Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ процессов сигналообразования в трибо-электрических кабельных средствах обнаружения. Постановка задач исследоний 12
1.1. Анализ виброметрических средств обнаружения как класса периме-тровых технических средств охраны 12
1.2. Анализ характеристик трибоэлектрических кабелей отечественного производства 20
1.3. Постановка задач исследований 27
Выводы 32
ГЛАВА 2. Исследование физико-механических свойств сигнализационных заграждений. разработка модели звена заграждения 33
2.1. Исследование механических колебаний плит, рассматриваемых в качестве звеньев заграждения 33
2.2. Исследование механических колебаний горизонтального и вертикального стержней как элементов заграждения 39
2.3. Исследование параметров силового воздействия нарушителя на заграждение 44
2.4. Исследование процессов распространения упругих волн в заграждении 47
Выводы 56
ГЛАВА 3. Электромеханическая модель трибоэлектрического кабеля с центральным спиральным электродом 57
3.1. Исследование механических колебаний центрального спирального электрода 57
3.2. Применение теории процесса образования зарядов в трибоэлектрических кабелях при контактной электризации изоляторов металлами 74
Выводы 86
ГЛАВА 4. Обобщенная модель сигналообразования в виброметрическйх средствах обнаружения 87
4.1. Описание процессов сигналообразования в протяженных трибо-электрических кабелях. Синтез входного преобразователя 87
4.2. Обобщенная модель системы «нарушитель-заграждение-ЧЭ -сигнализационное устройство» 96
4.3. Оценка влияния помеховых факторов на виброметрическое средство обнаружения в реальных условиях эксплуатации 103
Выводы 108
ГЛАВА 5. Адекватность разработанных моделей. практическая реализация средства обнаружения на основе трибоэлектрического кабеля 110
5.1. Экспериментальные исследования 110
5.2. Проверка адекватности моделей 123
5.3. Определение структурной схемы виброметрического средства обнаружения и алгоритма обработки сигналов 125
5.4. Техническая реализация виброметрического средства обнаружения... 132
Выводы 141
Заключение 143
Список использованных источников 145
Приложения: 156
- Анализ характеристик трибоэлектрических кабелей отечественного производства
- Исследование механических колебаний горизонтального и вертикального стержней как элементов заграждения
- Применение теории процесса образования зарядов в трибоэлектрических кабелях при контактной электризации изоляторов металлами
- Обобщенная модель системы «нарушитель-заграждение-ЧЭ -сигнализационное устройство»
Введение к работе
Актуальность работы В виду непрерывного роста масштабов криминально-террористических угроз проблема обеспечения физической безопасности территорий важных и особо важных объектов Российской Федерации, включая охрану государственной границы, остается чрезвычайно актуальной. Особое внимание уделяется вопросам охраны ядерноопасных объектов. Отраслевая программа «Совершенствование физической защиты ядерных материалов, ядерных установок и пунктов хранения ядерных материалов» утверждена приказом министра Российской Федерации по атомной энергии от 25.07.2000 г., №458 и находится под непрерывным контролем со стороны правительства.
В организации современной физической защиты объектов от противоправных действий террористов и преступников (нарушителей) важную роль играют сигнально-заградительные системы раннего предупреждения (обнаружения), возводимые на границах (периметрах) территорий объектов. Эти системы позволяют силам реагирования своевременно обнаружить и пресечь преступную акцию и нейтрализовать нарушителя.
Один из наиболее эффективных способов обнаружения нарушителя основан на методах измерения специфических деформаций (вибраций) физического барьера, возникающих при преодолении нарушителем заграждения или попытках его разрушения. При этом конструкция физического барьера превращается в составную часть чувствительного элемента (ЧЭ) виброметрической системы обнаружения (ВСО), а физический барьер обретает свойство сигнализационного заграждения.
Структура взаимосвязей элементов, обеспечивающая функционирование ВСО представлена на рисунке 1.
Системный характер задачи синтеза требует анализа силовых, волновых и электрических процессов при исследовании параметров F(/), F(/), ?(')> вы"
деления информативных признаков в электрическом сигнале (/) и выбора
решающих правил блока обработки сигналов (БОС).
Кабельный ЧЭ
Нарушитель
F(t)
Механическая связь
Физическое
заграждение
(барьер)
ВІЗ БОС
Сигнал срабатывания
F(/) - силовое воздействие, F(/) - волновые процессы, (/) - электрический сигнал, Вх - входное устройство, БОС - блок обработки сигнала.
Рисунок 1 Входными параметрами F(r) являются динамические нагрузки механических
элементов системы, а параметр F(/) характеризует волновые процессы и передачу информации от локальных точек (очагов) воздействия на заграждение до места расположения на заграждении протяженного ЧЭ.
Анализируя существующее состояние научно-технических разработок ВСО, следует отметить, что эти системы не рассматривались с точки зрения системного анализа, а разрабатывались по частям на основе экспериментальных данных.
Вопросам системного анализа посвящено множество трудов отечественных и зарубежных ученых. Прежде всего, это фундаментальные труды Института системного анализа РАН, С.-Петербургского института информатики и автоматизации РАН, Института проблем управления РАН, Вычислительного центра РАН и др. Хорошо известны основополагающие труды научных школ факультета Вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М.В. Ломоносова, МВТУ им. Баумана, Института автоматической аппаратуры им. академика B.C. Семенихина, Военной Академии Петра Великого, 5 ЦНИИ МО РФ. Настольными учебно-научными работами для специалистов в области теории
системного анализа являются монографии Е.С. Вентцель, Н.Н. Моисеева, Б.С. Флейшмана, В.Н. Волковой и др.
Звено заграждения, располагаемое между двумя соседними опорами и предназначенное для строительства протяженного периметрового барьера, можно представить в виде упругой среды, ограниченной геометрическими размерами (axbxh), которые являются, соответственно, ее длиной, высотой и толщиной (причем, толщина h значительно меньше двух других размеров). Таким образом, звено заграждения с точки зрения теоретической механики можно представить в виде плоской плиты (или пластины) с наложенными на нее граничными условиями.
Фундаментальная теория и методы оценки параметров механических вибраций и деформаций в плитах и балках известны и развиты в трудах зарубежных и отечественных ученых, в том числе Бишопом, Джонсоном, Харри-сом, Темпестом, Бидерманом В.Л., Крыловым А.Н., Тимошенко СП., Курносо-вым В.Е. и многими другими.
При синтезе ВСО проблемной задачей является оптимизация выбора типа и конструкции протяженного ЧЭ. Анализ применяемых на практике в качестве ЧЭ протяженных кабельных элементов для технических средств обнаружения (ТСО) виброметрического направления показал, что основными типами используемых кабелей являются оптоэлектронные, трибоэлектрические, микрофонные и пьезоэлектрические кабели. В качестве ЧЭ в данной работе подлежит рассмотрению только класс трибоэлектрических кабелей, освоенных отечественной кабельной промышленностью, обладающих высокой чувствительностью, работающих в диапазоне температур -50...+60 С и имеющих приемле-мую цену. Производство микрофонных и пьезоэлектрических кабелей в Российской Федерации не освоено. Зарубежные микрофонные и пьезоэлектрические кабели достаточно дорогие, а также имеют нижнюю границу рабочих температур -40 С, что ограничивает применение этих кабелей на территории Российской Федерации. Виброметрические системы на основе оптоволоконных
кабелей имеют ряд значительных отличительных особенностей, и в данной работе они не рассматриваются.
Учитывая важность и сложность задач охранной сигнализации, в 60...70-х годах в России было сформировано самостоятельное научно-техническое направление создания ТСО, основателями которого являются Российские ученые Е.Т. Мишин, А.В. Измайлов, Л.Е. Лебедев, Ю.А. Оленин, В.И. Волчихин.
Физические процессы, протекающие в трибоэлектрических кабелях, достаточно сложны и описываются теорией контактной электризации изоляторов металлами, которую основали зарубежные ученые Шаурдай, Гартон, Уести-гейт, Ловелл и Девис. Среди Российских ученых продолжил развитие теории контактной электризации В.И. Пигарев.
Первые ВСО на основе трибоэлектрических кабелей («Арал», «Дельфин») были созданы под руководством ученых Мишина Е.Т., Пигарева В.И., Федяева С.Л. и Глазунова Б.П., в которых в качестве протяженных ЧЭ использовались серийные сигнальные кабели с ненормированным сигналообразовани-ем. Необходимость создания серийного трибоэлектрического кабеля с нормированным сигналообразованием привела к разработке (Шарамонов Е.Е.) конструкции трибоэлектрического кабеля с центральным спиральным электродом (типа КТВУ) и его применению (Масенков В.А., Наумов А.С.) в изделии «Годограф-1».
Результаты анализа существующих ВСО зарубежного и отечественного производства, приведенные в главе 1, показали, что в настоящее время нет ВСО, обладающих высокими показателями обнаружения, помехоустойчивости и помехозащищенности.
Все вышеизложенное говорит об актуальности задачи исследования и создания ВСО с высокими тактико-техническими и эксплуатационными характеристиками для применения их в комплексах охранной сигнализации
Цель работы - развитие теоретических и методологических основ проектирования нового поколения виброметрических систем обнаружения наруши-
телей с использованием трибоэлектрического кабеля с центральным спиральным электродом в качестве ЧЭ.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
исследовать системные связи и закономерности функционирования виброметрических систем обнаружения нарушителей;
создать обобщенную модель системы «нарушитель - заграждение -ЧЭ - сигнализационное устройство» и на основании моделирования и экспериментальных исследований выявить параметры системы и ее элементов, определяющие информативные признаки факта преодоления заграждений нарушителями;
исследовать электромеханические свойства трибоэлектрических кабелей и установить закономерности процессов электризации изоляторов металлами при образовании зарядов;
исследовать физико-механические свойства заграждений и установить закономерности распространения в них упругих волн;
разработать методики выполнения этапов проектирования подобных систем и оценки характеристик обнаружения нарушителей и помехоустойчивости.
Методы исследования основаны на применении методов системного анализа и синтеза, математической статистики, математического моделирования, обработки экспериментальных данных.
При разработке математических моделей использовались основные положения теории упругости, теории колебаний и распространения волн, теории контактной электризации изоляторов металлами и прикладной механики. При решении задачи по анализу и синтезу ВСО использовались методы дифференциального и интегрального исчисления, имитационного моделирования на ПЭВМ.
Научная новизна
1 Впервые рассмотрены и проанализированы системные связи и зако
номерности функционирования системы «нарушитель - заграждение - ЧЭ -
сигнализационное устройство». При этом выявлены параметры системы и ее
элементов, определяющие информативные признаки факта преодоления загра
ждения нарушителем с учетом физических свойств элементов, входящих в сис
тему, и физических взаимодействий между ними. Предложена и теоретически
обоснована обобщенная модель системы.
Предложена и обоснована модель сигналообразования в трибоэлек-трических кабелях с центральным спиральным электродом.
Предложен, обоснован и экспериментально подтвержден алгоритм обработки сигналов, положенный в основу нового способа виброметрического обнаружения нарушителей.
Предложена и обоснована методическая процедура выполнения этапов создания и усовершенствования виброметрических систем обнаружения нарушителей на основе трибоэлектрического кабеля с центральным спиральным электродом.
Разработаны методики расчета и оценки параметров системы и ее элементов.
Практическая значимость работы состоит в создании новых, более эффективных научно-технических средств синтеза систем виброметрического обнаружения нарушителей, что позволит сократить затраты на разработку и повысить тактико-технические характеристики изделий. Использование новых средств синтеза в конечном итоге позволит повысить физическую безопасность охраняемых объектов и уменьшить ущерб от противоправных акций. Использование результатов работы в проектировании ВСО «Годограф-СМ-В-ІС(Б)» подтверждает ее практическую значимость повышенным спросом на изделия со стороны заказчиков.
Реализация и внедрение результатов;
ФГУП "НИКИРЭТ" (Научно - исследовательский и конструкторский институт радиоэлектронной техники) г. Заречный Пензенской обл. Разработаны ВСО 'Тодограф-СМ-В-ІС(Б)" БАЖК.425119.003-04(07) для сигнализационного блокирования сетчатых и бетонных заграждений, а также для защиты "козырьков" из сетки ССЦП и ленты АКЛ (АСКЛ). Конструкторской документации присвоена литера "01".
ФГУП "ПО "Старт" г. Заречного Пензенской обл. Производится серийное изготовление изделий «Годограф-СМ-В-1С(Б)>>.
Пензенский государственный университет. Результаты диссертационной работы используются при организации учебного процесса на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы»
Предложенные в диссертационной работе, модели, разработанные методики и алгоритмы позволяют производить весь комплекс работ по проектированию ВСО на основе протяженного трибоэлектрического кабеля, начиная от исследований структуры сигналов до оценки показателей эффективности функционирования.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
Вторая Всероссийская научно-практическая конференция «Технические средства периметровой охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом» (г. Заречный, Пензенской области, 2000 г.).
Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция «Со- временные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (г. Заречный, Пензенской области, 2002 г.).
3 Пятая Всероссийская научно-практическая конференция «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (г. Заречный, Пензенской области, 2004 г.).
4 Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г. Пенза, 2004 г.).
Публикации По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа, в том числе 16 статей, 5 тезисов докладов. Подана заявка на оформление патента №2004109408 МПК G08B, 13/02 от 29.03.04 «Способ виброметрического обнаружения нарушителей и устройство для его осуществления».
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 113 наименований, изложенных на 155 страницах машинописного текста и 10 приложений к работе на 12 страницах, включая 68 рисунков и 4 таблицы.
Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту;
Результаты исследования системных связей и закономерностей функционирования виброметрических систем обнаружения нарушителей.
Обобщенная модель системы «нарушитель - заграждение — ЧЭ -сигнализационное устройство», учитывающая закономерности протекающих процессов в элементах системы на разных физических уровнях. Методика оценки влияния внешних помеховых факторов на вероятность обнаружения и период ложного срабатывания в процессе эксплуатации системы .
Модели трибоэлектрического кабеля и входного преобразователя, отличающиеся описанием процесса сигналообразования при «игольчатой» контактной электризации изоляторов металлами с учетом конструктивных особенностей кабеля.
Алгоритм обработки сигналов и методика выполнения этапов создания виброметрических систем обнаружения нарушителей на основе трибоэлектрического кабеля с центральным спиральным электродом.
Модели заграждения и ЧЭ, отличающиеся описанием механических колебательных процессов при воздействии нарушителя.
Анализ характеристик трибоэлектрических кабелей отечественного производства
Система Defensor с прецизионным кабелем GDALPHA предназначена для более массивных заграждений (тяжелых сварных или кованых решеток). Этот кабель содержит два проводника, помещенные в полиэтиленовые трубки с силиконовой смазкой, обеспечивающей повышение подвижности проводников и, соответственно, уровня сигнала. Для минимизации внешних наводок активные проводники сформированы в виде витой пары. Центральный многожильный провод выполняет роль упрочняющего элемента. Стоимость кабеля $9,5 за погонный метр.
Система Impactor (IMP400) предназначена для защиты стен и крыш помещений от взлома. В системе используется специальный кабель, снабженный дополнительной полимерной оболочкой.
Система MicrAlert является результатом развития системы Defensor, использующей в качестве ЧЭ микрофонные кабели. Данная система может обеспечивать независимую обработку четырех информационных каналов. Виброчувствительная система AN-300 компании Pinkerton Sri. разработана для охраны сетчатых металлических заграждений. В качестве распределенного ЧЭ здесь используется экранированный кабель типа AS257 диаметром 5 мм, содержащий несколько проводников в полимерной оболочке. Извещатель Multusensor (IMS016) применяется на сетчатых заграждениях из плоских или объемных спиралей. В качестве ЧЭ используется трибоэлектри-ческий кабель типа 4CBL1041 диаметром 6 мм.
ДГУП «ДЕДАЛ» ФГУП «СНПО «Элерон» представляет на рынке два ВСО: «Дельфин-М» и «Дельфин-МП». В качестве ЧЭ в этих изделиях применяется телефонный кабель ТПП10x2x0,32 со специальной отборкой. Используется паразитный ненормированный трибоэффект кабеля. Чувствительность телефонного кабеля значительно ниже чувствительности специализированных микрофонных или трибоэлектрических кабелей, поэтому разработчик вынужден рекомендовать двойную прокладку кабеля по заграждению: в нижней части и по самому его верху, что требует двойной затраты кабеля по длине. По опыту работы с изделием следует отметить, что на разрушение заграждения изделие работает устойчиво из-за достаточного уровня сигнала в высокочастотной области. Однако, для обнаружения перелаза через заграждение (в низкочастотной области сигнала) кабель должен «испытывать» достаточно большие деформации, поэтому верх заграждения должен быть гибким.
Извещатель «Гюрза-035П» ЗАО «Фракталь СБ» предназначен для блокирования заграждений с помощью кабеля ТППэп 10x2x0,5 (т.е. изделие также работает на паразитном ненормированном трибоэффекте в кабеле). В качестве недостатка следует отметить заниженный динамический диапазон регулировки чувствительности, что при некоторых условиях эксплуатации снижает обнару-жительные свойства изделия. Отсутствие режекторного фильтра на частоте 50 Гц и фильтра верхних частот снижает помехоустойчивость изделия от электромагнитных наводок и акустических шумов.
Анализ ВСО, приведенных в таблице 1.1, показывает, что все ВСО зарубежных фирм имеют нижнюю границу рабочей температуры не ниже -40 С, что ограничивает их применение во многих регионах Российской Федерации.
Изделия Guardwire, Defensor, Impactor и MicrAlert фирмы Geoguip, и система Intelli-Flex фирмы Senstar-Stellar достаточно дороги (имеют удельную стоимость оборудования объектов от 7 до 45 $/м), сложны в настройке и техническом обслуживании. Некоторые кабельные ЧЭ зарубежных фирм не имеют светостабилизированной полиэтиленовой оболочки (например, системы Guardwire) и не выдерживают долговременной эксплуатации при воздействии солнечной радиации. Также все эти изделия не являются экономичными в плане энергопотребления (потребляемый ток от 20 до 250 мА). Из всех перечисленных изделий на «жестких» железобетонных заграждениях и тяжелых кованых или сварных решетках могут функционировать лишь системы Defensor, Impactor и ЕЗі с дорогостоящими кабелями. Следует также отметить, что все ВСО зарубежного производства могут устойчиво работать только на заграждениях хорошего качества, каких порой не бывает на многих объектах России. Поэтому общий вывод - ВСО зарубежного производства плохо приспособлены под условия эксплуатации, существующие на объектах Российской Федерации, и не могут восполнить потребности российского рынка.
Важность ВСО как средств обнаружения подтверждена объемом продаж на рынке периметровых систем, который составляет сейчас в США около $20 млн. Самым динамичным сегментом среди периметровых систем с датчиками на заграждении сейчас остаются системы с микрофонными кабелями. На их долю приходится примерно 37% американского рынка, и к концу 2005 г. эта величина должна вырасти до 44%. Распределенные микрофонные датчики и электронная аппаратура обработки сигналов постоянно совершенствуются, находя применения главным образом на легких металлических заграждениях, широко распространенных в США и Западной Европе. На российском рынке также возрастает потребительский спрос к ВСО, о чем свидетельствуют многие публикации [32-37].
Остановимся теперь на краткой характеристике заграждений. Все типы заграждений можно условно разделить на две группы: «легкие» (или гибкие) и «жесткие» (или массивные). К первой группе можно отнести тонкую проволочную сварную сетку типа ССЦП с диаметром проволоки до 4 мм, сетку типа «Рабица», плоскую спираль типа ПЗ, сварную решетку из металлических прутьев с диаметром до 6 мм (например, производства фирмы «Bekaert»). Ко второй группе можно отнести сварную решетку из металлических уголков, заграждение из штампованных или кованых металлических элементов, деревянные, железобетонные или кирпичные заграждения. Понятия «легкое» или «жесткое» заграждения несут в себе не только качественную характеристику, но и имеют физический смысл. Из теории упругости известно [38-40], что «жесткость» механических конструкций в соответствии с законом Гука можно оценить физической величиной, именуемой коэффициентом жесткости, обычно обозначаемой символом К, имеющим размерность [Н/м]. На основании данных [41,42],
Исследование механических колебаний горизонтального и вертикального стержней как элементов заграждения
Анализ формул (2.9) и (2.10) показывает, что частоты собственных колебаний опор в основной степени зависят от длины стержня и уменьшаются обратно пропорционально квадрату его длины.
Проведем расчет по формулам (2.9) и (2.10) частот первых четырех форм собственных колебаний металлического (стального) стержня длиной 3 м и сечением (5x5) см. Для расчета примем следующие значения параметров: Е=200ГПа; р=7Я50кг/м ; J=0,5-10-«JW4.
Расчеты показывают, что собственные частоты горизонтального стержня (12,4 кГц; 49,7 кГц; 112,2 кГц; 199,1 кГц) и вертикального стержня (4,4 кГц; 28,1 кГц; 77,5 кГц; 152,2 кГц) указанного размера отличаются не более чем в 3 раза и находятся в диапазоне от 4 кГц до 200 кГц, который находится значительно выше диапазона выделения информативных признаков.
К вертикальному (опоре) и горизонтальному (коробу) стержням обычно по всей их длине крепится полотно звена заграждения, которое является для них своего рода нагрузкой, оказывающей влияние на величину прогиба и частоту собственных колебаний. При расчетах этот факт может быть учтен через увеличение коэффициента изгибной жесткости EJ в плоскости колебаний стержня.
Адекватность рассмотренных моделей горизонтального и вертикального стержня подтверждается соответствием расчетных значений собственных час тот практическим результатам [48], при погрешности, не превышающей 15%. Анализ спектров колебаний участка сетчатого заграждения длиной 9 м с двумя промежуточными опорами и без них, [48] показал, что наличие опор приводит к увеличению демпфирующих свойств заграждения по отношению к частотам их собственных колебаний. Перелезание человека через заграждение можно рассматривать как последовательное чередование во времени силовых воздействий Fit) на полотно заграждения. Силовые воздействия можно трактовать в виде давления на участки площади заграждения, вызываемые руками и ногами человека. На рисунке 2.7 приведен пример воздействия сил на заграждение при пе-релезании человека. Из рисунка видно, что силовые воздействия от рук \Fp) и ног (FH) человека, как правило, разнонаправлены, и вызывают упругую деформацию заграждения в вертикальном [Fpe,FHA и горизонтальном [Fpz,FHA направлениях. Кроме того, разность расстояний точек приложения сил, вызывает возникновение вращающих моментов сил. Значение А , а точнее величина прогиба заграждения в точке (или очаге) возмущения, может быть обусловлено следующими типами силовых воздействий: силой удара F, импульсом силы S, энергией удара W, мощностью удара Р или моментом силы М. Поэтому важно знать, какое из перечисленных силовых воздействий является определяющим при формировании начальной амплитуды (А ) колебания заграждения в точке воздействия на упругую среду. В результате проведения натурных экспериментов [65] был сделан вывод, что определяющим воздействием является импульс силы S (или ударный импульс). Воздействие на заграждение силы F за достаточно малый промежуток времени т отождествляется с понятием ударного воздействия. получения ударного импульса (см. рисунок 2.8) можно воспользоваться падением груза массой т, закрепленного на ните длиной / и отведенного на угол у. Величину импульса силы можно представить как интегральную характеристику (2.11),где F(t) - функция изменения силы в результате воздействия на полотно заграждения рук и ног человека. Функция F(t) зависит от многих параметров: от массы т человека, способа преодоления заграждения, скорости преодоления (быстрый или медленный перелаз) и т. п. Причем, человек определенной массы, преодолевая заграждение в одном месте определенным способом и с одной скоростью при прочих равных условиях, может вызвать разную амплитуду колебаний заграждения, если будет умышленно увеличивать или уменьшать давление руками и ногами на полотно заграждения. Типичная динамика перелезания человека через заграждение представлена на рисунке 2.9, которая получена экспериментальным путем на секции бетонного заграждения высотой 2,5 м при измерении усилий с помощью динамометра. Рисунок 2.9 - Зависимость силы воздействия на заграждение от времени Как видно из рисунка 2.9 силовое воздействие на заграждение во времен 47 ной области имеет явно выраженный импульсный характер. Всю кривую можно разбить на интервалы АГ. ударных воздействий. Искомое значение каждого импульса силы будет определяться интегралом от функции F (t) в пределах длительности удара.
Применение теории процесса образования зарядов в трибоэлектрических кабелях при контактной электризации изоляторов металлами
Этот рисунок наглядно иллюстрирует частотную зависимость ?(f)=f{co) процесса контактной электризации. При частых, следующих друг за другом ударных импульсах S., суммарное время / накопленного заряда убудет увеличиваться, что приведет к появлению низкочастотных составляющих в спектре частот кабеля. С другой стороны, более редкие ударные воздействия с периодом, равным времени рассасывания заряда, определяют верхнюю границу частот спектра кабеля.
Процесс контактной электризации напрямую связан с прикладываемой энергией, в качестве которой выступает величина, равная разности работ выхода металла и изолятора, которая выражается в единицах эВ, Работы выхода Ф существенно зависят от типа металла и типа изолятора [80-87, 71-73]. На рисунке 3.15 приведены значения работ выхода Фи Фмдля некоторых металлов и полимеров. Как видно из рисунка 3.15, разность выхода работ ДФ максимальна для пары платина и нейлон (идеальный случай). Однако разработка такого кабеля нереальна из-за стоимостных характеристик. При изготовлении трибоэлектри-ческих и сигнальных кабелей из металлов обычно используются алюминий, медь и серебро. Следует отметить, что полиэтилен, обычно применяемый в кабелях в качестве изолятора, имеет существенный недостаток, f Ф,эВ Значения работ выхода для некоторых металлов и полимеров. Величина его работы выхода имеет большой разброс (4,4 - 4,7 эВ), который оп 79 ределяется как способом производства (полиэтилен высокого и низкого давления), так и марками ингредиентов, добавляемых при производстве кабелей. Величины Ф даны для металлов (рисунок 3.15), которые в процессе хранения и эксплуатации подвергаются естественному окислению кислородом воздуха. Например, медь увеличивает свою работу выхода с 4,4 до 5,5 эВ. Алюминий в этом случае, является предпочтительным металлом, так как его окисление происходит очень быстро и затем со временем практически не изменяется. При этом его работа выхода увеличивается до 5,4 эВ и остается в дальнейшем практически постоянной. Следует также отметить, что наиболее перспективными парами являются «нейлон - алюминий» и «нейлон - серебро» (серебреная медь). Учеными Ловеллом и В.И. Пигаревым было показано [71, 79], что для описания процессов образования зарядов в трибоэлектрических кабелях может применяется формула: где or -поверхностная плотность инжектируемого заряда; е-заряд электрона; N -поверхностная плотность ловушки полимера изоляции (на единицу энергии и площади), [эВ 1 см"2]. В соответствии со сделанным предположением о переносе ловушек в изоляторе посредством механической деформации, Пигарев условно разделил одиночные нескользящие контакты на две подгруппы : точечный нескользящий однократный контакт с площадью контакта S 1лш2 и плоский однократный нескользящий контакт с площадью контакта S Юлш2. По Пигареву заряд, наведенный в изоляторе при однократном нескользящем контакте будет увеличиваться с увеличением площади контакта вследствие резкого увеличения числа ловушек, участвующих в перераспределении ловушек (на 2-3 порядка). Поэтому по Пигареву заряд, образованный в случае, изображенном на рисунке 3.10 должен быть в несколько раз больше заряда, образованного в случае, изобра 80 женном на рисунке 3.9. (Что соблюдается при соотношении площадей от S =1лш2и выше). Однако, на практике это не совсем верно, так как экспери-ментально показано, что при очень малой площади контакта «игольчатого» типа (S 0,Ьш2), заряд в случае рисунка 3.9 может быть даже больше, чем в случае рисунка ЗЛО. Этот эффект может быть объяснен наличием (сосредоточением) на кончике «иглы» очень большой плотности электрического заряда и модель Пигарева в этом случае требует некоторой поправки. Заряд Q. в / - ой точке контакта (разрыва) изолятора и проводника кабеля распределяется между емкостями, образующимися дополнительно при механическом воздействии. Согласно [56] Заряд Q., выделяемый в нагрузке с параметрами RH, Сн(гк=Лн-Сн), будет определяться формулой t эффективная площадь контакта (разрыва) в і — ой точке; С .- емкость воздушного конденсатора в і — ой точке контакта (разрыва) между отделившимся проводником (центрального электрода) и изолятором; С2/- емкость конденсатора между изолятором и не отделившимся проводником (экраном) вблизи / - ой точки.
Обобщенная модель системы «нарушитель-заграждение-ЧЭ -сигнализационное устройство»
Для определения амплитудных (передаточных) характеристик некоторых типов серийных кабелей был проведен ряд экспериментов, с помощью которых были установлены определенные зависимости. Графики изменения выходного напряжения от изменения величины ударного импульса приведены на рисунке 5.1. Для кабеля 1 на рисунке 5.1 показана зона разброса его чувствительности. Для других кабелей зоны разброса идентичны и на рисунке не показаны. Анализ амплитудных (передаточных) характеристик кабелей показывает, что кабели обладают достаточно широким динамическим диапазоном изменения сигнала и кроме этого обладают зоной нечувствительности при малых импульсных воздействиях (имеют точку пороговой чувствительности).
В соответствии с графиками, представленными на рисунке 5.1, кабели можно разделить на две группы. К первой группе относятся кабели 1-4, (трибо-электрические кабели с центральным спиральным электродом), ко второй группе - кабели 5-8 (сигнальные кабели с жестким центральным проводником). Разница по уровням электрических сигналов между первой и второй группой кабелей более чем в три раза.
Для определения частотных свойств кабелей рассмотрим реакцию кабеля на ударный импульс. Типичная форма сигнала на ударное воздействие приведена на рисунке 5.2.
Сигнал отражает колебательный затухающий процесс при наличии в нем высокочастотных и низкочастотных составляющих. Сигнал характеризуется максимальной амплитудой размаха U. и длительностью /.. Для каждого типа исследуемых кабелей после серии ударных воздействий, равномерно распределенных в динамическом диапазоне, были построены спектры сигналов ударного воздействия, усредненные и нормированные кривые которых приведены на рисунке 5.3.
Анализ спектров показывает, что для каждого типа кабеля имеются два и более участка спектра с наибольшей «энергетикой», например, для кабеля типа КТВ-Мф имеются характерные участки (полосы) частот 20-40 Гц и 180-ЗООГц, которые можно условно назвать низкочастотной (НЧ) и высокочастотной (ВЧ) составляющими спектра.
На рисунке 5.3 также показано, что спектры сигнальной группы кабелей (4, 5) сдвинуты в сторону высоких частот и не имеют явно выраженных низкочастотных составляющих. Отличие спектра 3 (КТВУ-М) от спектров 1 и 2 (КТВ-Мф, КТВ) объясняется тем, что между центральным спиральным проводником и изоляционной трубкой расположена полиэтилентерефталатная (лавсановая) пленка, которая ограничивает движение спирального электрода. Из рисунков 5.1 и 5.3 видно, что кабель КТВ-Мф обладает лучшими характеристиками по сравнению с другимиприведенными кабелями. Замена медной оплетки экрана на алюминиевую фольгу напрямую отразилась на характеристиках кабеля (по сравнению с его прототипом - кабелем КТВ). Однако «наилучший» из отечественных серийных кабелей обладает еще рядом недостатков, главный из которых большой разброс его погонной чувствительности (в несколько раз на отдельных локальных участках).
Опыт эксплуатации изделий «Годограф-1» и «Годограф-СМ-В-1С» с чувствительными элементами на основе кабелей КТВ, КТВУ и КТВ-Мф показал, что причинами нестабильности электромеханических параметров кабелей являются: уход конструктивных размеров кабеля за пределы установленных допусков на отдельных (локальных) участках (технический брак производства), местное окисление центрального электрода за счет попадания влаги внутрь диэлектрической трубки (на стадиях транспортировки кабеля и изготовления чувствительных элементов), а также локальные изменения жесткости пружины.
Для обоснования выбора наиболее важных параметров сигналов, подлежащих дальнейшему анализу, была использована обобщенная функциональная схема тракта преобразования сигналов, приведенная на рисунке 5.4.
Приведенный тракт преобразования сигналов представляют собой одно-пороговый энергетический обнаружитель, который можно достаточно просто адаптировать (перестраивать) для различных видов исследований. ИП представляет собой усилитель заряда с коэффициентом преобразования 75 мВ/нКл, РУ- усилитель с дискретной регулировкой коэффициента усиления через 6 дБ в диапазоне от минус 6 до плюс 60 дБ, ПФ- полосовой фильтр с регулируемыми частотами среза от 0,2 Гц до 4 кГц. Детектор огибающей ДО представляет собой прецизионный двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий полосовой фильтр Чебышева четвертого порядка. Компаратор К построен по схеме тригерра Шмитта и преобразует аналоговый сигнал в дискретный. УЛО предназначен для регистрации сигналов срабатывания.
