Герконы имеют подвижные звенья малой массы, уменьшающие их инерционные свойства, что обеспечивает достаточно высокое быстродействие.

Свойства герконов.

Рассмотрим сновные процессы, происходящие в герконах при замыкании и размыкании пружин. Движение пружин геркона, приводящее к их замыканию и размыканию, осуществляется в результате

взаимодействия двух сил: магнитной и упругой. Преобладание магнитной силы приводит к замыканию геркона, а упругой к его размыканию.

Сила магнитного притяжения Fm зависит от длины участка перекрытия пружин а и их ширины b (см. Рис. 9в) и определяется величиной магнитного потока Фз в зазоре между пружинами по закону Максвелла:

Общий магнитный поток (Ф) складывается из потока в зазоре (Фз) и потока рассеяния (Фр), проходящего от одной пружины к другой вне зазора.

От длины пружины l, если она значительно больше участка перекрытия а, сила притяжения не зависит. Рассмотренные элементы магнитоуправляемых контактов составляют магнитную цепь МК. Магнитной цепью

называют совокупность тел, внутри которых проходят замкнутые линии магнитной индукции. В нашем случае это

постоянный магнит;

токовводы;

контакты;

воздушные зазоры между контактами и между полюсами постоянного магнита и токовводами. Использование законов магнитной цепи облегчает понимание принципа работы геркона. Для неразветв-

ленной магнитной цепи справедливо выражение:

где Em – магнитодвижущая сила, Rm – магнитное сопротивление цепи.

Из данного выражения следует, что увеличение магнитного сопротивления цепи приводит к уменьшению магнитного потока в зазоре и как следствие к размыканию контактов геркона. В рассматриваемой магнитной цепи наибольшее магнитное сопротивление вносят воздушные зазоры. Поэтому увеличение воздушного зазора между полюсами магнита и токовводами приводит к размыканию контактов геркона. Наличие рядом с герконом других магнитных цепей с малым магнитным сопротивлением может привести к созданию параллельных геркону участков магнитной цепи и ответвлению магнитного потока в этот участок цепи. В результате возрастет магнитный поток рассеяния, что приведет к уменьшению силы притяжения между контактами. Уменьшить поток рассеяния можно путем увеличения магнитного сопротивления окружающей среды, например, используя вблизи геркона диамагнитные материалы.

Таким образом, замыкание контактов геркона определяется величиной магнитного потока в зазоре, который формируется постоянным магнитом и зависит от конфигурации и параметров магнитной цепи.

Упругая сила направлена противоположно силе магнитного притяжения, выражается формулой:

F S(X x) , (3)

где Х - длина зазора между концами недеформированных пружин;

x - длина рабочего зазора между пружинами при их деформировании в процессе срабатывания;

S - жесткость пружин определяется модулем упругости E материала, из которого они изготовлены.

2.4.4 Инфракрасные извещатели

Любое устройство обнаружения принимает решение о нахождении на объекте нарушителя по изменению каких-либо физических характеристик или параметров охраняемого объекта. В случае пассивных инфракрасных извещателей таким параметром является скорость изменения потока инфракрасного (ИК) излучения из контролируемой зоны в направлении извещателя.

Известно, что тела с температурой выше абсолютного нуля (т.е. абсолютно все!) являются источниками теплового излучения. Тепловое излучение – это электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии. Тепловое излучение имеет сплошной спектр, охватывающий электро-

магнитные волны с длиной волны от 0 до . Положение максимума этого спектра зависит от температуры вещества. С ее повышением возрастает общая энергия испускаемого теплового излучения, а максимум перемещается в область меньших длин волн. Сказанное относится и к человеку, различные участки тела которого имеют температуру около 25…36оС.

29

Согласно закону смещения Вина, связь между температурой тела и длиной волны, соответствующей максимальному значению излучательной способности абсолютно черного тела, определяется формулой

макс T

где T – абсолютная температура в K; – длина волны в мкм.

В инфракрасном диапазоне тело человека по своей излучательной способности приближается к абсолютно черному телу, поэтому мы можем воспользоваться приведенным выражением. При температуре поверхности тела человека 25о С длина волны, соответствующая максимальному значению излучательной способности, равна примерно 10 мкм.

Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела, то есть зависимость излучательной способности от длины волны при различных температурах, изображено на Рис. 10.

= 0,76 мкм (красный). Только этот интервал значений оказывает непосредственное воздействие на наш глаз и является собственно светом. Однако и более короткие ультрафиолетовые лучи ( < 0,4 мкм) и более длинные

инфракрасные (100мкм> >0,76 мкм) имеют качественно одну и ту же электромагнитную природу и отличаются лишь методами их возбуждения и обнаружения. За инфракрасным диапазоном располагаются радиоволновой.

Из графиков видно, что при температуре тела ниже 500K излучается практически только инфракрасная энергия. Здесь плотность излучаемой энергии в максимуме в десятки тысяч раз больше чем в видимой области.

Следует обратить внимание на то, что нагретое до высокой температуры тело достаточно интенсивно излу-

чает и в инфракрасном диапазоне, что может приводить к ложным срабатываниям или саботажу инфракрасных извещателей. Так из рисунка видно, что мощность излучаемая 1 см2 тела нагретого до 2000 К (1727оС) на длине волны

= 10 мкм в 100 раз превышает аналогичную мощность для тела нагретого до 310 К (37оС). Поэтому более нагретое тело при одинаковой энергии излучения в ИК диапазоне может иметь существенно меньшие размеры.

Наряду с тем, что тела способны испускать электромагнитные волны они могут отражать или поглощать падающие на них излучения других тел.

Тело, которое абсолютно не поглощает излучение и полностью отражает все падающие на него лучи называется абсолютно белым телом. Наблюдаемый цвет такого тела полностью определяется спектральным составом освещающего его излучения.

Тело, полностью поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным телом. При освещении такого тела посторонним источником света оно не будет ничего отражать и представится нам черным.

Тело, поглощательная способность которого меньше абсолютно черного тела, но одинакова для всех длин волн, называется серым телом.

Реальные тела занимают промежуточное положение.

Важное значение для анализа окружающей обстановки имеет закон Кирхгофа. Этот закон гласит, что отношение лучеиспускательной и поглощательной способности для любых тел при одинаковой их температуре и для одной и той же длины волны одинаково и не зависит от природы этих тел. Из этого закона вытекает весьма важное утверждение. Излучение, которое тело сильнее поглощает, сильнее и испускается им. Для реальных тел, излучательная способность которых сильно различается даже при одинаковой температуре и зависит от многих факторов (вещества, из которого оно изготовлено; качества поверхности и др.) это означает, что они могут поразному излучать при одинаковой температуре и иметь близкие спектры при разной температуре.

Обобщенная структура пассивного ИК извещателя.

Пассивный ИК извещатель должен регистрировать изменение инфракрасного излучения при появлении на объекте нарушителя. В то же время он не должен реагировать на изменения такого же излучения, вызванного изменением температурного фона в течение суток или включением/выключением отопительных приборов, то есть должен быть помехоустойчивым. Обобщенная структурная схема такого извещателя изображена на Рис. 11.

Всостав пассивного ИК-извещателя входят:

пироэлектрический приемник (ПЭП), преобразующий ИК-излучение в электрический сигнал;

30

оптическая система (ОС), фокусирующая на пироэлектрическом приемнике ИК-излучение от определенной части объекта;

схема обработки сигнала с пироэлектрического приемника (СОС);

исполнительный элемент (ИЭ), обеспечивающий подключение детектора в шлейф сигнализации, то есть

ленный алгоритм анализа выходного сигнала ПЭП и принятие решения о наличии или отсутствии движения на объекте.

В случае принятия решения о движении, то есть о проникновении на объект, активизируется исполнительный элемент. Последний обычно представляет собой реле с контактами, включаемыми в шлейф сигнализации.

Пироэлектрический приемник. Принцип работы и конструкция

Приемник пассивного ИК извещателя должен реагировать на тепловое излучение с длиной волны ~10 мкм, что не может быть обеспечено неохлаждаемыми фотоприемниками ни на внутреннем, ни на внешнем фотоэффектах. В этом смысле пироэлектрический приемник является уникальным элементом, идеально подходящим для данного применения.

Пироэлектрический приемник служит для преобразования инфракрасного излучения в электрический сигнал. Его чувствительный элемент изготавливается из пироэлектрического материала.

Пироэлектрики – кристаллические диэлектрики, на поверхности которых при изменении температуры возникают электрические заряды. Появление электрических зарядов связано с изменением спонтанной поляризации диэелктрика.

Поляризация среды это процесс, в результате которого физический объект (атом, молекула, твердое тело и

др.) приобретает электрический дипольный момент P . Электрический дипольный момент диэлектрика (поляризованность диэлектрика) это электрический момент единицы объема диэлектрика. Он равен векторной сумме электрических моментов всех "молекул", заключенных в единице объема. Дело в том, что неполяризованный диэлектрик можно представить в виде собрания "молекул", в каждой из которых равные положительные и отри-

тельного заряда будет равно количеству отрицательного, но на одном из концов диэлектрика возникнет тонкий слой с некомпенсированным поло-

жительным зарядом, а на другом появиться некомпенсированный отрицательный заряд, т.е. возникнут поляризационные заряды. При поляризации диэлектрика каждая его молекула превращается в электрический диполь и, следовательно, приобретает определенный электрический момент, равный

где: q – заряд диполя, l – вектор смещения зарядов диполя.

Спонтанная поляризация это поляризация, существующая в кристаллах в отсутствие внешних воздействий, например, электрического поля или механических напряжений. Спонтанная поляризация может существовать только при достаточно низкой симметрии кристалла.

31

Наблюдать спонтанную поляризацию обычно невозможно вследствие компенсации поляризационных зарядов из-за проводимости кристалла, а также в результате оседания ионов из воздуха. Спонтанная поляризация может проявляться, например, при нагревании кристалла. В этом случае вследствие теплового расширения изменяется расположение ионов в элементарной ячейке, а, следовательно, изменяется ее дипольный момент и поляризованность кристалла. Это изменение и проявляется как возникновение поляризационных зарядов на гранях кристалла. Такое явление получило название пироэлектрического эффекта.

Иметь зависящую от температуры спонтанную поляризацию. т.е. быть пироэлектриками, могут лишь кристаллы, в которых есть полярное направление, вдоль которого располагается вектор спонтанной поляризации

P0 . Таким полярным направлением обладают кристаллы только 10 точечных групп симметрии. Многие свойства

пироэлектриков обусловлены тем, что с явлением поляризации кроме пироэлектрического эффекта связан пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный).

Пьезоэлектрики это вещества, в которых при определенных упругих деформациях (напряжениях) возникает электрическая поляризация даже в отсутствие электрического поля (прямой пьезоэффект). Пьезоэффекты наблюдаются только в кристаллах не имеющих центра симметрии. Поэтому пьезоэлектрики принадлежат к 20 точечным группам симметрии, в число которых входит 10 точечных групп симметрии, к которым относятся пироэлектрики. В пироэлектрических кристаллах пьезоэффект проявляется в изменении величины спонтанной поляризации при механической деформации. Таким образом, все пироэлектрики обладают свойствами пьезоэлектриков, но не все пьезоэлектрики обладают пироэлектрическими свойствами.

Чувствительный элемент пироэлектрического приемника излучения представляет собой плоскопараллельную пластину, на грани которой нанесены электроды перпендикулярно к полярному направлению P0 . Такая

конструкция напоминает конденсатор, между обкладками которого находится пироэлектрик. При изменении температуры пироэлектрической пластины на ее гранях возникает связанный заряд, создающий электрическое поле. В результате между гранями возникает разность потенциалов, величина которой определяется значением электроемкости пироэлектрической пластины C.

где Q – связанный заряд.

Возникшее электрическое поле индуцирует на электродах заряды противоположного знака. При этом во внешней цепи должен протекать ток до тех пор, пока индуцированный заряд не компенсирует связанный заряд.

Измеряют обычно пироэлектрический ток I, протекающий между электро-

дами пироэлемента по внешней цепи при непрерывном изменении температуры образца T. Если температура образца будет постоянна, то ток протекать не будет. Для согласования пироэлектрического приемника, имеющего большое сопротивление, с последующими каскадами тракта обработки сигнала используются высокоомный резистор и полевой транзистор с малыми токами утечки. Емкость пироэлемента и высокоомное сопротивление затвора полевого транзистора об-

разуют RC-цепочку с постоянной времени около 1 с.

Таким образом пироэлектрический приемник представляет собой подложку на которой располагается пироэлектрический чувствительный элемент, высокоомное сопротивление и полевой транзистор (см. Рис. 13). Пироэлектрический приемник размещают в корпусе с окном, которое одновременно является фильтром. Полоса пропускания фильтра определяется назначением пироэлектрического приемника.

Формирование диаграммы направленности и выходного сигнала пассивного ИК извещателя

Пироэлектрический приемник реагирует на изменение интенсивности ИК излучения на чувствительных элементах. Для формирования изменяющегося ИК излучения при наличии в зоне обнаружения движущихся объектов с температурой отличной от температуры окружающей среды используется оптическая система. Ее принцип действия поясняет упрощенная схема, приведенная на Рис. 14.

Как видно из рисунка, оптическая система, состоит из набора собирающих линз направляющих излучение на чувствительные элементы пироэлектрического приемника. Согласно правилам построения изображений в геометрической оптике, изображение объекта, удаленного от линзы на расстояние превышающее двойное фокусное, располагается в фокальной плоскости. Пусть мы имеем два чувствительных элемента, поверхности которых находятся в фокальной плоскости. Края чувствительных элементов образуют области пирамидальной формы с вершиной в оптическом центе линзы (чувствительные зоны пассивного ИК-извещателя). Объекты, находящиеся

32

в этих областях дадут изображения на чувствительных элементах пироэлектрического приемника (Рис. 14). Изображения предметов, расположенных за пределами этих областей, не попадут на чувствительные элементы пироэлектрического приемника. Таким образом, в такой системе каждая линза формирует две элементарные чувствительные зоны, свою для каждого чувствительного элемента.

Рис. 14

Размер чувствительной зоны определяется фокусным расстоянием линзы и размером чувствительного элемента. Расстояние между чувствительными элементами определяет размер области между чувствительными зонами (области нечувствительности). Освещенность изображения определяется размером линзы. Для создания системы элементарных чувствительных зон необходимо на главной плоскости расположить несколько линз. Положение оптических центров линз будет определять направление соответствующих элементарных чувствительных зон.

2.5.Приемо-контрольное оборудование

2.5.1.Приемно-контрольные приборы

Приемно-контрольный прибор (ПКП) - техническое средство сигнализации, предназначенное для приема сигналов от извещателей (шлейфов сигнализации), преобразования этих сигналов, выдачи извещений для непосредственного восприятия их человеком, дальнейшей передачи извещений и включения оповещателей, а в некоторых случаях для электропитания извещателей.

Обобщенная блок схема ПКП с подключенными к нему внешними цепями приведена на Рис. 15. Базовым элементом любой системы сигнализации является шлейф сигнализации (ШС), который представ-

ляет собой электрическую цепь, соединяющую выходные цепи извещателей, содержащую вспомогательные (выносные) элементы (диоды, конденсаторы, резисторы), соединительные провода и предназначенную для передачи на ПКП сигналов о проникновении (пожаре), попытке проникновения.

В зависимости от количества шлейфов, состояние которых может анализировать ПКП, их разделяют на одношлейфовые и многошлейфовые.

Взятию на охрану любого шлейфа предшествует подготовка охраняемых им помещений. Она заключается в закрытии всех строительных конструкций, которые должны быть закрыты, удаления всех людей из охраняемых помещений и т.д. Если оборудование исправно, все подготовительные действия были выполнены полностью и правильно ПКП в состоянии "взять его под охрану". Переход ПКП в дежурный режим (режим "норма") характеризуется включением соответствующего сигнального реле. Световая сигнализация включена постоянно, звуковая - выключена.

При срабатывании любого извещателя в шлейфе, соответствующий сигнал приходит на узел контроля состояния ШС, который, как правило, анализирует длительность поступившего сигнала. Пройдя через узел контроля состояния ШС, сигнал поступает на узел памяти (где запоминается) и узел обработки сигнала. Последний пе-

33