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

механолюминесцентный сенсорный элемент датчик

· 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

Размещено на Allbest.ru