Материал: Груба - Системы охранной сигнализации (2012) 10mb

тва. На практике используются кварц и отдельные виды пьезокерамики – титанат бария, титанат свинца, цирконат свинца. Разместив пьезоэлектрический элемент между двумя металлическими обкладками наподобие керамического конденсатора, и приложив силу F, получим на обкладках заряд Q (рис. 2.2.6а), величина которого пропорциональна силе, то есть Q = dF, где d – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом пьезочувствительности или пьезоэлектрическим модулем.

Сила F наводит заряд только в момент приложения.

Рис. 2.2.6 Пьезоэлектрический ЧЭ

Затем он стекает и рассасывается. Новая порция заряда возникнет при новом изменении воздействующей силы, причем знак заряда меняется при изменении направления силы. Пьезоэлемент позволяет измерять различные физические величины: силу, смещение, ускорение, давление. Но он реагирует только на переменные воздействия. Постоянная сила не производит заряда непрерывно, и сигнал будет нулевым после стекания порции заряда, наведенной в момент воздействия силы.

Величина d для кварца составляет d = 2,31 пКл/Н, для пьезокерамики – d = 40…220 пКл/Н. Значение d может быть увеличено в N раз за счет использования N-слойной структуры (рис. 2.2.6б).

Эквивалентная схема пьезоэлектрического ЧЭ содержит источник заряда Q, емкость C и сопротивление R (рис. 2.2.6в). Емкость C складывается из емкости ЧЭ (5…1000 пФ), емкости соединительного кабеля (около 100 пФ/м) и входной емкости измерительного каскада. Сопротивление R – сопротивление параллельно соединенных ЧЭ (100 ГОм), изоляции кабеля (100 ГОм×м) и измерительной цепи (1 ГОм).

Величина емкости C имеет важное значение, так как очевидно, что от нее зависит чувствительность в единицах напряжения U / F = Q / (FC) = d / C. Например, для кварца и типового значения C = 1000 пФ чувствительность составит U / F = 2,31 мВ/Н. Вместе с ростом значения C чувствительность

падает, но расширяется частотный диапазон сигналов (f > 1 / (2πRC)), поэтому значения C = 1000 пФ и R = 1 ГОм обеспечивают компромисс высокого уровня чувствительности (порядка 1 мВ/Н) и широкого диапазона частот (f > 0,1 Гц).

Измерение силы пьезодатчиком имеет специфические особенности:

—высокий уровень наводок на большом входном сопротивлении; входные цепи необходимо экранировать;

—возрастание утечек при повышении влажности; все высокоомные цепи (сопротивлением более нескольких мегаом) необходимо защищать лаком от воздействия влаги; элементы в этих цепях следует устанавливать на плату через изолирующие (предпочтительно тефлоновые) стойки (рис. 2.2.6г);

—соединительный кабель между ЧЭ и первым каскадом усиления при деформации меняет ем-

кость и генерирует собственный заряд; необходимо либо применять специальные кабели, либо располагать первый каскад усиления в непосредственной

близости от ЧЭ;

— пьезокерамические ЧЭ подвержены изменению собственной емкости в результате внешних воздействий и старения; для минимизации

погрешностей необходимо, чтобы входная емкость усилителя была стабильной и в несколько раз превосходила емкость ЧЭ;

— ОУ первого каскада должен иметь большое входное сопротивление, то есть иметь на входе полевые транзисторы; например, можно использовать К140УД8, К1409УД1, К544УД1, OP-42, AD743, AD744, AD745, TL072, TL082.

В первом каскаде для согласования с высоким выходным сопротивлением пьезодатчика используются два типа усилителей: усилители напряжения (рис. 2.2.7) и усилители заряда (рис. 2.2.8).

Усилитель напряжения отличается непосредственным подсоединением пьезоэлемента к прямому входу ОУ DA1 (рис. 2.2.7а). Формируемый ЧЭ заряд преобразуется в напряжение U = dF / C, где C = CПЬЕЗО + C1, CПЬЕЗО – собственная емкость пьезодатчика BQ1 (для кварцевых датчиков CПЬЕЗО = 5…50 пФ, для керамических – до 1000 пФ). Напряжение на BQ1 обратно пропорционально емкости C. Исключив из схемы элемент

Рис. 2.2.7 Усилители напряжения

Рис. 2.2.8 Усилители заряда

C1, мы повысим чувствительность, но столкнемся с проблемой сильной зависимости чувствительности от CПЬЕЗО. Поэтому в случае стабильности CПЬЕЗО (для некоторых типов пьезокерамики) можно обойтись без C1, а в случае нестабильности (для кварца и ряда типов керамики) необходимо устанавливать конденсатор со стабильной емкостью C1 = 100…1000 пФ. Элемент R2 нужен для стекания заряда с конденсатора C1. Без него конденсатор будет заряжаться токами утечки ОУ и через несколько часов без видимых причин может прозвучать сигнал тревоги. Значение R2 не должно превосходить 1 ГОм. С другой стороны, оно не должно быть менее 10 МОм, так как постоянная времени менее R2C = (10 МОм) × (1000 пФ) = 0,01 с станет слишком мала и заряд будет стекать быстрее, чем он успевает генерироваться. Напряжение на ЧЭ BQ1 усиливается ОУ DA1 в (1 + R3 / R1) = 100 раз. При установке в качестве BQ1 двухслойного кварцевого пьезоэлемента (так называемого биморфа) полная чувствительность схемы (рис. 2.2.7а) составит UВЫХ / F = d × (1 + R3 / R1) / C1 = 4,62×10–12×100/10–9 = 0,46 В/Н. Чтобы зафиксировать изменение силы в 10 Н (1 кГ), достаточно установить на выходе схемы двухпороговый компаратор, сравнивающий UВЫХ с порогами ±4,6 В.

Если собственная емкость датчика BQ1 CПЬЕЗО не превышает нескольких сотен пикофарад, полезно балансировать схему усилителя напряжения (рис. 2.2.7б) элементами R2 и C2. Условие балансировки R2 = R3, C2 = C1 + CПЬЕЗО, R1 << R3, R4 << R3. Балансировка позволяет уменьшить смещения и снизить уровень шумов.

Введение емкостной обратной связи (рис. 2.2.7в) способствует стабилизации параметров усилителя напряжения. Коэффициент усиления, как и прежде, равен (1 + R3 / R4).

Вусилителе заряда (рис. 2.2.8а) ЧЭ подсоединяется

кинверсному входу ОУ DA1. БО на основе зарядового усилителя требует большего количества ОУ, но отличается лучшей стабильностью параметров. Каскад на элементах DA1, C1, R1, R2 преобразует заряд в напряжение. Его чувствительность равна k = 1 / C1. Она меняется в пределах от 0,1 до 10 мВ/пКл для C1 = (10…0,1) нФ. Для получения того же значения полной чувствительности UВЫХ / F = 0,462 В/Н, что и для схемы, приведенной на рис. 2.2.7а, необходим дополнительный каскад усиления на DA2 (рис. 2.2.8а) с усилением (1 + R5 / R3) = 100, после которого можно установить К и РТ.

Если емкости конденсатора и ЧЭ в цепи усилителя заряда не превышают нескольких сотен пикофарад, желательно сбалансировать входы DA1 с помощью элементов R1, C1 (рис. 2.2.8б). Условия балансировки

R1 = (R2 × RПЬЕЗО) / (R2 + RПЬЕЗО) ≈ R2, C1 = C2 + CПЬЕЗО. Балансировка расширяет диапазон рабочих температур и снижает уровень шумов.

Преимуществом использования пьезоэлементов в тензометрических СО является повышенная стойкость к внешним воздействиям, благодаря монолитной конструкции ЧЭ, широкий диапазон контролируемых значений силы в пределах от нескольких грамм до сотен тонн, а также простота констукции.

С помощью тензометрических СО можно обнаруживать все, что оказывает механическое воздействие на окружающие предметы, то есть любой материальный объект. Сила веса человека составляет не менее 500 Н, а длительность контакта – не менее 0,2…0,5 с. Основные виды помеховых воздействий имеют либо меньшую силу (птицы, мелкие животные, падение случайных предметов, ветер, дождь), либо более короткую продолжительность (удар). Тензометрические СО отличаются большим отношением сигнал/шум (более нескольких десятков), а следовательно, – высокой помехоустойчивостью, и узкой ЗО, ограниченной областью непосредственного контакта с ОО.

Сфера применения тензометрических СО обширна. Она охватывает как охрану отдельных предметов – ювелирных изделий на витринах, фолиантов на стеллажах, картин, шкафов, сейфов, – так и обнаружение открывания дверей, окон, решеток. В первом случае чувствительные датчики устанавливаются непосредственно под охраняемый предмет или под тросики, на которых он висит, и срабатывают при попытке снятия предмета. Во втором – в створки или петли наподобие электроконтактных кнопочных переключателей – и срабатывают при попытке их открывания. Также тензометрические СО могут быть установлены в любом месте маршрута нарушителя – под половицу, под ступеньку лестницы, под коврик, под подоконник или под натянутый тонкий тросик. Они не имеют ограничений на использование внутри помещений или на улице.

Промышленно изготавливаемые тензометрические СО преднаначены для охраны либо отдельных предметов (до нескольких десятков штук), либо участков ограждения. Регулировка порога чувствительности в диапазоне 1…1000 Н позволяет фиксировать смещение предметов различного веса в разных условиях. При напряжении питания 10…30 В потребляемый ток лежит в пределах 2…15 мА. Диапазон рабочих температур – – 40…+60°С. Средняя стоимость СО в расчете на один охраняемый предмет составляет 600…1500 рублей.

Тензометрические СО отличает ряд достоинств:

—большое отношение сигнал/помеха (внутри помещений – более ста), которое определяет высокие значения вероятности обнаружения и наработки на ложную тревогу;

—простота алгоритма и внутреннего устройства СО; простоте, как и положено, сопутствуют низкая стоимость и высокая повторяемость;

—высокая надежность и стабильность характеристик;

—маскируемость; тензометрические СО не только визуально незаметны, но и являются пассивными СО и не производят каких-либо излучений в окружающее пространство;

—простота монтажа и обслуживания.

Основной недостаток тензометрических СО – сложность автоматической проверки работоспособности, которая вообще характерна для пассивных СО. Поэтому тензометрические СО требуют периодической проверки путем непосредственного воздействия на ЧЭ.

ЧЭ протяженного датчика давления (ПДД) не вступает в непосредственный контакт с ОО. Он представляет собой эластичный резиновый шланг, наполненный незамерзающей жидкостью. Жидкость – это обычный автомобильный тосол. Шланг закапывается в грунт на глубину 0,2…0,3 м и воспринимает давление, возникающее в грунте под действием веса человека. Длина шланга достигает 100 метров. ПДД хорошо работает при плюсовых температурах, но после промерзания грунта теряет чувствительность.

Протяженный датчик давления часто носит другие названия: шланговое СО, инфранизкочастотное (ИНЧ) сейсмическое СО, гидравлическое СО, шланговый датчик давления, гидравлический датчик, гидравлический подземный сенсор, подземный манометрический периметральный извещатель, низкочастотное сейсмическое СО, барометрический датчик, балансный датчик давления. Смысл всех названий практически очевиден, хотя их обилие и вносит определенные трудности в понимании.

ПДД является пассивным СО, так что при аккуратном закапывании его наличие практически ничем не проявляется. После появления первых всходов травы даже хозяин с трудом укажет место его установки. ПДД

– это линейное внешнее СО. Его работе не мешает травяной покров или нетолстый слой асфальта.

Оценим значения полезных и помеховых воздействий, исходя из физической модели обнаружения. Представим землю в виде полупространства, на границу которого действует сосредоточенная сила F под прямым углом к поверхности (рис. 2.3.1а). Тогда распределение механических напряжений в различных точках грунта определяется по формулам Буссинеска. Точные их выражения весьма громоздки, но приближенно можно считать, что давление равно p = 3Fcos3ϕ / (2πR2), где F – это вес человека, R – расстояние от точки приложения силы F до точки измерения давления, ϕ – угол между линией приложения силы и направлением на точку измерения. Сомножитель cos3ϕ равен 1 для угла ϕ = 0, с увеличением угла он резко убывает, становясь равным cos3ϕ = 0,5 уже при cosϕ = 0,79 или ϕ = 0,65 рад = 37 градусов. Можно сказать, что зона эффективного восприятия давления представляет собой конус с вершиной в точке приложения силы и с углом при вершине около 80°. С точки зрения шланга ЗЧ укладывается в те же 80°, направленные от него вверх к поверхности земли. Закопав шланг на большую глубину (метра два), можно было бы рассчитывать на возможность регистрации нескольких шагов человека, вот только величина сигнала обратно пропорциональна квадрату расстояния. Поэтому приходится располагать ЧЭ максимально близко к поверхности земли, но не настолько, чтобы его можно было просто перешагнуть (рис. 2.3.1б). Обозначим ширину ЗЧ за l. В наихудшем случае, когда точки воздействия каждой из ног наиболее удалены от шланга, величина l будет равна максимальной длине шага lШ минус минимальная длина ступни lСТ. При быстром

шаге оценка l составит l = lШ – lСТ = 0,8 м – 0,25 м = 0,55 м. Тогда оптимальная глубина установки шланга h = l / (2tg40°) = 0,3 м. При большей глубине уменьшается величина сигнала, при меньшей появляется возможность случайного перешагивания через ЧЭ. Тонкий слой асфальта способствует равномерноиу распределению нагрузки по большей поверхности, в этом случае глубину установки можно несколько уменьшить.

Рис. 2.3.1 Физическая модель ПДД

На открытой местности, без деревьев и естественных препятствий, человек может бежать, тогда длина шага превысит ожидаемые 0,8 м. В этом случае появляется вероятность случайного перепрыгивания одного шланга (рис. 2.3.1б). Поэтому необходимо увеличить ширину ЗЧ, установив второй шланг параллельно первому (рис. 2.3.1в). Очевидно, что расстояние между шлангами должно составлять те же l + lСТ = 0,8 м при глубине их размещения 0,3 м. Тогда ширина ЗО двухшлангового СО удваивается и достигает примерно 1,6 м.

На практике лучше взять не два, а четыре шланга, включив их по дифференциальной схеме: к каждому шлангу, идущему налево, следует подключить такой же, идущий направо, а посередине установить датчик разности давлений, что позволит избавиться от медленных естественных флуктуаций, вызванных ветром, намоканием почвы, изменениями температуры или атмосферного давления.

Формула Буссинеска позволяет оценивать величины полезных и помеховых воздействий в единицах давления. В наихудшем случае F = 500 Н, h = 0,3 м, ϕ = 40°. Тогда R = h / cosϕ = 0,4 м, а давление p = 3Fcos3ϕ / (2πR2) = 670 Па. Максимальное измеряемое давление (тяжелый человек, F = 2000 Н, ϕ = 0°, h = R = 0,3 м) может достигать p = 3Fcos3ϕ / (2πR2) =10 кПа. Максимальное воздействующее давление (грузовой автомобиль, F = 100000 Н, ϕ = 0°, h = R = 0,3 м) может составить 500 кПа – ЧЭ должен выдерживать такое давление, сохраняя работоспособность.

Основное помеховое воздействие на ПДД – ветровые нагрузки на окружающие предметы. Если в непосредственной близости от шланга находится среднее дерево с площадью кроны около S = 10 м2, то во время значительного порыва ветра со скоростью v = 10 м/с сила ветровой нагрузки составит примерно F = ρv2S = 1,3×100×10 = 1300 Н (ρ – плотность воздуха, равная 1,3 кг/м3). Сила сравнима по величине с весом ОО, поэтому избавиться от помехового воздействия возможно, лишь удалив его от ЧЭ. Чтобы величина воздействия от дерева не превышала p = 100 Па, оно должно

быть удалено от шлангов на расстояние не менее R = (3F / (2πp))1/2 = 2,5 м.

Уровень шума ПДД можно оценить величиной ветровой нагрузки, действующей непосредственно на поверхность земли. В случае равномерного воздействия на оба шланга ветровая нагрузка компенсируется, благодаря их дифференциальной схеме включения. Однако наличие порывов ветра, меняющего свое направление, и естественных преград в различных местах на пути ветра приводит к неоднородности воздействия на каждый из шлангов. Данный вид помехи создает непрерывный шум и от него невозможно избавиться никакими ухищрениями. При средней скорости ветра v = 3,9 м/с (для средней полосы России) давление ветра на грунт или препятствия не превосходит p = ρv2, то есть p < 1,3×3,9×3,9 = 20 Па. Отношение сигнал/шум в среднем составляет 600/20 = 30.

Еще одним серьезным источником помех являются транспортные средства. Благодаря большой массе, они производят высокое давление внутри грунта и его сильные колебания. Волны сжатия и растяжения распространяются на значительные расстояния, но производят на ЧЭ не такое сильное действие, как статическое давление. Отстройке от помех данного вида способствует неглубокое расположение ЧЭ, так как статическое давление плохо передается вдоль поверхности земли.

В системе СИ единицей измерения давления является паскаль (Па), равный 1 Па = 1 Н/м2. Кроме нее, можно встретить множество других внесистемных единиц: атмосфера (атм), бар и миллибар (мбар), миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.), миллиметр водяного столба (мм вод.ст.), дина на квадратный сантиметр (дин/см2), фунт на квадратный дюйм (psi), дюйм ртутного столба (InHg). Перевести любую внесистемную единицу в паскали поможет таблица 2.3.1. В ней же приведены диапазоны измеряемых давлений, требуемые для использования в составе ПДД. Пользуясь таб-

Таблица 2.3.1 Единицы измерения давления

лицей, легко подобрать из множества датчиков давления те, которые можно применять в шланговом СО. Знак ± отмечает тот факт, что давление может повышаться на указанную величину в любом из двух шлангов, подсоединенных к одному датчику давления, а сам датчик должен быть дифференциального типа, то есть сигнал на его выходе пропорционален разности давлений в левом и правом шланге.

Промышленно изготавливаемых датчиков давления очень много. Ограничиваясь требуемым диапазоном измерения и дифференциальным типом, можно подобрать ряд наиболее подходящих (таблица 2.3.2). Все приведенные датчики являются аналоговыми, то есть их выходное напряжение пропорционально измеряемому давлению. В таблице введены следующие обозначения: p0 – максимальное рабочее давление, U0 – соответствующее ему выходное напряжение датчика, UПИТ – напряжение питания, TРАБ – диапазон рабочих температур, pПРЕД – предельно допустимое давление. Перечень датчиков далеко не полный, но позволяет выделить основные показатели и их значения. Измерение дифференциальных давлений в диапазоне 1…10 кПа возможно с помощью готовых датчиков, хотя их цена достаточно высока. Почти все датчики изготавливаются на основе тензорезисторов, регистрирующих изгиб мембраны, воспринимающей разность давлений. Датчик без усилителя выдает электрический сигнал непосредственно с диагонали моста, тогда его выходное напряжение составляет порядка десятков милливольт. Датчик с усилителем формирует сигнал порядка единиц вольт. Наличие встроенного усилителя удорожает преобразователь. Датчик измерения давления жидкости отличается от датчика измерения давления воздуха тем, что измерительная мембрана защищена в нем от контакта с жидкостью дополнительной металлической или пластиковой диафрагмой. Гидроизоляция ЧЭ повышает его стоимость до 60…90 у.е. Большая стоимость датчиков связана с тем, что они предназначены для измерения давления с малой погрешностью. Конструкции с использованием тензорезисторов отличаются высокой надежностью, средняя наработка датчика на отказ составляет 2×106 часов.

Не все датчики выдерживают большие перегрузки давления, поэтому в конструкцию СО необходимо вводить гидравлический клапан, защищающий ЧЭ от разрушения или необратимых деформаций (рис. 2.3.2). Сила пружины FПРУЖ подбирается таким образом, чтобы противостоять невысоким значениям давления до достижения предельного для используемого датчика:

Таблица 2.3.2 Дифференциальные датчики давления