Механолюминесцентный датчик удара

Изобретение относится к системам управления и измерительной технике и может быть использовано в качестве датчика управления подушками безопасности в автомобилях. В корпусе датчика установлен сердечник-концентратор, который усиливает механическое напряжение на своем выходном торце. Один из торцов сенсорного элемента находится в механическом контакте с сердечником-концентратором, а другой - в оптическом контакте с волоконно-оптическим жгутом, при этом сенсор и волоконно-оптический канал связи выполнены из материалов, нечувствительных к электромагнитным помехам, что повышает надежность датчика за счет снижения вероятности ложного срабатывания при вибрациях и трясках автомобиля на дорогах. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к системам управления и измерительной технике, предназначено для регистрации ударных нагрузок и может быть использовано в качестве датчика управления подушками безопасности в автомобилях.

Известные датчики [А.С. СССР №409137, Кл G01P 15/10, 15.06.70] со струнными преобразователями обладают высокой инерционностью, достаточно сложной конструкцией, высокой чувствительностью к электромагнитным помехам и вибрационным воздействиям.

Пьезопленочные датчики удара [Серридж М., Лихт Т.Р. Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам и предусилителям. - «Брюль и Къер», 1987] чувствительны к изменению температуры и давления, емкостные датчики удара имеют высокую чувствительность к вибрациям, температуре и электромагнитным помехам.

Кроме того, все параметрические датчики удара требуют подведения напряжения питания к чувствительному элементу, что снижает их надежность, а датчики, использующие пьезоэлектрический эффект, чувствительны к вибрациям и электромагнитным помехам. Все электронные датчики предполагают использование кабельных линий связи между датчиком и блоком обработки информации, а кабельные линии также чувствительны к вибрационным и электромагнитным помехам [Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами. - М.: Мир, 1990]. Обеспечение помехоустойчивости кабельных и проводных линий связи требует сложных и дорогостоящих мер защиты [В.И.Кравченко, Е.А.Болотов, Н.И.Летунова Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи - М.: Радио и связь, 1987].

Все вышеуказанные датчики подвержены воздействию влаги, что приводит к ложным срабатываниям.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство [Мяздриков О.А. Электрические способы объемной гранулометрии. - Л.: Энергия, 1968.], состоящее из основания датчика, внешнего корпуса, стеклянного основания сенсора, сенсорного элемента, представляющего собой суспензию из механолюминесцентного материала, фотоприемного устройства в виде фотоэлектронного умножителя и оптического канала связи.

Недостатком данного устройства является его конструктивная сложность, хрупкость некоторых элементов при ударном воздействии, а также неудобство использования в составе наземных, воздушных и космических транспортных средств.

Техническая задача, решаемая с помощью механолюминесцентного датчика удара, состоит в повышении надежности датчика за счет увеличения вероятности безотказной работы.

Технический результат: механолюминесцетный датчик удара, содержащий сенсорный элемент из механолюминесцентного материала, оптический канал связи, фотоприемное устройство, корпус, в котором жестко закреплен сердечник-концентратор, выполненный в виде конуса, на который нанесен сенсорный элемент в виде пленки, а в качестве оптического канала используется волоконно-оптический жгут или кабель, один из торцев которого находится в неразъемном механическом и оптическом контакте с сенсором, а другой торец находится в оптическом контакте с фотоприемным устройством. В качестве механолюминесцентного материала используют люминофор на основе сульфида цинка, легированного марганцем (ZnS:Mn, с весовым содержанием марганца 5%). Сенсорный элемент представляет собой пленку из прозрачного связующего, нечувствительного к влаге, и наполнителя из порошка люминесцентного материала. Толщина слоя составляет 2-3 d_cp, где d_cp - средний диаметр частиц люминесцентного материала. Сердечник-концентратор может быть выполнен так, что его рабочая поверхность имеет шероховатость с заданными параметрами.

Датчик удара представляет собой узел (фиг.1) в виде корпуса 1, внутри которого расположены сердечник-концентратор 2, сенсорный элемент 3 в виде прозрачной пленки, установленный на приемном торце волоконно-оптического жгута (ВОЖ) 4. Сенсорный элемент выполнен на основе порошкового люминофора, нанесенного на прозрачную пленку. В качестве порошкового люминофора используется люминофор на основе сульфида цинка, легированного марганцем ZnS:Mn (5%), обладающий наибольшей яркостью по сравнению с остальными промышленными люминофорами. Оптимальная толщина чувствительного элемента не превышает 20-30 мкм при среднем диаметре частиц механолюминофора d_cp=10 мкм. Дальнейшее увеличение слоя механолюминофора даст прирост светового потока не более 5% [Татмышевский К.В. Механолюминесцентный чувствительный элемент: математическая модель и динамические свойства // Журнал «Приборы и системы». №4. 2005. - С.35-39]. Внешняя часть сердечника имеет отверстия для присоединения к элементам конструкции бампера, кузова, дверей и т.п. автомобиля 5, а внутренняя выполнена в виде конического концентратора механических напряжений. Коэффициент усиления амплитуды волны, проходящей из цилиндрической части сердечника к вершине усеченного конуса, можно определить по формуле [Сю (Nam P.Suh) О коэффициенте усиления волн напряжения в сплошных усеченных конусах // Журнал «Прикладная механика». №4. 1968. - С.229]:

где D_ц, D_к - диаметры соответственно цилиндрической части и усеченного конца конической части сердечника.

Показатель степени n для углов:

- для углов от 120 до 60 угловых градусов n=2

- для углов от 60 до 25 градусов n=1,9

- для углов от 25 до 5 градусов n=1,5

Приемный наконечник ВОЖ крепится неподвижно, выходной стыкуется с фотоприемным устройством 6, выполненным в виде фотодиода и предварительного усилителя, интегрированный с блоком управления подушками безопасности (ФПУ+БУПБ).

Повышение надежности датчика за счет увеличения вероятности безотказной работы достигается путем снижения вероятности ложного срабатывания при вибрациях и трясках автомобиля на дорогах, а также за счет увеличения помехоустойчивости к электромагнитным помехам. Дополнительно вероятность ложного срабатывания уменьшается за счет избирательных свойств датчика для малых и больших длительностей ударного воздействия, что соответствует некатастрофическим столкновениям, а также пороговой чувствительности при малых амплитудах ударного воздействия σ(t), что соответствует упругому деформированию сенсора, при которых оптический выходной сигнал не генерируется [Татмышевский К.В. Механолюминесцентный чувствительный элемент: математическая модель и динамические свойства // Журнал «Приборы и системы». №4. 2005. - С.35-39]. Примерами таких соударений могут быть соударения автомобиля с насекомыми, мелкими животными, градом, гравием и т.п., когда длительность ударного воздействия достаточно мала. Большие длительности ударных воздействий соответствуют квазистатическим нагрузкам, например, с объектами малой массы и с малой жесткостью. В диапазоне средних длительностей ударного воздействия, которые соответствуют катастрофическим столкновениям с массивными и жесткими объектами, приводящим к трагическим последствиям, сенсор вырабатывает выходной оптический сигнал.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в корпусе установлен сердечник-концентратор, который усиливает механическое напряжение на своем выходном торце, один из торцов сенсорного элемента находится в механическом контакте с сердечником-концентратором, а другой - в оптическом контакте с волоконно-оптическим жгутом. Сердечник-концентратор может быть выполнен в двух исполнениях (фиг.2). В первом варианте наконечник сделан в виде конуса (фиг.2, а)). Во втором варианте для повышения чувствительности сердечник-концентратор изготовлен так, что рабочая поверхность сердечника-концентратора выполнена с шероховатостью с заданными параметрами (фиг.2, б)). Шероховатость может быть задана следующими параметрами: 1) высота неровностей профиля по десяти точкам (R_z), 2) средний шаг неровностей профиля (S_m). Значения параметров шероховатости могут быть в пределах: 1) R_z5...R_z100 2) S_m5...S_m8. Коэффициент усиления второго варианта будет определяться как отношение двух площадей этих поверхностей.

Известно, что механолюминесценция в соединениях A₂B₆, к которым относится и сульфид цинка, является следствием процессов движения дислокации, сопровождающих пластическую деформацию кристаллов. Экспериментально обнаружено, что дислокации в полупроводниках А₂В₆ и, в частности, ZnS:Mn обладают сильным электрическим зарядом. В процессе пластической деформации происходит взаимодействие центров свечения (атомов марганца) с электрическим полем движущихся заряженных дислокаций, которое приводит к возбуждению центров свечения с их последующими излучательными переходами [Осипьян Ю.А. Электронные свойства дислокаций в полупроводниках // М.: Эдиториал УРСС, 2000]. Особенность работы такого датчика проявляется в том, что он по-разному реагирует на механические возбуждения различной длительности и амплитуды. На (фиг.3) изображены расчетные зависимости энергетической светимости сенсора R(t) при воздействии ударных давлений σ(t) одинаковой амплитуды и различной длительности. На (фиг.4) изображены расчетные зависимости энергетической светимости сенсора R(t) при воздействии ударных давлений σ(t) различной амплитуды и одинаковой длительности. При монотонном увеличении длительности сначала происходит рост амплитуды светимости, а затем после достижения максимума происходит уменьшение интенсивности импульса свечения. Малые и большие длительности ударного воздействия не вызывают генерации света. При уменьшении амплитуды и крутизны ударного воздействия наблюдается временная задержка в появлении излучения, которая определяется временем достижения давления, равного пределу текучести материала сенсора. Это подчеркивает пороговый характер функции преобразования чувствительного элемента. В пределах упругих деформаций сенсора генерация излучения практически не происходит. Таким образом, при столкновении автомобиля с ложными преградами датчик не будет вырабатывать сигнал. Вероятность ложного срабатывания уменьшается за счет достаточно высокого уровня порога срабатывания датчика.

Воздействие электромагнитных помех, сопутствующих работе автомобиля, не вызывает ложных срабатываний датчика за счет того, что сенсор и волоконно-оптический канал связи выполнены из материалов, нечувствительных к электромагнитным помехам, а фотоприемное устройство находится в малогабаритном и хорошо экранированном корпусе блока управления.

Датчик удара работает следующим образом.

При столкновении автомобиля с препятствием (фиг.5) на передний бампер 7 воздействует импульс ударного давления. Этот импульс проходит по корпусу автомобиля и попадает на механолюминесцентный датчик удара. Ударное давление σ(t) распространяется по сердечнику-концентратору 2 (фиг.1), усиливается в нем и вызывает деформацию прозрачной пленки. Если при этом возникает давление выше предела текучести, то слой механолюминофора излучает световой импульс R(t). Волоконно-оптический жгут 4, находящийся в оптическом и механическом контакте с датчиком, передает световой сигнал на фотоприемное устройство (ФПУ) 6. Фотоприемник на противоположном конце ВОЖ преобразует световой сигнал в электрический сигнал. Далее этот сигнал обрабатывается микропроцессором (МП) со специально разработанным алгоритмом и попадает на блок управления подушками безопасности (БУПБ). Если амплитуда и длительность сигнала превысят определенный уровень, то тогда произойдет срабатывание подушек безопасности.

1. Механолюминесцентный датчик удара, содержащий корпус, сенсорный элемент из механолюминесцентного материала, оптический канал связи, фотоприемное устройство, отличающийся тем, что в корпусе жестко закреплен сердечник-концентратор, выполненный в виде конуса или плоской пластины с шероховатостью рабочей поверхности с заданными параметрами, значения которых находятся в пределах R_z5-100, S_m5-8, где R_z - высота неровностей профиля по десяти точкам, S_m - средний шаг неровностей профиля, на рабочую поверхность сердечника-концентратора нанесен сенсорный элемент в виде пленки, а в качестве оптического канала использован волоконно-оптический жгут или кабель, один из торцов которого находится в механическом и оптическом контакте с сенсором, другой торец находится в оптическом контакте с фотоприемным устройством.

2. Механолюминесцентный датчик удара по п.1, отличающийся тем, что в качестве механолюминесцентного материала используют сульфид цинка, легированный марганцем (ZnS:Mn, с весовым содержанием марганца 5%).

3. Механолюминесцентный датчик удара по п.1, отличающийся тем, что толщина слоя сенсорного элемента составляет 2-3 d_cp, где d - средний диаметр частиц механолюминесцентного материала.