УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2025 года по МПК G01H9/00 

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации механических колебаний различных объектов, таких как двигатели транспортных средств или наземных дронов.

Уровень техники

Известен датчик вибраций и перемещений, см. патент РФ №2396524 от 10.08.2010. Данный датчик содержит цилиндрический корпус, жестко связанный нижним основанием с поверхностью контролируемого объекта, цилиндрический инерционный элемент, соосно расположенный в корпусе, источник и приемник света. При этом корпус, выполненный прозрачным, заполнен жидкостью и запаян, инерционный элемент, погруженный в жидкость и находящийся во взвешенном положении, выполнен с равными по длине конусообразными концами, источник света и приемник света выполнены в виде трех пар излучающих диодов инфракрасного диапазона и приемных фотодиодов, установленных для фиксации перекрытия конусообразными концами инерционного элемента инфракрасного излучения, проходящего от излучающих диодов к соответствующим приемным фотодиодам, на внешней стороне корпуса диаметрально противоположно друг другу. Излучающие диоды и приемные фотодиоды подключены к блоку управления и регистрации вибраций и перемещений.

Недостатком данного датчика является недостаточная точность, обусловленная тем, что со временем датчики и приемники под действием вибраций смещаются друг относительно друга.

Наиболее близким техническим решением является датчик определения колебаний, описанный в патентном документе Японии JP 2008039749 от 21.02.2008. Данный датчик содержит корпус, внутри которого установлен на маятниковом подвесе груз с закрепленным на нем источником излучения с блоком питания. При этом напротив источника излучения, под ним, на внутренней плоской поверхности корпуса расположены приемники излучения.

Недостатком данного датчика является ограниченность применения, в основном он подходит для определения землетрясений, низкая точность при сильных колебаниях из-за маятникового подвеса.

Техническим результатом, на которое направлено предлагаемое изобретение, является повышение точности определения колебаний в одной, двух или трех плоскостях и/или нескольких областях плоскостей.

Технический результат достигается тем, что устройство определения колебаний включает:

- полый корпус, выполненный в виде многогранной фигуры со всеми одинаковыми размерами граней и толщиной стенок,

- полую шарообразную прозрачную сферу, расположенную в корпусе, стенки которой соприкасаются с внутренними гранями корпуса, тем самым удерживается сфера внутри корпуса,

- полую шарообразную прозрачную колбу, расположенную внутри сферы, при этом внутреннее пространство между колбой и сферой заполнено жидкостью для организации свободного движения колбы внутри сферы,

- по меньшей мере один источник света с портативным источником питания, прикрепленные к внутренней стороне колбы таким образом, чтобы свет от источника света выходил в ближайшую стенку колбы, а центр тяжести источников света с портативным источником питания был смещен к краю колбы,

при этом каждая внутренняя грань корпуса выполнена в виде фотоприемной матрицы, принимающая свет от источника(ов) света, и с которой прикасается внешняя поверхность сферы.

При этом каждая фотоприемная матрица корпуса предпочтительно должна включать центральный участок невосприимчивый к свету для идентификации позиции стабильного состояния, т.е. отсутствия колебаний.

Количество источников предпочтительно должно соответствовать количеству граней корпуса.

Источников света может быть несколько. В данном случае источники света располагаются под различными углами друг к другу, тем самым достигается более точная идентификация колебаний. Различные источники света питаются от одного источника питания и не смещают центр тяжести внутренней колбы.

В качестве жидкости используется дистиллированная вода, или спирт, незамерзающий при низких температурах, или физраствор, или любая другая жидкость, не изменяющая физические свойства передачи света.

Сущность заявленного изобретения поясняется чертежами, фиг. 1-3, где

на фиг. 1 схематично показаны основные элементы предлагаемого устройства определения колебаний,

на фиг. 2-3 показаны различные формы корпусов.

На фигурах позициями обозначены следующие элементы:

1 - полый корпус, выполненный в виде многогранной фигуры;

2 - полая шарообразная прозрачная сфера;

3 - жидкость;

4 - источник света;

5 - фотоприемная матрица;

6 - полая шарообразная прозрачная колба;

7 - источник питания.

Предлагаемое устройство, показано на фиг. 1, представляет собой автономную конструкцию - полый корпус 1, устанавливаемый на горизонтальную поверхность. Крепление к поверхности может осуществляться различными способами и зависит от типа горизонтальной поверхности. Осуществить крепление корпуса 1 можно с использованием клея или механического закрепления. Корпус 1 выполняют в виде многогранной фигуры со всеми одинаковыми гранями, например в виде куба, или правильной треугольной пирамиды, или других известных многогранников, см. фиг. 2-3. При этом полый корпус 1 имеет одинаковую толщину стенок, таким образом, внутренняя поверхность корпуса также имеет грани, подобные наружным граням корпуса. На каждой внутренней грани (поверхности) корпуса закреплена фотоприемная матрица 5, таким образом, внутренние поверхности корпуса 1 (кроме ребер) представляют собой фотоприемные матрицы 5. В корпусе 1 должно быть предусмотрено одно или несколько отверстий для вывода контактов (проводов) от фотоприемных матриц к блоку управления и регистрации (на фигурах не показан).

Во внутреннем пространстве корпуса 1 установлена полая шарообразная прозрачная сфера 2. Данная сфера 2 не подвижна, так как ее края касаются всех внутренних граней корпуса 1, а точнее фотоприемных матриц 5.

Внутри полой шарообразной прозрачной сферы 2 расположена полая шарообразная прозрачная колба 6 меньшего размера. При этом во внутреннем пространстве между сферой 5 и колбой 6 залита жидкость 3, например дистиллированная вода или спирт, если устройство рассчитано на работу при минусовых температурах.

Внутри полой шарообразной прозрачной колбы 6 установлен источник света 4 и источник питания 7. Источник света 4 прикреплен к внутренней стенки колбы 6 так, чтобы свет от него выходил перпендикулярно фотоприемной матрице 5. При этом источник света 4 и соответствующий ему источник питания 6 прикреплены к стенке колбы 6 таким образом, чтобы их центр тяжести был смещен от центра колбы 6 ближе к источнику света 4, благодаря чему, при колебаниях корпуса, колба 6 в жидкости 3 свободно поворачивается, приводя источник света 4 вниз.

Также в предлагаемом устройстве может использоваться несколько источников света 4, каждый из которых должен быть расположен напротив центра грани корпуса с фотоприемной матрицей 5, т.е. количество источников света 4 должно быть равно количеству граней корпуса 1. Для куба, у которого шесть граней количество источников света 4 также равно шести, для правильной треугольной пирамиды - количество источников света четыре равно четыре. При этом центр тяжести смещен от центра колбы 6 ближе к одному источнику света 4 (с учетом веса других источников), как это было показано выше, а остальные источники света 4 также закрепляются на стенках колбы 6, и их местонахождение определяется геометрическим расчетом. Все источники света 4 подключены к источнику питания 7.

Центральная область фотоприемных матриц 5 может включать центральный участок невосприимчивый к свету, это необходимо для того, чтобы при небольших колебаниях устройство не работало и не потребляло лишнюю электроинергию.

Работа предлагаемого устройства связана с перемещением луча света по каждой фотоприемной матрице 5, расположенной напротив источника света 4. Любое колебание поверхности, к которой прикреплен корпус 1, влечет за собой колебание источника(ов) света, встроенного(ых) в устройство, тем самым на фотоприемной матрице 5 происходит регистрация отклоненного света от источника света. При малых колебаниях источник света направляет луч света строго перпендикулярно плоскости фотоприемной матрицы 5 в область с нереагирующей поверхностью, тем самым указывается отсутствие или минимальное колебание. При этом площадь нереагирующей поверхности является показателем возможного игнорирования колебаний, чем больше нереагирующая площадь под источниками света, тем больше амплитуда колебаний будет игнорироваться.

Любое колебание наблюдаемой поверхности вызывает отклонение луча света от нерегиструющей поверхности в одну из сторон по горизонтальному направлению, тем самым луч света от автономного источника света внутри устройства падает на фотоприемную поверхность матрицы 5, впоследствии чего генерируется электрический ток (фотоэффект). Полученный электрический сигнал электрического тока передается наружу изделия для дальнейшей обработки к блоку управления и регистрации.

В стандартном состоянии, см. фиг. 1, колебания не регистрируются, свет падает строго перпендикулярно в место, не обрабатывающее свет, и электрический сигнал не генерируется (в случае выполнения центральной области фотоприемной матрицы нечувствительной к свету) или генерируется в пределах заданных параметров. Как только колебания усиливаются, например на двигателе, луч света отклоняется от перпендикулярного направления на одну из сторон фотоприемной матрицы, и генерируется электрический ток, что сигнализирует о наличии колебаний.

В момент появления луча на определенном сегменте фотоприемной матрицы генерируется электрический сигнал, передающийся для дальнейшей обработки. Количество электрических контактов на фототприемной матрице зависит от точности определения угла отклонения луча света. Например, для регистрации простого колебания по горизонтальной оси количество контактов может быть один или два. А в случае, когда необходимо четко отслеживать угол колебаний, то количество контактов на фототприемной пластине может достигать более сотни и больше. Размещение источников света в колбе может быть различным, тем самым увеличивается точность определения колебаний. Например, если имеется шесть источников света лучи, от которых направлены в различные стороны, под различными углами относительно друг друга, фотоприемные матрицы, могут регистрировать отклонения по каждому лучу света. Такое размещение источников света предназначено для регистрации по 6 направлениям, в этом случае электрический ток генерируется одновременно сразу на шести участках фототприемных пластин.

Устройство собирают следующим образом.

Сначала собирают колбу 6, устанавливают и закрепляют (например, приклеиванием) в ней один или несколько источников света 4 и источник питания 6. Колба 6 может изготавливаться из двух поликарбонатных полусферических половин, герметично соединяемых друг с другом резьбовым соединением или спайкой.

Затем колбу 6 устанавливают в полую шарообразную прозрачную сферу 2 и заливают жидкость 3. Сферу 2 изготавливают из двух полусферических половин аналогично колбе 6, с той лишь разницей, что в ней делают два отверстия, одно для залива жидкости 3, другое для выхода воздуха. После залива жидкости 6 отверстия запаивают.

Далее изготавливают корпус 1, устанавливая на его внутренние грани фотоприемные матрицы 5, а выводы от них выводят наружу в предусмотренные для этого отверстия, при этом у корпуса 1 должна быть предусмотрена открывающаяся часть, выполненная по ребрам и с условием, что в него можно поместить полученную выше сферу 2.

После установки сферы 2 в одну часть корпуса 1 его закрывают открывающейся частью корпуса, после чего устройство готово к использованию.

Предлагается устройство определения колебаний, включающее: полый корпус, выполненный в виде многогранной фигуры со всеми одинаковыми размерами граней и толщиной стенок; полую шарообразную прозрачную сферу, расположенную в корпусе, стенки которой соприкасаются с внутренними гранями корпуса; полую шарообразную прозрачную колбу, расположенную внутри сферы, при этом внутреннее пространство между колбой и сферой заполнено жидкостью; по меньшей мере один источник света с портативным источником питания, прикрепленные к внутренней стороне колбы таким образом, чтобы свет от источника света выходил в ближайшую стенку колбы, а центр тяжести источников света с портативным источником питания был смещен к краю колбы; при этом каждая внутренняя грань корпуса выполнена в виде фотоприемной матрицы, принимающая свет от источника света. Технический результат - повышение точности определения колебаний в одной, двух или трех плоскостях и/или нескольких областях плоскостей. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство определения колебаний, включающее:

- полый корпус, выполненный в виде многогранной фигуры со всеми одинаковыми размерами граней и толщиной стенок,

- полую шарообразную прозрачную сферу, расположенную в корпусе, стенки которой соприкасаются с внутренними гранями корпуса,

- полую шарообразную прозрачную колбу, расположенную внутри сферы, при этом внутреннее пространство между колбой и сферой заполнено жидкостью,

- по меньшей мере один источник света с портативным источником питания, прикрепленные к внутренней стороне колбы таким образом, чтобы свет от источника света выходил в ближайшую стенку колбы, а центр тяжести источников света с портативным источником питания был смещен к краю колбы,

при этом каждая внутренняя грань корпуса выполнена в виде фотоприемной матрицы, принимающая свет от источника света.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что каждая фотоприемная матрица корпуса включает центральный участок невосприимчивый к свету.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что количество источников соответствует количеству граней корпуса.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве жидкости используется дистиллированная вода, или спирт, незамерзающий при низких температурах, или физраствор.