литература / Sharapov_V._Datchiki

Глава 23. Датчики охранной сигнализации

Рис. 23.4. Схема блока передачи информации по телефонной линии

23.2.Типы датчиков, применяемых в системах охранной сигнализации

Классификация датчиков, применяемых в охранной сигнализации, представлена на рис. 23.5.

По физическому принципу действия различают датчики:

—инфракрасные — обнаруживают тепловое излучение движущегося человеческого тела;

—ультразвуковые — излучают ультразвуковые колебания и принимают сигнал, отраженный от движущихся предметов;

—радиоволновые — излучают ультракоротковолновые колебания и принимают сигнал, отраженный от движущихся объектов;

—акустические — формируют сигнал тревоги при регистрации в охраняемой зоне характерного звука;

—барометрические — формируют сигнал тревоги при скачкообразном падении атмосферного давления в охраняемом помещении;

Глава 23. Датчики охранной сигнализации

—инерционные — формируют сигнал тревоги с использованием инерционных свойств предметов;

—сейсмические — формируют сигнал тревоги в случае регистрации в конструкции характерных колебаний, которые возникают при разрушении известными инструментами;

—пьезоэлектрические — используют свойство возникновения разности потенциалов на противоположных гранях пьезокристалла при его деформации;

—электроконтактные — формируют сигнал тревоги при размыкании электрического контакта;

—магнитоконтактные — формируют сигнал тревоги при размыкании геркона вследствие удаления от него магнитного элемента;

—комбинированные — сочетают в себе два или более физических принципа действия (например, инфракрасный и акустический, инфракрасный и радиоволновой и т.д.).

По способу передачи данных различают:

—проводные датчики;

—беспроводные (радиоканальные) датчики.

По типу извещателя датчики делятся на:

—активные — являются источниками волн различной физической природы;

—пассивные — не являются источниками волн;

—комбинированные — сочетают в себе активный и пассивный способ ра-

боты.

По местам размещения датчики можно классифицировать на:

—периферийные — ведут наблюдение за внешней зоной (забор, ограда);

—периметрические — защищают стены, ставни, перегородки охраняемого владения;

—внутренние — применяются для наблюдения за определенными зонами внутри охраняемого объекта.

По типу обнаруживаемых тревожных событий существуют датчики:

—открывания — размыкают охранную цепь в случае вторжения через окно или дверь;

—разрушения — устанавливаются обычно на перегородках;

—движения и объемного слежения — используются для наблюдения за перемещениями в зонах; реагируют на присутствие и движение и эксплуатируются в замкнутых помещениях.

Следует более подробно сказать о некоторых типах датчиков, которые наиболее часто встречаются в составе охранных систем.

Датчики открывания

Задача датчиков открывания состоит в сообщении о попытках любого проникновения через дверь, окна, гаражные ворота, ставни и т.д. Данный тип датчиков чаще всего размещают на дверях охраняемых помещений или окнах (если наблюдение не обеспечивается каким-либо другим датчиком, например, активным инфракрасным датчиком движения).

Глава 23. Датчики охранной сигнализации

возникшие при этом, вызывают кратковременное размыкание электрического контакта. Недостатком данного типа датчиков является сложность их настройки на определенную частоту колебаний.

При использовании акустического датчика колебания воспринимаются микрофоном, сигнал усиливается и анализируется электронной схемой. Недостатком данного типа датчиков может являться сложность в настройке чувствительности микрофона; исключение кратковременных колебаний сигнала, обусловленных паразитными шумами, достигается с помощью установки специального фильтра.

Наиболее точным из описанных типов датчиков является пьезоэлектриче ский датчик. Он, в отличие от предыдущих, обладает высокой избирательностью, не реагируя на колебания низких частот, возникающие при ударе по стеклу (без разбития). Чаще всего данный тип датчиков реагирует на колебания разбиваемого стекла, частота колебаний которых находится в пределах

200кГц.

Вкачестве датчиков удара используются вибродатчики с шариками или дат чики с подвижным инерционным грузом [1]. В первом случае в состоянии покоя

электрический контакт постоянно замкнут, один или оба шарика свободно лежат на двух контактах (рис. 23.8). Под воздействием удара шарики отскакивают от контактов, размыкая цепь, что анализируется электронной схемой. Чувствительность датчика регулируется путем настройки его электронной схемы.

Вдатчиках с подвижным инерционным грузом внутри цилиндрического контакта, закрепленного на конце пружины, закреплен небольшой груз. Во время удара груз касается цилиндрического контакта, замыкая электрическую цепь.

Вкачестве датчиков воздействия на стены могут выступать сейсмические (пьезокерамические), кабельные и

датчики с ленточными проводниками (шлейфы).

Сейсмические датчики регистрируют вторжение через стену или другую перегородку с помощью специальных инструментов (термических или механических). В большинстве случаев датчики данного типа

жестко вмонтированы в стены помещений (или приклеены к стенке сейфа). При вторжении пьезокерамический приемник вследствие прямого пьезоэффекта вырабатывает сигнал с частотой в несколько килогерц, который обрабатывается электрической схемой.

Кабельные датчики применяются, в основном, для установки на внешних ограждениях (например, на заборе). При воздействии на проволочную решетку и нарушении ее целостности регистрируется изменение диэлектрической проницаемости коаксиального кабеля, который используется в качестве датчика.

Шлейфы представляют собой ленту из тонкой алюминиевой фольги. Она клеится на стену (стекло, дверь и т.д.). При разрушении основания, на которое она наклеена, лента рвется, и, как следствие, цепь протекания электрического тока разрывается. Для подключения к цепи охранной сигнализации лен-

23.2. Типы датчиков, применяемых в системах охранной сигнализации

та и проводник зажимаются в держателе, который клеится к тому же основанию, что и лента.

Датчики присутствия и движения

Это наиболее сложный тип датчиков, применяемых в системах охранных сигнализаций.

Назначение датчиков присутствия заключается в детектировании нахождения людей в контролируемой зоне, а датчиков движения — в регистрации перемещений нарушителей либо лиц, имеющих разрешение, в местах, где отсутствует защита дверей, окон и т.п.

Главным отличием датчиков присутствия и движения является то, что выходной сигнал датчика присутствия вырабатывается постоянно, независимо от движения постороннего объекта, а выходной сигнал датчика движения появляется только при перемещении объекта.

Присутствие человека можно определить по таким параметрам, как тепло его тела, вес, диэлектрическая проницаемость и т.д. Для определения наличия людей и их перемещений существуют следующие типы датчиков [10]:

—фотоэлектрические — реагируют на пересечение луча света движущимся объектом;

—лазерные — похожи на фотоэлектрические, но используют узкие световые лучи и систему отражателей;

—акустические — реагируют на звуки, которые сопровождают нарушителя;

—ультразвуковые — реагируют на ультразвуковые колебания, отраженные от объекта;

—микроволновые — реагируют на сверхвысокочастотные электромагнитные волны, отраженные от объекта;

—емкостные — детектируют изменение емкости под воздействием человеческого тела;

—инфракрасные — реагируют на тепловые волны, которые исходят от движущихся объектов;

—электроконтактные — вырабатывают электрический сигнал под воздействием веса человека;

—электростатические — определяют статические электрические заряды, которые переносятся движущимися объектами.

Приведенную выше классификацию следует считать приближенной, так как физические принципы действия некоторых датчиков очень похожи. Далее представлено краткое описание датчиков, наиболее часто используемых в системах охранной сигнализации.

Фотоэлектрические датчики позволяют контролировать одновременно несколько зон, расположенных в одной плоскости, например, окно и дверь, расположенные на одной стене. Конструктивно данный тип датчиков состоит из источника световых лучей и фотоприемника. Сигнал тревоги подается при прерывании светового луча, когда его пересекает движущийся объект. Главными недостатками данного типа датчиков являются их сравнительно большое энергопотребление и невозможность работы в оптически загрязненных помещениях (наличие пыли и т.д.).

Глава 23. Датчики охранной сигнализации

Ультразвуковые датчики состоят из модуля ультразвукового излучения и приемника. Частота излучаемого сигнала — 22—40 кГц [3]. Принцип работы этих датчиков основан на эффекте Доплера, который заключается в изменении частоты звукового сигнала при его отражении от движущегося объекта. Датчик подает сигнал тревоги при достижении определенного порога ослабления принимаемого сигнала. Степень ослабления задается электронной схемой. Радиус действия данного типа датчиков равен порядка 10—12 м.

Микроволновые датчики содержат размещенные в одном корпусе приемник и передатчик, настроенные на частоту примерно 10 ГГц, антенную систему, которая создает электромагнитное поле в окружающем пространстве и принимает отраженные сигналы, а также электронный блок обработки, способный выделить сигналы, обусловленные движущимся нарушителем, на фоне помех. Радиус действия микроволновых датчиков составляет десятки метров. Сигнал микроволнового датчика способен проникать через тонкие стены и стекло, что необходимо учитывать при настройке датчика во избежание ложных срабатываний.

Перемещение движущегося объекта приводит к появлению изменяющегося во времени отраженного сигнала. Различают два эффекта: изменение пространственной картины стоячих волн и частотный сдвиг отраженной от движущегося человека волны (эффект Доплера). Микроволновые датчики, реализующие первый эффект, называются амплитудно-модуляционными, а второй — доплеровскими [11].

Наибольшее распространение получили доплеровские микроволновые датчики, поскольку они имеют более высокую чувствительность. Доплеровский сдвиг частоты возникает при движении объекта вдоль луча, при этом частота отраженного сигнала возрастает (при приближении к датчику) или уменьшается (при удалении от датчика).

Для борьбы с помехами сети современные микроволновые датчики оснащаются режекторными фильтрами, которые исключают нежелательные гармоники сети. Гораздо труднее бороться с другими источниками помех (мелкие животные и птицы, установочная арматура включенных ламп дневного света, вибрация от работающего электрооборудования, потоки дождевой воды на стеклах; движение воды в пластиковых трубах и т.д.), вызывающими ложные срабатывания доплеровских микроволновых датчиков.

В настоящее время все большей популярностью пользуются инфракрасные датчики. Они бывают как активного, так и пассивного типа.

Инфракрасные датчики активного типа состоят из приемника и излучателя инфракрасного света, расположенных друг напротив друга в зоне прямой видимости. Принцип обнаружения инфракрасных датчиков активного типа основан на пересечении нарушителем инфракрасного луча, направленного от излучателя к приемнику, а в многолучевых — при перекрытии двух или более лучей.

Чаще в охранных системах встречаются инфракрасные датчики пассивного типа (оптико электронные), которые являются практически неотъемлемой частью охранных систем любого объекта. Для того чтобы нарушитель был обнаружен датчиком, необходимо выполнение некоторых условий [12]:

23.2.Типы датчиков, применяемых в системах охранной сигнализации

—нарушитель должен пересечь в поперечном направлении луч зоны чувствительности датчика;

—движение нарушителя должно происходить в определенном интервале скоростей;

—чувствительность датчика должна быть достаточной для регистрации разницы температур поверхности тела нарушителя (с учетом влияния его одежды) и фона (стены, пол).

Инфракрасные датчики отличаются между собой, в основном, формой зоны чувствительности и устойчивостью к ложным срабатываниям. Зона чувствительности инфракрасных датчиков для систем охранной сигнализации представляет собой сектор (90°—110°).

Инфракрасные пассивные датчики состоят из трех основных блоков:

—оптической системы, с помощью которой формируется диаграмма направленности датчика и определяются форма и вид его пространственной зоны чувствительности;

—пироприемника, функции которого заключаются в регистрации теплового излучения;

—блока обработки сигналов пироприемника, в котором выделяются сигналы, обусловленные движущимся человеком, на фоне естественных или искусственных помех.

Большинство инфракрасных датчиков пассивного типа построены с использованием линз Френеля, к достоинствам которых относится низкая себестоимость и простота конструкции.

Современные высокотехнологичные линзы Френеля по своим оптическим характеристикам практически не уступают зеркальной оптике.

Зеркальная оптика как единственный элемент оптической системы применяется достаточно редко. Ее преимуществом является возможность более точной фокусировки и, как следствие, увеличение чувствительности. Использование нескольких зеркал специальной формы позволяет обеспечить практически постоянную чувствительность по расстоянию (на 60 % выше по сравнению со стандартными линзами Френеля) [12].

Ввысококачественных инфракрасных датчиках используется комбинация линз Френеля и зеркальной оптики. При этом линзы Френеля используются для формирования зоны чувствительности на средних расстояниях, а зеркальная оптика — для формирования ближней зоны, расположенной непосредственно под местом установки датчика (антисаботажная зона), и для обеспечения очень большого расстояния обнаружения.

Винфракрасных датчиках обычно используются сдвоенные (дифференциальные, DUAL) или счетверенные (DOUBLE DUAL) пироэлементы. Это связано с тем, что одиночный пироэлемент одинаковым образом реагирует на любое изменение температуры независимо от того, чем оно вызвано, что приводит к повышению частоты ложных срабатываний. В дифференциальной схеме производится вычитание сигнала одного пироэлемента из другого, что позволяет существенно подавить помехи, связанные с изменением температуры фона, а также заметно снизить влияние световых и электромагнит-

Глава 23. Датчики охранной сигнализации

ных помех. Сигнал от движущегося человека возникает на выходе сдвоенного пироэлемента только при пересечении человеком луча зоны чувствительности.

Полезный сигнал на фоне помех выделяется путем анализа параметров сигнала на выходе пироприемника (величины, формы и длительности сигнала). Полезный сигнал от человека, который пересекает луч зоны чувствительности датчика, представляет собой практически симметричный двухполярный сигнал. Его длительность зависит от скорости перемещения человека, расстояния до датчика, ширины луча и может составлять приблизительно 0,02—10 с при регистрируемом диапазоне скоростей перемещения 0,1— 7 м/с.

Основным параметром, который анализируется всеми датчиками, является величина (уровень) сигнала. В простейших датчиках этот параметр является единственным, и его анализ производится путем сравнения сигнала с некоторым порогом, который и определяет чувствительность датчика и влияет на частоту ложных тревог.

В более сложных датчиках блок обработки анализирует двухполярность и симметрию формы сигналов с выхода дифференциального пироприемника.

Анализ длительности сигналов может проводиться как прямым методом измерения времени, в течение которого сигнал превышает некоторый порог, так и в частотной области путем фильтрации сигнала с выхода пироприемника.

На надежную работу инфракрасных датчиков также влияют температурные особенности окружающей среды. При снижении температуры окружающей среды (при внешнем расположении датчика) ниже ­20 °С его чувствительность резко снижается (более чем в 2 раза); а при температуре свыше +32 °С датчик практически не способен детектировать наличие человека.

Для устранения срабатываний инфракрасного датчика от мелких животных используются либо специальные линзы с зоной нечувствительности от уровня пола до высоты Ј 1 м, либо специальные методы обработки сигналов (датчики серии IP фирмы SENTROL, датчик MC-550T фирмы C&K) [13]. Следует учитывать, что специальная обработка сигналов позволяет игнорировать животных, если их вес не превышает 7—15 кг и они приближаются к датчику не ближе чем на 2 м.

Еще одним защитным элементом, которым оборудованы практически все современные датчики, является контактный датчик вскрытия, сигнализирующий о попытке открывания или взлома корпуса датчика. Реле датчиков вскрытия и маскирования подключаются к отдельному шлейфу охраны.

Изготовлением инфракрасных датчиков для систем охранной сигнализации занимается множество фирм. Ниже приведена информация о некоторых из них [12].

Фирма CROW Electronic Engineering Ltd. (Израиль) выпускает широкую номенклатуру относительно дешевых, но надежных и хорошо зарекомендовавших себя моделей датчиков. В конструкции этих датчиков используются высококачественные пылезащищенные сменные линзы, сдвоенные и счетверенные пироэлементы, обеспечивается высокая степень защиты от попадания прямого света, электромагнитного и радиочастотного излучения, предусмотрена автоматическая термокомпенсация.

23.2.Типы датчиков, применяемых в системах охранной сигнализации

ВGENIUS используется двойная оптика, имитирующая трехмерное стереовидение. Этот датчик позволяет игнорировать сигналы от мелких животных. D&D является аналогом GENIUS в уличном исполнении — в нем обеспечены влагозащита и адаптация к изменениям температуры, ветра и фонового шума.

Вдатчиках серии SRP применяется комбинированная оптика на линзах Френеля и зеркалах для защиты зоны непосредственно под датчиком. Датчики SRP-600 и SRP-700 могут комплектоваться линзами черного цвета для повышения защиты от засветки.

Фирма PYRONIX Ltd. (Великобритания) производит датчики, в которых используются запатентованные алгоритмы:

—IFT (независимые плавающие пороги) — порог срабатывания устанавливается на низком уровне внутри частотного диапазона полезного сигнала (0,6...10 Гц) и на более высоком уровне вне этого частотного диапазона;

—ISPP (алгоритм чередующихся знаков) — подсчет импульсов ведется только для сигналов с противоположной полярностью;

—ISGP3 (счетчик групповых последовательностей) — подсчитываются только группы импульсов, имеющих противоположную полярность, и состояние тревоги возникает при появлении трех таких групп в течение установленного времени.

Фирма SENTROL (США) выпускает продукцию не только под своей торговой маркой, но и под торговой маркой ARITECH Europe (последние имеют в своем названии префикс EV).

Серия AP (у ARITECH — EV-200, EV-600) использует прецизионную зеркальную оптику со сменными зеркальными масками. В датчиках AP950AM (EV-289) используется схема антимаскинга.

Серия датчиков Sharpshooter 6100 использует сменные линзы Френеля. Диапазон рабочих температур от ­40 °С до +50 °С. Имеются модификации в пылевлагозащитном исполнении, в том числе в высокопрочном алюминиевом корпусе. Допускается внутренняя и наружная установка. Рекомендуются производителем для любых применений — от школ до военных объектов.

В серии датчиков PI используется прецизионная оптика, реле вскрытия корпуса, улучшена помехозащищенность по свету, электромагнитным и радиопомехам, игнорируются мелкие животные на расстоянии более 1,9 м от датчика за счет цифровой обработки, присутствует динамическая самодиагностика (тестируются цепи обработки информации, канал обнаружения, включая пироэлемент).

Инфракрасные датчики российского производства представлены на рынке охранных сигнализаций серией «ФОТОН». В этих датчиках используются линзы Френеля и сдвоенные пироприемники.

Чтобы повысить эффективность детектирования и максимально исключить ложные срабатывания, были созданы комбинированные датчики.

Фирма PARADOX SECURITY SYSTEMS (Канада) выпускает комбинированные датчики (инфракрасные + микроволновые) серии VISION. В датчиках применяются сдвоенные или счетверенные пироприемники [11].