Датчик ускорения

Датчик ускорения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к датчикам измерения ускорения движущегося объекта и может быть использовано в системах торможения различных транспортных средств.

Из уровня техники широко известны конструкции датчиков ускорения маятникового типа с использованием электронно-оптической системы измерения. При этом японские разработчики и производители электронномеханических приборов для автомобильной промышленности наиболее активно используют в конструкции датчиков ускорения оптические системы и электронные схемы приема и обработки сигналов.

Например, в патенте JP 55-164365, 1980, HITACHI, описан оптический тахометр со схемой температурной компенсации. Тахометр содержит оптическую систему из светоизлучающего элемента и фотоприемника, прием сигналов фотоприемником осуществляется посредством преломления света маятником-диском с отверстиями, установленным на валу вращения, при этом используется электронная схема обработки сигналов. В патенте JP 58-005663, 1983, SUMITOMO ELECTRIC, описан датчик ускорения, в конструкции которого используются постоянные магниты, установленные на первом диске, закрепленном на вращающемся валу, магнитной силой во вращение приводится второй диск, на валу которого выполнена отражающая поверхность, контролируемая электронно-оптической системой. Также в качестве аналогов можно отметить конструкции датчиков, известные из патента JP 58-178260, 1983, SANYO ELECTRIC, патента JP 60-047917, 1985, патента JP 60-171462, 1985, патента JP 08-233609, 1996, NIKKISO, опубликованной заявки JP 2003-232657, 2003, DENSO, опубликованной заявки JP 2001-004403, 2001, AKEBONO BRAKE, в которой описан датчик вращения в системе контроля электрического тормоза.

Из патента US 5487303, 1996, известен спидометр с приемом оптических сигналов от вращающегося диска, установленного на валу двигателя. В патенте GB 1196526, 1970, описан датчик ускорения. Также следует отметить патент GB 1340723,1974, FORD MOTOR COMPANY.

Все перечисленные устройства, помимо достоинств, имеют и ряд недостатков, связанных со сложностью требуемого конструктивного их выполнения для обеспечения эффективной и надежной работы. При этом заявленный результат, заключающийся в простоте конструкции, надежности и высокой точности измерений, не всегда соответствует действительности.

Среди отечественных аналогов изобретения можно отметить следующие.

В а.с. СССР №678424, 1979 раскрыто устройство для измерения нестабильности скорости вращения вала. Устройство содержит закрепленный на валу диск с кольцевыми дорожками информационных меток, осветительное устройство, фотоприемники, расположенные перед дорожками с метками, усилители, генератор импульсов, селектор, электронную схему. Из а.с. СССР №679882, 1979 известен двухкомпонентный резонансный акселерометр, содержащий корпус, инерционную массу, привод и т.д. Электрический контакт с элементами вращающейся части прибора осуществляется при помощи токосъемного устройства, состоящего из токопроводящих колец, изолированных между собой, и щеток, закрепленных на колодке. Фотоэлектрический датчик состоит из двух фотодиодов, включенных по дифференциальной схеме, двух источников света, закрепленных на вращающейся части прибора.

Указанные устройства имеют недостаток, связанный с высоким влиянием вибрации вращающихся частей и корпуса на измерения.

Использование балансировочных грузов для уменьшения колебаний вращающихся элементов известно, например, из а.с. СССР №857882, 1981, так, для уменьшения колебаний устройство снабжено магнито-индукционным демпфером. Также в а.с. СССР №871070, 1981 в устройстве для измерения скорости вращения используется балансировочный груз.

Устройство для измерения ускорения известно из а.с. СССР №993129, 1983. Также можно отметить патент RU 2104585, 1998, где используется магнитная и оптическая схемы при изучении вращательного движения.

В патенте RU 2128345, 1999 описан осевой компенсационный цифровой акселерометр с неконтактным подвесом инерционной массы. Дифференциальный фотоэлектрический датчик положения выполнен разнесенным по оси акселерометра с двумя парами фотодиод-светодиод и двумя парами неподвижная-подвижная шторки. Данный осевой компенсационный цифровой акселерометр с неконтактным подвесом инерционный массы имеет высокую длительную стабильность нуля и малый дрейф нуля, что делает перспективным применение этого прибора для прецизионных измерений ускорений при любой ориентации измерительной оси. Недостатком прибора является сложная конструкция.

Изобретение по патенту RU 2093384, 1997 направлено на повышение надежности датчика. Предложено устройство для сигнализации торможения транспортного средства, содержащее корпус, внутри которого на оси вращения с помощью штанги установлен груз с возможностью ограниченного поворота, а также размещены постоянный магнит и электромагнитный переключатель электрической цепи системы торможения автомобиля с возможностью изменения их взаиморасположения и воздействия магнитного поля постоянного магнита на электромагнитный переключатель при отклонении груза от положения равновесия. Согласно изобретению корпус выполнен с герметичным каналом, заполненным вязкой жидкостью, с осевой линией в виде части окружности с центром, расположенным на оси вращения груза, при этом электромагнитный переключатель закреплен неподвижно относительно груза, а постоянный магнит размещен с возможностью перемещения в герметичном канале.

Недостатком данного устройства является сложность его изготовления, связанная с наличием криволинейного герметичного канала с жидкостью и необходимостью его точной установки относительно оси вращения груза. Кроме того, показания датчика нестабильны, поскольку зависят от вязкости жидкости, которая может меняться в зависимости от условий работы датчика.

В основу изобретения по патенту RU 2020632, 1994 положена задача создать датчик ускорения с такими элементами конструкции и их связями, которые позволили бы обеспечить более устойчивую работу датчика за счет стабилизации переключателя в вертикальном положении независимо от углов наклона в продольной плоскости объекта установки датчика ускорения, возникающих при движении объекта по дороге, имеющей подъемы и спуски под уклон. Для этого датчик ускорения содержит корпус и размещенный в нем на оси вращения постоянный магнит, переключатель, установленный с возможностью взаимодействия с постоянным магнитом, ограничитель колебаний постоянного магнита, установленный на корпусе, кожух, охватывающий корпус, ось вращения корпуса, установленную в кожухе. При этом корпус выполнен так, что его центр тяжести расположен противоположно оси вращения постоянного магнита, ось вращения корпуса расположена выше его центра тяжести параллельно оси вращения постоянного магнита.

Однако конструкция указанного датчика достаточно сложна. Кроме того, в устройстве присутствует постоянный магнит, установленный с возможностью перемещения. Таким образом, притяжение магнита к металлическим конструкциям транспортного средства создает дополнительную погрешность в работе устройства.

Из патента RU 2217766, 2003 известен датчик ускорения, принятый за наиболее близкий аналог. Датчик ускорения содержит корпус, первую плоскую пластину, установленную на оси с возможностью углового перемещения относительно корпуса, со смещенным относительно оси центром тяжести, переключатель, ограничители перемещений пластины и демпфер колебаний первой пластины. При этом датчик дополнительно содержит вторую плоскую пластину со смещенным относительно оси центром тяжести и демпфер колебаний второй пластины. Вторая пластина установлена на оси первой пластины с возможностью углового перемещения относительно первой пластины и корпуса. Обе пластины выполнены из электропроводного материала. Оба демпфера выполнены в виде постоянных магнитов, каждый из которых установлен на корпусе напротив периферийной части соответствующей пластины, при этом степени демпфирования колебаний пластин различны. Переключатель выполнен в виде обращенных друг к другу источника излучения и фотоприемника, расположенных каждый на своей пластине на одинаковых расстояниях от оси вращения с относительным смещением в плоскостях пластин. Для ограничения перемещений второй пластины введены дополнительные ограничители.

Указанный датчик также обеспечивает устойчивую работу независимо от изменения профиля дороги (уклонов, виражей). При возникновении тормозного ускорения срабатывание датчика происходит за счет более быстрого перемещения пластины с малым демпфированием относительно пластин с большим демпфированием за счет совпадения оптических осей фотоприемника и источника излучений переключателя.

Недостатком датчика является трудность достижения сочетания высокой чувствительности включения сигнала одновременно с его реакцией на пиковые ускорения большой амплитуды и малой длительности, возникающих из-за неровности полотна дороги (ямы, ухабы и т.п.), а также от переключения скоростей транспортного средства и неуниверсальности тормозных характеристик различных марок транспортных средств.

Задачей, положенной в основу настоящего изобретения, является устранение указанных недостатков, а также расширение технических возможностей датчика и повышение помехозащищенности и надежности.

Для решения поставленной задачи предложен датчик ускорения, содержащий корпус, две пластины, установленные в корпусе на одной оси с возможностью углового перемещения относительно корпуса, и имеющие смещение центра тяжести относительно оси, демпферы колебаний пластин с различной степенью демпфирования, выполненные из постоянных магнитов - магнитные демпферы, установленные в корпусе напротив периферийной части соответствующих пластин, переключатель в виде обращенных друг к другу источника излучения и фотоприемника, ограничители угловых перемещений пластин, один или несколько грузов, установленные, по крайней мере, на одной пластине, служащие для регулировки углового положения пластин, токоподводы, обеспечивающие подачу питания на источник излучения, съем сигнала с фотоприемника и передачу его на обрабатывающие устройства. При этом источник излучения с фотоприемником закреплены на одной из пластин таким образом, что расположены соосно, а плоскость второй пластины проходит в зазоре между ними, поверхность второй пластины имеет, по крайней мере, одно отверстие, обеспечивающее освещенность фотоприемника посредством источника излучения при повороте пластин относительно друг друга. Электронная часть датчика включает пороговое устройство, измеритель и формирователь временных интервалов, генератор прямоугольных импульсов, ключевое устройство. При этом вход порогового устройства соединен с выходом переключателя, а выход - с первым входом измерителя и формирователя временных интервалов, второй вход измерителя и формирователя временных интервалов соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выход - с входом ключевого устройства, управляющего включением/выключением сигнальной лампы транспортного средства.

Ограничители угловых перемещений пластин устанавливают исходя из условия обеспечения постоянной засветки фотоприемника при их нахождении на упорах, установленных в направлении движения транспортного средства, и постоянного затемнения фотоприемника при нахождении пластин на противоположных упорах.

Относительное смещение оптической оси фотоприемника по отношению к отверстию выбирается из условия необходимой реакции переключателя.

Пластины могут быть выполнены из электропроводного материала или часть, по крайней мере, одной пластины может быть выполнена из неэлектропроводного материала.

Желательно, чтобы, по крайней мере, одна пластина была выполнена в виде диска, предпочтительно, чтобы обе пластины были выполнены в виде дисков. Также пластины могут быть выполнены по форме в виде дисков со срезанными сегментами и выступами по периферийной части вдоль окружности дисков в зоне срезанной части.

Пластины армируют электропроводным материалом в зоне магнитных полей демпферов с учетом диапазона углового перемещения пластин.

Различная степень демпфирования магнитных демпферов может быть обусловлена различными намагниченностью магнитов и/или их габаритами, и/или расстояниями до соответствующих пластин.

Целесообразно, чтобы магнитные демпферы были выполнены по форме в виде гребенки и расположены по окружности электропроводных элементов дисков с чередующимися полярностями полюсов магнитов, обращенных к плоскости дисков. При этом магнитные демпферы, как правило, устанавливают в замкнутых магнитопроводах с зазором, в которых размещены электропроводные части дисков.

Токоподводы выполняют из плоских лент с соотношением толщины к ширине, меньшим единицы. Токоподводы также могут быть выполнены металлизацией или другим методом.

Предпочтительно, чтобы, по крайней мере, один груз был выполнен с возможностью его перемещения как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении по плоскости пластины, а также, чтобы, по крайней мере, один груз был выполнен с возможностью изменения его массы.

Как правило, ограничители перемещения пластин установлены таким образом, чтобы угол перемещения пластины с меньшим демпфированием был выполнен с большим углом перемещения, чем у пластины с большим демпфированием.

Возможность соосной установки источника излучения и фотоприемника на одной пластине может быть реализована посредством выполнения пластины с кронштейном (закрепленным, например, припоем или выполненным как единое целое с пластиной), на котором соосно источнику излучения расположен фотоприемник таким образом, что плоскость второй пластины проходит в зазоре между источником излучения и фотоприемником. Кронштейн имеет в данном случае форму буквы Г. На кронштейне может быть установлен либо фотоприемник, либо источник излучения.

Источником излучения является, как правило, светодиод, но может быть и другой импульсный источник любого диапазона излучения.

Целесообразно механическую часть датчика, включающую пластины, и электронную часть датчика закрыть крышками с герметизацией между ними и корпусом.

Пластины могут быть выполнены из металла, сплава, пластика, полимера или другого износостойкого прочного материала.

Пластины устанавливают на оси вращения посредством, по крайней мере, одного на каждую пластину подшипника качения.

Конструкция предложенного датчика ускорения показана на фиг.1-6.

На фиг.1 изображена конструкция датчика ускорения.

На фиг.2 показано сечение АА в конструкции датчика ускорения.

На фиг.3 показана блок-схема электронной части датчика ускорения.

На фиг.4 показано расположение магнитных систем с магнитами по сечению ЖЖ.

На фиг.5 изображен вид магнитной системы по сечению ЕЕ.

На фиг.6 показан вид дисков по сечению ДД.

Датчик ускорения состоит из корпуса 1, в котором закреплена ось 2, на которой установлены с возможностью независимого углового перемещения (поворота) плоские пластины, например, в виде дисков 3 и 4 со срезанными сегментами, на одном из которых размещены фотоприемник 5 соосно с источником излучения 6, расположенном на кронштейне 7, закрепленном на диске 3, или выполненным с ним как единое целое. Плоскость второго диска 4 расположена между фотоприемником 5 и источником излучения 6. На втором диске 4 имеется отверстие (или паз или выемка) 8, ограниченное стороной окружности, меньшей окружности диска и двумя радиальными сторонами.

На дисках установлены грузы 9 и 10 с возможностью установки или перемещения в горизонтальном направлении и грузы 11 и 12 с возможностью установки или перемещения в вертикальном направлении.

На корпусе 1 в зоне периферии дисков закреплены демпферы 13 и 14 с магнитными системами 15 и магнитами 16. На дисках 3 и 4 в зоне магнитных полей демпферов расположены электропроводные части дисков 17 и 18. Также на корпусе 1 расположены ограничители колебаний дисков 19, 20, 30 и 31. Для подачи питания на источник излучения 6 и съема сигнала с фотоприемника 5 использованы токоподводы 21, например, из плющеной ленты, отношение толщины к ширине которой меньше единицы. На корпусе 1 также расположена плата 22 электронной части. Электронная часть содержит пороговое устройство 23, измеритель и формирователь временных интервалов 24, генератор прямоугольных импульсов 25 и ключевое устройство 26. Механическая и электронная части датчика закрыты крышками 27 и 28.

Датчик располагается на транспортном средстве таким образом, чтобы диски находились в вертикальной плоскости параллельно вектору движения транспортного средства (стрелка В).

Диски 3 и 4 со смещенными относительно оси 2 центрами тяжести представляют собой маятники. При действии тормозного ускорения диски 3 и 4 поворачиваются вокруг оси 2 по стрелке Г за счет имеющейся маятниковости. Из-за различной степени демпфирования, создаваемой демпферами с магнитами во взаимодействии с токами, индуцируемыми в электропроводных частях дисков 17 и 18, поворот диска 4 происходит быстрее, чем диска 3. Степень демпфирования, обусловленная свойствами электропроводного материала и свойствами магнитов, их габаритами, расположением относительно поверхности дисков, наличием магнитных систем и чередованием полярности магнитов, а также расстояние между радиальной стороной отверстия диска 4 относительно оси переключателя, состоящего из источника излучения 6 и фотоприемника 5, рассчитываются таким образом, чтобы совмещение радиальной стороны отверстия с оптической осью переключателя происходило при действии заданного ускорения (ускорение срабатывания) при торможении транспортного средства, вызывающего реакцию переключателя и тем самым появление напряжения на выходе фотоприемника. Таким образом, при достижении радиальной стороны отверстия 8 диска 4 оптической оси переключателя на выходе фотоприемника 5 появляется напряжение, которое подается на вход порогового устройства 23, которое фиксирует определенного уровня сигнал с фотоприемника и вырабатывает на своем выходе прямоугольный импульс с длительностью, равной времени наличия сигнала на выходе фотоприемника. Сигнал с порогового устройства поступает на вход измерителя и формирователя временных интервалов 24, в котором на основе опорной частоты, вырабатываемой генератором прямоугольных импульсов 25, осуществляется измерение его длительности и в момент превышения измеренным значением заданной величины формируется управляющий сигнал на ключевое устройство, включающее сигнальную лампу 29 транспортного средства. После чего контролируется наличие сигнала с выхода порогового устройства и с момента его исчезновения вырабатывается сигнал, поддерживающий запитку ключевого устройства в течение заданного времени, а следовательно, и свечения сигнальной лампы 29.

Таким образом, после появления сигнала срабатывания с переключателя электронная схема осуществляет задержку включения сигнальной лампы на выбранное время, тем самым исключается реакция датчика на пиковые ускорения малой длительности, возникающие из-за неровностей полотна дороги и от переключателя скорости транспортного средства, при этом повышается помехозащищенность датчика.

При продолжительном действии тормозного ускорения быстрый диск устанавливается на определенный угол относительно исходного положения, соответствующий величине тормозного ускорения, а медленный диск постоянно "догоняет" быстрый диск и уменьшает выходной сигнал переключателя до нуля. Однако электронная схема позволяет на заданное время поддерживать включение сигнальной лампы.

При действии тормозного ускорения, превышающего уровень, соответствующий углу прокачки "быстрого" диска, он ложится на упор, расположенный по направлению движения, но за счет меньшей прокачки медленного диска, также находящегося на упоре, осуществляется постоянная засветка фотоприемника и сигнальная лампа включена до прекращения действия этого тормозного ускорения.

При наборе скорости транспортным средством маятники перемещаются в сторону, противоположную движению, причем геометрические параметры дисков и расположение упоров, установленных в направлении противоположно движению выбраны, таким образом, что движение обоих дисков вплоть до упоров происходит при отсутствии засветки фотоприемника.

Тем самым расширяются технические возможности датчика.

В датчике ускорения за счет перемещения (переустановки) грузов в горизонтальном направлении и грузов в вертикальном направлении достигается изменение ускорения срабатывания и изменение скоростей движения дисков от тормозного ускорения, а за счет введения токоподводов, например, из сплющенной ленты повышается чувствительность. Тем самым датчик ускорения обладает свойствами приспособления к различным типам транспортных средств, обладающих различными тормозными и скоростными характеристиками и амортизационными свойствами.

Таким образом, предложенный датчик имеет несложную конструкцию, расширенные технические возможности, повышенную помехозащищенность и надежность.

1. Датчик ускорения, содержащий корпус, две пластины, установленные в корпусе на одной оси с возможностью углового перемещения относительно корпуса и имеющие смещение центра тяжести относительно оси, демпферы колебаний пластин с различной степенью демпфирования, выполненные из постоянных магнитов, - магнитные демпферы, установленные в корпусе напротив периферийной части соответствующих пластин, переключатель в виде обращенных друг к другу источника излучения и фотоприемника, ограничители угловых перемещений пластин, один или несколько грузов, установленные, по крайней мере, на одной пластине, служащие для регулировки углового положения пластин, токоподводы, обеспечивающие подачу питания на источник излучения, съем сигнала с фотоприемника и передачу его на обрабатывающие устройства, отличающийся тем, что источник излучения с фотоприемником закреплены на одной из пластин таким образом, что расположены соосно, а плоскость второй пластины проходит в зазоре между ними, при этом поверхность второй пластины имеет, по крайней мере, одно отверстие, обеспечивающее освещенность фотоприемника посредством источника излучения при повороте пластин относительно друг друга, электронная часть датчика включает пороговое устройство, измеритель и формирователь временных интервалов, генератор прямоугольных импульсов, ключевое устройство, при этом вход порогового устройства соединен с выходом переключателя, а выход - с первым входом измерителя и формирователя временных интервалов, второй вход измерителя и формирователя временных интервалов соединен с выходом генератора прямоугольных импульсов, а выход - с входом ключевого устройства, управляющего включением/выключением сигнальной лампы транспортного средства.

2. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что пороговое устройство фиксирует сигнал с фотоприемника заданного уровня и вырабатывает на своем выходе прямоугольный импульс длительностью, равной времени наличия сигнала на выходе фотоприемника, сигнал с порогового устройства поступает на вход измерителя и формирователя временных интервалов, в котором на основе опорной частоты, вырабатываемой генератором прямоугольных импульсов, осуществляется измерение его длительности и в момент превышения измеренным значением заданной величины формируется управляющий сигнал на ключевое устройство, включающее сигнальную лампу транспортного средства.

3. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что ограничители угловых перемещений пластин установлены, исходя из условия обеспечения постоянной засветки фотоприемника при их нахождении на упорах, установленных в направлении движения транспортного средства, и постоянного затемнения фотоприемника при нахождении пластин на противоположных упорах.

4. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что относительное смещение оптической оси фотоприемника по отношению к отверстию выбрано из условия необходимой реакции переключателя.

5. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что пластины выполнены из электропроводного материала.

6. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть, по крайней мере, одной пластины выполнена из неэлектропроводного материала.

7. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна пластина выполнена в виде диска.

8. Датчик ускорения по пп.1 или 5-7, отличающийся тем, что пластины армированы электропроводным материалом в зоне магнитных полей демпферов с учетом диапазона углового перемещения пластин.

9. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что пластины выполнены по форме в виде дисков со срезанными сегментами и выступами по периферийной части вдоль окружности дисков в зоне срезанной части.

10. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что различная степень демпфирования магнитных демпферов обусловлена различными намагниченностью магнитов, и/или их габаритами, и/или расстояниями до соответствующих пластин.

11. Датчик ускорения по п.7, отличающийся тем, что магнитные демпферы выполнены по форме в виде гребенки и расположены по окружности электропроводных элементов дисков с чередующимися полярностями полюсов магнитов, обращенных к плоскости дисков.

12. Датчик ускорения по п.1 или 11, отличающийся тем, что магнитные демпферы установлены в замкнутых магнитопроводах с зазором, в которых размещены электропроводные части дисков.

13. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что токоподводы выполнены из плоских лент с соотношением толщины к ширине, меньшим единицы.

14. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что токоподводы выполнены металлизацией.

15. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, один груз выполнен с возможностью его перемещения как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении по плоскости пластины.

16. Датчик ускорения по п.1 или 15, отличающийся тем, что, по крайней мере, один груз выполнен с возможностью изменения его массы.

17. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что ограничители перемещения пластин установлены таким образом, что угол перемещения пластины с меньшим демпфированием выполнен с большим углом перемещения, чем у пластины с большим демпфированием.

18. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что одна из пластин выполнена с кронштейном, на котором соосно источнику излучения расположен фотоприемник таким образом, что плоскость второй пластины проходит в зазоре между источником излучения и фотоприемником.

19. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что источником излучения является светодиод.

20. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что механическая часть датчика, включающая пластины, и электронная часть датчика закрыты крышками с герметизацией между ними и корпусом.

21. Датчик ускорения по п.1, отличающийся тем, что ограничители угловых перемещений пластин выполнены амортизированными.