РЕАКЦИОННЫЙ КОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК КРИВОЛИНЕЙНОЙ ФОРМЫ
CURVED SHAPE REACTION CONTACT SENSOR

Область техники
Заявляемое изобретение относится к системам инициирования. Точнее к реакционным контактным датчикам пробития и может быть использовано в авиационной промышленности, ракетостроении и машиностроении. Назначение реакционного контактного датчика пробития заключается в надежном качестве контактирования (амплитуда и длительность) электрического сигнала при воздействии динамической силовой нагрузки, возникающей при пробитии корпуса объекта, на котором установлен датчик, вследствие удара объекта о преграду. Срабатывание реакционного контактного датчика осуществляется путем замыкания электрического контакта для подачи сигнала на исполнительную систему при силовом ударном нагружении объекта.
Предшествующий уровень техники
Известны технические решения, в которых для защиты датчиков применяются защитные покрытия и экраны.
Известен "Контактный датчик для регистрации момента подлета поражающего элемента…" описанный в патенте РФ №2465539, МПК: F41J 5/044, заявка №2010154307/28 31.12.2010, приоритет 12.03.2012, опубл. 27.10.2012 (бюллетень №30), патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МГТУ им. Н.Э. Баумана», авторы: Бойко М.М., Воронков С.И., Грязное Е.Ф., Елисеев С.И., Конашенков А.И., Кулебякин А.В., и др.; (RU).
Контактный датчик для регистрации момента подлета поражающего элемента, содержащий подложку из непроводящего материала, на поверхности которой размещена система из двух изолированных друг от друга проводников, подключенных к выходным клеммам источника постоянного напряжения и закрытых сверху защитным слоем, отличающийся тем, что в нем система изолированных проводников выполнена в виде плоской спирали из двух металлических полос, ширина которых составляет величину (3…6)⋅V⋅10-6, [м], где V, [м/с] - ожидаемая скорость подлета поражающего элемента к датчику, при этом ширина изоляционного слоя между проводниками составляет не более 0,3 от толщины корпуса.
Существенные признаки, общие с признаками изобретения: датчик содержит подложку из непроводящего материала, на поверхности которой размещена система из двух изолированных друг от друга проводников, закрытых сверху защитным слоем.
Недостатком данного контактного датчика является поверхностный слой, выполненный из изоляционного материала (скотч, картон), не предназначенного для защиты датчика от случайного внешнего воздействия при монтаже.
Известен детектор "Датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц", описанный в патенте РФ №2457986, МПК: B64G 1/68, заявка №2011114041/11 12.04.2011, приоритет 15.02.2012, опубл. 10.08.2012 (бюллетень №22), патентообладатель: ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина", авторы: Иванов Н.Н., Иванов А.Н.; (RU).
Датчик для регистрации и замера параметров метеороидных и техногенных частиц, межзвездной и межпланетной пыли, воздействующих на космический аппарат, содержащий многослойной детектор, отличающийся тем, что детектор выполнен в форме сферы, корпус которой состоит из двух соединенных друг с другом с возможностью разъединения полусферических оболочек, на каждую из которых с наружной стороны нанесено многослойное покрытие из чередующихся слоев поляризованного материала из пьезоактивной пленки и аэрогеля, включающее наружный слой покрытия, выполненный из аэрогеля и являющийся теплоизоляционным аэрогельным экраном-демпфером, два слоя гибких обкладок из поляризованного материала, снабженных гибкими электродами, разделенными калиброванной аэрогельной прокладкой, выполняющей роль мерной пролетной базы L, и внутреннюю аэрогельную подложку, соприкасающуюся одной своей поверхностью с гибкой обкладкой из поляризованного материала, а другой - с полусферической оболочкой детектора.
Существенные признаки, общие с признаками изобретения: детектор выполнен в форме сферы, корпус которой состоит из двух разъединяемых полусферических оболочек.
Недостатком данного контактного датчика является невозможность обеспечения защиты датчика, вследствие особенностей физико-механических свойств материала (аэрогеля), из которого он выполнен.
Известно техническое решение, приведенное в патенте РФ №2411473, МПК: G01L 7/08, заявка №2009123818/28 22.06.2009, приоритет 25.09.2010, опубликовано 10.02.2011 (бюллетень №4), патентообладатель: ФГУП "Уральский электромеханический завод", авторы: Неупокоев С.Ф., Бучинский В.В., Гусева Т.В., Попова О.С., Смагирева С.В.; (RU).
Способ изготовления контактного датчика в виде слоистой пленки, включающий выполнение, по крайней мере, двух слоев, один из которых изготовлен из гибкого диэлектрического материала, чувствительного к давлению и представляющего собой термореактивный полимер, ламинированный с двух сторон термопластичным полимером, на котором формируют второй слой из токопроводящего элемента, последующую сборку элемента датчика с получением пакета из чередующихся диэлектрических и токопроводящих слоев, соединение элементов в пакет в условиях термокомпрессионной сварки с предварительным помещением пакета между двумя диэлектрическими слоями из термореактивного полимера, используемыми в качестве стенок корпуса, ламинированными термопластичным полимером только со стороны, прилегающей к пакету, при этом для обжатия сборки используют два вспомогательных упругих элемента, которые после снятия давления удаляют и окончательно формируют контур датчика, соответствующий конфигурации измеряемого объекта, отличающийся тем, что сначала получают заготовку элемента датчика с помощью термокомпрессионной сварки металлических листов с гибким диэлектрическим материалом, проложенным между ними, а затем на заготовке формируют рисунок элемента датчика путем двустороннего фотохимического травления металлических листов с использованием комплекта фотошаблонов.
Существенные признаки, общие с признаками изобретения: контактный датчик представлен в виде слоистой пленки, включающей, по крайней мере, два слоя, один из которых изготовлен из гибкого диэлектрического материала; сборка элемента датчика с получением пакета из чередующихся диэлектрических и токопроводящих слоев; соединение элементов в пакет.
Недостатком данного контактного датчика является отсутствие защиты датчика от несанкционированного механического воздействия на него, приводящее к разрушению токопроводящих и диэлектрических слоев и, как следствие, к выходу датчика из строя. Кроме того, выход датчика из строя возможен в случае воздействия повышенной температуры.
В качестве прототипа был выбран датчик, описанный в патенте на полезную модель РФ №144 095 "Контактный датчик"; МПК: G01L 5/00, заявка №2014107567, приоритет 27.02.2014, опубл. 10.08.2014; патентообладатель ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академ. Е.И. Забабахина"; авторы: Куликов И.Д., Петроченко О.Н., Ягнаков А.А., Ведерникова С.А., Рамазанова О.Г., Куранова Е.А., Израилев Б.И., Клевцова Н.Б., Приб И.А.; (RU).
Контактный датчик, выполненный в виде слоистой пленки, содержащий, по меньшей мере, два слоя, один из слоев выполнен из гибкого диэлектрического материала, второй слой выполнен из токопроводящего материала, при этом слои собраны в пакет, отличающийся тем, что пакет помещен, по меньшей мере, в один слой органопластика, содержащего наполнитель из ткани на основе арамидных волокон и полимерное связующее в количестве 10-18 масс. %.
Существенные признаки, общие с признаками изобретения: контактный датчик, выполненный в виде слоистой пленки, содержащий, по меньшей мере, два слоя, один из слоев выполнен из гибкого диэлектрического материала, второй слой выполнен из токопроводящего материала, при этом слои собраны в пакет; пакет помещен, по меньшей мере, в один слой органопластика, содержащего наполнитель из ткани на основе арамидных волокон и полимерное связующее.
Недостатками данного контактного датчика являются: плоская форма, ограничивающая место установки в изделие, невозможность механической обработки заготовки без бахромления и расслаивания ее кромок, большая масса и толщина датчика, меньшая площадь рабочей поверхности из-за широких боковых кромок из органопластика, сложный процесс изготовления и сборки.
Раскрытие изобретения
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание реакционного контактного датчика, рационально размещенного в ограниченном объеме изделия, имеющего по сравнению с прототипом уменьшенную массу и толщину, увеличенную рабочую поверхность, упрощенные изготовление и обработку.
Технический результат заключается:
- в значительном уменьшении количества слоев арамидной ткани в составе органопластика без потери защитных характеристик органопластика, что позволит уменьшить массу и толщину реакционного контактного датчика, а также упростить механическую обработку сформованного пакета «чувствительный элемент - органопластик»;
- в одновременной сборке и совместном формовании чувствительного элемента датчика и органопластика по размерам поверхности изделия, на которое устанавливают датчик, что позволяет увеличить рабочую поверхность реакционного контактного датчика; а так же упростить технологический процесс изготовления;
- в создании монтажной поверхности датчика и ее непосредственного контакта с поверхностью изделия, что позволит повысить чувствительность и быстродействие реакционного контактного датчика.
Технический результат достигается за счет того, что контактный датчик содержит, по меньшей мере, два слоя, один из которых выполнен из гибкого диэлектрического материала, второй слой выполнен из токопроводящего материала, при этом слои собраны в пакет; пакет покрыт, по меньшей мере, одним слоем органопластика, содержащего наполнитель из ткани на основе арамидных волокон и полимерное связующее. Согласно изобретению, пакет неразъемно соединен по меньшей мере с одним слоем органопластика с образованием рабочей поверхности с одной стороны и монтажной поверхности с другой стороны пакета, пакет со слоем органопластика выполнен в форме, повторяющей поверхность детали, на которую он будет установлен.
Краткое описание фигур чертежа
На фиг. 1 схематично показаны составные части реакционного контактного датчика.
На фиг. 2 показаны составные части реакционного контактного датчика в разрезе.
На фиг. 3 показана пресс-форма для изготовления опытного образца реакционного контактного датчика криволинейной формы.
На фиг. 4 показан пуансон для изготовления опытного образца реакционного контактного датчика криволинейной формы.
На фиг. 5 показано соединение пресс-формы и пуансона.
На фиг. 6 приведена диаграмма зависимости усилия разрушения защитного слоя из органопластика от количества слоев арамидной ткани в составе защитного слоя органопластика.
Варианты осуществления изобретения
Реакционный контактный датчик криволинейной формы (фиг. 1 и фиг. 2) состоит из чувствительного элемента 1, выполненного по технологии многослойных печатных плат, собранных в виде пакета. Элемент 1 совместно сформован и неразъемно соединен, по меньшей мере, с одним слоем органопластика 3, образуя рабочую поверхность 4 с одной стороны и монтажную поверхность 2 с другой стороны элемента 1.
Рабочая поверхность 4 - это поверхность слоя органопластика 3, выполненная в соответствии с габаритами чувствительного элемента 1, которая обеспечивает защиту чувствительного элемента 1 от нежелательного механического воздействия.
Монтажная поверхность 2 - это свободная поверхность чувствительного элемента 1, предназначенная для контакта, или монтажа чувствительного элемента 1 с корпусом изделия (на фигуре не показано).
Это позволяет получить технический результат в виде повышения чувствительности и быстродействия реакционного контактного датчика по сравнению с прототипом, за счет создания монтажной поверхности датчика и ее непосредственного контактирования с поверхностью изделия.
По сравнению с прототипом, количество слоев из арамидной ткани, из которых состоит органопластик 3, в предлагаемом изобретении уменьшается без существенной потери защитных характеристик органопластика 3 (стойкость защитного слоя органопластика к воздействию разрушающей нагрузки). Для подтверждения защитных характеристик были проведены эксперименты, результаты которых приведены в таблице на фиг. 6.
На диаграмме (на фиг. 7) видно, что при увеличении количества слоев ткани с 1 до 5 значение давления разрушения защитного покрытия из органопластика увеличивается с 4645 до 6848 кгс/см2. При этом значение давления разрушения при наличии 3 и более слоев изменяется незначительно. На основании этого был сделан вывод о том, что оптимальное число слоев ткани равно трем при сохранении защитных характеристик датчика от несанкционированного механического воздействия в процессе жизненного цикла.
Несанкционированным механическим воздействием является любое механическое повреждение рабочей поверхности 4 датчика в процессе его установки и обслуживания в составе изделия в течение всего гарантийного срока изделия.
Значительное уменьшение количества слоев арамидной ткани в составе органопластика 3 без потери его защитных характеристик позволяет получить технический результат в виде уменьшения массы реакционного контактного датчика, значительного уменьшения его толщины и упрощения механической обработки сформованного пакета «чувствительный элемент - органопластик». По сравнению с прототипом, который имел большую массу и толщину слоя органопластика, что приводило к критическому усложнению механической обработки слоев органопластика готового датчика, заявляемый датчик можно обрабатывать ножницами.
Защитные характеристики органопластика 3 сохраняются вследствие его прессования совместно с чувствительным элементом 1, а так же использования в процессе прессования полимерного связующего плотностью 35-40 мас.%
Это упрощает изготовление реакционного контактного датчика за счет одновременной сборки и совместного формообразования чувствительного элемента реакционного контактного датчика и органопластика, так как исключаются лишние этапы изготовления деталей и промежуточных узлов.
Изготовленный таким способом датчик приобретает монолитную структуру, по сравнению с прототипом, где части датчика изготавливались отдельно и затем склеивались, в результате чего структура получалась не монолитной, с пониженной плотностью.
Образование монтажной поверхности 2 для ее непосредственного контакта с контролируемой поверхностью изделия позволяет повысить чувствительность и быстродействие датчика. Этот результат является неожиданным, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемого технического решения.
Элемент 1 со слоем органопластика 3 выполнен в форме, повторяющей геометрию криволинейной поверхности изделия (на фиг. 1 не показано), на которое он будет установлен. Это позволяет решить задачу рационального размещения датчика в ограниченном объеме изделия.
По сравнению с прототипом, у которого рабочая поверхность меньше из-за наличия в его конструкции рамки позиционирования, в описываемом изобретении положение чувствительного элемента 1 в позиционировании не нуждается. Одновременная сборка и совместное формообразование чувствительного элемента 1 и органопластика 3 по размерам поверхности изделия, на которое будут устанавливать датчик, позволяет увеличить рабочую поверхность 4 реакционного контактного датчика.
На фиг. 2 показаны составные части чувствительного элемента 1, который состоит из слоев пленки, собранных в виде пакета, содержащего слои 5 и 6. Слои 5 выполнены из токопроводящего материала.
Токопроводящие слои 5 имеют структуру чередующихся токопроводящих полос (фиг. 2). При этом направление полос соседних слоев 5 взаимно перпендикулярное. Конструкция из четырех токопроводящих слоев 5 позволяет обеспечить в одном датчике работу по двум независимым каналам, что повышает жизнеспособность датчика в случае потери контакта по одному из каналов. Слои 6 выполнены из гибкого диэлектрического материала. Форма слоев 6 соответствует поверхности датчика.
Слои 5 и 6 собраны в виде пакета, который закрыт с противоположной стороны от монтажной поверхности 2 слоем органопластика 3, содержащего наполнитель из ткани на основе арамидных волокон и полимерное связующее в количестве 35-40 масс. %. Внешняя поверхность органопластика 3 является рабочей поверхностью 4.
В конкретном варианте осуществления контактный датчик выполнен по технологии многослойных печатных плат, диэлектрический слой 6 выполнен из полиимидных пленок, токопроводящий слой 5 выполнен из алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм. Пакет в рассматриваемом варианте состоит из четырех токопроводящих слоев 5 и пяти изоляционных слоев 6, чередующихся друг с другом.
Для получения реакционного контактного датчика применяют совместное его формование с образованием неразъемного соединения пленочного чувствительного элемента 1 и органопластика 3 в пресс-форме 7 (на фиг. 3, 4, 5), повторяющей поверхность изделия, на которую датчик будет установлен. Для этого в пресс-форму 7 укладывают пленочный чувствительный элемент 1, сориентировав его монтажной поверхностью 2 в сторону основания пресс-формы 7. После этого равномерно наносят на свободную поверхность чувствительного элемента 1 эпоксидное связующее (на фигурах не показано) на основе эпоксикремнийорганической смолы. Аналогичным образом наносят связующее на требуемое количество слоев арамидной ткани из состава органопластика 3. Затем сверху в пресс-форму 7 устанавливают пуансон 8. После этого формуют полученную сборку.
Достигаемый результат обеспечивается не только наличием известных отличительных признаков, но и зависит от взаимодействия его с другими существенными признаками заявляемого способа, что позволяет ему расширить свои функциональные возможности и обеспечить высокий технический результат, заключающийся в оптимизации технологических процессов изготовления, снижении массы и толщины реакционного контактного датчика с сохранением защитных свойств и работоспособности в процессе его жизненного цикла. Неожиданным результатом явилось повышение чувствительности реакционного контактного датчика.
Расширенная функция, обеспечиваемая отличительными признаками, и получение неожиданного результата от использования этих признаков в совокупности с другими признаками, свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию "изобретательский уровень".
При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Промышленная применимость
Предложенное изобретение может быть использовано для изготовления площадных датчиков и чувствительных элементов в авиационной, ракетной космической промышленности и машиностроении, а также в тех отраслях, где требуется сохранение работоспособности узла или изделия при несанкционированном механическом воздействии в процессе его жизненного цикла.
Были проведены успешные испытания реакционного контактного датчика с защитным покрытием из органопластика. Были подтверждены все изложенные в заявке технические результаты. Это доказывает его работоспособность и подтверждает промышленную применимость.