ЗВЕЖИНСКИЙ Станислав Сигизмундович, кандидат технических наук
ИВАНОВ Владимир Анатольевич, кандидат технических наук

Новый кабельный преобразователь для сейсмомагнитометрического средства обнаружения

Как известно, сейсмомагнитометрическое средство обнаружения (СО), комбинирующее два пассивных физических принципа обнаружения ? сейсмический и магнитометрический, является наиболее эффективным для охраны границы, протяженных неогороженных рубежей объектов [1]. По сравнению с магнитометрическим оно решает проблему “магниточистого” нарушителя, по сравнению с сейсмическим имеет существенно большую помехоустойчивость, менее подвержено действию климато-геологических условий. По сравнению с активным средством обнаружения на основе эффекта линии вытекающей волны у него в несколько раз меньшие энергопотребление и стоимость.

Сейсмомагнитометрическое СО “MILES”, впервые разработанное в США в середине 70-х гг. [2], модернизируется и применяется для охраны военных и особо важных объектов за рубежом. В ГУП “Дедал” (г. Дубна) в конце 90-х гг. было разработано комбинированное сейсмомагнитометрическое СО “Грезы-12-2” [3]. Однако ему свойственны недостатки, обусловленные в том числе не вполне удовлетворительными техническими характеристиками специализированного кабеля КТПЭДЭП, предназначенного для формирования чувствительного элемента СО. Поэтому разработка улучшенного комбинированного кабельного преобразователя (КП) сейсмических и магнитометрических сигналов является актуальной. Такой преобразователь при сохранении стоимостных параметров должен иметь:

• большую и более равномерную (по длине) сейсмочувствительность;
• большую технологичность;
• большую электромагнитную совместимость (помехоустойчивость);
• меньшую подверженность действию грызунов.

Разработка преобразователя имеет существенные технические трудности, главной из которых является обеспечение приемлемой и воспроизводимой сейсмочувствительности на основе трибоэффекта. Многочисленные работы в этой области не смогли выработать ни научной, ни даже феноменологической теории построения (оптимизации) распределенного трибопреобразователя. В известных источниках информации, в т.ч. патентах [4, 5], имеются многочисленные противоречия по этому вопросу. Поэтому при создании такого кабеля во многом приходится идти “на ощупь”, осуществляя пробные итерации по изготовлению многочисленных опытных образцов.

Трибоэлектрические кабельные преобразователи используются на воздухе, прикрепляясь к заграждению, регистрируя его вибрации под действием нарушителя (в вибрационных СО), а также в грунте, где они регистрируют сейсмические колебания, вызванные ходьбой нарушителя или проездом транспорта. Трибокабель, находящийся в грунте, испытывает полезные деформации на 2…3 порядка меньшие, чем на заграждении, поэтому и полезные сигналы чрезвычайно малы - в неблагоприятных природных условиях (например, замерзший грунт) их величина составляет (в пересчете на входной заряд) ~ 0,1 пКл и менее. Кроме того, как показывают эксперименты, сигналообразование в грунте существенно отличается от такового на заграждении, поэтому отработка вариантов сейсмического КП “на воздухе” не является вполне адекватной.

В кабельном преобразователе контактирующими и трущимися (при деформации) поверхностями являются металлический экран и полимер-изолятор, отделяющий экран от внутреннего (центрального) проводника, которые находятся в состоянии термодинамического равновесия. Вид их контакта наиболее адекватно можно определить, как скользящий, мультиточечный, реверсивный. Разработка эффективного трибопреобразователя наталкивается на ряд технических противоречий, в том числе по коэффициенту трения и свободе перемещения контактирующих поверхностей металл - изолятор, толщине оболочки и внешнему диаметру кабеля, наличию дополнительного экрана и др.

Известным и уже мало оспариваемым фактом является то, что трибоэффект, т.е. появление свободных электронов в металле или диэлектрике - полимере при их трении (скольжении, контакте), обусловлен в основном контактной электризацией [6 - 8]. Считается, что инжектированные в полимер электроны захватываются глубокими локальными состояниями (ловушками), лежащими вблизи уровня Ферми металла (~4 эВ) [9]. Такие ловушки обусловлены дефектами в структуре полимера, например примесями, а оксидирование поверхности полимера существенно увеличивает трибозаряд.

Чем выше разница работ выхода или контактная разность потенциалов (КРП) материалов, тем полезный сигнал - заряд Q пропорционально больше [8]. Наблюдается также прямая корреляция между величиной Q и плотностью поверхностных ловушек диэлектрика, площадью контакта S [6 - 8]. Другие наблюдаемые зависимости обусловлены множеством взаимосвязанных факторов (в т.ч. связанных с химической и атомной структурой полимера, например, акцепторно-донорными свойствами) и лежат в области теоретических моделей. С увеличением температуры КРП увеличивается, однако практически не обнаружено зависимости трибосигналов от температуры. Удельная проводимость поверхности не играет роли в трибоэлектризации, однако ускоряет рассеивание (деградацию) перенесенного заряда.

КРП зависит от состояния (загрязненности) поверхности: в металле это окислы, сульфаты, на изоляторе – различные масляные пленки, грязь, пыль; чем выше загрязненность поверхности, тем меньше трибозаряд. Присутствие воды, влажность резко снижают сигнал, в том числе за счет его “шунтирования” (для воды r ~10⁵…10⁶ Ом•м). В преобразователе, где контактирующими поверхностями является металлический экран (алюминиевый, луженый, медный) и полимер (полиэтилен, фторопласт, поливинилхлорид, лавсан), увеличение S обуславливает увеличение его диаметра. Микромеханические свойства контактирующих поверхностей (например, сила давления) влияют на переносимый заряд, необходимо некоторое минимальное давление [9], которое в реальном кабеле может не обеспечиваться.

Создание трибокабеля - “инверсный” случай по отношению к более часто встречающейся задаче создания кабеля связи с минимальным трибошумом [10]. Интересно заметить, что в том, и другом случае [4, 10] иногда используется так называемый полупроводящий полиэтилен (ППЭ) (r ~10¹⁵ Ом•м) с добавлением крошки графита, за счет чего он приобретает аномальные электрические свойства (r ~10⁵…10⁷ Ом•м). Механизм уменьшения трибошума (например, нанесением крошек графита) состоит в реализации полупроводящего электростатического экрана, “отводящего” свободные заряды. Механизм увеличения трибошума при помощи ППЭ не совсем понятен.

Однако использование ППЭ ограничивается существенным возрастанием погонной емкости кабеля С_п, которая негативно влияет на собственные шумы усилителя сигналов СО. Действительно, “классическая” погонная емкость (на 1 м) коаксиального кабеля равна [11]:

С_п  » 24•e/log (D/d), пФ/м,

где e - относительная диэлектрическая проницаемость (для ПЭ ~2,3), D - диаметр экрана, d - диаметр внутреннего проводника. Присутствие ППЭ между обкладками кабеля приводит к эффективному увеличению d, а значит, и погонной емкости.

Известен и широко используется в технике [12] “трибоэлектрический ряд” - последовательный перечень материалов, которые при трении электризуют друг друга, и чем дальше контактируемые материалы отстоят в этом ряду, тем трибозаряд больше. На рис.1 этот ряд представлен в приложении к компонентам, используемым в кабельной промышленности, стрелками показано направление возрастания работы выхода или способности приобретать свободные электроны, заряжаясь отрицательно. Минимальный трибоэффект свойственен паре материалов, стоящих рядом в трибоэлектрическом ряду (например, алюминий - бумага).

Рис. 1. Трибоэлектрический ряд материалов кабельной промышленности

Как видно из рис.1, наилучшими трибоэлектрическими качествами по отношению к металлам обладает фторопласт, однако он относительно дорогой и жесткий. Полиэтилен (ПЭ) – дешевый и широко применимый, но, например, неконтролируемое смешение различных его марок (например, типа 153-01К и 107-02К) сводит к минимуму заряд, возникающий при его контакте с медью. Преимущество меди или алюминия для изготовления “трибоэкрана” в литературе освещается противоречиво ввиду их различной микроструктуры (сетка или фольга), влияния окисления; в целом если и есть различие, то оно несущественно [12]. Алюминиевая фольга при изготовлении практически сразу окисляется, при этом ее работа выхода увеличивается (с 4,3 эВ до 5,4 эВ) и КРП, в общем случае, тоже. Отожженная медь, используемая для изготовления экранов, не изменяет своих физических свойств в течение 5…10 лет, если кабель не поврежден. Исследования величины трибоэффекта в медных кабелях в зависимости от даты выпуска (например, ПВЧС, РК, КММ) не выявили какой-либо устойчивой корреляции [7].

Хорошими трибоэлектрическими качествами обладает лавсановая пленка, которая используется в кабеле ТППэп. По сравнению с ПЭ, лавсан имеет на порядок большую плотность поверхностных ловушек (~ 10¹⁵ эВ^-1м^-2). Перспективными материалами для КП являются также нейлон с низкой работой выхода (4,1 эВ) и милар. Максимальная плотность поверхностного заряда, образующегося на поверхности контактирующих поверхностей, ограничена величиной, достаточной для электрического коронного пробоя: Е_пр » 30 кВ/см. При этом поверхностная плотность заряда ограничена значением

s_пр = e₀Е_пр = 2,7•10^-9 Кл/м².

Используемый для оболочки термостабилизированный ПЭ высокого давления - относительно твердый и негибкий, особенно при отрицательной температуре, в связи с этим перспективным видится применение термоэластопласта (ТЭП), в который можно внести реагенты, отпугивающие грызунов. Если все же оболочка кабеля нарушается и он “насасывает” влагу, экран (медь, алюминий) окисляется и трибоэффект уменьшается в 3…5 раз. Исследования трибоэффекта в медных экранах выявили пропорциональную зависимость его величины от насыщенности повива вплоть до некоторого значения, после которого происходит “насыщение” и эффект практически не увеличивается. По всей видимости, существует оптимум, связанный не только с площадью контакта, но с и обеспечением минимального трения и “перемежающегося” контакта. Продольный повив экрана (под углом ~45⁰ к оси кабеля) по сравнению с нахлестом при одинаковой насыщенности увеличивает трибоэффект в 1,5…1,7 раза, однако погонная емкость кабеля также увеличивается, но менее заметно (в ~ 1,2 раза).

Разработка эффективного кабельного трибопреобразователя по сути эвристична и основана на решении вышеописанных альтернативных технологических и композиционных частных задач, реализации комбинаций в виде опытных образцов, проверке их характеристик, анализе недостатков, выработке путей совершенствования. Например, как показывает практика, удачным сочетанием контактирующих поверхностей является алюминий - лавсан (кабель ТППэп), медь - ПЭ низкого давления (кабель ПВЧС), медь - каптон с пленкой милара [13].

Для того чтобы определять передаточную функцию W_КП кабельного преобразователя, равную отношению выходного заряда к табулированному механическому воздействию, может использоваться специальный испытательный стенд, показанный на рис. 2. Его особенностью является интегральное (на протяжении 2 м длины отрезка испытуемого КП) механическое воздействие - изгиб, которое по своей амплитуде (доли мм) приблизительно соответствует изгибу кабеля в грунте (~ 0,01…0,1 мм). С помощью малошумящего усилителя регистрируются полезные сигналы, осуществляется сравнение W_КП различных КП. Собственный шум усилителя, приведенный к входу, составляет ~ 10^-14 Кл (пик) в НЧ- диапазоне частот ~ 0,1…1 Гц, что позволяет оценивать полезный сигнал с амплитудой не менее 3•10^-14 пКл.

Рис. 2. Стенд для определения передаточной функции кабельного преобразователя

Отрезок кабеля длиной 2 м кладется в желоб между двумя сосновыми досками, которые затем по всей длине стягиваются резиновым жгутом. Масса Р груза, который прикладывается к рычагу длиной 70 см (рис. 2), составляет 0,1…1 кг; варьирование груза позволяет оценить линейность передаточной характеристики КП. Для лучшей повторяемости, чтобы исключить влияние “стуков”, груз устанавливается на стенд и регистрируются полезные сигналы от “снятия” груза. Начальный прогиб конструкции при этом не превышет долей мм, повторяемость (воспроизводимость) экспериментов - не менее 80%.

При контакте электроны из металла всегда переходят в полимер, который заряжается отрицательно, и заряд является “связанным”. При отрыве металла и полимера высвобождаемый заряд (в виде тока) протекает через цепь усилителя первоначально всегда в одном направлении. Это подтверждает одна и та же полярность полезных сигналов, регистрируемых на стенде, при одинаковых механических воздействиях.

В табл. 1 сведены выявленные технологические и конструкционные параметры, необходимые для реализации высокочувствительного кабельного сейсмического преобразователя.

Таблица 1. Требуемые технологические параметры трибоэлектрического КП с высокой чувствительностью

 Разработка нового улучшенного трибопреобразователя основана на реализации вышеописанных альтернатив (в технологии и конструкции) в виде опытных образцов, проверке их характеристик (в сравнении с КТПЭДЭП), анализе недостатков, выработке путей совершенствования. Изготовителем образцов специального кабеля является ЗАО “РусИнтерна” (г. Москва), имеющее опыт по разработке специальных кабелей (КТВ-мф, КТВУ), предназначенных для регистрации вибраций заграждений посредством трибоэффекта.

В результате предварительной работы согласно рекомендациям таблицы было изготовлено, испытано и проанализировано около 30 экспериментальных опытных образцов, из которых был отобран прототип нового сейсмомагнитометрического КП. Его конструкция в разрезе схематично изображена на рис. 3.

Рис. 3. Образец нового кабельного сейсмомагнитометрического преобразователя

Он представляет собой коаксиальный кабель с тремя экранами (2 рабочих, 1 электростатический) из алюмолавсановой ленты. Внешний диаметр кабеля ~ 17 мм, толщина изоляции 1,5 мм. Трибоэлектрический сигнал снимается с двух внутренних экранов. В центре преобразователя располагаются 20 скрученных изолированных проводников (диаметром по меди 0,5 мм), необходимых для реализации магнитометрического преобразователя. Внутренний рабочий экран окружает проводники, шлицованная оболочка окружает экран. На трубку нанесена лавсановая лента, являющаяся основной средой генерации трибоэлектричества. Далее следует второй экран (рабочий), слой изолятора из легко сминающегося вспененного ПЭ, внешний (электростатический) экран и оболочка из термоэластопласта. Трибосигналы снимаются с дренажных проводников.

Технические характеристики образца нового комбинированного кабельного преобразователя в целом удовлетворяют поставленным требованиям. Его натурные испытания показали высокую сейсмо-чувствительность, превосходящую аналог в 2…3 раза, при увеличении электромагнитной совместимости почти на порядок.

1. Звежинский С.С. Особенности периметровых магнитометрических средств обнаружения // Пенза: Современные технологии безопасности, № 2, 2002, с. 13 - 16; № 3, 2002, с. 15 - 17.
2. Allen R.L. et al. Buried line sensor evaluation for BISS // Proc. Carnahan Conf. on crime countermeasures. - Lexington: Univ. of Kentucky, 1974. - UKY BU105. - p. 9 - 21.
3. Звежинский С.С. Перспективы новых периметровых маскируемых магнитометрических средств обнаружения // Современные технологии безопасности, № 2, 2004, с. 12 - 14; № 3, 2004, с. 12 - 14.
4. Патент США № 4374299, 1983.
5. Патент США № 4598168, 1986.
6. Оленин Ю.А. и др. Исследование виброчувствительных элементов на основе трибоэлектрических кабелей // Материалы 5-й Всерос. науч.-техн. конф. “Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов”. Пенза - Заречный, 2004, с. 175 - 179.
7. Пигарев В.И. Контактно-электризуемые средства обнаружения в комплексах систем охранной сигнализации. Обнинск: ЦИПК, 1986, с. 65.
8. Davis D.K. Charge generation on electrification surfaces// J.Phys.D., Ser.2, 2, 1969. - p. 1533 - 1537.
9. Wasem J.V. et al. Transient current generation during wear of high density polyethylene by a stainless steel stylus // Surface Dynamics Lab., Washington SU, Pullman, WA 99164-2814.
10. Патент США № 5477011, 1995.
11. www.thermax-cdt.com
12. Surface resistivity and triboelectrification. Fowler Associations Inc., 2000, p.1 - 14.
13. Патент Великобритании № 2084774, 1982.

Статья опубликована на сайте: 01.06.2007