Имитатор измерения пульсации давления при воздействии индентора

 

Использование: в измерительной технике для измерения высоких значений импульсного давления. Сущность изобретения: устройство реализуется путем применения пленочных датчиков для измерения давления на поверхности стеклоблока при столкновении птицы или индентора со стеклоблоком. Определена область максимального и минимального значения давления при разных углах (от 90^o до 22^o) столкновения птицы с поверхностью стеклоблока относительно центра. С целью получения информативности чувствительные элементы датчика расположены от одного до трех рядов по вертикали. Расстояние между чувствительными элементами датчиков выбирают L = 0,5...3а, где а - ширина обкладки датчика. Такое расположение чувствительных элементов датчиков позволяет получить большую информацию о распределении давления на поверхности стеклоблока. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения давления на поверхности изделия конструкционной оптики.

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

С помощью скоростной киносъемки показывают, что птица во время контакта со стеклоблоком не приобретает дополнительного ускорения или замедления; показывают, что максимальное давление при ударе птицы о жесткое стекло возникает при угле 90^o и при скорости движения 350 м/с.

При анализе выбирают форму птицы как эллипс с длиной в два раза больше диаметра птицы.

Такое решение в указанном способе измерения давления не обеспечивается без дренирования стеклоблока (см. R.L.Peterson and S.P.Barber. Bird Impast Forcesin Aircraft Windsiced. Design part 7, p.791.829, 1975).

Недостаток этого способа заключается в том, что стеклоблок для расположения датчиков дренируется. Вследствие дренажа нарушают прочностные характеристики стеклоблока, из-за чего в дальнейшем выбранные параметры стеклоблока нарушаются. Низкая информативность и точность измерения динамического давления, возникают в стеклоблоке и его опорах из-за ограниченного количества дренажных точек. Кроме этого, с помощью стержневых датчиков невозможно определить давление птицы на стеклоблоках, имеющих различную цилиндрическую жесткость.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является устройство измерения пульсации давления на поверхности моделей авиационной техники с помощью тонкопленочных датчиков давления. На поверхности изделий наклеивают пленочные датчики с несколькими чувствительными элементами. Датчики не нарушают обтекаемости потока на поверхности изделий без дополнительной механической обработки. Пленочный датчик емкостного типа содержит четыре слоя диэлектрической пленки. Датчик защищен от внешних воздействий.

Такое решение в указанной конструкции обеспечивает измерение давления на поверхности исследуемого объекта без дренирования (1).

Однако это устройство обладает рядом недостатков, затрудняющих его применение для определения давления во время столкновения (удара) птицы с жестким стеклоблоком летательных аппаратов. К ним относятся: недостаточная прочность металлизированного слоя при столкновении птицы со стеклом ударной силой в несколько десятков тонн длительностью 80-2500 мкс, неопределенность конкретного места возникновения максимального и минимального значения давления.

Задачей изобретения является повышение точности измерения, расширение области применения, снижение затрат и повышение надежности.

Поставленная задача достигается тем, что в имитаторе измерения пульсации (динамического) давления при воздействии индентора, содержащем изделие и укрепленные на его поверхности тонкопленочные датчики с несколькими ЧЭ на одной подложке датчика, выполненные не менее чем из трех слоев металлизированных и неметаллизированных диэлектрических пленок, датчики давления расположены в центре окружности 0, находящемся в центре масс изделия, по окружности со средним диаметром d_c, равным половине диаметра индентора и по окружности диаметром d_и, равным диаметру индентора, по периметру эллипса, точка пересечения осей которого, расположенных по координатным осям, находится в центре упомянутых окружностей, малая ось равна диаметру индентора d_и, большая ось равна длине индентора, кроме того, датчики располагают по части окружности с диаметром d_э, заключенном внутри эллипса и проходящей через фокусные точки эллипса, в точке О_n, расположенной ниже по оси ординат, по окружности с диаметром d_и и центром в точке O_n, по эллипсу с центром в точке O_nи с размерами, аналогично описанному выше, а также по линиям, касательным ко второму эллипсу и первой окружности с диаметром d_и, и линии, соединяющей центры 0 и О_n, причем датчики расположены относительно друг друга с интервалом (между ЧЭ) L 0,5.3а, где а ширина обкладки ЧЭ датчика, и от одного до трех рядов по вертикали.

На фиг. 1 изображены отдельные элементы и конструкция датчика давления (фиг.1 сеч. А-А, Б-Б), на фиг.2 расположение чувствительных элементов датчика давления и области столкновения птицы с изделиями конструкционной оптики (стеклоблока). Датчик имеет основу 1, сплошной экран 2, изоляционную диэлектрическую пленку 3. На нижней поверхности третьей диэлектрической пленки 4 металлизированы экран 5 и выводы 6, обкладки 7 (см. фиг.1 сеч.А-А), а на верхней поверхности сформированы экран 8, обкладки 9. Четвертая диэлектрическая пленка 10 перфорированная. Экран 11 и общая обкладка конденсатора 12 для поляризации датчика металлизированы на поверхности пятой диэлектрической пленки 13, на верхней поверхности которой сформированы экран 14, обкладки 15, защитный слой 16. Слои пленок между собой и с основанием 17 скрепляют клеем 18.

На фиг. 2 показана форма птицы 19 под углом 22^o относительно центра 0 стеклоблока 17. Форма птицы в виде окружности 20 под углом удара 90^o относительно центра 0 стеклоблока 17. Линии минимальных нагрузок АД, ВС 21, 22 при ударе птицы о стеклоблок от 90^o до 22^o в интервале (линии максимальной нагрузки) от 0 до О_n в центре стеклоблока 17. Точки от 1 до 55 показывают место расположения ЧЭ датчика, где а ширина обкладки ЧЭ датчика, b длина датчика. Линия минимальной нагрузки при угле ϕ ≥ 22° СЕDFC (см. фиг.2, точки 41, 39, 45, 43).

Устройство работает следующим образом.

1. Удар птицы о стеклоблок рассматривают в полярных координатах. Размеры датчика: ширина а, длина b и высота ее прямоугольные координаты. Значение от 0 до О_n называют полюс, ОХ полярная ось, ρ полярный радиус. Форма птицы эллипсоид.

2. Наиболее максимальное давление возникает, когда птица сталкивается в центре (в полюсе 0, 0_n) стеклоблока 17 под полярным углом 90^o в точках 17, 34, 38, 48 (см. фиг.2) в тот момент, когда поверхность птицы соприкасается с поверхностью стеклоблока с минимальной площадью. При этом характерно возникновение в стеклоблоке короткого импульса с высокими амплитудами. Минимальное значение усилия (давление) возникает при максимальном прикосновении площади птицы со стеклоблоком по диаметру d_u1 и d_u в точках от 1 до 12, 39, 49, 43, 47. Эти точки являются характерными точками минимального значения нагрузки 20 с большими длительностями импульса. Среднее значение давления возникает между максимумом и минимумом по радиусу d_c в точках 13.16.

3. При столкновении птицы под углом меньше 90^o, до 22^o, относительно полюса 0, 0_n в центре стеклоблока 17 возникает максимальное значение давления, а среднее и минимальное значение по туловищу птицы формой эллипсоида в точках 1, 22, 31-33, 18, 7, 27-30, 23. Средние значения давления возникают по диаметру d_э окружности, проходящей через оси фокуса эллипса в точках 20, 25 и т.д. С увеличением полярного угла 1 длина эллипса увеличивается и уменьшается амплитуда давления. При угле ϕ < 22° практически отсутствует столкновение птицы со стеклоблоком. Под таким углом площадь птицы формой эллипса скользит мимо стеклоблока. В зависимости от угла столкновения птицы со стеклоблоком длину птицы относительно полюса 0 определяют: где x, y параметры птицы по осям координат (длина, ширина) (см. фиг.2).

4. Возможный вариант столкновения птицы со стеклоблоком, начиная от центра стеклоблока, кончая местом крепления O_n (в опорных точках), столкновение может происходить под углом от 90^o до 22^o в интервале ОО_n. В интервале ОО_n в каждом сечении 17, 15, 7, 34.39, 48 и 43 столкновению птицы от максимального до минимального значения соответствуют импульсы давления указанных от 1 до 55 точек. Линии минимальных нагрузок 21, 22 соединяют между собой вершины эллипсоида с изменением угла столкновения птицы со стеклоблоком 2 под углом от 90^o до 22^o. В центре совпадения каждого эллипсоида в окружности 17, 15, 7, 34-39, 48 измеряют максимальное значение давления.

5. Чувствительные элементы датчика располагают так, чтобы их площадь находилась в области максимального значения давления, с целью получения достоверной информации. Расстояние между чувствительными элементами L (см. фиг. 1 сеч. А-А) выбирают, исходя из условия проводимого эксперимента и размеров ЧЭ датчика (ахb 4х6.6х9 мм). ЧЭ датчика располагают симметрично в точках от 1 до 55 по контурным линиям нагрузки 12.23, т.е. внутри эллипсов АВС₁E₁D₁ADECFD, по диаметру индентора (туловища птицы) d_и, d_и1, d_c и т.д. Оптимальное значение между ЧЭ находится в диапазоне от 0,5а до 3а, где а ширина обкладки ЧЭ датчика. Для получения минимального значения между СЭ, равного 0,5а, датчик изготавливают из пяти слоев диэлектрических пленок 1, 3, 4, 8, 13 и на поверхности третьей и пятой диэлектрической пленки 4, 13 формируют обкладки 7, 9 15, симметрично смещенные между собой. Максимальное расстояние между обкладками, находящимися на нижней и верхней поверхности третьей диэлектрической пленки, составляет не менее L L 19.20 мм.

Точность измерения повышается за счет осуществления измерения бездренажным способом, благодаря которому не нарушается цельность стеклоблока и происходящего физического процесса. Область применения расширяется благодаря сокращению затрат на эксперимент и снижению стоимости датчика. Надежность стеклоблока в процессе эксперимента повышается за счет недренирования стеклоблока.

Принцип работы датчика. При ударе птицы на поверхности датчика под давлением Р пятая пленка 13 изгибается внутрь ячейки перфорации четвертой диэлектрической пленки 8, а емкость С изменяется пропорционально давлению на величину ΔC. При этом выходное напряжение, снимаемое с выходов обкладок 7, 9 относительно обкладок 12, пропорционально напряжению поляризации и отношению ΔC/C..

Во втором случае (при угле <90) при ударе птицы на поверхности датчика с изменением давления изменяется толщина пятой диэлектрической пленки 13. Изменение толщины пленки вызывает изменение емкости с ЧЭ датчика, а емкость С изменяется пропорционально давлению тоже на величину ΔC.. При этом сигнал с выходов обкладок 15 снимают относительно обкладок 12 тоже пропорционально напряжению поляризации и отношению ΔC/C..

По изменению емкости судят о давлении. Конструкция датчика позволяет измерять давления высоких уровней в широком диапазоне температуры и частоты.

Это предложение позволяет повысить технико-экономическую эффективность в стадии разработки движущихся объектов с целью предотвращения аварийной ситуации столкновения птицы или других предметов со стеклоблоком.

Формула изобретения

Имитатор измерения пульсации давления при воздействии индентора, содержащий изделие и укрепленные на его поверхности тонкопленочные датчики с несколькими чувствительными элементами на одной подложке датчика, выполненные не менее чем из трех слоев металлизированных и неметаллизированных диэлектрических пленок, отличающийся тем, что в нем датчики давления расположены в центре окружности O, находящемся в центре масс изделия, по окружности с диаметром d_с, равным половине диаметра индентора, и по окружности с диаметром d_и, равным диаметру индентора, по периметру эллипса, точка пересечения осей которого, расположенных по вертикальным и горизонтальным осям, проходящих через центр масс, находится в центре упомянутых окружностей, малая ось равна диаметру индентора d_и, большая ось равна длине индентора, кроме того, датчики располагают по части окружности с диаметром d_э, заключенной внутри эллипса и проходящей через центр масс, в точке O_n, расположенной ниже по вертикальной оси, проходящей через центр масс, по окружности с диаметром d_и и центром в точке O_n, по эллипсу с центром в точке O_n и с размерами, аналогично описанному выше, а также по линиям, касательным к второму эллипсу и первой окружности с диаметром d_и, и линии, соединяющей центры O и O_n, причем датчики расположены относительно друг друга с интервалом L (0,5 - 3)a, где a ширина обкладки чувствительного элемента датчика, и от одного до трех рядов по вертикали.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2