чувствительностью, чем манганиновые датчики, и имеют некоторые преимущества перед последними в области малых давлений.

Рис.3.50. Устройство диэлектрического датчика: 1 - электрод, 2 - вывод, 3 - диэлектрик, 4 – образец.

Рис.3.51. Схема регистрации сигнала с диэлектрического датчика с катодным повторителем (КП). ГЗ-генератор калиброванных сигналов; ВЛ – ламповый вольтметр.

Измерение давления диэлектрическим датчиком основано на регистрации изменения при сжатии в ударной волне емкости датчика. Последний (рис.3.51) емкостью С₀ заряжается от источника постоянного напряжения Uо через сопротивление R, которое столь велика, что влияние процесса подзарядки конденсатора С₀ в течение всего времени регистрации несущественно – RC t_p, где С - суммарная емкость всей цепи (емкость датчика + емкость соединительного кабеля + емкость входа измерительной цепи выводов датчика); t_p- время регистрации давления; R R_вх.

При сжатии датчика заряд конденсатора Q=C₀U₀  CU (индекс "0" относится к ненагруженному состоянию) сохраняется практически неизменным при отсутствии проводимости диэлектрика, а изменение емкости, вызванное сжатием диэлектрика, приводит к изменению напряжения U на электродах датчика. Сигнал регистрируется прибором с высокоомным входом, сопротивление R_вх которого также удовлетворяет условию R_вх С_вх  t_р.

В зависимости от конкретных условий регистрации диэлектрический датчик может соединяться коротким отрезком кабеля либо через катодный или эмиттерный повторитель, что позволяет передавать сигнал по согласованному с его выходом кабелю на значительные расстояния. При коротком отрезке кабеля, несогласованного с входным сопротивлением цепи регистрации, переходными процессами в кабеле можно пренебречь, если время реверберации волны в нем много меньше характерного времени регистрируемого явления.

Изменение разности потенциалов на электродах датчика определяется выражением

U= - .

Амплитуда электрического сигнала датчика пропорциональна величине поляризующего напряжения и примерно обратно пропорциональна присоединенной емкости

U= -(U₀ )(1+ )^-1.

Для определения связи между относительным изменением емкости датчика С/С и давлением P(t) построены калибровочные зависимости – своя для каждого вещества диэлектрической пленки. Способ построения калибровочных зависимостей аналогичен применявшемуся для манганиновых датчиков. Сигнал диэлектрического датчика линейно возрастает с ростом начальных емкости и напряжения, независимо от толщины диэлектрика.

Калибровочная зависимость вида U[P(t)] , для диэлектрических датчиков строится путем сопоставления разности потенциалов U на его электродах при сжатии с параметрами нагрузки P(t), одновременно регистрируемой другим методом либо определяемой расчетом..

Рис.3.53. Зависимость сигнала от давления для диэлектрического датчика с эфирцеллюлозной пленкой (1), оргстеклом (2) и слюдой (3). U₀=700 В.

На рис.3.53 приведены калибровочные зависимости для некоторых типов диэлектрических датчиков. Величина поляризующего напряжения в каждом конкретном случае определяется явлением ударной поляризации.

Надежная работа диэлектрического датчика обеспечивается при условии подавления ударной поляризации диэлектрика. Ударная поляризация полярных диэлектриков вызвана разворотом и ориентацией диполей в диэлектрике под действием ударной волны.

Предварительная ориентация диполей в датчике обеспечивается поляризующим напряжением U₀ на обкладках конденсатора, заполненного диэлектриком в такой степени, что диэлектрик доводится до "насыщения" и последующее воздействие ударной волны не приводит к дополнительной поляризации. Это видно по тому факту, что изменение знака поляризующего напряжения не изменяет величину сигнала (по модулю) при том же уровне ударной волны.

Таким образом, изменение емкости определяется только изменением геометрических размеров (сжатием-расширением) и изменением диэлектрической проницаемости материала при изменении давления (и отсутствии проводимости). Необходима известная осторожность при интерпретации результатов, т.к. высокая начальная напряженность электрического поля и ее рост при сжатии под действием давления могут быть причиной полного или частичного пробоя диэлектрика и неадекватности регистрируемого электрического сигнала.

Разрешающая способность по времени и область применения диэлектрических датчиков та же, что и для манганиновых датчиков, т.к. конструктивный принцип (измерительный элемент - изоляция) то же.

Диэлектрический датчик использовался для регистрации давлений в металлах, пластиках, композиционных и пористых материалах, стекле в плоскостях параллельной и перпендикулярной фронту ударной волны при осесимметричной нагрузке в диапазоне давлений до 10,0 ГПа [ ].

К преимуществам диэлектрического датчика следует отнести простоту в изготовлении и эксплуатации, доступность материалов, высокий уровень измеряемых сигналов (высокая чувствительность) и помехозащищенность.

Основным недостатком диэлектрического датчика является малоизученность поведения диэлектриков при нагрузке-разгрузке. Погрешность измерения величины давления с помощью диэлектрических датчиков не превышает 10 % , что следует считать вполне удовлетворительным, т.к. более высокой точностью в настоящее время не обладает ни один метод. Совершенствование знаний о реологии материалов как датчика, так и материалов-эталонов при ударном нагружении, даст возможность уменьшить указанную цифру примерно до 2-5 %.

В работе [] исследована возможность измерения многоволновых профилей ударных волн с помощью диэлектрических датчиков. ДД представляет собой плоский конденсатор, электроды которого выполнены из медной фольги толщиной 0,02 мм. Размер рабочей площади электродов 8х8 мм², длина выводов 60-70 мм, ширина 0,5-0,8 мм. В качестве чувствительных элементов ДД использовались лавсановая пленка толщиной 0,04 мм, фторопластовая пленка толщиной 0,11 мм и слюда-мусковит толщиной 0,04-0,06 мм. Для электрической изоляции внешняя поверхность электродов покрывалась склеивающей лавсановой лентой ЛТ-40-38. Структурная схема измерений не отличалась от схемы, представленной на рис.3. Напряжение начальной поляризации составляло 100 В. Многоволновой профиль ударной волны создавался с помощью взрывных устройств, использующих в качестве экрана слойку из материалов с различной акустической жесткостью []. Амплитуда ударных волн варьировалась в интервале от 1,0 до 10,0 ГПа, длительность первой “ступеньки” ударной волны изменялась от 0,5 до 1,5 мкс. Датчик устанавливался в образец из оргстекла, алюминия и меди. В каждом опыте проводилась регистрация параметров ударной волны манганиновыми датчиками, а в ряде контрольных опытов - емкостными датчиками скорости. Типичные осциллограммы записей профилей давления, полученные с помощью диэлектрического (а) и манганинового датчиков (б) в экспериментах, приведены на рис.3.54 (₁=13 кбар, ₂=25 кбар, метки времени 1 мкс).

Рис.3.54. Осциллограммы многоволнового профиля ударной волны, зарегистрированных с помощью диэлектрического датчика (а) и манганинового датчика (б). Метки времени - 1 мкс.

В результате проведенных экспериментов показано, что при воздействии на ДД двух и более последовательных скачков давления он стабильно “занижает” амплитуду второй волны в несколько раз, полностью воспроизводя временной характер записи профиля ударной волны, получаемой с помощью других типов датчиков. Обнаруженное явление значительного уменьшения напряжения с ДД не связано с каким-либо “критическим” давлением, не зависит от временных характеристик и характерно для чувствительных элементов из лавсана, фторопласта и слюды. Оно может быть объяснено, по-видимому, только резким изменением физических свойств применяемых диэлектриков при повторном ударном сжатии.

Таким образом, экспериментально показано, что методика измерения импульсных давлений методом диэлектрического датчика не позволяет регистрировать многоволновую конфигурацию ударных волн.