реферат. Реферат классификация датчиков охранной сигнализации по курсу Технические измерения и приборы
 Скачать 160.71 Kb.
|
|
Министерство образования и науки Российской Федерации Санкт-Петербургский Политехнический университет Петра Великого Институт компьютерных наук и технологий Высшая школа киберфизических систем и управления РЕФЕРАТ КЛАССИФИКАЦИЯ ДАТЧИКОВ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ по курсу «Технические измерения и приборы» студент гр. 23543/1 Курочкин Д. Ю. преподаватель к.т.н., доцент Логинов А. Л. Санкт-Петербург 2018 Содержание Введение . . . . . . . . . . . 3 1. История охранной сигнализации . . . . . . 4 2. Классификация датчиков охранной сигнализации . . . . 5 2.1. Контактные датчики . . . . . . . . 5 2.2. Датчики движения . . . . . . . . 6 2.3. Акустические датчики . . . . . . . 6 2.4. Вибрационные датчики . . . . . . . 7 2.5. Тепловые датчики . . . . . . . . 8 2.6. Дымовые датчики . . . . . . . . 9 2.7. Прочие типы . . . . . . . . . 10 3. Датчики движения . . . . . . . . . 11 3.1. Инфракрасные . . . . . . . . . 11 3.2. Ультразвуковые . . . . . . . . . 12 3.3. Микроволновые . . . . . . . . . 13 Заключение . . . . . . . . . . 14 Введение Для охраны объектов различного назначения от несанкционированного проникновения используются системы сигнализации. Охранная система состоит из центрального устройства, которое получает информацию с датчиков, срабатывающих от внешних факторов. Датчики охранной сигнализации могут реагировать на звук, движение, вибрацию, температуру или разрыв электрической цепи. В пожарной сигнализации применяются устройства, реагирующие на температуру и дым. Датчики охранной сигнализации достаточно разнообразны, поэтому в ходе проектирования системы важно правильно соотнести их возможности с требованиями к защите в конкретных условиях. Датчики классифицируются по различным признакам:
Принцип действия любого охранного датчика извещателя заключается в регистрации определенного воздействия на него или охраняемую конструкцию и формировании электрического сигнала. Воздействия эти могут быть самыми различными и в зависимости от их характера различают рассматриваемые ниже типы.
Началом развития современных электронных систем охранной сигнализации послужило изобретение электрического звонка в начале 19ого века. Такая сигнализация представляла собой систему электрических проводов, которые в случае, например, открытия дверей или разбивания стекла могли либо замкнуться, либо разомкнуться. Охранная сигнализация срабатывала – звенел звонок. Если охранная сигнализация была связана телефонным проводом с полицейским участком, она отправляла по телефонному кабелю сигнал тревоги. В 1853 году охранная сигнализация была запатентована преподобным Августом Расселом Поупом из Сомервилла, штат Массачусетс. Этот блок работал от батареи и требовал индивидуального блока для каждого окна или двери. Несколько лет спустя Эдвин Холмс купил патент у Папы Римского. Холмсу приписывают фактически производство устройства, которое было доступно для покупки. Люди скептически относились к использованию электричества для сигнализации, поэтому бизнес не пошел хорошо. Это было до тех пор пока Холмс не начал продавать свой продукт в Нью-Йорке. Он построил сеть сигнализаций, которые контролировались центральной станцией. Следующий импульс для развития электронные системы охранной сигнализации получили с изобретением фотоэлемента в 1888 году русским учёным Столетовым. Охранная сигнализация значительно усовершенствовалась, ведь для прерывания цепи стало достаточно перекрыть источник света, падающий на него. Эта охранная сигнализация использовала так называемые светолучевые сигнализаторы – на фотоэлемент падал источник, луч света, который являлся «воздушным» охранным проводом, нарушение, прерывание которого приводило к срабатыванию охранной сигнализации. В 1905 году американская Телефонно-Телеграфная компания купила бизнес Холмса. Они начали связывать систему с системами экстренного вызова, чтобы предупредить полицию и пожарных о чрезвычайных ситуациях. Изобретение же полупроводников и другие изобретения в физике и электротехнике, произошедшие в середине 20ого века, привели к тому, что охранная сигнализация стала такой, какой мы её знаем. Световые лучи и фотоэлементы стали замещаться объемными ультразвуковыми датчиками, затем микроволновыми, а впоследствии инфракрасными.
Наличие большого количества видов охранных извещателей определяется их достаточно узкой специализацией. Универсального датчика не существует, поэтому в той или иной ситуации применяются наиболее подходящие для конкретных условий устройства. Во многом это касается принципа их действия. Как правило, любой объект оснащается датчиками нескольких видов так, чтобы они дублировали друг друга. По принципу срабатывания датчики охранной сигнализации разделяются на следующие группы:
Контактные датчики обеспечивают простой и надежный контроль положения окон, дверей, шлагбаумов, кран-балок и других подвижных частей устройств. Они не имеют электронной схемы и не нуждаются в электропитании. Принцип действия основан на размыкании электрической цепи. Простейшая конструкция представляет собой микровыключатель, который устанавливается на дверной косяк таким образом, чтобы при закрытой двери контакт выключателя был замкнут. При открывании двери контакт размыкается, что фиксируется приёмно-контрольным прибором. Более современные датчики состоят из двух элементов: герметичного магнитоуправляемого контакта (геркона) и постоянного магнита. Такие датчики начали применять после запуска герконов в серийное производство в 40-х годах 20ого века. Магнитоуправляемый контакт устанавливается на неподвижной части, а магнит (задающее устройство) монтируется на дверное полотно или оконную створку (см. рис. 1).  Рис. 1 Принцип действия магнитоконтактного датчика При нахождении этих двух частей в непосредственной близости друг от друга контакты замкнуты или разомкнуты (первый вариант используется гораздо чаще). При удалении магнита от геркона на определенное расстояние (порядка 10-20 мм) происходит размыкание электрической цепи. Герконы бывают сухие и смоченные. В первом случае они находятся в инертном газе (чаще всего азоте), во втором контакты смочены ртутью для предотвращения дребезга. Среди охранных датчиков, магнитноконтактный извещатель является самым надежным, дешевым, простым и долговечным устройством. Недостатком является дребезг контактов, но это преодолевается включением фильтров. Также такие датчики реагируют на сильные внешние магнитные поля, проблема решается их экранированием.
Ключевым устройством в системах охранной сигнализации является датчик движения. Это приспособление, которое различными способами определяет появление объекта на контролируемой территории. Датчики движения работают на разных физических принципах и по принципу обнаружения бывают следующих типов:
Более подробно о видах датчиков движения в разделе 3.
Оконные проемы, витрины, остекленные стены являются наиболее уязвимыми зонами в охранном периметре помещения. Поэтому для обнаружения несанкционированного проникновения через стекло используются звуковые извещатели охранной сигнализации. Из всех детекторов, реагирующих на разбитие стекла: электроконтактные, ударно контактные, пьезоэлектрические, звуковые извещатели наиболее надежные. В них используются современные сложные алгоритмы реагирования на внешние помехи, которые практически исключают ложное срабатывание. Алгоритм работы современных охранных акустических извещателей следующий:
Практически во всех моделях в качестве чувствительного элемента применяется конденсаторный электретный микрофон с интегрированным предусилителем на основе полевых транзисторов. Такие устройства имеют незначительное потребление энергии, компактные размеры и низкую стоимость. Их частотные характеристики полностью перекрывают звуковой диапазон, необходимый для определения разбития стекла: 30 Гц – 18 кГц. Фильтры устройства разделяют диапазон чувствительности на высокочастотную и низкочастотную области. Такое разделение оправдано, так как датчик будет реагировать на низкочастотную ударную и высокочастотную звуковую волны. Сигнал тревоги прозвучит, когда превышение пороговых значений покажут оба параметра. Согласно исследованиям, высокочастотная составляющая в звуковом спектре бьющегося стекла составляет 5-6 кГц, а низкочастотная 200 Гц.
В системах безопасности при охране периметра или контроля целостности стен помещений, дверей, сейфов используется вибрационный извещатель. Основная задача такого датчика – обнаружение вибраций и выдача тревожного сообщения, если они будут похожи на колебания, возникающие при попытках взлома или разрушения охраняемого объекта. По принципу действия сенсора вибрационные датчики делятся на:
Оптические вибрационные датчики охранной сигнализации работают на базе эффекта Доплера. Устройство имеет лазерный излучатель и приемник. Луч направляется на охраняемый объект, а отраженный сигнал воспринимается приемником. При возникновении колебаний изменяется длина волны принимаемого излучения, что фиксируется устройством. Подвидом оптических вибрационных извещателей являются оптоволоконные кабели. Они прокладываются вдоль протяженных охраняемых участков длиной до 2 км. Луч, проходящий внутри стеклянной сердцевины, реагирует на любые вибрации, что изменяет показания сигнала на выходе. Пьезоэлектрический чувствительный элемент датчика реагирует на деформацию. Он закреплен на упругих растяжках. При возникновении вибраций пьезоэлектрический преобразователь вырабатывает электрический ток, пропорциональный колебаниям. Он обрабатывается управляющим блоком, и при превышении пороговых значений подается сигнал тревоги. Пьезоэлектрические датчики используются для защиты сейфов, банковских хранилищ и других помещений требующих особой охраны. Их применяют и для предупреждения актов вандализма, устанавливая на витринах, окнах, телефонных шкафах, банкоматах. Трибоэлектрические вибрационные датчики используют способность кабеля вырабатывать электроток при трении провода и оболочки друг об друга. Деформация сенсора за счет вибрации или прикосновения вызывает выработку электрического тока, что фиксируется модулем обработки информации. Такие извещатели применяются как вибрационные средства обнаружения для охраны периметра любых объектов: это могут быть ограждающие сооружения аэродромов, электростанций, водозаборов, колоний и прочих организаций с ограниченным доступом.
Тепловые и дымовые извещатели относятся к категории противопожарных датчиков. Тепловые датчики могут использовать метод формирования выходного сигнала, позволяющий реагировать не только на увеличение абсолютного значения температуры выше максимально установленного порога, но и на превышение скорости нарастания ее предельного значения. Поэтому в соответствии с характером реакции на изменение контролируемого признака они подразделяются на:
Максимальные тепловые извещатели фиксируют наличие первичного признака пожара по превышению порога, заданного в абсолютной величине: конкретное значение температуры окружающего воздуха, давления и т. п. Для большинства максимальных тепловых извещателей порог срабатывания составляет 70...72°С. Дифференциальные извещатели реагируют на превышение порога по скорости изменения контролируемого признака. Максимально-дифференциальные датчики реагируют на превышение порога как по абсолютной величине, так и по скорости изменения контролируемого признака. Дифференциальные и максимально-дифференциальные датчики более эффективны, поскольку они способны обеспечить выдачу тревожного сигнала на более ранней стадии развития пожара при условии наличия быстрого повышения температуры.
Дымовые извещатели срабатывают на химический состав, величину, объем и быстроту перемещения аэрозольных частиц, образующихся в ходе возгорания. На дымовые пожарные датчики в значительной степени оказывают влияние воздушные потоки на подконтрольной территории. К самым результативным дымовым извещателям на сегодняшний день относятся:
Оптоэлектронные извещатели разработаны на основе использования отношения размеров частиц, из которых состоит дым, к длине волны света, падающего на эти частицы. Контролируя оптические свойства среды, дым можно обнаружить двумя способами: по ослаблению первичного светового потока (за счет уменьшения прозрачности окружающей среды) и по интенсивности отраженного светового потока частицами, из которых состоит дым. Самым распространенным и массовым типом дымового извещателя является точечный оптико-электронный извещатель, который использует оптический эффект рассеяния инфракрасного излучения на частицах дыма. Внутри дымовой камеры под углом друг к другу расположены ИК излучатель (светодиод) и фотоприемник, принимающий ИК сигнал, отраженный от частиц дыма. После проникновения частиц дыма в специальный оптический отсек начинается рассеяние инфракрасного излучения. Его определенная часть считывается фотоприемником. При отклонении от заданной нормы частоты излучения в сторону увеличения активируется оповещение о возникновении тревоги. Радиоизотопные дымовые извещатели основаны на изменении электрических параметров радиоизотопной камеры под действием частиц дыма. Эта камера является чувствительным элементом дымового извещателя и определяет его основные характеристики. Камера содержит источник радиоактивного излучения со сверхнизким уровнем излучения, ниже фонового значения. Обычно в качестве источника используется изотоп америция-241. За счет ионизации молекул воздуха и наличия электрического поля в дымовой камере обеспечивается направленный поток заряженных частиц (электрический ток). Попадание частиц дыма внутрь приводит к уменьшению величины тока, что и фиксируется схемой обработки.
В многофункциональных системах сигнализации могут так же применяться следующие виды датчиков:
Чувствительным сенсором в датчике протечки воды являются две металлические полоски, подключенные к входу специальной микросхемы. Обычно датчик устанавливается на полу в местах возможного протекания воды. При появлении влаги электрическое сопротивление между электродами изменяется, и триггер микросхемы разрывает электрическую цепь. Пожарные извещатели пламени являются средствами обнаружения электромагнитного излучения пламени или тлеющего очага пожара. Пламя сопровождается процессом возникновения электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, который в зависимости от длины волны подразделяется на ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный. Излучение очага пожара в зависимости от температуры и вида химической реакции имеет различный спектральный состав. Чувствительный элемент извещателя пламени представляет собой преобразователь электромагнитного излучения в электрический сигнал и реагирует на излучение пламени в одном или нескольких диапазонах волн. Датчик утечки бытового газа может включаться в приёмно-контрольный прибор, но вместе с тем некоторые типы датчиков являются универсальным устройством и оборудованы встроенной сиреной. Чувствительный сенсор такого датчика реагирует на 20% превышение содержания в воздухе бытового газа. Датчики наклона часто объединяются с вибрационным датчиком. Они реагируют на отклонение от вертикали на угол, превышающий 5°С, и обычно используются в банкоматах и терминалах оплаты.
ИК-датчики движения используют активные и пассивные виды сенсоров. Пассивный инфракрасный детектор движения представляет собой электронное устройство, реагирующее на перемещение физического объекта с температурой выше температуры окружающей среды. В основе конструкции инфракрасного датчика лежат PIR (Passive InfraRed) сенсор (пироприемник), предназначенный для распознавания инфракрасного излучения, и мультилинза, состоящая из множества линз Френеля. Они фокусируют тепловое излучение и делят зону обнаружения на несколько зон-лучей. Такая конфигурация зоны называется «веер». Излучения соседних участков примерно одинаковы. Роль сенсора в ИК-датчике играет пироэлектрический преобразователь на чувствительных полупроводниковых элементах. Когда ИК-свет поражает кристалл, он генерирует электрический заряд. Пироприемник состоит из двух сенсоров. На каждый из них от двух соседних лучей поступает поток излучения. При нарушении этого баланса, прибор извещает контрольную панель о нарушении зоны охраны (см. рис. 2).  Рис. 2 Принцип действия пассивного ИК-датчика Ясно, что чем больше сегментов содержит мультилинза, тем чувствительней будет работать датчик, поскольку каждая микролинза работает со своим сегментом, охватывая собственную часть объема рабочего пространства, и при перемещении объекта внутри этого сегмента срабатывания не произойдет. Зачастую применяются сдвоенные или даже счетверенные пироэлементы, это делается для более точного срабатывания устройства, исключая незначительные световые помехи, вызываемые сменой температуры фона. Блок обработки датчика использует для анализа амплитуду, форму и длительность выходного сигнала пироэлектрического преобразователя. Воздействие нарушителя вызывает симметричный двухполярный сигнал. Помехи выдают несимметричные значения на обрабатывающий модуль. В простейшем варианте сравнивается амплитуда сигнала с определенным пороговым значением. В более сложных датчиках измеряется длительность превышения порога, количество этих превышений. Для повышения помехозащищенности прибора используется автоматическая термокомпенсация. Она обеспечивает постоянную чувствительность во всем диапазоне температур. Активные инфракрасные датчики состоят из передатчика излучения и приёмного устройства и относятся к категории активных потайных линейных датчиков. Такие виды датчиков охранной сигнализации чаще всего используются при блокировке периметра. В качестве передатчики используется инфракрасный лазер, который вырабатывает невидимый луч, непрерывно попадающий на приёмный блок (см. рис. 3).  Рис. 3 Принцип действия активного ИК-датчика Как правило, используются несколько передатчиков и приемников, позволяющих сформировать систему со множественными лучами инфракрасного света, причем лучи расположены обычно так, чтобы образовывалась вертикальная инфракрасная решетка.
Ультразвуковые датчики движения работают как звуковой локатор – сонар. Генератор устройства вырабатывает звуковые волны в диапазоне от 20 до 60 кГц. Они отражаются от различных предметов и возвращается на приёмный элемент датчика. Если зону излучения пересекает движущийся объект, то частота отражённого от него сигнала, в соответствии с эффектом Доплера, будет отличаться от частоты излучаемого сигнала. Амплитуда и диапазон сдвига частот зависят от размера движущегося объекта, скорости его перемещения и направления перемещения. Такие датчики инертны к ИК тепловому излучению приборов, бытовым и промышленным звукам. К достоинствам ультразвуковых датчиков можно отнести низкую чувствительность к негативному воздействию окружающей среды. Они легко переносят высокую запыленность и влажность, резкие перепады температур. Приборы эффективно определяют движущийся объект самого разного происхождения: как живое существо, так и механизм. Есть у ультразвуковых устройств и недостатки. Например, недостаточная чувствительность: устройство не сработает, если объект будет двигаться медленно и плавно. Датчик лучше всего реагирует на резкие движения.
Микроволновые или СВЧ-детекторы движения, работают на аналогичном принципе (эффект Доплера), только вместо ультразвука, встроенный генератор датчика вырабатывает сверхвысокочастотное излучение с частотой порядка 4-12 ГГц. Собственно, устройство можно считать миниатюрной радиолокационной станцией. Во всем остальном микроволновый детектор аналогичен ультразвуковому. Микроволновые внутренние датчики перемещения в подавляющем большинстве случаев устанавливаются в моностатической конфигурации, т. е. для передачи и приема сигналов используется одна и та же антенна. Зона обнаружения имеет удлиненную каплеобразную форму, параметры которой определяются конструкцией антенны. Антенна, как правило, представляет собой микроволновый рупорный облучатель, в некоторых случаях используются также плоские печатные платы или фазированные антенные решетки. Однопозиционные микроволновые датчики могут быть селекционированы по дальности. Селекция по дальности — метод электронной калибровки датчика, позволяющей принимать только те отраженные сигналы, которые поступают в течение определенного заданного периода времени. Отраженные сигналы, поступающие до или после заданного периода времени, игнорируются. Микроволновые детекторы способны эффективно работать даже в том случае, если они закрыты тонким ограждением из непроводящих материалов. Также на работу оборудования не влияют условия окружающей среды. Из недостатков стоит отметить, что высокая чувствительность способна провоцировать ложные срабатывания, когда устройство реагирует на движущийся объект, находящийся за пределами зоны ответственности. Мощные датчики с большим радиусом действия испускают излучение, которое может быть опасным для животных и человека, поэтому рядом с ними постоянно находиться крайне нежелательно. Заключение Для охраны объектов различного назначения от несанкционированного проникновения используются системы сигнализации. Охранная система состоит из центрального устройства, которое получает информацию с датчиков, срабатывающих от внешних факторов. Датчики охранной сигнализации могут реагировать на звук, движение, вибрацию, температуру или разрыв электрической цепи. В пожарной сигнализации применяются устройства, реагирующие на температуру и дым. Датчики охранной сигнализации достаточно разнообразны, поэтому в ходе проектирования системы важно правильно соотнести их возможности с требованиями к защите в конкретных условиях. |