ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ИМПУЛЬСНОГО ДАВЛЕНИЯ

Механолюминесцентные датчики работают по принципу прямого преобразования входного механического воздействия в выходной оптический сигнал. Такие датчики могут использоваться совместно с волоконно-оптическими каналами передачи информации, что обеспечивает высокую помехоустойчивость к электромагнитным помехам. Особенности конструкции делают датчики чувствительными к давлениям, распределенным по площади, поэтому они могут выполнять функцию визуализации полей импульсных давлений (тактильность).

Механолюминесцентные датчики предназначены для применения в робототехнике и мехатронике, оптоэлектронике, авиакосмической технике, в системах мониторинга состояния зданий и сооружений.

Достоинствах датчиков импульсного давления на основе механолюминесцентных чувствительных элементов:

• помехоустойчивость к ЭМП;
• малые габаритные размеры и вес;
• достаточно высокие чувствительность и быстродействие;
• простота конструкции;
• возможность построения чувствительных элементов с распределёнными параметрами.

К особым преимуществам МЛЧЭ следует отнести возможность построения тактильных датчиков с распределённым по площади, длине или объёму чувствительным элементом. Причём в силу конструктивных особенностей площадь чувствительной поверхности  ничем не ограничена, а при регистрации сигнала отдельные каналы связи реализуются естественным образом через открытое оптическое пространство или через волоконно-оптические жгуты с регулярной укладкой.

Такие ЧЭ обеспечивают реализацию функции визуализации полей давления. На основе распределенных чувствительных элементов могут быть построены измерительные устройства, способные осуществлять пространственно-временной анализ динамики, как внутреннего напряженно-деформированного состояния элементов конструкций, так и внешних механических воздействий на объект. Пространственная модуляция светового излучения ЧЭ позволяет проводить идентификацию полей давления и определять различные сложноконтурные механические воздействия и классы воздействий. Реализация такой функции соответствует существенному повышению информативности и создает предпосылки к созданию мехатронных и робототехнических систем, адаптивных к различным по силе, длительности и пространственному распределению механическим воздействиям.

К выявленным недостаткам следует отнести малый коэффициент преобразования механической энергии в световой поток, нелинейную функцию преобразования, наличие порога чувствительности, а также невысокую эффективность дальнейшего преобразования излучения в электрический сигнал. По этой причине фотоприёмник должен быть снабжен усилителем и соответствующим источником питания.

Определение характеристик датчиков давления на основе механолюминесцентных чувствительных элементов проводится путем экспериментальных исследований. Для этого была описана математическая модель МЛ датчика. Для того чтобы проверить адекватность теоретической модели был создан экспериментальный стенд для исследования датчиков импульсного давления.

Стенд представляет собой вертикально расположенный цилиндрический стержень Гопкинсона, установленный на специальном основании и акустически изолированный от него при помощи резиновых прокладок. Надёжность и простота стендов подобного типа подтверждены многочисленными исследованиями, а характеристики изучены как теоретически, так и экспериментально.

Образец датчика с сердечником без резьбовой части устанавливался на свободном торце стержня при помощи специальной мастики. Импульсное воздействие на стержень осуществлялось путем сбрасывания груза определенной массы. При соударении груза со стержнем в последнем возбуждается и распространяется по стержню импульс давления, который воздействует на опытный образец МЛД, вызывая его срабатывание. Под действием деформации люминесцентный материал возбуждается и генерирует световой импульс. Поскольку излучающая поверхность ЧЭ имеет мелкозернистую структуру, а кристаллы люминофора непрозрачны, то на выходе ЧЭ будет действовать только часть всей выработанной энергии излучения. В зависимости от соотношения размеров светящейся области и входной апертуры оптической среды только часть излучения может быть введена в нее. Потери внутри оптической среды характеризуются коэффициентом пропускания. На выходе из нее и, соответственно, на приемной поверхности фотоприемника будет действовать световой поток. При известной чувствительности фотоприёмника напряжение на его выходе составит, которое затем усиливается предварительным (нормирующим) усилителем до значения. Далее в микропроцессорном блоке сигнал подвергается аналого-цифровому преобразованию и последующей цифровой обработке согласно предложенному алгоритму.

Для регистрации выходного потока излучения использовался фотоумножитель ФЭУ-68, работающий в линейном режиме. Фотоумножитель, делитель напряжения к нему и предварительный усилитель были собраны на общей плате и размещены в отдельном светонепроницаемом корпусе.

Измерение параметров ИУУ осуществлялось высокочастотным пьезоакселерометром, установленным на торце стержня при помощи мастики. Частота собственных колебаний пьезоакселерометра составила 250 кГц. [3, с. 5].

Основным достоинством стенда со стержнем Гопкинсона является то, что уже на расстоянии более двух-трех диаметров стержня от точки ударного воздействия падающего груза, продольная полусферическая волна приобретает характер плоской волны. Параметры импульса давления зависят от массы и материала стержня, а также от размеров, массы, материала груза и высоты его падения. [1, с. 560].

Определение параметров импульса давления, действующего на чувствительный элемент, проводилось следующим образом. Первоначально проводилась регистрация импульса ударного ускорения (ИУУ) на свободном торце стержня Гопкинсона. Путем интегрирования уравнения кривой  определялась скорость движения торца стержня. Затем параметры импульса давления в стержне находились по известным формулам. При распространении плоского импульса давления из стержня в сердечник датчика, затем в чувствительный элемент и ВОЖ, за счет различия механических импедансов деталей на границах их сопряжения могут происходить отражения, которые приводят к формированию отраженных и проходящих волн. Отраженные волны могут возникнуть в местах внезапного изменения площади поперечного сечения или свойств материала, например, на стыках «стержень-сердечник», «сердечник-ЧЭ». В случае согласования полных механических импедансов сопрягаемых деталей отраженного импульса не образуется. [2, с. 2160].

Таким образом, согласно предложенной методике, по измеренной кривой ИУУ рассчитывалась волна давления, действующая на чувствительный элемент. Полученное уравнение подставлялось в качестве входного воздействия в математическую модель ЧЭ и определялись расчетные значения энергетической светимости, которые затем сравнивались с результатами измерения. По величине расхождения экспериментальных и расчётных данных проводилась оценка адекватности модели.

Список литературы:

1. Дьяконов В. MATLAB: Учебный курс. СПб.: Питер, 2001. 592 с.
2. Кривцов А.М., Морозов Н.Ф. О механических характеристиках наноразмерных объектов// ФТТ. 2002. Т. 44, № 12.
3. 3.Татмышевский К.В., Макарова Н.Ю. Механолюминесцентный сенсорный элемент: математическая модель и расчет выходных оптических сигналов// Проектирование и технология электронных средств.  2004. № 1.