11 июня 2014
Пассивный датчик на взвешенных магнитах
Игорь Королев
Известно, что с практической точки зрения датчики разделяются на пассивные и активные. При этом к группе пассивных датчиков относят устройства, которые обнаруживают определенный вид воздействия, вызванного внешними факторами. Это может быть тепловая или иная энергия излучаемая нарушителем, изменение магнитного поля, ударные волны, перемещение и т.д.
Преимуществом пассивных датчиков является трудность их обнаружения, т.к. они не имеют источников питания, их надежность, т.к. в них, как правило, отсутствуют активные компоненты, которые могут быть выведены из строя путем электрического разряда, облучения или мощного электромагнитного поля, отсутствие токопотребления в дежурном режиме и т.д. К недостаткам пассивных датчиков относят их чувствительность к метеоусловиям и другим внешним факторам и, как следствие, большое число ложных тревог. Несмотря на это пассивные датчики активно применяются в различных охранных системах благодаря своей надежности, простоте установки и регулировки.
Наиболее известным пассивным датчиком является геркон, который имеет контакты замыкающиеся или размыкающиеся в случае, если он попадает во внешнее магнитное поле. Однако работа геркона не так проста, как кажется на первый взгляд. Рассмотрим работу датчика на основе геркона КЭМ-1. В качестве источника магнитного поля будем использовать постоянный неодимовый магнит в виде таблетки 12х3 мм.
|
1.
|
|
При попадания геркона в магнитное поле, как показано на рисунке, происходит замыкание его контактов. При перемещении магнита к концам геркона происходит размыкание его контактов.
Размыкание происходит тем раньше достижения конца геркона, чем ближе магнит расположен к геркону.
В данном случае работа геркона одинакова в не зависимости от того, какова ориентация полюсов магнита.
|
|
2.
|
|
При попадания геркона в магнитное поле, как показано на рисунке, замыкание его контактов не происходит. При перемещении магнита к концам геркона происходит замыкание его контактов.
Замыкание происходит тем раньше достижения конца геркона, чем ближе магнит расположен к геркону. В данном случае работа геркона одинакова в не зависимости от того, какова ориентация полюсов магнита.
|
|
3.
|
Выводы: Контакты геркона КЭМ-1 замыкаются в том случае, если намагничивание контактной группы геркона разнополярное. При однополярном намагничивании контакты геркона отталкиваются друг от друга и замыкание не происходит. «Мертвая зона геркона» в данных измерениях составила 4-5 мм.
|
Следующий эксперимент проводился с тем же герконом, но в качестве постоянного магнита использовалось неодимовое кольцо 15х7х3 мм.
|
1.
|
|
При положении магнита, как показано на рисунке, происходит замыкание контактов геркона. В данном случае работа геркона одинакова в не зависимости от того, какова ориентация полюсов магнита.
|
|
2.
|
|
При положении магнита, как показано на рисунке, контакты геркона – разомкнуты, т.е. замыкание не происходит (исходное состояние геркона). В данном случае работа геркона одинакова в не зависимости от того, какова ориентация полюсов магнита.
|
|
3.
|
Выводы: Контакты геркона КЭМ-1 замыкаются в том случае, если намагничивание контактной группы геркона разнополярное. При однополярном намагничивании контакты геркона отталкиваются друг от друга и замыкание не происходит. «Мертвая зона геркона» в данных измерениях составила 5-6 мм. Таким образом, если геркон расположен внутри тороидального магнита по центру, то геркон никак не реагирует на магнитное поле и находится в исходном состоянии - контакты разомкнуты.
|
Постановка данных экспериментов дает полную картину взаимодействия геркона и внешнего магнитного поля, т.о. используя полученные данные, можно понять, каким образом должен быть расположен подвижный магнит по отношению к геркону для его нормальной работы при построении датчика, где регистрирующим элементом является геркон.
При построении системы (чувствительного элемента к внешним колебаниям) построенной на взвешенных магнитах, использовалась их особенность отталкиваться друг от друга при одинаковых полюсах их ориентации. Для построения системы возможно использовать 2 технических решения: первое, когда ось расположена в центре, рис. 1 (для этого использовались магнитные кольца) и второе, при использовании таблетки, когда магниты располагаются в цилиндре, рис. 2.
|
Рис. 1
|
Рис. 2
|
|
|
|
Известно, что при расположении магнитов друг относительно друга равными полюсами они отталкиваются и свободный (подвижный) магнит 2 по отношению к магниту 1, а также 3 по отношению к магниту 2, свободно висят в воздухе, где расстояние между ними определяется их магнитными свойствами и внутренним весом. Единственным отрицательным фактором в этом случае является лишь то, что свободный (подвешенный) магнит старается развернуться к магниту удерживающему его в воздухе таким образом, чтобы их полюса были разнополярными.
Т.к. конструкция, рис 1 и рис. 2 не позволяет подвижным магнитам развернуться, они оказываются подвешенными в воздухе и при воздействии на них внешнего колебания, они приходят в движение, испытывая лишь некоторое избыточное сопротивление (трение) при их движении вверх вниз. Заметим, что в данных конструкциях нижний магнит 1 всегда жестко закреплен.
При возникновении вертикального колебания подвижные магниты 2 и 3 приходят в движение, которое имеет затухающий вид. Т.о., расположив сверху геркон и используя его свойства, описанные выше, мы можем регистрировать колебания верхнего 3 магнита. Исследование колебательных свойств обеих конструкций (рис. 1 и рис. 2) показало, что конструкция (рис. 2) более чувствительна (в 2-3 раза) к колебаниям по отношению к конструкции рис. 1., за счет меньшего избыточного сопротивления.
Остановившись на данной конструкции, были проведены ориентировочные расчеты. Приняв ускорение свободного падения g = 9,81 м/с² (для каждого магнитного диска данная величина одинакова), в состоянии покоя всей системы (для расчетов использовалась система состоящая из 5 магнитов) данная величина равна 0 и стабилизирована магнитным полем каждого диска с учетом его веса (1,5 г.). Сила притяжения, действующая на диск может быть рассчитана на формуле:
F = 7,02 х 10−13 м³/(кг·с²), где G – гравитационная постоянная равная 6,6725 х10−11 м³/(кг·с²).
Соответственно напряженность гравитационного поля для одного диска составит:
T = F/mG = 4,68 х 10−10 м³/с² (для 5 верхнего диска). Для нижнего диска величина напряженности увеличивается за счет давления верхних дисков с учетом постоянного магнитного поля в 20 раз и составит около 9,36 х 10−9 м³/с².
При придании всей уравновешенной системе ускорения 4-5 g (воздействие соответствующее перекусу элемента ячейки) величина ускорения составит 14,21 м/с², т.е. при установленном времени воздействия = 0,125 мсек. глубина перемещения верхнего диска составит:
|
|
или 0, 227 х 10−3 м/с²
|
С учетом влияния постоянного магнитного поля всех подвижных дисков, их смещение составит следующие величины:
|
1 диск (нижний, закрепленный)
|
0 мм
|
|
2 диск
|
1,816 мм
|
|
3 диск
|
2,497 мм
|
|
4 диск
|
3,632 мм
|
|
5 диск (верхний)
|
4,54 мм
|
С учетом толщены магнитного диска, при установке геркона вверху по центру, преодоление им барьера чувствительности на 5 диске составит 2,54 мм. Таким образом, расчеты показывают, что регистрация возбуждения на 5 диске должна проходить на уровне минимальной чувствительности около 2,5 g. Т.е. система вполне жизнеспособна. С учетом размагничивания дисков (коэффициент размагничивания для неодимовых магнитов составляет менее 0,9% в год) время работы датчика, без потери чувствительности и подстройки составит не менее 10 лет.
С целью уменьшения избыточного сопротивления (трения) каждая подвижная часть конструкции 2 может быть выполнена из 2 магнитов с разными полюсами ориентации, рис. 3., что позволяет снизить вектор поворота в 3-4 раза.
Рис. 3
Т.о. конструкция датчика приобрела следующий вид, рис. 4. Для создания портотипа было решено использовать только 2 подвижных диска.
Рис. 4
В качестве магнитов использовались неодимовые кольца размерам 10 x 5 x 1 мм. и следующими характеристиками: размагничивание - 1% в 10 лет; вес - 0,4 гр.; сцепление - 0.45 кг.; цена - 7.60 руб. В качестве чувствительного элемента использовался мини геркон МКА-07101 с характеристиками:
|
Ток коммутируемый:
|
0,1 - 0,3 А
|
|
Коммутируемое напряжение:
|
24 В
|
|
Коммутируемая мощность:
|
1 Вт
|
|
Кол-во срабатываний:
|
1 х 106 – 2 х 107
|
|
Частота коммутации, сраб/сек.:
|
не более 100
|
|
Время срабатывания:
|
0,3 мс.
|
|
Время отпускания:
|
не более 0,1 мс
|
|
Размеры:
|
длина: 7 мм.; диаметр: 1,8 мм.
|
|
Цена:
|
17 руб.
|
Созданная конструкция нового датчика показала высокую чувствительность к вертикальному колебанию на уровне 5 g, но слабую чувствительность к горизонтальным ускорениям. Для устранения данного недостатка в конструкцию была введена дополнительная обмотка для подачи коротких импульсов 250 мсек. с частотой 8 Гц. Длительность и частота импульса определялась экспериментально применительно к конструкции датчика и количеству витков обмотки.
Данная обмотка в конструкции выполняет двойную функцию:
- Позволяет проводить опрос состояния датчика с частотой 8 Гц.;
- Позволяет привести систему взвешенных магнитов в постоянное колебание, при которых датчик выдает импульсы сработки геркона с частотой опроса и равной длиной импульса.
Т.о., взвешенные магниты, находясь в постоянном движении, позволили, на основе анализа длины импульса сработки геркона, не только повысить чувствительность датчика к вертикальному ускорению, а дали возможность регистрировать внешнее горизонтальное ускорение, воздействующее на датчик.
Выводы: разработанный и изготовленный новый пассивный датчик на взвешенных магнитах показал хорошие технические характеристики к регистрации внешнего механического воздействия (ускорения) на уровне 3-4 g по вертикали и 5-7 g по горизонтали.
Датчик требует вертикальной ориентации, но не критичен к абсолютному значению, он долговечен, не требует питания и не имеет деталей критичных к внешним факторам воздействия природного или техногенного характера.
Размер созданного образца составил цилиндр диаметром 15 мм. и высотой 70 мм. Выходные импульсы данного датчика не имеют дребезга и просты с точки зрения алгоритма их обработки.
С учетом размагничивания дисков (коэффициент размагничивания для неодимовых магнитов составляет менее 0,9% в год) время работы датчика, без потери чувствительности и подстройки составит не менее 10 лет.
