15 августа 2014
Пассивный датчик ускорения
И.А. Королев
Стандартный пассивный датчик ускорения, как правило, реализуется по принципу воздействия ускорения на подвижный элемент датчика. В качестве подвижного элемента очень часто выбирается металлический шарик, который в состоянии покоя замыкает электрическую цепь, образуя 2 контактные группы, рис. 1.
Рис. 1
Качество контактной группы зависит от массы подвижного элемента (шарика), а также от материала, из которого сделан шарик и контакты, на которых он лежит. В большинстве случаев используются материалы, которые менее всего подвержены окислению и воздействию агрессивной среды: золото или платина. Использование дорогостоящих материалов существенно увеличивает стоимость датчика, но гарантирует его работу в течение необходимого периода эксплуатации и уменьшает количество ложных срабатываний.
Очевидно, что исключив из устройства одну контактную группу, технические характеристики датчика улучшатся (уменьшится дребезг, улучшится контакт, уменьшится время затухания и т.д.), но это может привести к потере подвижности чувствительного элемента и как следствие, к потере чувствительности датчика. Таким образом, технически необходимо стремиться к наличию лишь одной контактной группы, но, в то же время, необходимо искать компромисс между качеством замыкания контактной группы и чувствительностью устройства.
Подобные технические решения датчиков (рис. 1) чувствительны к ускорению на уровне 2-3 g и реагируют на наклон, т.о. при установке датчика требуется их относительная корректировка по горизонту. В случае, если чашу, в которой лежит шарик, сделать достаточно глубокой, то относительная корректировка по горизонтали не потребуется, но это приведет к существенной потере чувствительности датчика не только к наклону, но и к ускорению. Как можно видеть, и в этом случае (при выборе глубины установки шарика) необходимо искать компромиссное решение.
Теперь, когда относительно все + и – пассивного датчика ускорения, где подвижным элементом является шарик, понятны, можно сформулировать основные требования к нему:
- минимальная чувствительность к ускорению должна быть около 2 g;
- минимальная чувствительность к наклону должна быть не хуже 0,5 градусов в течении 1 сек.;
- возможность использования для контактной группы недорогих материалов;
- достаточно быстрое затухание сигнала после воздействия на чувствительный элемент датчика: ударное – не более 40 мсек., качение - не более 2 сек.;
- по возможности исключить 2-ю контактную группу;
- контакты в элементах датчика в состоянии покоя должны быть надежны и не приводить к ложным срабатываниям;
- по возможности исключить точную корректировку положения датчика по горизонту;
- высокая надежность и гарантия сохранения работоспособности в течение необходимого периода эксплуатации (5-10 лет);
- отсутствие активных радиоэлементов и токопотребления в состоянии покоя;
- простота конструкции и технологичность;
- низкая себестоимость при серийном производстве.
Очевидно, что требования к датчику достаточно высоки и, как уже было сказано выше, многие конструкторские решения вымеряются длительными исследованиями, изменяя массу шарика от 5 до 10 грамм с шагом 0,1 гр., изменяя наклон и глубину чаши и т.д. И, несмотря на это, реализация датчика все равно сводится к некому компромиссному конструкторскому решению.
Для дальнейшего изучения конструкции и свойств пассивного датчика ускорения был выбран новый датчик – ДВМ-3 производства компании ЗАО «Эскорт-Центр». Данный датчик отдельно не поставляется и используется для установки на сетчатое заграждение периметров с шириной секции 3 метра. Т.о. при оборудовании периметра в 1 километр необходимо 333 датчика. При ориентировочной стоимости одного датчика – 850 рублей, стоимость такой сенсорной линии (включая кабель связи) составляет около 300.000 рублей. Гарантированное время эксплуатации сенсорной линии, а следовательно и самого датчика – 10 лет.
Конструкция пассивного датчика ДВМ-3 стандартна и представляет собою подвижный элемент – шарик, помещенный в специальную чашу (седло). Количество контактных групп – 2, покрытие – золото. Чувствительность к горизонту установки существует, но она минимальна, чувствительность к ускорению на уровне 3-4 g., чувствительность в углу наклона – фактически отсутствует. Токопотребление в состоянии покоя – 0, затухание – не более 40 мсек.
С целью надежности работы датчика, он выполнен на основе не 1-го чувствительного подвижного элемента (шарика), а 4-х, каждый из которых расположен в своей чаше, а контакты всех элементов запараллелены.
Надежность конструкции датчика ДВМ-3 высока, но его существенным недостатком является высокая стоимость, сложность обработки сигнала и отсутствие адресности. Т.е., при стандартной линии в 100 метров с 33 датчиками, при наличии полезного сигнала, мы не можем сказать на какой из секций (1 секция – 3 метра) произошло срабатывание, а знаем лишь то, что сработал участок – линия протяженностью в 100 метров.
Для создания системы адресности сенсорных линий на пассивных датчиках, существуют различные радиотехнические решения, но в данной работе они рассматриваться не будут.
К недостаткам датчика ДВМ-3 можно отнести:
- относительно низкая чувствительность к ускорению (на уровне 3-4 g);
- отсутствие чувствительности к наклону;
- наличие 2-х контактных групп;
- относительно высокая стоимость изделия.
Несмотря на приведенные недостатки, актуальность разработки новых типов пассивных датчиков ускорения существует. Это обусловлено тем, что данные устройства не чувствительны к электромагнитным помехам, не боятся воздействий коротких электромагнитных импульсов, их работа не может быть заблокирована внешним устройством, их токопотребление минимально, они технологически просты, не требуют поверки и имеют длительный срок эксплуатации.
Для получения сравнительных характеристик датчика ДВМ-3 и конструктивно нового пассивного датчика ускорения, о котором будет сказано ниже, были проведены идентичные испытания по шести параметрам:
-
Воздействие – импульс ускорения (вертикальный) 1 g в течении 1 мсек.;
-
Воздействие – импульс ускорения (вертикальный) 4 g в течении 2 мсек.;
-
Воздействие – импульс ускорения (горизонтальный) 1 g в течении 1 мсек.;
-
Воздействие – импульс ускорения (горизонтальный) 4 g в течении 2 мсек.;
-
Воздействие – наклон 0,5 – 1 град. в течении 100 мсек.;
-
Воздействие – наклон 1 – 3 град. в течении 300 мсек.
Датчик ДВМ-3 показал следующие результаты:
1. Датчик не зарегистрировал импульс ускорения.
2. Датчик зарегистрировал импульс ускорения с ответной реакцией, приведенной на рис. 2.
Рис. 2
3. Датчик не зарегистрировал импульс ускорения.
4. Датчик зарегистрировал импульс ускорения с ответной реакцией, приведенной на рис. 3.
Рис. 3
5. Датчик не зарегистрировал наклон поверхности.
6. Датчик не зарегистрировал наклон поверхности.
Из полученных результатов можно сделать вывод, что пассивный датчик ускорения – ДВМ-3 производства компании ЗАО «Эскорт-Центр», применяемый для сенсорных линий сетчатого заграждения периметров чувствителен фактически только к вертикальному ускорению на уровне 3-4 g в течении 2 мсек. Т.о., в следствие своих технических особенностей, он достаточно хорошо справляется со своими задачами (количество ложных срабатываний сведено к минимуму), но способен зарегистрировать преодоление сетчатого заграждения лишь в тех случаях, если нарушитель достаточно агрессивен.
Как известно техническая мысль не стоит на месте и, следуя основным требованиям, сформулированным выше к пассивному датчику ускорения, был разработан новый датчик и изготовлен с целью проведения сравнительных испытаний.
В качестве подвижного элемента применен все тот же шарик, помещенный в чашу (седло) выполненное особым образом рис. 4.
Рис. 4
Как видно на рис. 4 подвижный элемент (шарик) имеет 2 контактные группы и чувствителен, как к вертикальному ускорению – в этом случае шарик подпрыгивает, так и горизонтальному ускорению – в этом случае шарик катается. Контактная группа 1 специально расположена ниже контактной группы 2, создавая избыточное давление в точке 1. Это позволило увеличить чувствительность к горизонтальному ускорению и компенсировать необходимость очень корректной ориентации датчика по горизонту.
С целью уменьшения дребезга, времени затухания и возможности использования не дорогостоящих материалов в устройстве, рабочие элементы датчика были помещены в жидкий диэлектрик - 95% состав этанола. Это позволило отказаться от дорогостоящих материалов (покрытия золотом) рабочих частей датчика.
Новый датчик показал следующие результаты:
1. Датчик зарегистрировал импульс ускорения с ответной реакцией, приведенной на рис. 5.
Рис. 5
2. Датчик зарегистрировал импульс ускорения с ответной реакцией, приведенной на рис. 6.
Рис. 6
3. Датчик зарегистрировал импульс ускорения с ответной реакцией, приведенной на рис. 7.
Рис. 7
4. Датчик зарегистрировал импульс ускорения с ответной реакцией, приведенной на рис. 8.
Рис. 8
5. Датчик зарегистрировал наклон поверхности с ответной реакцией, приведенной на рис. 9.
Рис. 9
6. Датчик зарегистрировал наклон поверхности с ответной реакцией, приведенной на рис. 10.
Рис. 10
Как видно из полученных результатов, новый датчик показал более высокую чувствительность к горизонтальному ускорению, а дребезг контактов существенно снизился, что дает большую информативность при обработке полученных ответных сигналов. Одной из особенностей нового датчика является то, что его рабочие элементы помещены в жидкий диэлектрик – этанол. При необходимости этанол может быть заменен на другой диэлектрик, обладающий большей вязкостью и меньшей летучестью. Это несколько уменьшит его чувствительность, но и уменьшит дребезг контактов и время затухания ответного сигнала.
Другой особенностью датчика, данные элементы были изготовлены, но не были установлены на исследуемый образец датчика, является доработка его конструкции с целью исключения влияния 1-й контактной группы (в точке 1) Рис. 4.
Существенного исключения влияния одной из контактных групп, при работе датчика, удалось достичь путем изменения конструкции центрального контакта – опорного стержня, рис. 11.
Рис. 11
Как видно из рисунка, на центральный контакт – опорный стержень, выполненный из магнитного материала установлен постоянный магнит, который притягивает шарик, также выполненный из металла с магнитными свойствами. С учетом того, что основная рабочая контактная группа расположена выше точки центрального контакта, который дополнительно зафиксирован магнитными свойствами шарика и центрального стержня, удалось максимально снизить влияние последней на качественные показатели выходного сигнала. Данная доработка существенно не повлияла на чувствительность, но снизила количество ложных срабатываний, уменьшила время затухания ответного сигнала и улучшила форму ответного импульса.
Для данного датчика была выполнена и другая доработка - механизм компенсации угла наклона (контроль горизонта). Она не повлияла на чувствительность, но позволила отказаться от юстировки датчика по горизонту при его установке.
В качестве рабочего элемента был применен компенсационный груз, вывешенный на опорном стержне, который возвращает датчик в вертикальное положение при изменении угла горизонта. Выполненная доработка показала хорошие результаты, но существенно усложнила конструкцию датчика. Т.к. без данной доработки и установки датчика «на глаз», без юстировки положения датчика по горизонту, существенного изменения в его работе обнаружено не было, было принято решение от данной доработки отказаться.
В заключении следует добавить, что при проведении испытаний нового датчика, назовем его ПДУ (пассивный датчик ускорения), в качестве подвижного элемента был применен шарик аналогичный шарику из датчика ДВМ-3 (диаметр и вес шарика идентичны). Это позволило максимально улучшить чистому полученных сравнительных характеристик.
Заключение:
Новый датчик, по сравнению с датчиком ДВМ-3, позволяет регистрировать горизонтальное и вертикальное ускорение, имеет более выраженный ответный сигнал, обладает более качественными показателями по дребезгу контактов, технологически прост и не требует покрытия рабочих частей датчика дорогостоящими металлами, соответственно его стоимость может быть в 3-4 раза меньше стоимости датчика ДВМ-3 и составить не более 200 руб.
