УСТРОЙСТВО ТРЕВОЖНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ Российский патент 1998 года по МПК G08B13/02 

Изобретение относится к устройствам тревожной сигнализации (УТС), например для предотвращения угона автомобилей.

Уровень данной области техники можно показать на примере аналога, состоящего из маятника с постоянным магнитом на инерционной массе и геркона под маятником. Перемещение магнита размыкает геркон, что приводит к формированию сигнала тревоги.

Такие признаки данного аналога, как наличие груза, соединенного с линейным подвесом, совпадают с существенными признаками изобретения.

Следует отметить, что при использовании данного аналога не достигается требуемый технический результат, состоящий в обеспечении высокой чувствительности датчика и широкого диапазона углов его исходной ориентации, повторяемости и стабильности его характеристик, надежности, технологичности изготовления, а также функциональной гибкости.

В другом известном аналоге груз на конце упругого стержня замыкает кольцевой контакт при наклоне, формируя сигнал тревоги.

Такие признаки данного аналога, как наличие груза, соединенного с упругим линейным подвесом, совпадают с существенными признаками изобретения. Однако и этому устройству свойственны недостатки: снижение чувствительности, надежности в связи с наличием размыкаемого контакта, требование точной начальной ориентации и невозможность электронного регулирования чувствительности.

Наиболее близким к заявляемому по совокупности существенных признаков является известный УТС, выбранный в качестве прототипа.

Известное устройство содержит генератор тока и упругий проводник - металлическую пластину, первым концом прикрепленную к корпусу и подключенную к земляной шине, имеющую груз на втором конце, что совпадает с существенными признаками заявляемого устройства.

Кроме того, пластина подпружинена контактным винтом, соединенным с генератором постоянного тока, замыкающим электрическую цепь, при разрыве которой формируется сигнал тревоги.

Необходимо отметить, что при использовании рассмотренного устройства требуемый технический результат не достигается по следующим причинам:
снижение чувствительности обусловлено наличием исходного давления контактного винта на упругую пластину;
снижение надежности вызвано наличием упругого электрического контакта с учетом его работы в широком диапазоне климатических условий;
снижение функциональной гибкости выражается в том, что датчик - чувствительный элемент устройства обладает чувствительностью к колебаниям только одного направления, перпендикулярного к плоскости пластины;
снижение удобства эксплуатации обусловлено необходимостью определенной начальной ориентации датчика.

Анализ уровня техники, проведенный на примере аналога и прототипа, показал необходимость решения задачи построения высокочувствительного, простого и надежного УТС, имеющего высокую функциональную гибкость и помехоустойчивость, с малыми габаритами и энергопотреблением, удобного в эксплуатации.

Соответственно при осуществлении изобретения может быть получен технический результат, состоящий в обеспечении:
высокой технологичности и низкой стоимости устройства;
высокой чувствительности, надежности и помехозащищенности;
функциональной гибкости, позволяющей регистрировать внешние колебания любых требуемых направлений и допускающей электронную регулировку параметров УТС;
удобства эксплуатации, в том числе возможности любой исходной ориентации датчика,
малого энергопотребления и габаритов.

На фиг. 1 представлена схема включения предлагаемого датчика тревожной сигнализации; на фиг. 2 - предлагаемый датчик тревожной сигнализации треугольной конструкции.

Для решения поставленной задачи предложено УТС, содержащее генератор тока, подключенный к входу решающего блока, и упругий проводник, первым концом закрепленный на корпусе и подключенный к земляной шине, с грузом на втором конце - аналогично устройству-прототипу, причем упругий проводник выполнен из магнитострикционного сплава и подключен вторым концом к входу решающего блока и к генератору переменного тока с частотой f спектральных составляющих, определяемых по формуле:
f < a/(μd²), (1) ,
где
μ - магнитная проницаемость ленты;
d - толщина ленты, м;
a=36 - нормирующий коэффициент, Гц•м².

Кроме того, упругий проводник выполнен из сплава, имеющего аморфную структуру.

Кроме того, переменный ток имеет вид синусоидальных колебаний.

Кроме того, переменный ток имеет вид коротких и/или прямоугольных импульсов.

Кроме того, упругий проводник (в дальнейшем - лента) имеет магнитную анизотропию, ориентированную вдоль своей продольной оси.

Кроме того, лента имеет перегиб в средней части так, что его второй конец прикреплен к корпусу, а груз прикреплен в области перегиба.

Кроме того, лента имеет по крайней мере два перегиба с образованием многоугольника, к по крайней мере одному из вновь образованных углов которого прикреплен дополнительный груз.

Кроме того, введены дополнительно не менее одного груза и одна или более лент, из которых по крайней мере одна закреплена первым концом на корпусе, вторым прикреплена к соответствующему грузу, причем все ленты соединены в одну последовательную электрическую цепь, конец которой подключен к генератору переменного тока.

Кроме того, груз выполнен в виде удлиненного стержня, лежащего в плоскости ленты перпендикулярно ее продольной оси.

Кроме того, груз выполнен в виде удлиненного стержня, прикрепленного одним из концов к ленте перпендикулярно ее плоскости.

Кроме того, под грузом к корпусу прикреплен магнит.

Схема предлагаемого устройства показана на фиг. 1, согласно которой упругий проводник 1 (лента) первым концом закреплен на неподвижной опоре (корпусе) 2 и подключен к общей шине, вторым концом, на котором укреплен груз 3, он подключен к генератору переменного тока 4 и к входу решающего блока 5, причем под грузом 3 размещен магнит 6.

Для обоснования причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым технически результатом поясним принцип работы устройства.

Используемый упругий проводник 1 - лента из аморфного металлического сплава получена методом скоростной закалки расплава, сопротивление которой зависит от величины скин-слоя.

Работа датчика основана на зависимости толщины скин-слоя, а следовательно активной составляющей импеданса упругого проводника (в дальнейшем - ленты), от величины деформации ленты 1. Импеданс ленты имеет выраженный активный характер. Физически он определяется эффективным сечением ленты, ограниченным скин-слоем при протекании переменного тока. Величина сопротивления R ленты с учетом скин-эффекта обратно пропорциональна эффективному сечению проводника, определенному на данной частоте f толщиной скин-слоя h, который характеризуется следующей формулой:
h = c(μf)^-1/2 , (2) ,
где
c = 0,6 - нормирующий коэффициент, м•Гц^1/2;
μ - магнитная проницаемость;
f - частота протекающего тока, Гц.

Величина μ ферромагнетика при наличии магнитострикционных свойств изменяется с изменением деформации, что приводит к изменению толщины скин-слоя, а следовательно, к изменению импеданса деформируемой ленты 1. При изменении положения датчика за счет качания автомобиля возникают колебания груза 3, сопровождающиеся периодическим изменением деформации ленты 1 датчика. Соответствующие изменения импеданса ленты 1 приводят к изменению падения напряжения на ленте 1. Соответствующее изменение потенциала на ее втором конце регистрируется решающим блоком 5 - блоком, который, в случае превышения порога срабатывания, формирует сигнал тревоги на своем выходе.

Уникальное сочетание свойств (аморфность структуры, магнитные свойства и механические характеристики) используемой ленты обеспечивает повышенное значение чувствительности устройства и его функциональную гибкость.

Было обнаружено, что при использовании упругого проводника 1 в виде лент с наведенной продольной магнитной анизотропией (путем отжига в продольном магнитном поле) чувствительность датчика увеличивается.

Проведенные эксперименты также показали, что деформация скручивания приводит к образованию выходного сигнала большей величины. С учетом этого на ленте было сделано два перегиба так, что образовался треугольник ABC с грузом 3 в одной из вершин B треугольника, как показано на фиг. 2. Противолежащая грузу сторона своей средней частью фиксирована на корпусе за счет крепления концов лент к корпусу. При этом колебания груза 3 в направлении нормали к плоскости треугольника приводят к скручиванию участков лент AD и EC, принадлежащих стороне треугольника, противолежащей грузу 3. В эксперименте такая конструкция датчика проявила повышенную чувствительность.

Кроме того, помещая под грузом 3 постоянный электромагнит 6, как показано на фиг. 1, обеспечиваем изменение магнитного поля, действующего на датчик, что обеспечивает дополнительный вклад в модуляцию выходного сигнала УТС при возникновении качаний груза 3.

Приведем обоснование зависимости достигаемого технического результата заявляемого устройства от его существенных признаков.

Повышение чувствительности УТС обеспечивается за счет использования лент из аморфного металлического сплава с магнитострикционными свойствами с учетом влияния механической деформации на величину импеданса ленты 1.

Кроме того, дополнительное увеличение чувствительности основано на применении материала с продольной магнитной анизотропией, обладающего более крутой передаточной характеристикой, а также на введении магнита 6 под грузом 3 из ферромагнетика, создающего дополнительную модуляцию магнитной проницаемости лент 1 и их сопротивления за счет изменяющегося при колебаниях груза 3 воздействия магнитного поля на ленты 1.

Кроме того, перегибом лент 1 с образованием многоугольника (плоского или нет, в минимальном варианте - треугольника) появляется экспериментально обоснованная возможность получения более высокой амплитуды выходного сигнала. Этому способствует и размещение дополнительных грузов в углах образованного многоугольника.

Кроме того, указанный результат обеспечивается выполнением груза 3 в виде удлиненного стержня, ориентированного в плоскости ленты 1 перпендикулярно ее продольной оси, либо прикрепленного к ленте одним из концов перпендикулярно плоскости ленты 1. Это также приводит к появлению крутящего момента, воздействующего на ленты 1 при любой начальной ориентации датчика, и исключает таким образом зону нечувствительности при отвесной начальной ориентации лент 1 УТС.

Используемый материал достаточно тонок (порядка 30 мкм), что обеспечивает, как правило, начальный прогиб пластин и установление материала ленты в линейно-упругое состояние. Это приводит к возникновению момента силы вследствие качания при любой ее исходной ориентации, что обеспечивает функциональную гибкость устройства.

Кроме того, функциональная гибкость обеспечивается при изготовлении лент 1 в виде многоугольника за счет возникновения колебаний этой фигуры с разными частотами в различных направлениях. Это позволяет различать величину внешних сил, воздействующих в разных направлениях, и, учитывая величину ожидаемых в данном направлении помех, повысить помехозазищенность устройства.

Возможность дополнительного повышения помехозащищенности открывается с регулированием величины груза 3 и длины лент 1 таким образом, чтобы настроить механический резонанс упругой системы на частоты ожидаемого спектра колебаний, возникающих при попытке угона или взлома автомобиля.

Габаритные размеры устройства представляются достаточно малыми, поскольку представленное техническое решение хорошо сочетается с возможностями микроэлектронной схемотехники, и чувствительный к внешним колебаниям элемент имеет весьма малые габариты.

Приведем конкретные параметры изготовленного и исследованного УТС, что позволит определить численные значения нормирующих коэффициентов в формулах (1), (2).

Использованный материал имел следующие характеристики:
Модуль Юнга E = 12250 кг/мм²;
Константа магнитострикции k = 3•10^-5;
Величина магнитной проницаемости μ = 10⁴;
Толщина и ширина ленты: d = 30 мкм, s = 15 мм.

При частоте f = 0,1 МГц величина скин-слоя h = 20 мкм.

Подставляя значения h, μ , f в выражение (2), определим значение коэффициента c = 0,6. Следует отметить, что в лентах, более толстых чем скин-слой, проявление эффекта падает с увеличением их толщины. Поэтому с учетом практически значимой области проявления эффекта при вычислениях толщины лент в предлагаемом УТС принято значение c < 6.

Соответственно, преобразуя формулу (2) к виду (1) с учетом последнего неравенства, получим значение коэффициента в выражении 1: a = 36.

Реализованное устройство имело следующие характеристики.

Чувствительность (относительное изменение амплитуды выходного напряжения при качания груза) 25%,
Частота собственного механического резонанса 5 Гц,
Рабочая частота 3 МГц,
Удельное сопротивление ленты 4 Ом/см,
Переходное затухание 20 дБ,
Масса чувствительного элемента 0,1 г,
Размеры чувствительного элемента: 30 мм х 3 мм х 0,03 мм
Следует отметить, что применение современной технологии (напыления, фотолитографии и т.д.) открывает широкие возможности для уменьшения габаритов устройства и улучшения его рабочих характеристик.

Сущность: предложенное устройство тревожной сигнализации (УТС) относится к системам охранной сигнализации, например для предотвращения угона автомобилей. УТС содержит генератор тока, подключенный к входу решающего блока, и упругий проводник, первым концом закрепленный на корпусе и подключенный к земляной шине, с грузом на втором конце, причем упругий проводник выполнен из магнитострикционного сплава и подключен вторым концом к входу решающего блока, а генератор тока выполнен в виде генератора переменного тока с частотой f спектральных составляющих, определяемых по формуле: f < 36/(μd²)Гц, где μ - магнитная проницаемость упругого проводника (УП); d -толщина УП, м. Предусмотрены варианты выполнения генератора переменного тока упругого проводника, груза. При осуществлении изобретения может быть получен технический результат, состоящий в обеспечении малого энергопотребления и габаритов, высокой технологичности, чувствительности, надежности, помехозащищенности, функциональной гибкости, позволяющей регистрировать внешние колебания любых требуемых направлений, и низкой стоимости устройства, а также удобства эксплуатации, в том числе возможности любой исходной ориентации датчика. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство тревожной сигнализации, содержащее генератор тока, подключенный к входу решающего блока, и упругий проводник, первым концом закрепленный на корпусе и подключенный к земляной шине, с грузом на втором конце, отличающееся тем, что упругий проводник выполнен из магнитострикционного сплава и подключен вторым концом к входу решающего блока, а генератор тока выполнен в виде генератора переменного тока с частотой f спектральных составляющих, определяемых по формуле
f < a/μd²,
где μ - магнитная проницаемость упругого проводника;
d - толщина упругого проводника, м;
a = 36 - нормирующий коэффициент, Гц • м². 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор переменного тока выполнен в виде генератора синусоидальных колебаний. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор переменного тока выполнен в виде генератора импульсов. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругий проводник выполнен в виде ленты из аморфного металлического сплава и имеет магнитную анизотропию типа легкая ось, ориентированную вдоль своей продольной оси. 5. Устройство по п.1 или 4, отличающееся тем, что упругий проводник имеет перегиб в средней части так, что его второй конец прикреплен к корпусу, а груз прикреплен в области перегиба. 6. Устройство по п.1 или 4, отличающееся тем, что упругий проводник имеет по крайней мере два перегиба с образованием многоугольника, к по крайней мере одному из вновь образованных углов которого прикреплен груз. 7. Устройство по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что груз выполнен в виде удлиненного стержня, лежащего в плоскости упругого проводника перпендикулярно его продольной оси. 8. Устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что груз выполнен в виде удлиненного стержня, прикрепленного одним из концов к упругому проводнику перпендикулярно его плоскости. 9. Устройство по п.1 или 8, отличающееся тем, что в него введен магнит, прикрепленный к корпусу под грузом.