PERSPECTIVES OF MECHANIC-FLUORESCENT SENSOR ELEMENT APPLICATION

Власов А.С.¹, Татмышевский К.В.²

¹Аспирант, ²Доктор технических наук,

Владимирский государственный университет

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕХАНОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СЕНСОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Аннотация

Обеспечение помехоустойчивости и повышение информативности датчиков, посредством использования сенсорных элементов на основе явления – механолюминесценция. Выходным сигналом механолюминесцентного сенсорного элемента является оптическое излучение, вследствие данной особенности  исключается воздействие электромагнитных помех при передаче информации. Величина выходного сигнала пропорциональна давлению, действующему на сенсор, а пороговый характер зависимости интенсивности свечения от приложенного давления обеспечивает нечувствительность датчиков к незначительным нагрузкам и вибрациям в процессе эксплуатации изделий. Такие датчики могут применяться в системах охраны периметра, комплексах диагностики состояния горных пород и строительных сооружений, а также использоваться в составе композиционных материалов для ответственных сложно-диагностируемых изделий.

Ключевые слова: механолюминесценция, датчик импульсного давления.

Vlasov A.S.¹, Tatmishevskiy K.V.²

¹Postgraduate student, ²PhD in Engineering, Vladimir State University

PERSPECTIVES OF MECHANIC-FLUORESCENT SENSOR ELEMENT APPLICATION

Abstract

Interference immunity and the increase of sensors information content with the help of sensor elements based on the following phenomenon – mechanical fluorescence. The output signal of the mechanic-fluorescent sensor element is optical radiation. This feature excludes the impact of electromagnetic interference in the process of information transmission. The output value is proportional to the pressure impacting the sensor while the dependency of fluorescence intensity on the applied pressure provides the insensitivity to small loads and vibrations during the operation of the products. Such sensors can be used in perimeter protection systems, at complexes aimed at diagnosing the condition of rocks and building structures or as a part of composite materials for demanding hard-diagnosed products.

Keywords: mechanic-fluorescent, impulsive pressure sensor.

Одним из направлений совершенствования и развития измерительных приборов и информационно - измерительных систем является создание принципиально новых датчиков внешних физических воздействий. При этом особое внимание уделяется разработке датчиков давления, как основных элементов, позволяющих повысить и расширить объем поступающей в систему информации о механических внешних воздействиях. Восприятие полей давления воспроизводит чувство осязания, например, в адаптивных захватных устройствах, не менее важное для управления роботами, чем зрение. Способность к восприятию импульсных полей давления ещё более важна, так как их воздействие может создавать  катастрофические для различных устройств ситуации. К таким  ситуациям можно отнести удар мобильного робота при наезде на препятствие, разрушение корпуса робота при падении тяжелых предметов, метеоритные потоки, воздействующие на космические спутники связи и навигации, срабатывание автомобильной подушки безопасности и др.

Особенности условий функционирования технических приборных систем одновременно выдвигают противоречивые требования. С одной стороны, это требования повышения чувствительности к входным механическим воздействиям, обеспечения многоканальности, быстродействия и высокой пространственной разрешающей способности. С другой стороны, требование повышения помехоустойчивости в условиях воздействия интенсивных естественных и искусственных электромагнитных помех. Первое требование обусловлено необходимостью более точной оценки ситуации и является следствием расширения диапазона входных воздействий при одновременной необходимости тактильного очувствления значительных по площади элементов техники, взаимодействующих с внешней средой. Второе требование вызвано усложнением электромагнитной обстановки в зоне функционирования систем, а также тем, что выполнение первого требования в большинстве случаев достигается применением электронных схем усиления сигнала датчиков. Вопросы обеспечения помехоустойчивости и повышения информативности датчиков всегда были одними из основных в системах управления и измерительной технике. Особую актуальность они приобрели в связи с развитием измерительных и управляющих устройств автономных систем управления в авиации, космонавтике, энергетике, оборонной технике, охране важных объектов. Это связано со сложной электромагнитной обстановкой как внешней, так и внутренней среды функционирования датчиков.

Радикальным путем разрешения проблемы помехоустойчивости в информационных цепях приборных систем является переход от электрических к оптоэлектронным компонентам и устройствам для передачи, приема и обработки сигналов. В этом случае протяженные кабельные электрические линии связи могут быть заменены волоконно-оптическими, практически не подверженными воздействию электромагнитных помех.

Однако такое кардинальное решение проблемы повышения помехоустойчивости информационных цепей потребовало изыскания возможности построения датчиков, преобразующих различные входные механические воздействия в выходной оптический сигнал, пригодный для дальнейшей обработки. Наиболее целесообразным и перспективным решением этой задачи является применение датчиков импульсного давления с механолюминесцентными чувствительными элементами сосредоточенного и распределенного типа. Такие датчики работают по принципу прямого преобразования входного механического воздействия (давление, сила, ускорение) в выходной оптический сигнал видимого или инфракрасного спектра. К достоинствам таких датчиков также  следует отнести простоту технической реализации чувствительных элементов с распределёнными характеристиками, позволяющую решить проблему обеспечения тактильной чувствительности элементов конструкций, имеющих значительную площадь поверхности.

Уровень развития компьютерной техники позволяет быстро, надёжно и при достаточно низких затратах обрабатывать большие массивы информации. Однако основную информацию о внешней обстановке и внутреннем состоянии технической системы поставляют датчики. Если информация, вырабатываемая датчиками, будет недостоверной, то ни какими программно-аппаратными средствами невозможно обеспечить информативность измерений и, соответственно, управляемость процессов.

Успехи в области полупроводниковых источников излучения, фотоприемников и волоконных световодов с малым затуханием привели к появлению волоконно - оптических каналов передачи информации, которые эффективно используются как для магистральной, так и для внутриобъектовой связи. Использование внутриобъектовых волоконно - оптических каналов  определяется необходимостью уменьшения размеров и массы линий связи, а также повышением плотности потока информации и её помехозащищенности при передаче от датчиков различных физических величин.

Измерительные системы, с механолюминесцентными первичными преобразователями обладают рядом преимуществ:

• устойчивостью к электромагнитным помехам ввиду использования волоконно - оптических каналов передачи информации как для магистральной, так и для внутриобъектовой связи
• простотой конструкции ввиду отсутствия необходимости питания датчика
• возможностью построения датчиков с распределенными параметрами

Механолюминесцентные датчики могут применяться в:

• промышленной робототехнике в роли тактильных датчиков адаптивных захватных устройств манипуляторов и контактных датчиков препятствий мобильных роботов наземного базирования
• военной технике как сосредоточенные датчики удара для систем управления, распределённые датчики удара для систем управления автономных летательных аппаратов, контактные датчики препятствий безэкипажных транспортных средств
• автомобильной технике как датчики детонации двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, датчики управления срабатыванием подушек безопасности
• системах охраны периметра
• комплексах диагностики состояния горных пород и строительных сооружений

Перспективным направлением применения механолюминесцентных чувствительных элементов является разработка композиционных материалов и конструкций, обладающих свойством самодиагностики. В настоящее время композиты в виде панелей широко используются в машиностроении, самолёто - и ракетостроении, при строительстве мостов, спортивных сооружений и других отраслях промышленности.

Однако композиционным материалам свойственен недостаток, проявляющийся в том, что при различных ударных воздействиях деформации и разрушения могут наблюдаться на стороне, противоположной приложению воздействия. С наружной стороны после прекращения воздействия композитные панели возвращаются в исходное состояние, и место повреждения может быть не обнаружено обычным внешним осмотром.

Добавление в эпоксидный компаунд механолюминесцентных материалов и создание конструкции, которая обеспечивает передачу излучения по оптическим волокнам к системе фотоприёмников, позволяет решить задачу мониторинга и самодиагностики конструкций из композитов.

В качестве положительного свойства отмечается наличие порогового характера зависимости интенсивности свечения от приложенного давления. Это обстоятельство обеспечивает нечувствительность датчиков к незначительным нагрузкам и вибрациям в процессе эксплуатации изделий.

Распределённые чувствительные элементы могут быть встроены в корпуса, обтекатели, кромки крыльев беспилотных летательных аппаратов и другие конструкции технических изделий воздушного базирования, подвергающиеся в ходе эксплуатации механическим ударным воздействиям.

Дальнейшие исследования явления механолюминесценции позволят повысить эксплуатационные характеристики сенсорных элементов на его основе и могут способствовать более глубокому внедрению датчиков данного типа. Особое внимание следует обратить на поведение материала под действием многократных нагрузок, влияние на выходной оптический сигнал изменений внутренней структуры материала.

Список литературы / References

1. Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсорные элементы. Основы теории, расчета и вопросы проектирования : учебное пособие для студентов вузов / К.В. Татмышевский - Владимир: ВлГУ, 2004 - 135 с. ISBN 5-89368-494-X

Список литературы на английском языке / References in English

1. Tatmyshevskij K.V. Mehanoljuminescentnye sensornye jelementy. Osnovy teorii, rascheta i voprosy proektirovanija : uchebnoe posobiye dlya studentov vuzov [Mehanoillumination sensor elements. Basic theory, calculation and design questions: guide for students] / K.V. Tatmyshevskij - Vladimir: VlGU, 2004 - 136 s.