ИНЕРЦИОННЫЙ ПОРОГОВЫЙ ДАТЧИК
INERTIAL THRESHOLD SENSOR

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к инерционным датчикам порогового действия.
Инерционные датчики порогового действия используются для определения момента достижения ускорением, действующим на датчик, заданной величины. Инерционные датчики порогового действия устанавливаются, как правило, на движущихся объектах для контроля за достижением ускорениями пороговых уровней, в том числе при столкновении с другими объектами, например, при транспортных авариях. В этом случае происходит резкое изменение скорости движущегося объекта, и на датчик действует импульс ударного ускорения.
Основными характеристиками инерционных датчиков порогового действия являются: порог по ускорению срабатывания, величина рабочего хода и диаграмма чувствительности.
Порог по ускорению срабатывания обеспечивается путем поджатия инерционного тела к опорной поверхности с заданным усилием, отношение которого к массе инерционного тела и определяет величину порога. Движение инерционного тела начинается при достижении действующего ускорения заданной величины, определяемой порогом по ускорению срабатывания.
Сигнал о достижении заданного порога по ускорению срабатывания формируется, например, путем замыкания нормально разомкнутого электрического контакта при перемещении инерционного тела.
Одной из основных характеристик инерционных датчиков порогового действия является диаграмма чувствительности, показывающая, при какой величине ускорения начинается перемещение инерционного тела (или происходит замыкание электрического контакта) в зависимости от угла между осью датчика и вектором ускорения. Исходя из минимизации количества датчиков, устанавливаемых на движущийся объект, целесообразно, чтобы датчик мог срабатывать при действии ускорений, вектор которых может быть направлен как вдоль, так и под углами к оси датчика.
Одним из путей решения данной технической задачи является использование в датчике механизма с инерционным телом, имеющим сферическую форму, который расположен в углублении конической формы, выполненном, например, в корпусе датчика. В этом случае датчик имеет диаграмму чувствительности в виде конуса. Угол конуса диаграммы чувствительности зависит от угла конического углубления, в котором размещается сферическое инерционное тело.
Порог по ускорению срабатывания датчику можно обеспечить разными способами. Инерционное тело может быть поджато к опорной поверхности (имеющей форму конуса) с помощью магнита. При этом в качестве подвижного электрического контакта может быть использован как сам шарик, что требует организации к нему токоподвода, так и отдельная деталь, которую перемещает шарик до контакта с неподвижным электрическим контактом.
Известна конструкция датчика (см. патент ФРГ DЕ 3313033, МПК Н01Н 35/14, опубл. 02.08.1984 г.), в которой шарик поджат к конической опорной поверхности магнитом, а при перемещении в конце рабочего хода шарик взаимодействует с деталью, которая является подвижным электрическим контактом. Шарик перемещает подвижный электрический контакт до соприкосновения с неподвижным электрическим контактом, благодаря чему происходит замыкание электрической цепи.
В том случае когда для удержания инерционного тела используется магнит, величина силы поджатия уменьшается в зависимости от перемещения инерционного тела, и поэтому обобщенный коэффициент жесткости упругого элемента получается отрицательным. Так как коэффициент жесткости упругого элемента отрицательный, получаем неколебательную динамическую систему, у которой отсутствуют частоты, при которых могут происходить ложные срабатывания при возникновении резонанса в условиях вибронагружений.
Тем не менее, недостатком данных конструкций является влияние процесса замыкания электрического контакта на точность порога по ускорению срабатывания датчика. Вследствие того что подвижный электрический контакт должен обладать собственной устойчивостью к ускорениям, инерционному телу необходимо преодолеть определенное усилие для обеспечения замыкания электрического контакта. При этом усилие начального поджатия инерционного тела, обеспечиваемое магнитом, и усилие, которое необходимо преодолеть инерционному телу для замыкания электрического контакта, обеспечиваются разными деталями датчика, что усложняет процесс настройки порога по ускорению срабатывания.
Для исключения влияния процесса замыкания электрического контакта на точность порога по ускорению срабатывания целесообразно, чтобы шарик являлся подвижным электрическим контактом или функции подвижного электрического контакта и упругого элемента были совмещены в одной детали.
Так, например, известен инерционный датчик (см. патент США №3453405, МПК Н01Н 35/02, опубл. 01.07.69 г.), содержащий корпус, инерционное тело сферической формы, установленное с возможностью перемещения вдоль и под углом к оси датчика и поджатое с помощью упругого элемента к конической опоре в корпусе. Под действием ускорения, величина которого превышает порог по ускорению срабатывания, а вектор может быть направлен как вдоль, так и под углом к оси датчика, инерционное тело перемещается и замыкает электрический контакт.
Основным недостатком аналога является ненадежное замыкание электрического контакта при работе датчика вследствие того, что токоподвод к подвижному электрическому контакту - инерционному телу (шарику) осуществляется через упругий элемент - пружину, которая поджимает инерционное тело для обеспечения требуемого порога по ускорению срабатывания. В этом случае для надежного замыкания электрического контакта необходимо обеспечить дополнительную гальваническую связь в местах контактирования пружины с токовыводом и инерционным телом, что может существенно усложнить процесс изготовления и сборки датчика.
Инерционный датчик, в котором инерционное тело - шарик выполняет функцию только инерционного тела, а подвижный электрический контакт является отдельной деталью, одновременно выполняющей роль упругого элемента, известен из описания к патенту США №5237135, МПК Н01Н 35/14, опубл. 17.08.93 г., который выбран в качестве прототипа.
В данной конструкции шарик расположен в коническом углублении, выполненном в корпусе датчика с возможностью перемещения как вдоль, так и под углом к оси датчика, а в качестве упругого элемента, закрепленного в корпусе, используются сформированные путем вырезов на пластине консольные балки (8 штук), которые поджимают шарик к конической опоре и одновременно являются подвижными электрическими контактами.
К главным недостаткам прототипа можно отнести то, что консольные балки, нагруженные на конце шариком, образуют динамическую систему, которая является колебательной. Во-первых, реакция колебательной системы на ударные импульсы произвольной формы может отличаться в зависимости от темпа нарастания ускорения. И, во-вторых, так как любая механическая колебательная система характеризуется наличием частот, при которых возможно возникновение резонанса, то в условиях вибронагружений возникновение резонанса может приводить к дребезгу упругих элементов и, соответственно, потере устойчивости датчика и ложным срабатываниям (Ю.И.Иориш, Виброметрия, ГНТИ, М., 1963 г., стр.463).
Кроме того, диаграмма чувствительности датчика - прототипа неравномерная (особенно при действии ускорений в направлении, перпендикулярном оси датчика), так как в зависимости от направления вектора ускорения задействуются одна или две консольные балки.
Задачей заявляемого изобретения является создание инерционного порогового датчика, надежно срабатывающего при ускорениях, действующих вдоль и под углом к оси датчика, при условии превышения порога по ускорению срабатывания датчика в соответствии с диаграммой чувствительности, в том числе при действии ударных импульсов произвольной формы.
Технические результаты, достигаемые при реализации изобретения, заключаются в повышении точности срабатывания датчика при действии ускорений, в том числе ударных импульсов произвольной формы, повышении устойчивости в условиях вибронагружений и расширении функциональных возможностей.
Это достигается тем, что в инерционном пороговом датчике, содержащем размещенные в корпусе сферическое инерционное тело, установленное с возможностью перемещения вдоль и под углом к оси датчика, поджатое с помощью закрепленного в корпусе упругого элемента, являющегося подвижным контактом, и неподвижный контакт, новым является то, что упругий элемент выполнен в виде выпуклой в сторону инерционного тела хлопающей мембраны с отрицательной жесткостью на участке рабочего хода, имеющей в центральной части коническое углубление, в котором размещено инерционное тело.
Выполнение упругого элемента в виде хлопающей мембраны (см. Л.Е.Андреева, Упругие элементы приборов, М.: Машгиз, 1962 г., стр.311-315), выпуклой в сторону инерционного тела, благодаря определенному сочетанию диаметра мембраны и высоты подъема центральной части обеспечивает упругому элементу силовую характеристику (зависимость обобщенной восстанавливающей силы от перемещения центральной части мембраны), на которой есть участок, где происходит уменьшение силы, но при этом вектор обобщенной восстанавливающей силы не меняет свое направление. Указанный участок силовой характеристики и используется для обеспечения требуемого порога по ускорению срабатывания. Для этого перед настройкой требуемого порога по ускорению срабатывания осуществляется предварительное перемещение центральной части мембраны, с установленным в коническом углублении инерционным телом - шариком, на расчетную величину для того, чтобы в начале движения шарика величина восстанавливающей силы была больше, чем в конце рабочего хода - в момент замыкания электрического контакта. После этого производится точная настройка порога по ускорению срабатывания датчика с использованием центробежной установки.
Так как величина обобщенной восстанавливающей силы в зависимости от перемещения инерционного тела уменьшается, обобщенный коэффициент жесткости упругого элемента - мембраны на участке рабочего хода имеет отрицательное значение. Поэтому динамическая система датчика является неколебательной, благодаря чему достигается повышение точности срабатывания датчика при действии ускорений, в том числе ударных импульсов произвольной формы, а также повышение устойчивости датчика в условиях вибронагружений.
Коническая поверхность центральной части мембраны, обращенная к неподвижному электрическому контакту, при перемещении на величину рабочего хода контактирует с неподвижным электрическим контактом. Благодаря конической форме центральной части подвижного электрического контакта обеспечивается необходимая величина контактного давления, достаточная для надежного замыкания электрической цепи.
Опорная поверхность, к которой поджимается шарик, может быть плоской, конической или иметь другую произвольную форму. В зависимости от сочетания формы опорной поверхности и угла конуса в центральной части мембраны можно формировать различные виды диаграмм чувствительности, тем самым расширяя функциональные возможности датчика.
На фиг.1 изображена схема варианта исполнения инерционного порогового датчика, имеющего плоскую опорную поверхность.
На фиг.2 - вид силовой характеристики упругого элемента - мембраны.
Инерционный пороговый датчик содержит сферическое инерционное тело - шарик 1, установленный с возможностью перемещения вдоль и под углом к оси датчика. Шарик 1 поджат к опоре 4 закрепленным в корпусе 5 упругим элементом - мембраной 2, являющейся одновременно подвижным электрическим контактом. Мембрана 2 выполнена в виде выпуклой в сторону инерционного тела хлопающей мембраны с отрицательной жесткостью на участке рабочего хода Δ. В центральной части мембраны 2 имеется коническое углубление с углом полураствора конуса α, в котором установлен шарик 1. Неподвижный электрический контакт 3 размещен от мембраны 2 на расстоянии Δ, которое одновременно является величиной межконтактного зазора. Опора 4 установлена в корпусе 5 датчика с возможностью перемещения, например, по резьбе, для обеспечения предварительного смещения центральной части мембраны и для точной настройки порога по ускорению срабатывания. Для подключения датчика к регистрирующей аппаратуре используются токовыводы 6 и 7 соответственно от упругого элемента 2 и неподвижного электрического контакта 3.
В качестве инерционного тела целесообразно использовать стандартный шарик необходимого диаметра, изготовленный из коррозионностойкого, немагнитного сплава.
Мембрана изготавливается также из коррозионностойкого, немагнитного сплава, например сплава 36НХТЮ. Коническое углубление в центре мембраны служит для позиционирования инерционного тела - шарика и, кроме того, делает центральную часть мембраны более жесткой, благодаря чему она перемещается по заданному закону.
Неподвижный электрический контакт изготавливается из электропроводящего металла. В качестве токовыводов используется провод, например, типа МСЭ (ТУ 16-505.083-78).
Силовая характеристика мембраны 2 представляет собой зависимость силы F, генерируемой мембраной, от перемещения Х ее центральной части. Как показано на фиг.2, силовая характеристика имеет участок А-Б, на котором происходит уменьшение величины восстанавливающей силы F. То есть в начале движения шарика величина восстанавливающей силы F (точка А на силовой характеристике) больше, чем в конце рабочего хода - в момент замыкания электрического контакта (точка Б на силовой характеристике). Величина рабочего хода Δ, как правило, выбирается минимально возможной, но с учетом обеспечения отсутствия электрического пробоя между контактами.
Датчик работает следующим образом.
Под действием ускорения, величина которого превышает порог по ускорению срабатывания, а вектор может быть направлен относительно оси датчика под разными углами, шарик 1 перемещает центральную часть мембраны 2 до соприкосновения с неподвижным электрическим контактом 3. При этом происходит замыкание электрической цепи. Момент замыкания электрического контакта, который регистрируется аппаратурой, свидетельствует о достижении ускорением заданной величины, соответствующей порогу по ускорению срабатывания датчика.
Проведенные испытания макетных образцов инерционного порогового датчика, выполненного в соответствии с изобретением, подтвердили достижение заявляемых технических результатов.