3.6. Запитання для самоперевірки.
1. Перелічіть засоби вивчення динамічних процесів в лабораторних умовах.
2. Які Ви знаєте типи та конструкції вимірювальних перетворювачів напружень?
3. Призначення та принцип дії акселерометра.
4. Принципова схема градуювального пристрою.
5. Як визначається чутливість датчика?
Лабораторна робота № 4 Вивчення параметрів імпульсу хвилі напружень в середовищі при вибуху
4.1. Мета роботи: Набуття навичок вимірювання параметрів швидкоплинних процесів.
4.2. Теоретичні відомості. Під час вибуху виникає хвиля напружень, яка поширюється від заряду з швидкістю звуку в цьому середовищі. Частки середовища переміщуються у хвилі, причому величина переміщень поступово зменшується з віддаленням від заряду за рахунок геометричного розходження хвилі.
Закономірності поширення хвиль напружень вивчаються переважно з використанням методів осцилографування, основаних на перетворенні механічних переміщень середовища в електричні сигнали за допомогою вимірювальної апаратури. Динамічне навантаження зразків гірських порід чи будь-якого іншого середовища виконується електророзрядом, що імітує вибух.
Для вимірювання параметрів вибухових хвиль в досліджуваному середовищі необхідно мати для однієї точки виміру два вимірювальних канали для визначення таких параметрів, як тиск, прискорення часточок середовища, а також параметри руху середовища - швидкість розповсюдження ударної (вибухової) хвилі та частоти коливань в досліджуваному середовищі [5, 7].
Вимірювальний канал повинен без викривлень пропустити весь спектр частот ударного імпульсу, тобто без зміни амплітудних та фазових складових спектра. Оскільки тривалість (протяжність) фронту імпульсу ударної хвилі, тобто час від моменту приходу імпульсу до досягнення максимуму амплітуди тиску, може складати кілька мікросекунд, то полоса пропускання пристроїв, призначених для вимірювання невикривленого проходження імпульсу повинна бути в межах 2/tі, де tі - час існування імпульсу. При протяжності імпульсу tі = 10 мкс потрібна полоса пропускання
Гц
тобто f в = 200 кГц - верхня гранична частота імпульсу.
Нижня гранична частота діапазону частот fн визначається вхідним опором узгоджуючого пристрою та еквівалентною ємкістю.
Отже,
вимірювальний канал з верхньою граничною
частотою
200
кГц можна застосовувати для вимірювання
параметрів фізичних величин, породжених
вибуховою хвилею.
Сигнал, що прийшов на датчик, через вимірювальні перетворювачі приходить на осцилограф. Індикатором в електронних осцилографах є електронно-променева трубка. Максимальна швидкість запису сигналів залежить від максимальної швидкості переміщення променя екраном трубки і досягає 100 км/с.
Якщо в досліджуваному масиві грунту встановити датчик напружень, то в області пружних деформацій зміна ЕРС (електрорушійної сили) буде пропорційною величині напруження.
Тиск, що діє на датчик при динамічному навантаженні, визначиться за формулою:
,
(4.1)
де P - розрахунковий тиск, кг/см2; Sg - чутливість датчика напружені, мВ/кг/см2; Kуп - коефіцієнт передачі узгоджуючого підсилювача (Kуп = 1); Dуп -ділитель узгоджуючого підсилювача (Dуп = 1); S0 - чутливість осцилографа, мм/мВ; А - амплітуда імпульсу на екрані осцилографа, мм.
Прискорення при імпульсних навантаженнях визначається за формулою:
, (4.2)
де а - прискорення, м/с2; Sg - чутливість акселерометра за паспортними даними, мВс2/м.
Чутливість осцилографа S0 при різних положеннях перемикача:
Положення перемикача V/поділку |
Чутливість осцилографа S0 |
20 мВ/поділку 50 мВ/поділку 0.1В/поділку 0.2В/поділку 1В/поділку 2В/поділку |
0.5 0.2 0.1 0.05 0.01 0.005 |
Швидкість ударної хвилі в піску визначається за формулою:
,
м/с, (4.3)
де lg - відстань між датчиками, м;
t - час між початками імпульсів, с.
Частота вібрації визначається за формулою:
,
кГц, (4.4)
де T - період імпульсу, мс; T = 2tн .
Якщо потрібно встановити закономірності розповсюдження максимальних напружень з віддаленням від заряду, досліди з двома датчиками напружень (відповідно до двох променів електронно-променевої трубки) повторюються тричі (табл. 4.1).
Таблиця 4.1. Дані вимірів
№ дос- ліду |
№№ точок |
Відстань від дже-рела ім-пульса, м |
S0, мм/мВ |
S0, мВсм2/кг |
Ампулі-туда А, мм |
σm кг/см2 |
Час приходу |
с нарост. н |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.3. Експеримент. Схему проведення експерименту дано на рис. 4.1.
Дослідження виконуються у воді. Послідовність установки пари датчиків напружень показано на рис. 4.1 штриховими лініями. Принцип установки - перший датчик від центру вибуху в парі датчиків наступного досліду вста-новлюється на місце другого датчика в парі датчиків попереднього досліду. Таким чином забезпечується контроль точності вимірювань. На штативі над ємкістю з водою підвішуються на заданих відстанях датчики напружень, обернені робочою поверхнею до джерела вибухової хвилі. Встановлюється модель «заряду»-електроди з високоомним містком. З'єднуються та перевіряються всі вузли робочої схеми експерименту, готовність осцилографа до реєстрації процесу.
Рис. 4.1. Схема експерименту: 1 - "заряд"; 2 - пусковий датчик; 3 - вимірюючи датчики; 4 - підсилювач; 5 - осцилограф; 6 - ємкість з водою
Хвилі напружень генеруються у воді вибухом провідника від високовольтного розряду. Напруження сприймаються п'єзометричними датчиками, сигнал подається на вхід осцилографа для реєстрації, підсилюється, розгортається у часі та проектується на екран у вигляді кривої, що відповідає амплітудно-частотній характеристиці даної хвилі, та запам'ятовується (записується). Записана осцилограма фотографується з екрану чи калькується в масштабі 1:1, потім розшифровується.