ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ЦЕЛИ ДЛЯ ВЗРЫВАТЕЛЯ
TARGET CAPACITANCE SENSOR FOR FIRING DEVICE

Изобретение относится к конструкции емкостных датчиков цели, используемых во взрывателях боеприпасов, реагирующих на сближение и контакт с внешними телами, а конкретно к конструкции датчиков, имеющих два изолированных электрода, образующих входную емкость.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое устройство, является повышение надежности работы и устойчивости датчика к внешним атмосферным воздействиям (всепогодность) и воздействию электромагнитного излучения (помехозащищенность).
Из предшествующего уровня техники известна конструкция емкостного датчика цели для взрывателя боеприпаса, срабатывающего при сближении с целью и содержащего два изолированных электрода, схему, чувствительную к изменению емкости между электродами, схему защиты от несанкционированного срабатывания при включении питания до выхода на рабочий режим, компаратор, исполнительное устройство, контур обратной связи с заданной постоянной времени (см. патент DE 2845236, 1978 г.).
Известная конструкция является относительно сложной, чувствительной к кратковременным помехам, имеет контур обратной связи.
Наиболее близкой конструкцией по количеству сходных признаков и решаемой задаче к заявляемому устройству является конструкция емкостного датчика цели для взрывателя боеприпаса, который автоматически сохраняет исходное состояние, чувствительное к изменению емкости между электродами, без применения в конструкции схемы обратной связи (применение которой в вышеуказанном аналоге приводит к снижению устойчивости), при этом изменение емкости между электродами датчика цели является следствием изменения диэлектрической проницаемости окружающей среды (см. патент RU 2415376, от 09.12.09 г., опубл. 27.03.11).
Данная конструкция принята за прототип и содержит источник питания, схему защиты от несанкционированного срабатывания, соединенную с источником питания и содержащую RC-цепочку, два изолированных электрода, которые вместе с импульсным генератором переменного напряжения входят в схему, чувствительную к изменению емкости между электродами и соединенную со схемой детектирования выходящего с импульсного генератора сигнала, последняя соединена с компаратором, который в свою очередь соединен с исполнительным устройством, в качестве импульсного генератора использован генератор прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой и изменяющейся в зависимости от величины емкости между электродами частотой, а в схему детектирования сигнала, выходящего с импульсного генератора, включен частотный детектор, выход которого подключен к компаратору через усилитель напряжения низкочастотного сигнала с линейной функцией входного сигнала (далее - линейный усилитель), в состав которого входит полосовой фильтр, при этом исполнительное устройство соединено со схемой защиты от несанкционированного срабатывания, в которой RC-цепочка выполнена в виде интегрирующего звена и в которую входит, по крайней мере, один блокирующий транзисторный ключ.
Недостатком прототипа является повышенная чувствительность датчика к мелким предметам, которые не являются целью в ближней зоне чувствительности (расстояние от 0 до 1 см до цели), что снижает его помехозащищенность, кроме того, в дальней зоне (расстояние от 1 до 3,5 см до цели) проявляется пониженная чувствительность к цели.
Техническим результатом заявляемого устройства является повышение помехозащищенности датчика к мелким предметам в ближней зоне чувствительности и повышение чувствительности датчика в дальней зоне, а также упрощение и удешевление конструкции. Дополнительным техническим результатом является расширение функциональных возможностей.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в схему емкостного датчика цели для взрывателя, включающую источник питания, исполнительное устройство, соединенное со схемой защиты от несанкционированного срабатывания, подключенной к источнику питания, два изолированных электрода, соединенных с генератором переменного напряжения с изменяющейся частотой, который в свою очередь подключен к частотному детектору, соединенному с компаратором через линейный усилитель, дополнительно включен усилитель напряжения с логарифмирующей функцией входного сигнала (далее -логарифмирующий усилитель), который установлен между частотным детектором и линейным усилителем.
Применение усилителя с логарифмирующей функцией входного сигнала обеспечивает спрямление характеристики чувствительности датчика в ближней зоне по отношению к чувствительности датчика в дальней зоне, что повышает помехоустойчивость в ближней зоне и чувствительность в дальней зоне. С применением логарифмирующего усилителя чувствительность взрывателя при приближении к цели на расстояние от 23 мм до 4 мм меняется в 6 раз (в прототипе - в 13), что дает возможность не реагировать на мелкие предметы, попавшие в данную зону и не являющиеся целью: листья, атмосферные осадки и т.д. Сама цель, имеющая значительно большие размеры, вызовет необходимое изменение напряжения на выходе частотного детектора для надежного срабатывания емкостного датчика. Следует также отметить, что применение в схеме логарифмирующего усилителя снижает требования, предъявляемые к линейному усилителю, что упрощает и удешевляет конструкцию.
Включение в схему датчика цели комбинации из логарифмирующего и линейного усилителей обеспечивает наиболее полную реализацию помехозащищенности датчика. Логарифмирующий усилитель оптимально сочетается с работой частотного детектора, т.к. их показательные функции обратно пропорциональны, и спрямление функции обеспечивается наиболее эффективно. Линейный усилитель дополняет работу логарифмирующего. К тому же, данная комбинация позволяет уменьшить, а в некоторых случаях и вовсе убрать защиту электрода, являющегося частью корпуса, тем самым упростить конструкцию датчика, снизить массу и оптимизировать компоновку взрывателя, при этом можно будет увеличить площадь электрода, тем самым повысить надежность работы датчика по целям с низкой диэлектрической проницаемостью и варьировать степень помехозащищенности в широком диапазоне в соответствии с условиями эксплуатации, что расширяет функциональные возможности датчика.
На фиг.1 изображена структурная схема заявляемого емкостного датчика, где 1 - схема, чувствительная к изменению входной емкости, 2 - схема детектирования сигнала, 3 - логарифмирующий усилитель, 4 - линейный усилитель 5 - компаратор, 6 - схема защиты от несанкционированного срабатывания датчика при включении питания, 7 - исполнительное устройство, 8 - источник питания.
На фиг.2 - график зависимости амплитуды напряжения с выхода одновибратора частотного детектора от расстояния от объекта, попавшего в зону чувствительности емкостного датчика, до поверхности внешнего электрода (являющегося частью корпуса): а - с выхода частотного детектора, b - с выхода логарифмирующего усилителя, с - с выхода линейного усилителя без применения логарифмирующего (прототип).
На фиг.3 - представлена переходная характеристика логарифмирующего усилителя.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства служит емкостной датчик цели для взрывателя, в качестве источника питания которого использован литиевый источник тока, который соединен со схемой защиты емкостного датчика цели от несанкционированного срабатывания, включающая в себя RC-цепочку, выполненную в виде интегрирующего звена и в которую входят два блокирующих транзисторных ключа. Схема, чувствительная к изменению емкости между электродами, включает импульсный генератор прямоугольных импульсов с постоянной амплитудой и изменяющейся частотой, которая зависит от диэлектрической проницаемости объектов, находящихся в чувствительной зоне датчика, два изолированных электрода (сталь-латунь), разделенных вставкой из диэлектрического пресс-материала. Схема, чувствительная к изменению емкости между электродами, соединена со схемой детектирования выходящего с импульсного генератора сигнала, в которую включен частотный детектор, представляющий собой одновибратор с фиксированной длительностью импульсов и частотой следования, равной частоте работы импульсного генератора. Одновибратор выполнен на логических элементах и элементах R, С. Выход частотного детектора подключен к комбинации усилителей: усилителю напряжения низкочастотного сигнала с логарифмирующей функцией, выполненному на операционном усилителе и двух диодах, и следующему за ним линейному усилителю. На входе комбинации усилителей стоят дифференцирующие RC-цепочки, а на выходе - интегрирующие RC-цепочки. Совместно данные цепочки образуют узкополосный полосовой фильтр. После усилителей сигнал передается на интегральный компаратор. Исполнительное устройство соединено со схемой защиты от несанкционированного срабатывания и представляет собой формирователь импульса подрыва взрывателя, выполненный в виде одновибратора, который формирует импульс определенной длительности и полярности.
Работа устройства заключается в следующем.
При включении источника питания 8 и достижении напряжения более 0,7 В начинает работать схема защиты от несанкционированного срабатывания 6, которая блокирует огневую цепь до тех пор, пока напряжение питания не достигнет своего номинального значения и все узлы устройства не установятся в исходное состояние. Схема защиты 6 блокирует также все устройство на время, необходимое для удаления боеприпаса на безопасное расстояние от орудия. На полете до встречи с целью исходное состояние узлов датчика сохраняется.
При попадании в зону чувствительности датчика предметов с диэлектрической проницаемостью среды (ε), отличной от диэлектрической проницаемости среды зоны чувствительности, меняется входная емкость датчика. Это вызывает изменение частоты импульсного генератора схемы, чувствительной к изменению входной емкости 1. Сигнал с генератора поступает на одновибратор частотного детектора схемы детектирования сигнала 2, меняя скважность его выходного сигнала в соответствии с изменением частоты. На выходе схемы детектирования сигнала 2 появляется низкочастотный сигнал, характеризующий объект (цель). С выхода схемы детектирования 2 сигнал поступает на усилитель напряжения низкочастотного сигнала с логарифмирующей функцией 3. Поскольку характеристика входного сигнала является показательной функцией, то после прохождения через усилитель с логарифмирующей функцией происходит спрямление выходного сигнала. Сигнал с логарифмирующего усилителя 3 скорректирован по отношению к выходному сигналу частотного детектора (см. фиг.2а) в соответствии с переходной характеристикой логарифмирующего усилителя (см. фиг.3) и поступает на линейный усилитель 4, где дополнительно усиливается для надежного срабатывания компаратора 5, и поступает на один из его входов. На второй вход компаратора 5 подается опорное напряжение (с которым сравнивают). При превышении сигнала с выхода усилителя 3 опорного напряжения происходит срабатывание компаратора 5 и исполнительного устройства 7, в результате чего происходит формирование импульса подрыва.
Таким образом, применение логарифмирующего усилителя в электронной схеме емкостного датчика цели взрывателя устраняет его сверхчувствительность в зоне действия мелких частиц и гидрометеоров на расстоянии до 1 см до них и повышает функциональную чувствительность на малых расстояниях до цели, 1-3,5 см, что позволяет повысить помехоустойчивость и эффективность боевого применения. Повышение чувствительности в дальней зоне не сказывается на ухудшении помехозащищенности датчика по отношению к мелким предметам, попавшим в эту зону, т.к. их незначительные размеры не влияют на резкое увеличение диэлектрической проницаемости среды активной области датчика, при этом большие размеры цели будут оказывать влияние на диэлектрическую проницаемость среды, что приведет к срабатыванию датчика. В ближней зоне наличие мелких предметов оказывает существенное изменение диэлектрической проницаемости, но из-за значительного снижения чувствительности датчика в ней, это не может привести к его срабатыванию.