RU2305847C1

RU2305847C1 - Mechanical-luminescence striking sensor

Info

Publication number: RU2305847C1
Application number: RU2006105355/28A
Authority: RU
Inventors: Константин Вадимович Татмышевский (RU); Константин Вадимович Татмышевский; Замик Тофик оглы Рахманов (RU); Замик Тофик оглы Рахманов; Наталь Юрьевна Макарова (RU); Наталья Юрьевна Макарова; Алексей Геннадьевич Спажакин (RU); Алексей Геннадьевич Спажакин
Original assignee: Константин Вадимович Татмышевский; Замик Тофик оглы Рахманов; Наталья Юрьевна Макарова; Алексей Геннадьевич Спажакин
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2007-09-10

Abstract

FIELD: measuring technique.

SUBSTANCE: sensor comprises core-concentrator for amplifying mechanical stress at its output face. One of the faces of the sensor member is in a contact with the core-concentrator, and the other face is in an optical contact with the fiber-optic cord. The sensor and fiber-optic channel are made of materials insensitive to electromagnetic interference.

EFFECT: enhanced reliability.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к системам управления и измерительной технике, предназначено для регистрации ударных нагрузок и может быть использовано в качестве датчика управления подушками безопасности в автомобилях.The invention relates to control systems and measuring equipment, is intended for recording shock loads and can be used as a sensor for controlling airbags in cars.

Известные датчики [А.С. СССР №409137, Кл G01P 15/10, 15.06.70] со струнными преобразователями обладают высокой инерционностью, достаточно сложной конструкцией, высокой чувствительностью к электромагнитным помехам и вибрационным воздействиям.Known sensors [A.S. USSR No. 409137, CL G01P 15/10, 06/15/70] with string transducers have a high inertia, a rather complicated structure, high sensitivity to electromagnetic interference and vibration.

Пьезопленочные датчики удара [Серридж М., Лихт Т.Р. Справочник по пьезоэлектрическим акселерометрам и предусилителям. - «Брюль и Къер», 1987] чувствительны к изменению температуры и давления, емкостные датчики удара имеют высокую чувствительность к вибрациям, температуре и электромагнитным помехам.Piezoelectric shock sensors [Serridge M., Likht T.R. Handbook of piezoelectric accelerometers and preamplifiers. - "Bruhl and Kjерr", 1987] are sensitive to changes in temperature and pressure, capacitive shock sensors have a high sensitivity to vibration, temperature and electromagnetic interference.

Кроме того, все параметрические датчики удара требуют подведения напряжения питания к чувствительному элементу, что снижает их надежность, а датчики, использующие пьезоэлектрический эффект, чувствительны к вибрациям и электромагнитным помехам. Все электронные датчики предполагают использование кабельных линий связи между датчиком и блоком обработки информации, а кабельные линии также чувствительны к вибрационным и электромагнитным помехам [Барнс Дж. Электронное конструирование: Методы борьбы с помехами. - М.: Мир, 1990]. Обеспечение помехоустойчивости кабельных и проводных линий связи требует сложных и дорогостоящих мер защиты [В.И.Кравченко, Е.А.Болотов, Н.И.Летунова Радиоэлектронные средства и мощные электромагнитные помехи - М.: Радио и связь, 1987].In addition, all parametric shock sensors require a supply voltage to the sensitive element, which reduces their reliability, and sensors using the piezoelectric effect are sensitive to vibrations and electromagnetic interference. All electronic sensors require the use of cable lines between the sensor and the information processing unit, and cable lines are also sensitive to vibration and electromagnetic interference [Barnes J. Electronic design: Methods for dealing with interference. - M.: Mir, 1990]. Ensuring noise immunity of cable and wire communication lines requires complex and expensive protection measures [V.I. Kravchenko, E.A. Bolotov, N.I. Letunova Radio-electronic means and powerful electromagnetic interference - M .: Radio and communication, 1987].

Все вышеуказанные датчики подвержены воздействию влаги, что приводит к ложным срабатываниям.All of the above sensors are susceptible to moisture, which leads to false alarms.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство [Мяздриков О.А. Электрические способы объемной гранулометрии. - Л.: Энергия, 1968.], состоящее из основания датчика, внешнего корпуса, стеклянного основания сенсора, сенсорного элемента, представляющего собой суспензию из механолюминесцентного материала, фотоприемного устройства в виде фотоэлектронного умножителя и оптического канала связи.Closest to the proposed technical essence is the device [Myazdrikov O.A. Electrical methods of volume granulometry. - L .: Energia, 1968.], consisting of a sensor base, an external housing, a glass sensor base, a sensor element, which is a suspension of mechanoluminescent material, a photodetector in the form of a photoelectronic multiplier and an optical communication channel.

Недостатком данного устройства является его конструктивная сложность, хрупкость некоторых элементов при ударном воздействии, а также неудобство использования в составе наземных, воздушных и космических транспортных средств.The disadvantage of this device is its structural complexity, the fragility of some elements under impact, as well as the inconvenience of using in the composition of land, air and space vehicles.

Техническая задача, решаемая с помощью механолюминесцентного датчика удара, состоит в повышении надежности датчика за счет увеличения вероятности безотказной работы.The technical problem, solved with the help of a mechanoluminescent shock sensor, is to increase the reliability of the sensor by increasing the probability of failure-free operation.

Технический результат: механолюминесцетный датчик удара, содержащий сенсорный элемент из механолюминесцентного материала, оптический канал связи, фотоприемное устройство, корпус, в котором жестко закреплен сердечник-концентратор, выполненный в виде конуса, на который нанесен сенсорный элемент в виде пленки, а в качестве оптического канала используется волоконно-оптический жгут или кабель, один из торцев которого находится в неразъемном механическом и оптическом контакте с сенсором, а другой торец находится в оптическом контакте с фотоприемным устройством. В качестве механолюминесцентного материала используют люминофор на основе сульфида цинка, легированного марганцем (ZnS:Mn, с весовым содержанием марганца 5%). Сенсорный элемент представляет собой пленку из прозрачного связующего, нечувствительного к влаге, и наполнителя из порошка люминесцентного материала. Толщина слоя составляет 2-3 d_cp, где d_cp - средний диаметр частиц люминесцентного материала. Сердечник-концентратор может быть выполнен так, что его рабочая поверхность имеет шероховатость с заданными параметрами.EFFECT: mechanoluminescent shock sensor containing a sensor element made of mechanoluminescent material, an optical communication channel, a photodetector, a housing in which a core-concentrator is rigidly fixed, made in the form of a cone, on which a sensor element is applied in the form of a film, and as an optical channel a fiber optic bundle or cable is used, one of the ends of which is in integral mechanical and optical contact with the sensor, and the other end is in optical contact with phot receiving device. As a mechanoluminescent material, a phosphor based on zinc sulfide doped with manganese (ZnS: Mn, with a weight content of manganese 5%) is used. The sensor element is a film of a transparent binder, insensitive to moisture, and a filler of a powder of a luminescent material. The layer thickness is 2-3 d _cp , where d _cp is the average particle diameter of the luminescent material. The core hub can be made so that its working surface has a roughness with predetermined parameters.

Датчик удара представляет собой узел (фиг.1) в виде корпуса 1, внутри которого расположены сердечник-концентратор 2, сенсорный элемент 3 в виде прозрачной пленки, установленный на приемном торце волоконно-оптического жгута (ВОЖ) 4. Сенсорный элемент выполнен на основе порошкового люминофора, нанесенного на прозрачную пленку. В качестве порошкового люминофора используется люминофор на основе сульфида цинка, легированного марганцем ZnS:Mn (5%), обладающий наибольшей яркостью по сравнению с остальными промышленными люминофорами. Оптимальная толщина чувствительного элемента не превышает 20-30 мкм при среднем диаметре частиц механолюминофора d_cp=10 мкм. Дальнейшее увеличение слоя механолюминофора даст прирост светового потока не более 5% [Татмышевский К.В. Механолюминесцентный чувствительный элемент: математическая модель и динамические свойства // Журнал «Приборы и системы». №4. 2005. - С.35-39]. Внешняя часть сердечника имеет отверстия для присоединения к элементам конструкции бампера, кузова, дверей и т.п. автомобиля 5, а внутренняя выполнена в виде конического концентратора механических напряжений. Коэффициент усиления амплитуды волны, проходящей из цилиндрической части сердечника к вершине усеченного конуса, можно определить по формуле [Сю (Nam P.Suh) О коэффициенте усиления волн напряжения в сплошных усеченных конусах // Журнал «Прикладная механика». №4. 1968. - С.229]:The shock sensor is a node (Fig. 1) in the form of a housing 1, inside of which there is a core-concentrator 2, a sensor element 3 in the form of a transparent film mounted on the receiving end of a fiber optic bundle (VOZh) 4. The sensor element is made on the basis of powder phosphor deposited on a transparent film. As a phosphor powder, a phosphor based on zinc sulfide doped with manganese ZnS: Mn (5%) is used, which has the highest brightness compared to other industrial phosphors. The optimal thickness of the sensitive element does not exceed 20-30 microns with an average particle diameter of a mechanophosphor d _cp = 10 microns. A further increase in the layer of mechanophosphor will give an increase in luminous flux of not more than 5% [Tatmyshevsky K.V. Mechanoluminescent sensing element: mathematical model and dynamic properties // Journal "Devices and Systems". Number 4. 2005. - S. 35-39]. The outer part of the core has holes for connecting to the structural elements of the bumper, body, doors, etc. car 5, and the inside is made in the form of a conical concentrator of mechanical stresses. The gain of the amplitude of the wave passing from the cylindrical part of the core to the top of the truncated cone can be determined by the formula [Syu (Nam P. Suh) On the gain of voltage waves in continuous truncated cones // Journal of Applied Mechanics. Number 4. 1968. - P.229]:

где D_ц, D_к - диаметры соответственно цилиндрической части и усеченного конца конической части сердечника.where D _i, D _k - diameters respectively of the cylindrical portion and the truncated conical end portion of the core.

Показатель степени n для углов:Exponent n for angles:

- для углов от 120 до 60 угловых градусов n=2- for angles from 120 to 60 angular degrees n = 2

- для углов от 60 до 25 градусов n=1,9- for angles from 60 to 25 degrees n = 1.9

- для углов от 25 до 5 градусов n=1,5- for angles from 25 to 5 degrees n = 1,5

Приемный наконечник ВОЖ крепится неподвижно, выходной стыкуется с фотоприемным устройством 6, выполненным в виде фотодиода и предварительного усилителя, интегрированный с блоком управления подушками безопасности (ФПУ+БУПБ).The VOZH receiving tip is fixed, the output is docked with a photodetector 6, made in the form of a photodiode and a pre-amplifier, integrated with the airbag control unit (FPU + BUPB).

Повышение надежности датчика за счет увеличения вероятности безотказной работы достигается путем снижения вероятности ложного срабатывания при вибрациях и трясках автомобиля на дорогах, а также за счет увеличения помехоустойчивости к электромагнитным помехам. Дополнительно вероятность ложного срабатывания уменьшается за счет избирательных свойств датчика для малых и больших длительностей ударного воздействия, что соответствует некатастрофическим столкновениям, а также пороговой чувствительности при малых амплитудах ударного воздействия σ(t), что соответствует упругому деформированию сенсора, при которых оптический выходной сигнал не генерируется [Татмышевский К.В. Механолюминесцентный чувствительный элемент: математическая модель и динамические свойства // Журнал «Приборы и системы». №4. 2005. - С.35-39]. Примерами таких соударений могут быть соударения автомобиля с насекомыми, мелкими животными, градом, гравием и т.п., когда длительность ударного воздействия достаточно мала. Большие длительности ударных воздействий соответствуют квазистатическим нагрузкам, например, с объектами малой массы и с малой жесткостью. В диапазоне средних длительностей ударного воздействия, которые соответствуют катастрофическим столкновениям с массивными и жесткими объектами, приводящим к трагическим последствиям, сенсор вырабатывает выходной оптический сигнал.Improving the reliability of the sensor by increasing the likelihood of failure-free operation is achieved by reducing the likelihood of false triggering during vibration and shaking of the car on the road, as well as by increasing the noise immunity to electromagnetic interference. In addition, the probability of false alarms is reduced due to the selective properties of the sensor for short and long shock durations, which corresponds to non-catastrophic collisions, as well as threshold sensitivity for small shock amplitudes σ (t), which corresponds to elastic deformation of the sensor at which an optical output signal is not generated [Tatmyshevsky K.V. Mechanoluminescent sensing element: mathematical model and dynamic properties // Journal "Devices and Systems". Number 4. 2005. - S. 35-39]. Examples of such collisions are car collisions with insects, small animals, hail, gravel, etc., when the duration of the impact is small enough. Long durations of impacts correspond to quasistatic loads, for example, with objects of small mass and with low rigidity. In the range of average durations of impact, which correspond to catastrophic collisions with massive and rigid objects, leading to tragic consequences, the sensor generates an output optical signal.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в корпусе установлен сердечник-концентратор, который усиливает механическое напряжение на своем выходном торце, один из торцов сенсорного элемента находится в механическом контакте с сердечником-концентратором, а другой - в оптическом контакте с волоконно-оптическим жгутом. Сердечник-концентратор может быть выполнен в двух исполнениях (фиг.2). В первом варианте наконечник сделан в виде конуса (фиг.2, а)). Во втором варианте для повышения чувствительности сердечник-концентратор изготовлен так, что рабочая поверхность сердечника-концентратора выполнена с шероховатостью с заданными параметрами (фиг.2, б)). Шероховатость может быть задана следующими параметрами: 1) высота неровностей профиля по десяти точкам (R_z), 2) средний шаг неровностей профиля (S_m). Значения параметров шероховатости могут быть в пределах: 1) R_z5...R_z100 2) S_m5...S_m8. Коэффициент усиления второго варианта будет определяться как отношение двух площадей этих поверхностей.The specified technical result is achieved due to the fact that a core-hub is installed in the housing, which enhances mechanical stress at its output end, one of the ends of the sensor element is in mechanical contact with the core-hub, and the other is in optical contact with a fiber optic bundle . The core hub can be made in two versions (figure 2). In the first embodiment, the tip is made in the form of a cone (figure 2, a)). In the second embodiment, to increase the sensitivity of the core-hub is made so that the working surface of the core-hub is made with a roughness with specified parameters (figure 2, b)). The roughness can be set by the following parameters: 1) the height of the profile irregularities at ten points (R _z ), 2) the average step of the profile irregularities (S _m ). The roughness parameters can be in the range: 1) R _z 5 ... R _z 100 2) S _m 5 ... S _m 8. The gain of the second option will be determined as the ratio of the two areas of these surfaces.

Известно, что механолюминесценция в соединениях A₂B₆, к которым относится и сульфид цинка, является следствием процессов движения дислокации, сопровождающих пластическую деформацию кристаллов. Экспериментально обнаружено, что дислокации в полупроводниках А₂В₆ и, в частности, ZnS:Mn обладают сильным электрическим зарядом. В процессе пластической деформации происходит взаимодействие центров свечения (атомов марганца) с электрическим полем движущихся заряженных дислокаций, которое приводит к возбуждению центров свечения с их последующими излучательными переходами [Осипьян Ю.А. Электронные свойства дислокаций в полупроводниках // М.: Эдиториал УРСС, 2000]. Особенность работы такого датчика проявляется в том, что он по-разному реагирует на механические возбуждения различной длительности и амплитуды. На (фиг.3) изображены расчетные зависимости энергетической светимости сенсора R(t) при воздействии ударных давлений σ(t) одинаковой амплитуды и различной длительности. На (фиг.4) изображены расчетные зависимости энергетической светимости сенсора R(t) при воздействии ударных давлений σ(t) различной амплитуды и одинаковой длительности. При монотонном увеличении длительности сначала происходит рост амплитуды светимости, а затем после достижения максимума происходит уменьшение интенсивности импульса свечения. Малые и большие длительности ударного воздействия не вызывают генерации света. При уменьшении амплитуды и крутизны ударного воздействия наблюдается временная задержка в появлении излучения, которая определяется временем достижения давления, равного пределу текучести материала сенсора. Это подчеркивает пороговый характер функции преобразования чувствительного элемента. В пределах упругих деформаций сенсора генерация излучения практически не происходит. Таким образом, при столкновении автомобиля с ложными преградами датчик не будет вырабатывать сигнал. Вероятность ложного срабатывания уменьшается за счет достаточно высокого уровня порога срабатывания датчика.It is known that mechanoluminescence in A ₂ B ₆ compounds, which include zinc sulfide, is a consequence of the processes of dislocation movement accompanying the plastic deformation of crystals. It was experimentally found that dislocations in semiconductors A ₂ B ₆ and, in particular, ZnS: Mn have a strong electric charge. In the process of plastic deformation, the luminescence centers (manganese atoms) interact with the electric field of moving charged dislocations, which leads to the excitation of luminescence centers with their subsequent radiative transitions [Osipyan Yu.A. Electronic properties of dislocations in semiconductors // M .: Editorial URSS, 2000]. The peculiarity of the operation of such a sensor is manifested in the fact that it reacts differently to mechanical excitations of various durations and amplitudes. Figure (3) shows the calculated dependences of the energy luminosity of the sensor R (t) under the influence of shock pressures σ (t) of the same amplitude and different durations. Figure (4) shows the calculated dependences of the energy luminosity of the sensor R (t) under the influence of shock pressures σ (t) of different amplitudes and of the same duration. With a monotonous increase in duration, the luminosity amplitude increases first, and then after reaching a maximum, the intensity of the glow pulse decreases. Short and long shock durations do not cause light generation. With a decrease in the amplitude and steepness of the impact, a time delay is observed in the appearance of radiation, which is determined by the time it takes to reach a pressure equal to the yield strength of the sensor material. This emphasizes the threshold nature of the conversion function of the sensing element. Within the elastic deformations of the sensor, radiation generation practically does not occur. Thus, when a car collides with false obstacles, the sensor will not generate a signal. The probability of false alarms is reduced due to a sufficiently high level of the sensor threshold.

Воздействие электромагнитных помех, сопутствующих работе автомобиля, не вызывает ложных срабатываний датчика за счет того, что сенсор и волоконно-оптический канал связи выполнены из материалов, нечувствительных к электромагнитным помехам, а фотоприемное устройство находится в малогабаритном и хорошо экранированном корпусе блока управления.The influence of electromagnetic interference associated with the operation of the car does not cause false sensor triggers due to the fact that the sensor and the fiber-optic communication channel are made of materials insensitive to electromagnetic interference, and the photodetector is located in a small-sized and well-shielded control unit housing.

Датчик удара работает следующим образом.The shock sensor works as follows.

При столкновении автомобиля с препятствием (фиг.5) на передний бампер 7 воздействует импульс ударного давления. Этот импульс проходит по корпусу автомобиля и попадает на механолюминесцентный датчик удара. Ударное давление σ(t) распространяется по сердечнику-концентратору 2 (фиг.1), усиливается в нем и вызывает деформацию прозрачной пленки. Если при этом возникает давление выше предела текучести, то слой механолюминофора излучает световой импульс R(t). Волоконно-оптический жгут 4, находящийся в оптическом и механическом контакте с датчиком, передает световой сигнал на фотоприемное устройство (ФПУ) 6. Фотоприемник на противоположном конце ВОЖ преобразует световой сигнал в электрический сигнал. Далее этот сигнал обрабатывается микропроцессором (МП) со специально разработанным алгоритмом и попадает на блок управления подушками безопасности (БУПБ). Если амплитуда и длительность сигнала превысят определенный уровень, то тогда произойдет срабатывание подушек безопасности.When a car collides with an obstacle (Fig. 5), a shock pressure pulse acts on the front bumper 7. This impulse passes through the car body and falls on a mechanoluminescent shock sensor. The shock pressure σ (t) propagates along the core-hub 2 (Fig. 1), increases in it and causes deformation of the transparent film. If in this case a pressure arises above the yield strength, then the layer of the mechanophosphor emits a light pulse R (t). Fiber optic bundle 4, which is in optical and mechanical contact with the sensor, transmits a light signal to a photodetector (FPU) 6. A photodetector at the opposite end of the VOZ converts the light signal into an electrical signal. Further, this signal is processed by a microprocessor (MP) with a specially developed algorithm and gets to the airbag control unit (BUPB). If the amplitude and duration of the signal exceeds a certain level, then airbags will be deployed.

Claims

1. Mechanoluminescent shock sensor containing a housing, a sensor element made of mechanoluminescent material, an optical communication channel, a photodetector, characterized in that the core is fixed in the form of a cone or a flat plate with a roughness of the working surface with specified parameters, values which are within R _z 5-100, S _m 5-8, wherein R _z - height roughness by ten points, S _m - roughness average pitch, on the working surface of the core hub applied ce weed element in the form of film, and an optical channel used optical fiber cable or harness, one of the ends of which is in mechanical and optical contact with the sensor, the other end is in optical contact with the photodetecting device.

2. The mechanoluminescent shock sensor according to claim 1, characterized in that as the mechanoluminescent material, zinc sulfide doped with manganese (ZnS: Mn, with a weight content of manganese 5%) is used.

3. The mechanoluminescent shock sensor according to claim 1, characterized in that the layer thickness of the sensor element is 2-3 d _cp , where d is the average particle diameter of the mechanoluminescent material.