RU104694U1

RU104694U1 - VIBRATION TRIBOELECTRIC CONVERTER

Info

Publication number: RU104694U1
Application number: RU2011100934/28U
Authority: RU
Inventors: Алексей Евгеньевич Погодаев
Original assignee: Алексей Евгеньевич Погодаев
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2011-05-20

Abstract

1. Преобразователь вибрационный трибоэлектрический, содержащий внутренний проводник, размещенный внутри диэлектрического изоляционного слоя, экран, внешний проводник и защитную оболочку из полимерного материала, отличающийся тем, что 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. ! 2. Преобразователь вибрационный трибоэлектрический по п.1, отличающийся тем, что диэлектрический изоляционный слой выполнен из фторопласта. ! 3. Преобразователь вибрационный трибоэлектрический по п.1, отличающийся тем, что защитная оболочка выполнена из полимерного негорючего, галогенонесодержащего материала с пониженным газо- и дымовыделением. 1. A vibratory triboelectric converter, comprising an inner conductor located inside the dielectric insulating layer, a shield, an outer conductor and a protective sheath made of a polymer material, characterized in that the inner conductor is made in the form of a spiral consisting of one or more metal wires and placed inside a hollow dielectric insulating layer, the screen is made of aluminum foil-coated polymer tape imposed in a spiral or longitudinally with a positive metallic overlap one or more external conductors are placed between the screen and the dielectric insulating layer, a protective sheath of polymer material is located on top of the screen, while the ratio of the maximum outer diameter of the spiral and the minimum inner diameter of the dielectric insulating layer is in the range of 0.92 ÷ 5.4, and the outer diameter of the containment is not more than 7.0 mm. ! 2. The vibratory triboelectric converter according to claim 1, characterized in that the dielectric insulating layer is made of fluoroplastic. ! 3. The vibratory triboelectric converter according to claim 1, characterized in that the protective shell is made of a polymer non-combustible, halogen-free material with reduced gas and smoke emission.

Description

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.The utility model relates to measuring equipment, namely, to measuring dynamic mechanical quantities and can be used to receive and convert various kinds of vibrations and mechanical movements of moving mechanical systems and structures in alarm systems, in particular in perimeter security systems based on vibration detectors with cable sensors.

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)A triboelectric converter of non-electric quantities into electrical signals is known, containing coaxial external and internal conductors and polymer layers coaxially located between them, the external conductor is made in the form of a steel spiral, the layer closest to the internal conductor is made of a composition of porous and conductive polyethylene with a certain ratio, and the other layer is made of tape high polymer material, the outer diameter of which is 0.5 ÷ 0.7 of the inner diameter of the steel spiral (see US Pat. ent of the Russian Federation No. 1840372 “Triboelectric converter of non-electric quantities into electrical signals”, IPC G01B 7/00, publ. 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.A disadvantage of the known transducer is that with significant bending radii in the screen made of a steel spiral, gaps form on the external radius of the bend and the system becomes exposed to external parasitic electromagnetic fields. This factor leads to low noise immunity. The appearance of corrosion on a steel spiral radically reduces the formation of a triboelectric signal. The internal coaxial conductor with the polymer layers deposited has a mass that is significant for this system, therefore, influences whose strength is not sufficient to perform work on moving, sliding, and tearing off this conductor are not fixed. Therefore, this converter does not have sufficient sensitivity.

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)The closest technical solution is a coaxial triboelectric converter of dynamic mechanical quantities, containing an inner conductor located inside the polyethylene insulation, an outer conductor, an insulating sheath, a protective polyethylene tube, a shield and an additional protective polyethylene tube. The polyethylene insulation is made of continuous porous polyethylene, while the inner diameter of the insulation is equal to the diameter of the inner conductor, the insulating sheath is placed between the polyethylene insulation and the outer conductor, the screen is installed between the main and additional protective polyethylene tubes. (See RF patent No. 26263 “Coaxial triboelectric dynamic converter mechanical quantities ", IPC G601B 7/16, publ. 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.The disadvantages of the known Converter are low sensitivity to mechanical displacement, vibration and deformation, low noise immunity and stability of the level of the generated signal along the length. All this is due to the limited diameter of the working contacting surface, as well as the rigidity of the structure. The latter negatively affects the free movement of the conductor, a strong dependence on the heat-shrink phenomena of insulation (the process of shrinkage after production and during operation), the rigidity of the polymer layers depending on temperature, hence the non-uniformity of sensitivity along the length.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является повышение чувствительности, помехозащищенности, стабильности уровня вырабатываемого сигнала по длине, расширение частотного диапазона полезного сигнала, уменьшение габаритов.The technical result of the proposed utility model is to increase the sensitivity, noise immunity, stability of the level of the generated signal along the length, expanding the frequency range of the useful signal, reducing the size.

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.The technical result is achieved by the fact that in a vibratory triboelectric converter containing an inner conductor located inside the dielectric insulating layer, a shield, an outer conductor and a protective sheath of polymer material, according to the invention, the inner conductor is made in the form of a spiral consisting of one or more metal wires and placed inside a hollow dielectric insulating layer, the screen is made of aluminum foil-coated polymer tape, applied in a spiral or one or more external conductors are placed between the screen and the dielectric insulating layer, a protective sheath of polymer material is located on top of the screen, while the ratio of the maximum external diameter of the spiral and the minimum internal diameter of the dielectric insulating layer is in the range 0.92 ÷ 5.4, and the outer diameter of the containment is not more than 7.0 mm.

Кроме того, диэлектрический изоляционный слой выполнен из фторопласта.In addition, the dielectric insulating layer is made of fluoroplastic.

Преимущественно, защитная оболочка выполнена из полимерного негорючего, галогено- не содержащего материала с пониженным газо- и дымовыделением.Advantageously, the protective shell is made of a non-combustible polymer, halogen-free material with reduced gas and smoke emission.

На чертеже схематично изображен предлагаемый преобразователь.The drawing schematically shows the proposed Converter.

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.The converter is a piece of cable consisting of an inner conductor 1 made in the form of a spiral having an outer diameter D1, a hollow dielectric insulating layer 2 with an inner diameter D2, a shield 3 made of aluminum foil-coated polymer tape, laid in a spiral or longitudinally with a positive overlap with a metal layer to a dielectric insulating layer 2, an external conductor 4, which is made in the form of one or more tinned copper conductors, a protective sheath 5 made of light stability a cured, weatherproof polymer, the outer maximum diameter of which D3 is not more than 7.0 mm. The ratio of the maximum outer diameter of the spiral D1 and the minimum inner diameter of the dielectric insulating layer D2 is in the range of 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.The operation of the converter is based on the triboelectric effect. When vibrations, deformations and tensile transducer occurs relative movement between the surface of the inner conductor 1 and the insulating dielectric layer 2, as well as between the insulating dielectric layer 2 and the shield 3, which due to contact friction (separation, contact and sliding) leads to the appearance of electrical charges on the internal and external conductors 1, 4. Protection of the emerging electric charges, performing the role of useful working information, is carried out by screen 3. Screen 3 itself is protected from external environment with a protective shell 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.The more intense the relative movements of the moving structural elements of the converter, the better are the conditions for the formation of triboelectric charges, which, when the converter conductors are connected through a voltage or charge amplifier to a special recorder, or for example, to an oscilloscope, lead to the formation of an output electrical signal on the latter, in proportion to the mechanical effect in the frequency range from fractions of Hz to several hundred kHz. When using a charge amplifier in the measuring circuit, there are practically no restrictions on the length of both the cable primary converter and the connecting cable, since their capacitances do not affect the output signal level.

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.Thus, the design solutions used in the converter distinguish it from the known solutions. The implementation of the inner conductor in the form of a movable spiral located inside the hollow dielectric insulating layer eliminates the rigid structure, therefore, increases the sensitivity of the Converter.

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.A certain ratio of the maximum outer diameter of the spiral and the minimum inner diameter of the dielectric insulating layer provides the optimal contact area of the triboelectric pair, which allows to increase the stability of the signal level along the length and expand the frequency range of the useful signal, while the level of the useful signal is more than 50 times higher than the signal level of the prototype significantly increased sensitivity.

Выполнение экрана из фольгированной алюминием полимерной ленты, наложенной по спирали или продольно с положительным перекрытием металлическим слоем к диэлектрическому изоляционному слою, позволяет повысить помехозащищенность.The implementation of the screen of aluminum foil-coated polymer tape, imposed in a spiral or longitudinally with a positive overlap of the metal layer to the dielectric insulating layer, allows to increase the noise immunity.

Выполнение защитной оболочки с внешним диаметром не более 7,0 мм позволяет уменьшить габариты преобразователя, что повышает скрытность его при применении.The implementation of the protective shell with an outer diameter of not more than 7.0 mm allows to reduce the dimensions of the Converter, which increases its secrecy in use.

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.The increased sensitivity, stability and high values of the useful signal, linearity of conversion in a wide frequency range, combined with simple manufacturability and low cost makes it possible to widely use this converter, especially in special-purpose devices, in particular in perimeter security systems based on vibration detectors with cable sensitive elements.

Claims

1. A vibratory triboelectric converter, comprising an inner conductor located inside the dielectric insulating layer, a shield, an outer conductor and a protective sheath made of a polymer material, characterized in that the inner conductor is made in the form of a spiral consisting of one or more metal wires and placed inside a hollow dielectric insulating layer, the screen is made of aluminum foil-coated polymer tape imposed in a spiral or longitudinally with a positive metallic overlap one or more external conductors are placed between the screen and the dielectric insulating layer, a protective sheath of polymer material is located on top of the screen, while the ratio of the maximum outer diameter of the spiral and the minimum inner diameter of the dielectric insulating layer is in the range of 0.92 ÷ 5.4, and the outer diameter of the containment is not more than 7.0 mm.

2. The vibratory triboelectric converter according to claim 1, characterized in that the dielectric insulating layer is made of fluoroplastic.

3. The vibratory triboelectric converter according to claim 1, characterized in that the protective shell is made of a polymer non-combustible, halogen-free material with reduced gas and smoke emission.