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

тегрируя по длине провода, можно получить зависимость ЭДС от времени E(t) = (μ0Mv / 2πH2) × (1 – τ2) / (1 + τ2)2, где введено безразмерное время τ = vt/H.

Рис. 2.15.8 Движение магнитного момента M над проводом

Электрический сигнал, снимаемый с концов провода имеет один максимум в момент времени t = 0, который равен E(0) = (μ0Mv / 2πH2), и два минимума при t = ±31/2H/v = ±1,73H/v (или τ = ±31/2), величина которых составляет 1/8 от максимума (рис. 2.15.9). Сигнал обращается в ноль при τ = ±1. Приведенная оценка соответствует сигналу, снимаемому с одного провода, N проводов дадут в N раз больший сигнал. Изменение направления магнитного момента приводит к изменению знака сигнала.

Рис. 2.15.9 Траектория движения магнитного момента M и вид сигнала

При пересечении петли магнитный момент последовательно проходит над прямым и обратным проводами, поэтому результирующий сигнал будет состоять из двух идентичных импульсов противоположной полярности (рис. 2.15.10). Если расстояние между проводами (ширина петли) – AШ, то интервал времени между основным максимумом первого импульса и основным минимумом второго составит t = AШ/v. Ширину петли удобно выбрать таким образом, чтобы импульсы при наложении усиливали друг друга. При совмещении точек 1 и 3 совпадут не только максимумы, но и минимумы (точки 2 и 4) обоих импульсов. В этом случае оптимальная ширина петли составит AШ = 31/2H. Таким образом, для H = 1…1,7 м (человек с инструментом или оружием в рюкзаке, на поясе или за плечом, идущий по земле или по снегу) ширина петли AШ = 1,73H = 1,7…3 м. В этом случае появляется также дополнительная возможность селекции полезных сигналов по их двухполярности.

Полученные оценки соответствуют единственному, хотя и наиболее вероятному, направлению магнитного момента в предположении его равномерного переме-

щения. Они лишь в первом приближении соответствуют действительности, но дают возможность оценивать основной вклад в снимаемый с петли сигнал. Значениям M = 0,15…1 А×м2, v = 1…5 м/с, H = 1…1,7 м, N = 20 будет соответствовать диапазон уровней полезных сигналов E(0) = (μ0MvN / 2πH2) = 0,2…20 мкВ. Длительность главного выброса составляет около T = 1,73H/v. Основные частоты полезных сигналов лежат в пределах f = (0,016…1,6) / T = (0,016…1,6) × v / 1,73H = 0,005…5 Гц. Реально диапазон следует немного расширить как в сторону низких частот в связи растяжением сигнала при движении под углом к линии укладки ЧЭ, так и в сторону высоких – из-за возможности различных ориентаций магнитного момента и его естественных колебаний при движении. Если бы петля не укладывалась восьмерками, то во время магнитной бури (ΔB/Δt = 4 нТл/с) на петле длиной L = 100 м наводился бы помеховый импульс величиной EПОМ = NLAШ(ΔB/ Δt) = 24 мкВ.

Рис. 2.15.10 Выбор ширины петли AШ

Кроме обычных электромагнитных помех – флуктуаций магнитного поля Земли, ЛЭП, грозовых разрядов, – петлевое СО подвержено влиянию еще одного вида воздействий – механических колебаний грунта. Петля находится в земном магнитном поле, индукция которого составляет около B = 50 мкТл. Если одна из сторон петли длиной l = 5 м сместится на Δa = 1 мм за время Δt = 1 с, то площадь петли изменится на ΔS = lΔa, в результате чего на одном витке петли наведется ЭДС индукции величиной до U = BΔS/Δt = BlΔa/Δt = 250 нВ. Уровень помехи сравним с уровнем полезных сигналов, но частота вибрации лежит выше диапазона полезных сигналов, благодаря чему возможно эффективное подавление помех данного вида. Впрочем, вибрационная составляющая магнитометрического сигнала может использоваться и в качестве самостоятельного полезного сигнала. Площадь витков жесткой катушки не меняется, поэтому вибрационные помехи не характерны для точечных индукционных СО (если катушка только смещается, но не поворачивается во время вибрации).

Петлевое СО в силу своей конструкции не может содержать много витков, при этом сами витки имеют большую протяженность, а минимальный снимаемый с одного витка сигнал составляет до U1 = 5 нВ. Поэтому имеется ограничение на допустимый диаметр провода. Если взять слишком тонкий провод, то тепловой шум петли превысит уровень полезного сигнала. Сред-

няя ЭДС E теплового шума на сопротивлении R составляет E = (4kTRΔf)1/2, где k – постоянная Больцмана, k = 1,38×10–23 Дж/К, T – абсолютная температура в кельвинах, при нормальных условиях T = 293 К, Δf – полоса частот в герцах. Сопротивление N витков медного провода примерно равно R = 2ρNL / S = 8ρNL / πd2, где ρ – удельное сопротивление меди, ρ = 0,018 Ом×мм2/м, L – длина участка в метрах, S – площадь поперечного сечения провода в квадратных миллиметрах, S = πd2/4, d – диаметр провода, мм. Минимальный уровень полезного сигнала с N витков петли оценивается величиной NU1, поэтому уровень шума следует ограничить величиной, на порядок меньшей, то есть E = NU1 / 10. Для длины участка L = 100 м, по-

лосы частот Δf = 10 Гц и количества витков N = 10 получим оценку минимального диаметра провода d = 4(2kTρNLΔf / π)1/2 / E = 0,26×10–9 × (ΔfL / N)1/2 / U1 = 0,5 мм. Как видно из полученной зависимости, с увеличением числа витков диаметр провода может быть уменьшен, фильтрацию сигналов следует проводить в строго ограниченной полосе Δf, а входной усилитель должен быть согласованным и малошумящим.

Петлевое магнитометрическое СО в среднем имеет следующие характеристики: длина рубежа – 100 м; напряжение питания – 10…30 В; потребляемая мощность – 0,1…0,2 Вт; диапазон рабочих температур – от минус 50°C до плюс 50°C; погонная стоимость – 20…160 $/м.

2.16. Гравиметрические СО

В основе действия гравиметрического СО лежит измерение поля притяжения, окружающего любой материальный объект, в том числе и человека. Оно называется также гравитационным СО и не требует применения труднодоступных или особо чистых химических соединений, так как датчиком поля является другая масса, на которую в гравитационном поле действует сила притяжения. Все измерения производятся на фоне сильного гравитационного поля Земли. Для регистрации небольших изменений, связанных с появлением массы ОО, требуются специальные высокочувствительные методы и точная измерительная аппаратура.

Гравиметрическое СО относится к пассивным датчикам. Оно может в одинаковой степени работать как внутри помещения, так и вне его. Гравиметрическое СО является точечным и может быть использовано для регистрации приближения нарушителя к отдельным охраняемым предметам – сейфам, стеллажам, экспонатам – или его передвижения по узким коридорам, проходам, порталам.

Абсолютная величина гравитационного поля Земли характеризуется ускорением свободного падения gЗЕМ, которое на поверхности Земли в соответствии с законом всемирного тяготения равно gЗЕМ = GMЗЕМ / (RЗЕМ)2, где G – гравитационная постоянная, G = 6,672×10– 11 Нм2/кг2, MЗЕМ – масса Земли, MЗЕМ = 5,98×1024 кг, RЗЕМ – радиус Земли, RЗЕМ = 6,378×106 м. Отсюда gЗЕМ = 9,81 м/с2. Полезное воздействие от человека массой

MЧЕЛ = 70 кг на расстоянии RЧЕЛ = 1 м составит gЧЕЛ = GMЧЕЛ / (RЧЕЛ)2 = 6,672×10–11×70 = 4,7×10–9 м/с2. Полезное воздействие на девять порядков меньше того

постоянного уровня, на фоне которого необходимо его обнаруживать.

Основной помеховый фактор, изменяющий величину измеряемого ускорения, – гравитационное поле нашего ближайшего спутника – Луны. Вклад ее поля составляет gЛУН = GMЛУН / (RЛУН)2, где MЛУН – масса Луны, MЛУН = 7,35×1022 кг, RЛУН – расстояние до Луны, RЛУН = 3,84×108 м. Подставляя значения, получим gЛУН

= 3,3×10–5 м/с2. Абсолютная величина помехового воздействия на четыре порядка превосходит величину полезного.

Оценим возможность измерения небольших вариаций гравитационного поля Земли, вызванных появлением человека. Наряду с единицей (м/с2) для измерения поля часто используется гал, 1 Гал = 1 см/с2 = 10–2 м/с2. Чувствительность типичного гравиметра, используемого для изучения гравитационного поля Земли (например, ГНУ-КВ), составляет 0,01 мГал = 10–7 м/с2. Высокоточные гравиметры (например, CG-3 канадской фирмы LaCoste & Romberg – Scintrex Inc.) имеют чувствительность до 1 мкГал = 10–8 м/с2. Сверхпроводящий магнитный подвес пробного тела позволяет еще более снизить порог чувствительности гравиметра. Максимальная чувствительность достигает 10–11 м/с2.

Таким образом, возможность обнаружения человека по абсолютной величине гравитационного поля в принципе реализуема. Способствующим этому фактором является разнонаправленность полей. Гравитационное поле Земли направлено вертикально вниз, человека – горизонтально (при установке ЧЭ на высоте центра тяжести среднего человека, равной 0,95 м). Любой современный нивелир оборудован автокомпенсатором горизонтальности. Типичный автокомпенсатор обеспечивает горизонтальность порядка 0,1 угловой секунды или десятых долей миллиметра на дальности 1 км. Следовательно, использование разнонаправленности гравитационного поля Земли и человека совместно с простейшим автокомпенсатором позволяет повысить отношение сигнал/помеха на семь порядков, что довольно близко к требуемым девяти.

Возможности создания гравиметрических СО способствуют еще два фактора: быстрое передвижение человека (причем, в горизонтальном направлении) и его близость к ЧЭ. Благодаря этому возможно принятие решения на основании анализа либо скорости изменения ускорения свободного падения g в единицу време-

ни, либо градиента поля (разности показаний в двух близлежащих точках), либо и того и другого.

Изменение гравитационного поля в случае приближения человека происходит за время порядка TЧЕЛ = 1 с, поэтому полезное воздействие в дифференциальной схеме измерения составит ДЧЕЛ = gЧЕЛ / TЧЕЛ = 5×10–9 м/с3. Помеховые изменения происходят более медленно. Проекция поля Луны на горизонтальную плоскость меняется от нуля до максимального значения за время, равное четверти суток, TЛУН = 6×3600 с = 2,2×104 с. Скорость изменения поля ДЛУН = gЛУН / TЛУН = 3,3×10–5 / 2,2×104 с = 1,5×10–9 м/с3. Итак, если измерять изменения гравитационного поля, то полезный сигнал не только лежит в другом частотном диапазоне по сравнению с естественными изменениями, но и превосходит последние.

Градиент гравитационного поля Земли grad(gЗЕМ) = GMЗЕМ / (RЗЕМ)3 = 1,54×10–6 1/с2. Градиент поля человека grad(gЧЕЛ) = GMЧЕЛ / (RЧЕЛ)3 = 4,7×10–9 1/с2. Градиент поля Луны grad(gЛУН) = GMЛУН / (RЛУН)3 = 0,86×10– 13 1/с2. Сравнение полученных величин показывает, что измерение градиента на шесть порядков поднимает полезный сигнал по отношению к постоянному фону и на восемь порядков – по отношению к его естественным изменениям.

Градиент гравитационного поля измеряется не только в единицах (1/с2), но и в более мелких – этвешах, 1 Этв = 10–9 1/с2. Типичная погрешность прибора, измеряющего градиент гравитационного поля (так называемого гравитационного вариометра), составляет 0,1 Этв = 10–10 1/с2. Гравитационные градиентометры сверхпроводящего типа обладают еще более высокой чувствительностью – до 10–4 Этв = 10–13 1/с2.

Подводя итог, можно сказать, что гравиметрическое СО в принципе реализуемо. Его создание требует ком-

бинации трех принципов: измерение горизонтальной составляющей поля, измерение изменений во времени, измерение градиента поля. Причем достигнутый в современных гравиметрах уровень чувствительности достаточен для целей использования в составе СО. Основное препятствие на пути внедрения гравиметрических СО – громоздкость; масса типичного гравиметра – 3…5 кг.

Главные достоинства гравиметрических СО:

—высокая степень маскируемости в связи с пассивным принципом действия; датчиком поля является предмет, обладающий массой; он ничем не отличается от множества других, расположенных вокруг него;

—невозможность обхода ЗО или проведения обманных действий; гравитационное поле неотъемлемо от обладающего массой объекта, его нельзя скрыть или экранировать;

—потенциально высокая помехоустойчивость; чтобы вызвать ложное срабатывание, к датчику должен приблизиться объект с массой, сравнимой с массой человека; дождь, снег, ветер и другие погодные факторы не обладают такой массой в пределах небольшого расстояния от датчика; ложное срабатывание может вызвать разве что снежная лавина, падение дерева или землетрясение;

—высокая надежность обнаружения в обстановке стабильного гравитационного поля, например,

вне города, где нет крупных передвигающихся масс (автомобилей, лифтов, транспорта) или под землей, где до этих масс далеко.

Основные недостатки гравиметрических СО:

—малые размеры зоны обнаружения;

—большие габариты и масса аппаратуры;

—высокая стоимость оборудования.

Принцип действия емкостного СО основан на измерении емкости «открытого» конденсатора. Обкладками конденсатора служат либо сами охраняемые металлические объекты, либо проводящие предметы подходящей формы, устанавливаемые в местах приближения или прикосновения нарушителя. Емкость конденсатора может измеряться как между двумя металлическими предметами, выступающими в качестве его обкладок, так и между отдельным предметом и «землей». Смысл «открытого» конденсатора заключается в том, что нарушитель (или его часть) попадает в пространство между обкладками. В этом случае, благодаря высокой диэлектрической проницаемости тела человека, емкость конденсатора возрастает, что фиксирует электронная схема. Порог чувствительности емкостного СО обычно регулируется, его можно настроить на срабатывание в случае приближения к ЧЭ на заданное расстояние (до десятков сантиметров) или на касание ЧЭ.

Емкостные СО могут быть как точечными, так и линейными. Они успешно функционируют не только в помещениях, но и на улице. Точечное емкостное СО обычно является внутренним и применяется для охраны отдельных предметов внутри помещения; линейное

– чаще всего внешнее – размещается на стене или заборе и служит для охраны протяженных участков.

В состав емкостного СО входит антенная система (АС), образующая обкладки конденсатора, и блок обработки (БО), реагирующий на изменения емкости антенной системы. АС уличного СО изготавливается из проводящего материала и имеет вид сетки, решетки или ряда параллельных проводов большого диаметра, устанавливаемых на изоляторы вдоль ограды. Сетчатая или проводная конструкция позволяет экономно расходовать материал при изготовлении ЧЭ большой длины. Для уменьшения количества ложных срабатываний она выполняется в виде козырька или декоративной

решетки в верхней части забора или вдоль фасада здания на большой высоте.

АС точечного СО обычно выполняется в виде металлических пластин. Проблема расхода материала стоит здесь не так остро, важнее оказывается технологичность, что и приводит к такой форме ЧЭ. Хотя возможны и другие решения – в виде сетки, решетки или отдельных проводов. Роль ЧЭ могут выполнять и любые другие изолированные от «земли» металлические предметы – сами охраняемые объекты (сейф, стеллаж, автомобиль) или находящиеся на пути нарушителя предметы интерьера (металлические двери, алюминиевые оконные рамы, дверные ручки, щеколды, задвижки, осветительные приборы, мебельная фурнитура).

Прежде всего оценим диапазон измеряемых значений емкости и ее изменений в результате приближения нарушителя или естественных воздействий, что позволит сравнивать полезные и помеховые воздействия, выделять наиболее сильные источники ложных срабатываний и определять наилучшие условия работы СО. Два варианта измерения емкости – между металлическим предметом и землей и между двумя проводниками – отличаются не только величиной емкости и ее изменений, но и рядом других особенностей, таких как применение, характерные виды помех, схемные решения.

В случае измерения неизвестной емкости CX некоторого предмета относительно земли (рис. 2.17.1) одной из обкладок является земля, другой – линейный провод, плоская пластина или объемный предмет. Данный вариант отличается простотой построения и реализации емкостного принципа действия. В нем экономичнее расходуются материалы, так как половину антенной системы представляет собой богом данная земля, а другую составляют в основном предметы, которые необходимо только подсоединить к БО. Последний измеряет текущую величину CX и проводит анализ сигналов. Наиболее важное преимущество данного ва-

Рис. 2.17.1 Измерение емкости относительно земли

фов, статуй, стеллажей, экспонатов, автомобилей на парковке, самолетов на стоянке, дверей, окон, проходов, предметов мебели. Желательно, чтобы объединяемые предметы были однородными, то есть обладали примерно одинаковыми размерами и емкостью.

Вариант измерения емкости относительно земли имеет ряд недостатков. Параметры земли нестабильны и меняются в зависимости от сезона и текущих погодных условий. Велична CX заранее неизвестна и при различном расположении окружающих предметов может изменяться в широких пределах. Кроме того, необходимо надежное заземление СО. Вблизи от железных дорог, в промышленных зонах или в черте города по земле распространяются интенсивные наводки, которые осложняют работу связанной с ней аппаратуры. Для ослабления влияния помех между антенной системой и землей часто располагают так называемый охранный электрод, на который подается опорное напряжение. Он охраняет измерительные входы от паразитных утечек и влияния земли. Таким образом, вариант измерения емкости относительно земли обеспечивает наиболее дешевую реализацию емкостного СО, но он сопряжен с решением ряда проблем.

Наиболее стабильные и предсказуемые значения контролируемой емкости CX обеспечивает вариант ее измерения между двумя электродами (рис. 2.17.2). Человека трудно загнать в зазор между двумя пластинами классического плоско-параллельного конденсатора. Обкладки могут располагаться вблизи друг от друга в одной плоскости, к которой возможно ожидать приближения человека; такой конденсатор называется копланарным. Если охраняемый предмет (металлический или обладающий высокой диэлектрической проницаемостью) установлен сверху на две пластины копланарного конденсатора, то в случае удаления предмета емкость уменьшается. Возможно также, что сам охраняемый металлический предмет является одним из электродов (ес-

ли предмет неметаллический, то электрод располагается вблизи от него), а другой электрод устанавливается на полу вблизи от этого предмета. Наступив на нижний электрод и приблизившись к охраняемому предмету, человек увеличивает емкость между ними. Таким способом можно охранять любые – металлические или неметаллические – предметы любых размеров или локальные места передвижения ОО.

Межэлектродное измерение емкости обеспечивает неизменные показатели. Соответс-

твующие емкостные СО практически не требуют настройки или регулировки. Но и они не лишены недостатков. Прежде всего, с помощью одного БО удастся обеспечить охрану лишь одного, максимум – двух-трех предметов, расположенных вблизи друг от друга. Наличие заземленных и проводящих предметов также искажает результаты измерений. Кроме того, каждый электрод потребует самостоятельного изготовления. Выбор одного из вариантов должен производиться в зависимости от расположения конкретных объектов охраны и от толщины кошелька.

Перейдем к оценке емкости для типовых вариантов формы и расположения электродов. В первую очередь необходимо представлять себе, какие значения может принимать начальное значение емкости АС C0, так как методы измерений в диапазонах пикофарад и микрофарад различны. Далее необходимо учитывать влияние земли, окружающих проводящих поверхностей и областей, заполненных диэлектриком. Все три фактора вызывают увеличение емкости C0. Наиболее интересны оценки изменений емкости, связанных с приближением ОО ΔCПОЛЕЗН и влиянием различных помеховых факторов ΔCПОМЕХ. При этом полезные изменения емкости должны быть сравнимы с ее исходным значением, а помеховые – должны быть существенно меньше полезных. В противном случае трудно ожидать высоких показателей от соответствующего емкостного СО. Сама АС должна быть сконструирована, изготовлена и установлена таким образом, чтобы полезные изменения емкости были максимальными. Фиксация изменений, превышающих 1…5 пФ, обычно не вызывает затруднений, более точные измерения усложняют и удорожают электронные схемы. Необходимо также иметь в виду, что проводящие свойства земли и характеристики диэлектриков зависят от диапазона частот, на которых ведется измерение емкостей.

Вспомним знакомую со школьной скамьи формулу емкости плоского конденсатора (рис. 2.17.3): C = εε0LW / G, где ε – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками конденсатора (или относительная диэлектрическая проницаемость), ε0 – электрическая постоянная (или абсолютная диэлектрическая проницаемость), равная ε0 = 1/(36π×109) = 8,85×10–12 Ф/м, L – длина обкладки, W – ее ширина, G – расстояние (зазор) между обкладками. Диэлектрическая проницаемость воздуха близка к единице, ее значения для других окружающих нас (и АС) веществ и материалов приведены в таблице 2.17.1. Указанные значения относятся к сухим веществам, по мере намокания они возрастают пропорционально количеству свободной или химически связанной воды.

Рис. 2.17.3 Плоский конденсатор

Таблица 2.17.1 Диэлектрическая проницаемость ε некоторых веществ

Формула плоского конденсатора позволяет оценивать емкости многих предметов охраны, таких как сейф, металлический шкаф, автомобиль, самолет, точнее – той их части, которая заключена между дном и землей или металлической пластиной, установленной под данным предметом. Следует сразу оговориться, что отдельная формула не позволяет точно оценить значение емкости, но с учетом большого разброса параметров объектов найденные диапазоны изменения емкости будут довольно точно отражать параметры, требуемые для построения электронных блоков. Поэтому по мере возможностей все объекты будут заменяться простейшими геометрическими фигурами, что позволит получить оценки в наиболее удобном виде, дающем возможность проследить основные закономерности и особенности, присущие емкостным СО.

Средние значения геометрических параметров типичных объектов даны в таблице 2.17.2. Объекты могут быть представлены в виде параллелепипедов, основания которых параллельны поверхности земли. Кроме длины корпуса L, его ширины W и зазора (просвета) между дном и поверхностью земли или пола G нам по-