ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВИБРАЦИОННЫЙ ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к средствам измерения динамических механических величин и может быть использована для приема и преобразования различного рода вибраций и механических перемещений подвижных механических систем и конструкций в системах тревожной сигнализации, в частности в системах охраны периметра на базе вибрационных извещателей с кабельными чувствительными элементами.
Известен трибоэлектрический преобразователь неэлектрических величин в электросигналы, содержащий коаксиальные внешний и внутренний проводники и коаксиально расположенные между ними слои полимеров, внешний проводник выполнен в виде стальной спирали, ближайший к внутреннему проводнику слой выполнен из композиции пористого и проводящего полиэтиленов с определенным соотношением, а другой слой выполнен из ленточного высокополимерного материала, внешний диаметр которого составляет 0,5÷0,7 от внутреннего диаметра стальной спирали (см. патент РФ №1840372 «Трибоэлектрический преобразователь неэлектрических величин в электросигналы», МПК G01B 7/00, опубл. 10.10.2006)
Недостатком известного преобразователя является то, что при существенных радиусах изгиба в экране, выполненном из стальной спирали, на внешнем радиусе изгиба образуются щели и система становится подвержена внешним паразитным электромагнитным полям. Этот фактор обуславливает низкую помехозащищенность. Появление коррозии на стальной спирали радикальным образом снижает образование трибоэлектрического сигнала. Внутренний коаксиальный проводник с нанесенными полимерными слоями обладает существенной для данной системы массой, поэтому воздействия, сила которых не достаточна для совершения работы по перемещению, скольжению, отрыву данного проводника, не фиксируются. Следовательно, данный преобразователь не обладает достаточной чувствительностью.
Наиболее близким техническим решением является коаксиальный трибоэлектрический преобразователь динамических механических величин, содержащий внутренний проводник, размещенный внутри полиэтиленовой изоляции, внешний проводник, изоляционную оболочку, защитную полиэтиленовую трубку, экран и дополнительную защитную полиэтиленовую трубку. Полиэтиленовая изоляция выполнена сплошной из пористого полиэтилена, при этом внутренний диаметр изоляции равен диаметру внутреннего проводника, изоляционная оболочка размещена между полиэтиленовой изоляцией и внешним проводником, экран установлен между основной и дополнительной защитными полиэтиленовьми трубками.(см. патент РФ №26263 «Коаксиальный трибоэлектрический преобразователь динамических механических величин», МПК G601B 7/16, опубл. 20.11.2002)
Недостатками известного преобразователя являются низкая чувствительность к механическим перемещениям, вибрации и деформациям, низкая помехозащищенность и стабильность уровня вырабатываемого сигнала по длине. Все это объясняется ограниченным диаметром рабочей соприкасающейся поверхности, а также жесткостью конструкции. Последнее отрицательным образом сказывается на свободном перемещении проводника, сильной зависимости от термоусадочных явлений изоляции (процесс усадки после производства и в процессе эксплуатации), жесткости полимерных слоев в зависимости от температуры, следовательно неравномерности чувствительности по длине.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение чувствительности, помехозащищенности, стабильности уровня вырабатываемого сигнала по длине, расширение частотного диапазона полезного сигнала, уменьшение габаритов.
Технический результат достигается тем, что в преобразователе вибрационном трибоэлектрическом, содержащем внутренний проводник, размещенный внутри диэлектрического изоляционного слоя, экран, внешний проводник и защитную оболочку из полимерного материала, согласно изобретению, внутренний проводник выполнен в виде спирали, состоящей из одной или нескольких металлических проволок и размещенной внутри полого диэлектрического изоляционного слоя, экран выполнен из фольгированной алюминием полимерной ленты, наложенной по спирали или продольно с положительным перекрытием металлическим слоем к диэлектрическому изоляционному слою, между экраном и диэлектрическим изоляционным слоем размещен один или несколько внешних проводников, сверху экрана расположена защитная оболочка из полимерного материала, при этом соотношение максимального внешнего диаметра спирали и минимального внутреннего диаметра диэлектрического изоляционного слоя находится в диапазоне 0,92÷5,4, а внешний диаметр защитной оболочки не более 7,0 мм.
Кроме того, диэлектрический изоляционный слой выполнен из фторопласта.
Преимущественно, защитная оболочка выполнена из полимерного негорючего, галогено- не содержащего материала с пониженным газо- и дымовыделением.
На чертеже схематично изображен предлагаемый преобразователь.
Преобразователь представляет собой отрезок кабеля, состоящий из внутреннего проводника 1, выполненного в виде спирали имеющей внешний диаметр D1, полого диэлектрического изоляционного слоя 2 с внутренним диаметром D2, экрана 3 из фольгированной алюминием полимерной ленты, наложенной по спирали или продольно с положительным перекрытием металлическим слоем к диэлектрическому изоляционному слою 2, внешнего проводника 4, который выполнен в виде одного или нескольких луженых медных проводников, защитной оболочки 5, выполненной из светостабилизированного, атмосферостойкого полимера, внешний максимальный диаметр которой D3 не более 7,0 мм. Соотношение максимального внешнего диаметра спирали D1 и минимального внутреннего диаметра диэлектрического изоляционного слоя D2 находятся в диапазоне 0,92≤D2/D1≤5,4.
Работа преобразователя основана на трибоэлектрическом эффекте. При вибрациях, деформациях и растяжениях преобразователя возникает относительное перемещение между поверхностью внутреннего проводника 1 и изоляционного диэлектрического слоя 2, а так же между изоляционным диэлектрическим слоем 2 и экраном 3, которое из-за контактного трения (отрыв, соприкосновение и скольжение) приводит к появлению электрических зарядов на внутреннем и внешнем проводниках 1, 4. Защита возникающих электрических зарядов, выполняющих роль полезной рабочей информации, осуществляется экраном 3. Сам экран 3 защищен от внешней среды защитной оболочкой 5.
Чем интенсивнее будут относительные перемещения подвижных конструктивных элементов преобразователя, тем лучше условия для образования трибоэлектрических зарядов, которые при подключении проводников преобразователя через усилитель напряжения или заряда к специальному регистратору, или например, к осциллографу, приводят к формированию на последнем выходного электрического сигнала, пропорционально механическому воздействию в диапазоне частот от долей Гц до нескольких сотен кГц. При использовании в измерительной схеме усилителя заряда практически отсутствуют ограничения по длине, как кабельного первичного преобразователя, так и соединительного кабеля, так как их емкости не влияют на уровень выходного сигнала.
Таким образом, конструктивные решения, примененные в преобразователе выгодно отличают его от известных решений. Выполнение внутреннего проводника в виде подвижной спирали, расположенной внутри полого диэлектрического изоляционного слоя исключает жесткую конструкцию, следовательно, повышает чувствительность преобразователя.
Определенное соотношение максимального внешнего диаметра спирали и минимального внутреннего диаметра диэлектрического изоляционного слоя обеспечивает оптимальную площадь соприкосновения трибоэлектрической пары, что позволяет повысить стабильность уровня сигнала по длине и расширить частотный диапазон полезного сигнала, при этом уровень полезного сигнала более чем в 50 раз выше уровня сигнала прототипа при значительно повышенной чувствительности.
Выполнение экрана из фольгированной алюминием полимерной ленты, наложенной по спирали или продольно с положительным перекрытием металлическим слоем к диэлектрическому изоляционному слою, позволяет повысить помехозащищенность.
Выполнение защитной оболочки с внешним диаметром не более 7,0 мм позволяет уменьшить габариты преобразователя, что повышает скрытность его при применении.
Повышенная чувствительность, стабильность и высокие значения полезного сигнала, линейность преобразования в широком частотном диапазоне в сочетании с простой технологичностью и невысокой себестоимостью обуславливает возможность широкого применения данного преобразователя, прежде всего в устройствах специального назначения в частности в системах охраны периметра на базе вибрационных извещателей с кабельными чувствительными элементами.