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

Наиболее сильные естественные изменения давления внутри замкнутых помещений связаны с изгибом оконных стекол под действием порывов ветра. Они лежат в том же диапазоне частот, что и полезные сигналы. Смещение стекла не превосходит нескольких миллиметров, а скорость смещения v < 3 мм / 1 с = 0,003 м/ с. Ей соответствует изменение давления не более Δp = ρcv = 1,3×330×0,003 = 1,3 Па, где ρ – плотность воздуха, ρ = 1,3 кг/м3, c – скорость звука, c = 330 м/с. В случае установки датчика в непосредственной близости от окна отношение сигнал/помеха не превысит 10/1,3 = 7. Установив датчик на удалении нескольких метров от окна, про его влияние можно просто забыть.

Чем же измерять давление? Как обычно, есть три варианта: приспособить какой-либо датчик другого назначения, изготовить ЧЭ самостоятельно или купить готовый датчик. Необходимо соблюсти три основных требования: сверхнизкий диапазон измеряемых давлений (в пределах до сотен паскалей или нескольких мм рт.ст.); регистрация медленных изменений давления; доступность снятия показаний в виде выходного электрического сигнала.

Начнем с простого. Прежде всего в голову приходит мысль о том, чтобы приспособить в качестве датчика обычный настольный барометр. Подсоединить к нему преобразователь смещения в электрический сигнал – и готово. Однако, сколько ни открывай дверь, стрелка барометра не шелохнется, даже если поднести его прямо к двери. И дело здесь не в низкой чувствительности, а в инерционности прибора. Смещение в десятые доли мм рт.ст. можно было бы заметить глазом, но барометр по своей конструкции (а она следует из назначения) регистрирует только медленные установившиеся изменения давления.

Другой вариант измерения скачков давления может быть основан на применении микрофонов или динамиков, включая последние как преобразователи колебаний воздуха в электрический сигнал. Громкоговоритель, благодаря большой площади диффузора, мог бы эффективно воспринимать акустические волны. Однако, главной проблемой здесь является его высокая собственная частота. Известно, что даже специальные низкочастотные динамики – сабвуферы – обладают собственной частотой 20…40 Гц. На меньших частотах эффективность резко падает, а ведь нас интересуют измерения на частотах ниже единиц герц.

То же самое относится и к динамическим микрофонам. Их конструкция препятствует попаданию в выходной электрический сигнал любых помеховых воздействий от ветра, дыхания, которые лежат ниже 20 Гц (а для звуковоспроизведения – это вредные сигналы). Несколько лучше обстоит дело с электретными микрофонами. В связи с их простотой и дешевизной никто всерьез не борется с низкочастотными помехами, возлагая их подавление на электронные фильтры в цепях усиления. Кроме того, легкая мембрана миниатюрного электретного микрофона весьма восприимчива к любым изменениям давления. Простейшие электретные микрофоны можно приспособить под цели измерения скачков давления, но только смирившись с большой

неопределенностью их чувствительности в нестандартном диапазоне частот до нескольких герц.

Следующий вариант получения датчика для барометрического СО – изготовить его самостоятельно. Данный путь требует тщательности, аккуратности и терпения. Датчик состоит из камеры, мембраны и дренажной трубки (рис. 2.9.1). Мембрана отделяет внутренний объем камеры от открытого воздуха, ее изгиб пропорционален разности давлений внутри и снаружи камеры. Дренажная трубка компенсирует медленные изменения атмосферного давления. Камера и трубка должны быть жесткими и герметичными, мембрана – тонкой и подвижной. Дренажная трубка имеет длину в несколько метров, и чтобы сделать ее компактной, необходимо свернуть ее в виде спирали. В случае естественных медленных изменений внешнего давления воздух через дренажную трубку поступает в камеру (или выходит из нее), давление в камере выравнивается с атмосферным, а положение мембраны не меняется. В случае быстрого изменения внешнего давления, сопровождающего открывание двери, давление внутри камеры останется неизменным, а мембрана изогнется внутрь или наружу в зависимости от знака изменения давления. Без дренажной трубки, когда камера полностью герметична, датчик будет неработоспособен, так как диапазон естественных изменений давления (60 мм рт.ст. = 8000 Па) значительно превосходит величину полезного воздействия (10…300 Па). Смещение мембраны пропорционально давлению, оно может быть измерено емкостным способом или с помощью тензорезисторов. Методы расчета мембранных датчиков – те же, что и описанные ранее для ПДД (п. 2.3).

Рис. 2.9.1 Барометрический датчик

Оценим длину дренажной трубки. Для этого воспользуемся соотношением для потока Q газа через круглую трубку длиной l, вызванного разностью давлений Δp на концах трубки: Q = πΔpd4 / 128ηl, где d – диаметр трубки, η – вязкость воздуха, η = 1,7×10–5 Па×с. Изменение давления воздуха вызывает изменение его объема в камере ΔV, которые связаны соотношением адиабаты Δp/p = γΔV/V = 1,4ΔV/V, где p – абсолютное значение давления, V – объем камеры. Если обозначить за T постоянную времени вытекания (или втекания) излишков объема воздуха из камеры, то ΔV/T = Q = πΔpd4 / 128ηl = 1,4πΔVpd4 / 128ηlV. При этом по мере вытекания воздуха разность давлений Δp падает. Постоянная времени выравнивания давлений T = 91ηlV / πpd4. Длина дренажной трубки l = πTpd4 / (91ηV). Для среднего значения давления p = 99000 Па получаем окончательно l = 2×108 × Td4 / V. Очевидно, что параметр T должен превышать максимальную длительность полезного сигнала, но должен быть меньше времени

Рис. 2.9.2 Барометрическое СО

ставляет 4 В / 5 мВ = 800. Усилительный каскад выполнен на ОУ DA1. Коэффициент усиления KУС = (R3 / R1) × (1 + R4 / R5) регулируется в требуемых пределах переменным резистором R4. Он позволяет установить нужную чувствительность в зависимости от размеров помещения, помеховой обстановки и желаемого уровня помехоустойчивости. Элементы C1, R1 отсекают постоянную составляющую сигнала. Фильтр верхних частот пропускает сигналы до частоты f = 1 / (2πR3C2) = 20 Гц.

Усиленный сигнал поступает с вывода 1 DA1 на двухпороговый компаратор на элементах DA2, DA3, R6, R7, R8, R9. Резистивный делитель R6…R9 задает два равнозначных порога: +4 В и –4 В. В дежурном режиме сигнал на выводе 1 DA1 флуктуирует вокруг нулевого уровня, не выходя за пределы коридора ±4 В; на выводах 6 DA2 и DA3 – сигнал –8 В; конденсатор C3 разряжен; на входе РТ – сигнал нулевого уровня. Если сигнал на выходе DA1 превысит +4 В, на выводе 6 DA2 будет сигнал высокого уровня, который через диод VD1 и резистор R11 заряжает конденсатор C3. То же самое происходит, если сигнал на выходе DA1 становится ниже –4 В, но через элементы DA3, VD2, R11. Постоянная времени зарядки конденсатора C3 выбрана таким образом, чтобы на вход РТ проходили только импульсыдлительностьюболее0,05 с.РезисторR10 служит для медленного саморазряда конденсатора C3 в дежурном режиме. После открывания двери положительный импульс на C3 инициирует срабатывание РТ.

Недостатком рассмотренного варианта является относительная дороговизна ЧЭ. С потерей качества можно заменить датчик давления электретным микрофоном. Широко распространенный микрофон Panasonic WM-034 обладает чувствительностью 60 мВ/Па в диапазоне частот 20…16000 Гц. Обычно чувствительность измеряется на частоте 1 кГц и почти не меняется до нижней границы диапазона. При дальнейшем уменьшении частоты чувствительность падает примерно на 6 дБ на октаву. Так что на частотах от десятых долей до единиц герца она имеет широкий разброс и составляет 0,3…30 мВ/Па. Для нормальной работы микрофона на него требуется подать напряжение 4,5…10 В при токе 0,8 мА. Близкими (и в такой же мере неопределенными

на пониженных частотах) характеристиками обладают и многие другие электретные микрофоны. Барометрическое СО на электретном микрофоне (рис. 2.9.3) имеет много общего с барометрическим СО на основе датчика давления (рис. 2.9.2). Частотный диапазон сигналов – тот же, уровень полезных сигналов – в среднем в 5 раз меньше (так как чувствительность 16 мВ/Па в 5 раз больше, чем среднее значение 3 мВ/Па), а уровень помех – в несколько раз выше. Поэтому параметры усилителя отличаются, а элементы К и РТ – те же, что и на рис. 2.9.2.

Рис. 2.9.3 Барометрическое СО на электретном микрофоне

Собрав схему и проведя начальную балансировку DA1, проверим уровни сигналов в контрольной точке КТ1 с помощью осциллографа. В небольшом помещении даже при минимальной чувствительности (R5 = 0) величина сигнала при открывании двери достигает напряжения питания 8 В. Длительность полезного сигнала зависит от скорости открывания, меняясь от 0,1 с для быстрого открывания до 0,5 с для медленного. Расстояние от двери до датчика слабо влияет на величину сигнала, оно проявляется только в помещениях большого объема. Угол открывания двери не влияет ни на амплитуду, ни на длительность сигнала. Меняя направление микрофона по отношению к открываемой двери, убеждаемся, что оно никак не проявляется в величине и форме полезного сигнала, то есть барометрический датчик действительно реагирует на изотропную волну давления воздуха. Уровень помех составляет 0,2…0,4 В (при R5 = 0), так что нет смысла делать дополнительную регулировку усиления более чем в 10…20 раз. Далее откроем форточку; помеховый сигнал возрастает, особенно в ветреную погоду, а полезный – уменьшается по мере приближения к форточке. Замена электретного микрофона на другую модель или даже на другой экземпляр той же модели может потребовать корректировки коэффициента усиления как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения. Высокий уровень помех электретного микрофона не позволяет сделать на его основе барометрическое СО для охраны значительных помещений (более 50 м3).

Барометрическое СО в среднем обладает следующими показателями: напряжение питания – 9…16 В; потребляемый ток – 15 мА; размер – 50 мм; масса – 100 г; диапазон рабочих температур – минус 30… плюс 70°C; максимальный объем помещения – 200…1000 м3; стоимость – 700…30000 рублей. Более высокая стоимость соответствует случаям применения высококачественных ЧЭ, сложных алгоритмов обработки, и как следствие – большим объемам помещения. Удельная стоимость (в расчете на единицу объема) барометрического СО составляет около 3…30 руб./ м3.

Основные достоинства барометрических СО:

—обширная ЗО, целиком заполняющая охраняемый объем; одним СО можно блокировать внутреннее пространство коттеджа или небольшого домика, если все внутренние двери открыты, а внешние двери, окна и форточки – закрыты;

—пассивный принцип действия; отсутствие вредного влияния на находящихся в помещении людей; низкое энергопотребление;

—высокая помехоустойчивость к воздействию акустических шумов и вибрации, так как они по сравнению с полезными сигналами лежат в об-

ласти более высоких частот; датчик нечувствителен к передвижению людей и животных внутри помещения (только не дуйте на датчик);

—ЧЭ легко интегрируется в состав конструкции СО; нет необходимости в выносном ЧЭ, что упрощает и удешевляет СО;

—компактные размеры;

—удобство и простота монтажа; ЧЭ может быть размещен практически в любой точке охраняемого объема и не требует определенной ориентации;

—СО не нуждается в периодической настройке или обслуживании.

Главные недостатки барометрических СО:

—полная неработоспособность на улице и в открытых помещениях;

—низкая помехоустойчивость при работающих системах вентиляции или кондиционирования воздуха;

—трудности в отслеживании незакрытых окон или форточек, которые делают объем незамкнутым, тем самым значительно уменьшая величину полезного сигнала.

Акустические пассивные СО контролируют уровень и характер звука внутри определенного объема. Звуковые колебания лежат в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Если громкость или другие параметры звука выходят за заданные пределы, то формируется сигнал срабатывания. Анализ проводится в фиксированной полосе частот, которая выбирается в зависимости от обнаруживаемого источника звука. Источники делятся на низкочастотные и высокочастотные.

Низкочастотные звуковые сигналы лежат в диапазоне от 20 Гц до нескольких килогерц. Их вызывает речь или шаги людей, работа механического или электрического инструмента. Низкочастотные акустические пассивные СО используют обычную технику и элементы звукозаписи, а в качестве ЧЭ подойдет любой микрофон, поэтому их часто называют микрофонными СО. Распространению микрофонных СО препятствует значительный уровень естественных шумов, а также большой радиус распространения акустических сигналов. На улице источниками шума являются транспорт, голоса людей, дождь, ветер. Они затрудняют выделение полезных сигналов. Услышать и распознать объект по издаваемым звукам возможно только в тихом помещении.

Высокочастотные звуковые сигналы лежат в полосе от единиц килогерц до 20 кГц. Область анализа может выходить и далее в диапазон ультразвука (более 20 кГц). Подобные акустические колебания сопровождают разбивание стекла. Помеховые сигналы в высокочастотном диапазоне невелики. Поэтому и факт разбивания может быть идентифицирован с большой степенью до-

стоверности. Датчики разбивания стекла (ДРС), работа которых основана на акустическом пассивном принципе, имеют столь высокое распространение, что слова «акустические пассивные» в их названии часто не упоминаются.

2.10.1. Микрофонные СО

Микрофонные СО реагируют на естественные звуки, сопровождающие движение или действия человека: разговор, шум шагов, работу ножовки, перфоратора или другого инструмента. Микрофонные СО являются пассивными. Звуковые волны распространяются на значительные расстояния, огибая стоящие на пути препятствия. Данное свойство позволяет охранять одним точечным датчиком помещение большого объема. Но оно же играет отрицательную роль на улице, где находится множество удаленных источников шума. От них невозможно отстроиться ни остронаправленными микрофонами, ни частотной фильтрацией. Микрофонные СО работают только внутри помещений, да и то – самых тихих.

Идея удаленного прослушивания помещения возникла сразу после изобретения первого микрофона более ста лет назад. На создание автоматического устройства, срабатывающего от воздействия характерных звуков, ушло значительное время. Оно появилось лишь после изобретения транзистора. Чувствительным элементом СО является обычный микрофон. Он преобразует акустические колебания в электрический сигнал.

По принципу действия микрофоны делятся на пять типов: электродинамические, конденсаторные, электретные, ленточные и угольные.

Электродинамический микрофон состоит из диафрагмы, воспринимающей колебания воздуха, легкой катушки, жестко прикрепленной к диафрагме, и неподвижного магнита (рис. 2.10.1а). В результате перемещения в магнитном поле в катушке наводится ЭДС. Динамический микрофон является генераторным датчиком; он самостоятельно генерирует электрический сигнал, не требуя для этого внешнего питания.

Конденсаторный микрофон состоит из двух обкладок, одна из которых выполняет роль диафрагмы, колеблющейся под действием звуковых волн (рис. 2.10.1б). Обкладки образуют конденсатор емкостью 50…100 пФ. При воздействии звука емкость меняется пропрционально звуковому давлению. Эти изменения преобразуются в электрический сигнал специальной электронной схемой, которая часто встраивается внутрь корпуса микрофона. Конденсаторный микрофон является параметрическим преобразователем; он не генерирует электрический сигнал самостоятельно, а лишь меняет параметр (емкость), измеряемый и усиливаемый дополнительными каскадами.

Электретный микрофон по внутреннему устройству похож на конденсаторный, но между обкладками располагается слой электрета – поляризованного диэлектрика, генерирующего заряд, пропрциональный его деформации (рис. 2.10.1в). Заряд слишком мал для его передачи по проводам, поэтому внутри микрофона находится встроенный полевой транзистор, обеспечивающий преобразование заряда в напряжение. Поэтому электретные микрофоны для своей работы также требуют внешнего источника питания. В технике профессиональной звукозаписи внешнее питание, подаваемое на микрофон, называется фантомным. Для конденсаторных микрофонов оно имеет стандартное значение 48 вольт (или реже – 24 В). Напряжение питания бытовых электретных микрофонов – 1…10 В, причем они не слишком критичны к его величине.

Ленточный микрофон представляет собой тонкую алюминиевую ленту, находящуюся в сильном магнитном поле. Лента является диафрагмой, в результате колебаний она генерирует ток. Ленточные микрофоны распространены в студийной звукозаписи; они обеспечивают высокое качество сигнала. Однако ленточные микрофоны требуют аккуратного обращения, они подвержены механическим повреждениям, чувствительны к низкочастотным сигналам, имеют очень низкое выходное сопротивление (доли ома), требуя для подключения специального трансформатора.

Угольный микрофон состоит из угольного порошка, располагаемого под подвижной диафрагмой. В результате действия звуковых колебаний порошок сжимается и разжимается, а его сопротивление меняется синхронно с колебаниями. Угольный микрофон не требует усиления сигнала. Подав на него напряжение через постоянный резистор, получают полноценный электрический сигнал, который можно передавать по проводам на значительные расстояния. Первые микрофоны, использовавшиеся в телефонии и радиовещании, были угольными. Они недолговечны; порошок со временем слеживается и теряет свои свойства. Сейчас угольные микрофоны не производятся, не используются и не покупаются, так как полностью вытеснены первыми четырьмя типами.

Из всех пяти типов микрофонов наиболее подходящими являются электретные. Благодаря твердотельной конструкции, они отличаются высокой надежностью и низкой стоимостью. Электретные микрофоны не обладают высоким студийным качеством сигналов. Если место установки микрофона защищено от механических воздействий, возможно использовать и электродинамические микрофоны. Они обеспечивают более высокое качество сигнала и низкий уровень собственных шумов при не слишком высокой стоимости.

Микрофоны делятся по форме ЗЧ (то есть по уровню электрического сигнала в зависимости от направления на источник звука) на шесть групп: ненаправленные, кардиоидные, суперкардиоидные, гиперкардиоидные, остронаправленные и направленные двусторонние. Ненаправленные (или всенаправленные) микрофоны имеют круговую (точнее, сферическую) диаграмму направленности; их чувствительность не зависит от направления, с которого приходит звуковая волна. Кардиоидные (или направленные односторонние) микрофоны обладают равномерной чувствительностью с передней (фронтальной) стороны и полной нечувствительностью – с задней (тыловой); их диаграмма направленности имеет форму сердца (кардиоиды). Чувствительность суперкардиоидного микрофона с фронтальной стороны сильно зависит от направления; он преимущественно воспринимает звуки, исходящие спереди, и не воспринимает звуки, приходящие с боков; форма диаграммы направленности – груша. Гиперкардиоидный микрофон имеет еще большую направленность; его чувствительность максимальна вдоль фронтальной оси и резко падает при отклонении от нее; форма диаграммы направленности

– огурец. Остронаправленные микрофоны чувствительны к звукам, приходящим с одного направления (в пределах узкого луча с углом порядка градуса); обычно