CC BY
57
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
JSSN 15Э4-040В
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 01. С. 92-109.
DOI: 10.7463/0117.0000923
Представлена в редакцию: 14.12.2016 Исправлена: 28.12.2016
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
УДК 535.378
Механолюминесцентный контактный датчик
Ефремов А.К.1*, Макарова Н.Ю.
efrakigmañju
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
1
Рассмотрена возможность создания контактного датчика цели с использованием меха-нолюминесцентного сенсорного элемента. Отмечены достоинства датчика на основе механолюминесценции - твердотельность, генераторный принцип преобразования, устойчивость к электромагнитным помехам. Кратко изложены теоретические основы ме-ханолюминецентного преобразования. Приведена математическая модель, позволяющая рассчитать выходной оптический сигнал датчика при заданном входном механическом воздействии. Результаты расчета и моделирования подтвердили возможность использования механолюминесцентного сенсорного элемента в контактном датчике цели.
Ключевые слова: механолюминесценция, генерирование оптического сигнала, ударное воздействие, контактный датчик цели
Введение
Механолюминесценция (МЛ) - способность некоторых веществ (люминофоров), воспринимая то или иное внешнее механическое воздействие, преобразовывать его в выходной световой сигнал в области видимого (реже - ультрафиолетового или инфракрасного) участка спектра. В зависимости от характера деформирования вещества различают упругую (elastico), пластическую (plastico) и хрупкую (fracto) люминесценцию, а также три-болюминесценцию (последняя порождается трением и разломом тел) [1].
Данный физический эффект находит применение при создании светогенераторных преобразователей, которые могут быть интегрированы в информационно-измерительные и управляющие системы в качестве входных чувствительных элементов. Алгоритм реализации этого эффекта очевиден: механическое воздействие ^ чувствительный элемент (люминофор как источник излучения) ^ преобразователь светового сигнала в электрический ^ исполнительное устройство (измерительное или управляющее). Оператор, связывающий параметры входного воздействия и сигнала, поступающего на вход исполнительного устройства, представляет собой функцию преобразования, которая может быть определена как экспериментально, так и теоретически, с учетом феноменологических свойств люминофора. В последнем случае она выступает как математическая модель измерительно-управляющей системы. Различают источники светового излучения сосредоточенного и
распределенного типа. Достоинством МЛ-датчиков является прямое преобразование механического воздействия в выходной оптический сигнал, простота конструкции и высокая степень устойчивости по отношению к внешним дестабилизирующим факторам [2].
Целью предлагаемой работы является исследование преобразователя ударных воздействий на основе использования механолюминесцентного чувствительного элемента (МЛП). Данный вариант использования МЛ представляется вполне естественным, учитывая высокий уровень силового воздействия в условиях применения различных объектов. Так, интенсивные динамические воздействия возникают при встрече боеприпаса с целью (преградой), и они могут быть использованы как потенциальный источник достаточно интенсивного светового сигнала [3]. Предложена методика расчета МЛП, содержащего ме-ханолюминесцентный чувствительный элемент сосредоточенного типа. В этом случае световой сигнал напрямую поступает на вход преобразователя через открытый канал, т.е. волоконно-оптическое передаточное звено не предусматривается. Кратко рассматривается физика механизма МЛ-преобразования, представлены его математическая модель и результаты конкретного расчета.
1. Патентный обзор
1.1. Распределенный чувствительный элемент
На рис. 1 показана конструкция МЛ-контактного датчика цели (МЛКДЦ) кумулятивной гранаты [4] - Light activated fuse (Взрыватель со световой активацией), поз. 10. На внутреннюю поверхность головного колпака 12 нанесен слой механолюминесцентного материала 14, излучающий световой поток при ударном нагружении в процессе взаимодействия боеприпаса с поверхностью бронированной цели. Отмечается важность обеспечения надежного сцепления (адгезии) люминофора с подстилающей поверхностью, чтобы исключить его отслаивание при деформировании головного колпака.
Рис. 1. Механолюминесцентный контактный датчик цели
Отмечается, что, обеспечивается более эффективное, по сравнению с пьезоэлектрическим взрывателем, бронепробитие за счет расширения диапазона углов встречи боеприпаса с целью от нормали, поскольку световой поток генерируется при касании поверхности цели любой точкой колпака. Генерируемый световой поток (рис. 2) поступает на приемный элемент 16, например, фотодиод, при необходимости может быть использован уси-
литель 20. Источник питания (согласно патенту, термобатарея или магнитоэлектрический генератор) 22 активируется силой инерции при выстреле (setback activated). Конденсатор 26 заряжается перед выстрелом от внешнего источника питания через резистор 29. Однако этот конденсатор как накопитель энергии более целесообразно заряжать именно генератором 22 (как автономным источником питания) при выстреле. При встрече снаряда с преградой накопитель разряжается через цепь, в которую включен электродетонатор 24.
Рис. 2 - Электрическая схема МЛКДЦ
Заслуживают внимания упоминаемые экспериментальные исследования преобразователя. Нагружение осуществлялось с помощью стального или дюралюминиевого бойка, разгоняемого до скорости порядка 120 м/с. Фотодиод, установленный в вершине медного тонкостенного конуса, выполнял роль триггера, запускавшего некую исполнительную
цепь, надежное срабатывание которой обеспечивалось при интенсивности светового по-
2 „ тока не менее 12 мкВт/см . Сведения о величине контактной силы в этих опытах не приводятся.
2.1. Сосредоточенный чувствительный элемент
В патенте [5] предлагается светогенераторное устройство, которое представляет собой «эластомер» (elastomer) необходимой конфигурации (например, диск соответствующих диаметра и толщины), получаемый путем смешивания порошка из механолюминес-центного вещества с жидким полимером с последующим затвердеванием. Излучение светового импульса происходит в результате активации, т.е. деформирования, эластомера под действием внешней механической нагрузки. Схема устройства представлена на рис. 3. В патроне 2 имеется поршень (ударник) 3, опорой дискового эластомера 4 служит прозрачная пластина 5. Патрон вставляется в гнездо тела объекта 1. Активация устройства происходит в результате удара поршня, приводимого в движение внешним (механическим, гидравлическим или взрывным) воздействием (поз. 6, 7), по диску 4. Сжимаемый диск деформируется (поз. 8), что порождает видимый световой импульс 9.
в
(а) (б)
Рис. 3. Механолюминесцентный эластомер
Указывается, что была проведена серия опытов с эластомерами различной конфигурации (сфера, шайба, стержень, тонкая лента, кольцо, толстая пленка) на основе порошкообразного EuX. В качестве примера на рис. 4 показаны световые сигналы, зарегистрированные с помощью фотоумножителя, при механическом воздействии на эластомеры с тремя вариантами состава механолюминесцентного вещества. Отмечается достаточно высокий уровень сигнала, порождаемого взаимным трением микрочастиц механолюминес-центного вещества. Интенсивность излучения повышается при увеличении концентрации триболюминесцентного вещества в эластомере.
иоит Оутриг ОГ ТНЧЕЕ ЁиХ Сомнении
•3 0 ? 4 « 1 »
Таге (Гп!)
Рис. 4. Световой сигнал при трех вариантах триболюминесцентного вещества
В патенте [6] предлагается датчик управления подушками безопасности в автомобилях (рис. 5). При столкновении автомобиля с препятствием на передний бампер 5 воздействует импульс ударного давления. Этот импульс проходит по корпусу автомобиля 1 и попадает на механолюминесцентный датчик удара. Импульс давления распространяется по сердечнику-концентратору 2, усиливается в нем и вызывает деформацию сенсорной прозрачной пленки. Если давление превышает предел текучести материала, слой люминофора излучает световой импульс. Волоконно-оптический жгут 4 передает световой сигнал на фотоприемное устройство 6, которое преобразует оптический сигнал в электрический. Последний обрабатывается микропроцессором по специальному и попадает на блок управления подушками безопасности, которые срабатывают, если амплитуда и длительность сигнала превысят заданные пороговые значения.
На взгляд авторов, именно сосредоточенные чувствительные элементы с концентратором механического воздействия более перспективны с точки зрения измерения ударных процессов.
3. Математическая модель механолюминесцентного преобразования
С точки зрения исследования МЛП основной интерес представляет функциональная взаимосвязь между параметрами механического воздействия и светового излучения чувствительного элемента. Однако в известных работах результаты прямого экспериментального определения этой зависимости отсутствуют. Можно назвать лишь некоторые исследования, в которых изучалась механолюминесценция пластин и пленок при воздействии лазерного импульса, например [7].
Математическая модель механолюминесцентного сенсорного элемента представлена в работах [2, 8-10]. В основе ее лежит система уравнений, позволяющая рассчитать опти-
Рис. 5. Люминесцентный датчик удара
ческии сигнал механолюминесцентного сенсорного элемента при различных внешних механических напряжениях:
т V т) о
Ф^) = 2^ П ехр|- - || гш( ^)Мт0 ^)ио №;
(1)
с замыкающими зависимостями
N = С V • г =
пгые рт (гюс )
■ г =
' 'юс
4
2лее0 Ев
ио = кСГ ехр
( В I
о
1
к =
О, если о ^ о5;
1 - 2
ех,
;р[0,5 - °1)]
, если о > ;
°1 -
01 = о(-) - Е • ер; NnЮ (-) =
N°В + 4^ I ехР
+ 3 Мер
N £
где ^с - общее количество ЦС в люминесцентном материале сенсора; ^ - энергия кванта света; т - время жизни возбужденного состояния; -а - длительность возбуждения ЦС импульсом давления а(-); гЬ1 - радиус взаимодействия дислокации с ЦС; 1~тВ - средняя плотность подвижных дислокаций; Ц, - скорость движения дислокаций, усредненная по дислокационному массиву; |ь| - модуль вектора Бюргерса, характеризующий область искажения кристаллической решетки дислокацией определенного типа; е ^ - скорость роста пластических деформаций; C^c - объемная концентрация ЦС; V - суммарный объем зерен кристалла; гКС - текущее расстояние от ядра дислокации до ЦС; Рт - вероятность тун-нелирования электрона в однородном электрическом поле; q - линейная плотность заряда дислокации; в0 - диэлектрическая проницаемость вакуума; в - относительная диэлектрическая проницаемость; Ер - напряженность радиального электрического поля движущейся дислокации; к - поправочный коэффициент; CD - скорость распространения сдвиговых волн в кристалле; ^ - эффективное напряжение внутреннего трения (сопротивление
движению дислокации внутри кристалла); а - главное значение тензора напряжения; а -статический предел текучести; Е - модуль упругости; М - коэффициент размножения дислокаций; 1~ю - общая плотность дислокаций; - критическая плотность дислокаций; / - текущее время.
Основным физическим свойством механолюминесцентного сенсора является тунне-лирование электронов примесных центров свечения в электрическом поле движущихся дислокаций, которые возникают при пластической деформации кристалла. Возвращение возбужденного центра свечения в исходное состояние сопровождается излучением кванта света. Интенсивность оптического излучения характеризуется числом квантов в единицу времени и описывается подынтегральным выражением в формуле (1), определяющим объем кристалла, в котором выполняется условие возбуждения центров свечения. Часть кристалла, полностью обметаемая движущимися дислокациями, определяется выражением (2). Последнее связывает микроскопические параметры упругопластического деформирования кристалла люминофора с параметрами входного импульсного давления - механического напряжения o(t ). Данную математическую модель можно использовать для анализа зависимости выходного светового потока от уровня и длительности импульсов давления.
Конструкция опытного механолюминесцентного датчика импульсного давления с чувствительным элементом сосредоточенного типа представлена на рис. 6 [6, 10, 11]. Входное механическое воздействие передается на конический сердечник-концентратор, далее на механолюминесцентный чувствительный элемент, световой отклик которого направляется в волоконно-оптический жгут (ВОЖ). Чувствительный элемент представляет собой люминесцентный порошок, равномерно нанесенный термическим способом между двумя внутренними клейкими слоями пленки. Данная схема может быть выполнена в варианте, предусматривающем подачу светового сигнала непосредственно на исполнительную электрическую схему, исключив ВОЖ.
Рис. 6 - Механолюминесцентный волновой датчик импульсного давления: 1 - сердечник-концентратор; 2 - накидная гайка; 3 - чувствительный элемент 4 - корпус; 5 - ВОЖ; 6 - наконечник ВОЖ
При компьютерном моделировании был выбран материал на основе промышленного электролюминофора ЭЛС-580М (состав ZnS, Мп, Си; массовое содержание марганца 1%). Входом программы являются пиковый уровень и длительность импульса механической нагрузки определенной формы, а результатом ее работы - параметры светового отклика: форма, максимальный уровень, временная задержка и длительность фронта нарастания. Временная задержка обусловлена пороговым характером МЛ-преобразования: излучение генерируется, если механическое воздействие превышает порог текучести материала (в
данном случае 45 МПа), т.е. при переходе в область пластического деформирования. Определяется энергетическая светимость сенсора Q(7), т.е. световой поток, приведенный к единичной площади.
Результаты моделирования представлены на рис.7.
Рис. 7. - Энергетическая светимость сенсора при механическом воздействии постоянной длительности и
различного уровня
На рис. 8 представлена зависимость выходного оптического сигнала от входного механического воздействия при фиксированном уровне и различной длительности. Видно, что при увеличении длительности воздействия возрастает задержка возникновения излучения и происходит временной сдвиг положения пикового значения, примерно соответствующий моменту окончания действия импульса механической нагрузки. Последующее затухание выходного сигнала соответствует экспоненциальной кинетике свечения, присущей внутрицентровым люминофорам.
:. нес
Рис. 8. Световой отклик механолюминесцентного датчика при воздействии импульса давления различной
длительности (пиковый уровень 100 МПа)
Энергетическая светимость возрастает с увеличением длительности воздействия, но в диапазоне примерно до 200 мкс, что определяет диапазон наибольшей чувствительности люминофора из ZnS(Mn), т.е. импульсы давления большей длительности вызывают менее интенсивное свечение. При увеличении длительности импульса давления происходит смещение максимума выходного оптического сигнала и возрастание задержки.
Была также проведена оценка влияния скорости нагружения датчика на параметры оптического выходного сигнала (рис. 9).
0 2 4 6 ,
V, МПа/мкс
Рис.9. Зависимость максимума интенсивности механолюминесцентного излучения от скорости нагружения
при фиксированной амплитуде нагружения 1 - оА =60 МПа; 2 - оА =90 МПа; 3 - оА =180 МПа
При этом достижение определенного значения давления было задано при различной длительности фронта (от 20 до 2000 мкс). Видно, что зависимости выходного оптического сигнала от скорости нагружения сенсора сходны при разных уровнях максимального воздействия: интенсивность оптического сигнала тем выше, чем больше скорость нагруже-ния, что отмечалось и выше. При одинаковых пиковых уровнях импульса давления более интенсивен сигнал при меньшей длительности входного воздействия.
4. Пример расчета МЛП
Представленная выше математическая модель МЛ-преобразования позволяет рассчитать выходной сигнал датчика, если известен закон входного механического воздействия. В качестве примера рассмотрим случай взаимодействия кумулятивной гранаты с поверхностью бронированной цели, проводя одновременно сравнение с патентом [4]. Процесс взаимодействия боеприпаса с преградами различного типа и способы определения параметров возникающей при этом силы сопротивления достаточно подробно рассмотрены в таких работах, как, например, [12-14]. При этом используют эмпирические формулы и математические модели, учитывающие условия встречи с преградой (масса, калибр и скорость боеприпаса) и ее характерные физико-механические свойства. Считается, что кинетическая энергия снаряда практически полностью расходуется на преодоление сопротивления преграды. Если закон изменения силы сопротивления преграды P(t) известен, то можно определить механическое напряжение на входе датчика цели o(t) = P{t)/s, где s - площадь сосредоточенного чувствительного МЛ-элемента.
Приведем результаты, полученные при статическом и динамическом нагружении головной втулки пьезовзрывателя типа ВП, рис. 10 [15].
Рис. 10. Головная часть пьезовзрывателя: 1 - пьезоэлемент; 2 - корпус; 3 - предохранительный колпачок;
4 - чека; 5 - изолятор; 6 - мембрана; 7 - тесьма
В ходе статических испытаний путем обжатия образцов на прессе была получена силовая характеристика (СХ), т.е. зависимость сопротивления от деформации Р = Р(а). На рис. 11 кривая 1 - усредненная статическая СХ, 2 - кривая собственных (упругих) деформаций пресса, 3 - истинная статическая СХ (она представляет собой разность отсчета деформации по кривым 1 и 2 при одинаковой силе).
Рис. 11. Статическая силовая характеристика
Динамическую силовую характеристику можно приближенно описать следующей аппроксимирующей зависимостью:
Р = В-ау, (4)
где В = к- Вст = 1,3-9,14 = 11,9 кН/мму ; Вст и у = 0,73 - эмпирические коэффициенты; к « 1,3 - коэффициент динамичности.
Были также проведены опыты для оценки влияния динамичности нагружения на характер деформирования, причем были впервые применены генераторные магнитоупругие преобразователи (МУП) [12, 16], имеющие ряд существенных преимуществ по сравнению с другими типами преобразователей.
Нагружение головной втулки производилось ударом с 23 зуба копра «Массет» [17]. Полученные СХ головной втулки представлены на рис. 12, здесь же показана усредненная статическая СХ (кривая 1). Динамическая СХ (кривая 3) уже заметно отличается от статической, а в области относительно малых деформаций (не превышающих 1 мм) совпадает с «квазидинамической» СХ (кривая 2), рассчитанной по формуле (4).
Р, кТТ
>0,--—
Рис. 12. Силовые характеристики, полученные на копре «Массет»
Таким образом, для расчета контактной силы можно воспользоваться формулой (4), считая, что а « , учитывая малость деформации втулки до момента срабатывания исполнительного элемента. На основе использования этой зависимости был проведен расчет
в диапазоне значений скорости встречи до 1100 м/с. Сила сопротивления головной втулки изменяется от 8,6 до 38 кН, время нарастания до максимума, соответственно, от 16 до 5,2 мкс. Эти параметры можно принять в качестве исходных для расчета МЛКДЦ, считая, что силовое воздействие передается не на пьезогенератор, а на чувствительный механолюми-несцентный элемент.
Вследствие деформации головного колпака при взаимодействии кумулятивного снаряда с поверхностью бронированной цели генерируется световой поток, который попадает на фотоприемное устройство, расположенное в фокусирующем гнезде (рис. 13). Выходной электрический сигнал может быть подан непосредственно на омический исполнительный элемент огневой цепи взрывателя (Я) или на триггерную цепь.
Входное воздействие
\
ие /
V
Механолюминесцентный К
Оптический
датчик сигнал
V
■фФД
R
Рис. 13. Схема преобразования энергии в МЛКДЦ
Световой поток, излучаемый чувствительным элементом площадью s, в направлении фотоприемника, будет равен [11]
ф(0 = kasQ(t), (5)
где Q(t) - энергетическая светимость механолюминесцентного излучения; ка - коэффициент потерь светового потока.
Механическое напряжение o(t ), действующее на сенсор, задает временную зависимость пластической деформации £'(/), скорость роста которой определяет число
излучающих центров свечения в механолюминесцентном материале, и, следовательно, световой поток (1)-(2). В направлении приемника излучения распространяется только примерно половина светового потока, генерируемого чувствительным элементом, остальная часть рассеивается нижележащими монослоями. Это учитывается введением в формулу (5) коэффициент &Q « 0,5 [11]. При диаметре чувствительного элемента, равном диаметру штатного пьезоэлемента, т.е. 10 мм, s = 0,785-10 4 м2. Таким образом, определяется диапазон максимальных значений механического напряжения примерно от 100 до 500 МПа. Передний фронт закона этого напряжения можно считать линейным при указанном выше диапазоне его длительности (рис. 14).
Рис. 14. Моделирование выходного сигнала механолюминесцентного сенсора (энергетической светимости Q(t) ) при воздействии линейноизменяющегося механического напряжения )
В табл. 1 приведены значения максимальной энергетической светимости ^, Вт/м2 при воздействии на механолюминесцентный элемент давления от 100 до 500 МПа длительностью 5...15 мкс: расчет производился по формулам (1) - (2). Здесь ^ - задержка появления механолюминесцентного излучения, мкс; - скорость нарастания давления, МПа/мкс.
Таблица 1. Значения энергетической светимости при воздействии импульсов давления одинаковой
длительности
^, мкс <3А, МПа
100 200 300 400 500
5 V. 20 40 60 80 100
QA 21,0 40,1 51,4 58,1 62,6
2,3 1,2 0,8 0,6 0,5
10 V. 10 20 30 40 50
QA 41,6 80,8 101 114 123
t2 4,6 2,3 1,6 1,2 1,0
15 V. 6,7 13,3 20 26,7 33,3
QA 61,4 118 148 166 178
t2 6,8 3,4 2,3 1,7 1,4
Световой поток, падающий на фотоприемное устройство в соответствие с выражением (5) составляет 1,57... 21,98 мВт. В качестве фотоприемного устройства выбран фотодиод ФД-256 с интегральной токовой чувствительностью £7 = 0,4 А/Вт при длине волны Х = 0,55 мкм. Тогда фототок, возникающий при засветке фотодиода механолюминесцент-ным излучением, будет равен /ф = Ф- £7 = 0,6... 8,8 мА. Будем считать, что исполнительный
элемент датчика - электродетонатор с сопротивлением мостика Я = 2... 16 Ом (см. рис. 13). В этом случае выделяемая мощность
Р = /ф2Я = 0,4... 1,5 мДж,
что соответствует требованиям, предъявляемым к типовым омическим исполнительным элементам огневой цепи. Этот результат можно рассматривать как подтверждение адекватности предлагаемой математической модели МЛ-преобразования и возможности создания контактного датчика цели, основанного на этом эффекте.
Заключение
Основные результаты работы сводятся к следующему.
1. Показано, что механолюминесцентный принцип преобразования может быть использован для создания датчика, способного измерять достаточно интенсивные динамические воздействия. Учитывая генераторный принцип механолюминесцентного преобразования, отпадает необходимость в источнике питания, благодаря чему существенно улучшаются такие важные технические характеристики сенсорного объекта, как срок службы, температурный режим, упрощение конструкции.
2. Предложена математическая модель механолюминесцентного эффекта, адекватность которой подтверждается результатами экспериментов и расчетов. Модель основана на адекватной трактовке физических процессов, порождающих механолюминесценцию. Разработанная методика расчета выходных оптических сигналов механолюминесцентного сенсора позволяет определять величину сигнала в абсолютных единицах измерения светового потока. Модель учитывает особенности конструкции сенсорного элемента и пригодна для расчета выходных сигналов механолюминесцентного сенсора.
3. Приведен конкретный пример расчета контактного датчика цели, подтверждающий принципиальную практическую возможность его создания.
Список литературы
1. Ratnesh Tiwari, Vikas Dubey, Chandra B.P. Exact model for the elastico mechanoluminescence of II-VI phosphorst // Materials Physics and Mechanics. 2014. Vol. 19. № 1. Pp. 25-38.
2. Татмышевский К.В. Научные основы расчета и проектирования механолюминесцент-ных чувствительных элементов датчиков импульсного давления. Автореф. дис. ... докт. техн. наук. М., 2010. 33 с.
3. Сулин Г.А. Теоретические основы расчета сенсорных систем: Учебное пособие. СПб.: БГТУ («Военмех»), 2000. 64 с.
4. Патент США 3020765. Light activated fuse. Приоритет от 03.05.1977 г.
5. McElhanon J.R., Zifer T., Whinnery L.L. Light emitting elastomer compositions and method of use: US Patent 6820496 B2. 2004. 10 p.
6. Макарова Н.Ю., Рахманов З.Т. оглы, Спажакин А.Г., Татмышевский К.В. Механолю-минесцентный датчик удара: пат. 2305847 Российская Федерация. 2007. Бюл. № 25. 9 с.
7. Абрамова К.Б., Русаков А.И., Семенов А.А., Щербаков И.П. Люминесценция металлов, возбуждаемая при быстром неразрушающем нагружении // Физика твердого тела. 1998. Т. 40. № 6. С. 957-965.
8. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсоры для измерительных систем с волоконно-оптическими линиями связи // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2006. № 4. С. 3-9.
9. Макарова Н.Ю. Моделирование выходного сигнала механолюминесцентного датчика динамического давления // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 6. С. 187- 200. DOI: 10.7463/0615.0783299
10. Писаревский А.И., Татмышевский К.В., Голубев А.М. 77-30569/297102 Сравнение особенностей механолюминесценции в кристаллах ZnS и (Ba, Sr) A12O4 // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 1. С. 35.
11. Макарова Н.Ю., Татмышевский К.В. Стенд для экспериментального исследования механолюминесцентных датчиков импульсного давления // Приборы и техника эксперимента. 2006. № 1. С. 145-151.
12. Автономные информационные и управляющие системы: В 4 т. Т. 4 / Ю.М. Астапов и др.; под ред. А.Б. Борзова. М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико-М», 2011. 329 с.
13. Ефремов А.К. Особенности расчета контактных датчиков цели взрывателей // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 8. С. 233-254. DOI: 10.7463/0813.0605972
14. Ефремов А.К. Приближенный закон перегрузки при встрече боеприпаса с преградой и расчет КДЦ взрывателя // Боеприпасы и высокоэнергетические конденсированные системы. 2010. № 1. С. 9-15.
15. Головной взрыватель ГПВ-2. Руководство службы. М: Военное изд-во Министерства обороны СССР, 1962. 12 с.
16. Ефремов А.К. Магнитоупругий генераторный преобразователь // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 6. С. 195-208.
DOI: 10.7463/0614.0716613
17. Ефремов А.К., Капустян А.В. 77-30569/322339 Особенности воспроизведения ударных воздействий при механических испытаниях // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 2. С. 24.
Science ¿Education
of the Bauman MSTU
El
tft
tronic journa
iSSH 1994-0408
/
Science and Education of the Bauman MSTU, 2017, no. 01, pp. 92-109.
DOI: 10.7463/0117.0000923
Received: 14.12.2016
Revised: 28.12.2016
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Mechanoluminescent Contact Type Sensor
A.K. Yefremov1'*, N.Yu. Makarova1 'efrakigmaiiju
:Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia
Keywords: mechanoluminescence, generation of an optical signal, impact force, contact type target sensor
Mechanoluminescent sensing elements convert mechanical stress into optical radiation. Advantages of such sensors are the ability to generate an optical signal, solid-state, simple structure, and resistance to electromagnetic interference. Mechanoluminescent sensor implementations can possess the concentrated and distributed sensitivity, thereby allowing us to detect the field of mechanical stresses distributed across the area and in volume. Most modern semiconductor photo-detectors can detect mechanoluminescent radiation, so there are no difficulties to provide its detection when designing the mechanoluminescent sensing devices. Mechanoluminescent substances have especial sensitivity to shock loads, and this effect can be used to create a fuse the structure of which includes a target contact type sensor with a photosensitive actuator. The paper briefly describes the theoretical basics of mechanoluminiscence: a light signal emerges from the interaction of crystalline phosphor luminescence centers with electrically charged dislocations, moving due to the deformation of the crystal. A mathematical model of the mechanoluminescent conversion is represented as a functional interaction between parameters of the mechanical shock excitation and the sensor light emission. Examples of computing the optical mechanoluminescent output signal depending on the duration and peak level of impulse load are given. It is shown that the luminous flux, generated by mechanoluminescent sensing element when there is an ammunition-target collision causes the current emerging in photo-detector (photodiode) that is sufficient for a typical actuator of the fuse train to operate. The potential possibility to create a contact target type sensor based on the light-sensitive mechanoluminescent sensor was proved by the calculation and simulation results.
References
1. Ratnesh Tiwari, Vikas Dubey, Chandra B.P. Exact model for the elastico mechanoluminescence of II-VI phosphors. Materials Physics and Mechanics, 2014, vol. 19, no. 1, pp. 25-38.
2. Tatmyshevskij K.V. Nauchnye osnovy rascheta iproektirovaniia mekhanolyuminestsentnykh chuvstvitel'nykh elementov datchikov impul'snogo davleniia.
Avtoref. doct. diss. [Scientific bases of calculation and design of mechanoluminescent sensing elements of sensors pulse pressure. Abstract... doct. diss.]. Moscow, 2010. 33 p.
3. Sulin G.A. Teoreticheskie osnovy rascheta sensornykh system [Theoretical bases of calculation of sensory systems]. S.-Peterburg: BGTU («Voenmekh»), 2000. 64 p.
4. Patent USA 3020765. Light activated fuse. 03.05.1977.
5. McElhanon J.R., Zifer T., Whinnery L.L. Light emitting elastomer compositions and method of use: US Patent 6820496 B2. 2004. 10 p.
6. Makarova N.Yu., Rakhmanov Z.T. ogly, Spazhakin A.G., Tatmyshevskij K.V. Mekhanolyuminestsentnyj datchik udara [Mechanoluminescent sensor]. Patent RF, no. 2305847. 2007. 9 p.
7. Abramova K.B., Rusakov A.I., Semenov A.A., Shcherbakov I.P. Luminescence of metals excited by fast nondestructive loading. Fizika tverdogo tela [Physics of the solid state], 1998, vol. 40, no. 6, pp. 877-883.
8. Makarova N.Yu., Tatmyshevskij K.V. Mechanoluminescent sensors for measuring systems with fiber-optic communication lines. Informatsionno-izmeritel'nye i upravliayuschie sistemy [Information-measuring and Control Systems], 2006, no. 4, pp. 3-9.
9. Makarova N.Yu. Simulation of the output signal of the mechanoluminescent dynamic pressure sensor. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science & Education of the Bauman MSTU], 2015, no. 6, pp. 187- 200. DOI: 10.7463/0615.0783299
10. Pisarevskij A.I., Tatmyshevskij K.V., Golubev A.M. 77-30569/297102 Collation of mechanoluminescence features in the crystals of ZnS and (Ba, Sr) Al2O4. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E.Baumana [Science & Education of the Bauman MSTU], 2012, no. 1, p. 35.
11. Makarova N.Yu., Tatmyshevskij K.V. A table for experimental study of mechanoluminescentpulse pressure transducers. Pribory i tekhnika eksperimenta [Instrument and Experimental Techniques], 2006, no. 1, pp. 135-140.
DOI: 10.1134/S0020441206010209
12. Avtonomnye informatsionnye i upravliayuschie sistemy T.4 [Autonomous information and control systems. Vol. 4] / Yu.M.Astapov a.o.; ed. by A.B. Borzov. Moscow: Inzhener Publ.; Oniko-M Publ., 2011. 329 p.
13. Efremov A.K. Some features of calculating the response of contact target sensors of fuses. Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana [Science & Education of the Bauman MSTU], 2013, no. 8, pp. 233-254. DOI: 10.7463/0813.0605972
14. Efremov A.K. Priblizhennyj zakon peregruzki pri vstreche boepripasa s pregradoj i raschet KDC vzryvatelia. Boepripasy i vysokoenergeticheskie kondensirovannie sistemy [Ammunition and high-energy condensed systems], 2010, no 1, pp. 9-15.
15. Golovnoj vzryvatel' GPV-2. Moscow: Ministry of defense military Publ., 1962. 12 p.
16. Efremov A.K. Magnetoelastic generator type transducer. Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana [Science & Education of the Bauman MSTU], 2014, no. 6, pp. 195-208. DOI: 10.7463/0614.0716613
17. Efremov A.K., Kapustyan A.V. 77-30569/322339 Some features of shock testing. Nauka i obrazovanie. MGTU im. N.E. Baumana [Science & Education of the Bauman MSTU], 2012, no. 2, p. 24.
