Устройство для охранной сигнализации

 

Изобретение относится к технике охранной сигнализации и может быть использовано для обнаружения проникновения нарушителя на контролируемую территорию или в помещение. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости, чувствительности и упрощение устройства. Устройство содержит датчик токового сигнала, дифференциальный интегратор тока, полосовой фильтр, амплитудный детектор, пороговый формирователь сигнала тревоги. Наличие дифференциального интегратора позволяет выход датчика токового сигнала использовать как симметричный. 1 з. п. ф-лы. 1 ил.

Изобретение относится к технике охранной сигнализации и может быть использовано для обнаружения проникновения нарушителя на контактируемую территорию или в помещение. Известны устройства охранной сигнализации, использующие датчики токового сигнала (электретные, трибоэлектрические, пьезоэлектрические и т.п.). Эти датчики отличаются низкой выходной проводимостью, в которой обычно преобладает емкостная составляющая. Сигнал тока в них генерируется в результате механического воздействия нарушителя на среду, с которой датчик имеет контакт. Известный, например, сейф с устройством для охраны, содержит детектор вибраций на основе пьезоэлектрического датчика, подключенного к входу усилителя напряжения, причем один полюс датчика подключен к шине нулевого потенциала. Сигнал с выхода усилителя используется для формирования сигнала тревоги. Недостатком этого устройства является низкая помехозащищенность от наводок переменных электрических полей через паразитную емкость. Это связано с тем, что несимметричная входная цепь устройства не подавляет помехи общего вида. Известны также способ и устройство детектирования нарушения с использованием электретного кабеля. В этом устройстве кабель укладывается вдоль контролируемого параметра и подключается к входу усилителя переменного напряжения. Сигнал с выхода усилителя используется для формирования сигнала тревоги. Недостатком устройства является ухудшение его чувствительности при намокании датчика (кабеля), что связано с увеличением электрической емкости последнего и уменьшением сопротивления изоляции. Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для обнаружения нарушения периметра с датчиком возмущений. Датчик этого устройства содержит совокупность пьезоэлектрических чувствительных элементов, установленных с заданным шагом вдоль контролируемого периметра. Электрически эти чувствительные элементы соединены параллельно с помощью двухпроводного кабеля, проложенного между ними. Кабель подключен к входу усилителя заряда (зарядочувствительного усилителя) и к шине нулевого потенциала. Выход усилителя заряда присоединен к цепи последовательно соединенных усилителя напряжения, полосового фильтра, амплитудного детектора и порогового формирователя сигнала тревоги. Введение усилителя заряда позволило сделать чувствительность устройства независимой от изменения емкости и сопротивления утечки датчика. Недостатком прототипа является низкая помехоустойчивость к внешним наводкам общего вида на датчик и входные цепи усилителя заряда от внешних переменных электрических полей через паразитную емкость. Причем помехоустойчивость этого устройства снижается с увеличением длины контролируемого периметра. Этот недостаток связан с несимметричной схемой входа усилителя заряда, а значит, отсутствием подавления последним помех общего вида. Коэффициент передачи помехи общего вида усилителем заряда К_10В равен коэффициенту передачи полезного сигнала К_1С. Следовательно, коэффициент ослабления помехи общего вида для этого устройства равен: π_OB=20lg(K_10В/K_1C) Другими недостатками прототипа являются низкая предельная чувствительность (высокий внутренний шум) и сложность устройства (кроме усилителя заряда введен отдельный усилитель напряжения). Оба этих недостатка связаны с вынужденным использованием в усилителе заряда большой емкости обратной связи. Действительно, емкость обратной связи С выбирается из соотношения: C ≥ 1/2 π f_н R (1) где f_н нижняя граничная частота спектра сигнала; для устройства охранной сигнализации спектр сигнала заходит в область инфранизких частот (для прототипа f_н=0,01 Гц); R сопротивление резистора обратной связи, т.к. устройства охранной сигнализации часто работают в условиях повышенной влажности, то обычно R<10<SUP>810⁸ Ом). Подставив в (1) приведенные числовые значения, получим: C>160 нф. Это значение на 1-2 порядка больше емкости типичных датчиков C_o: C>>C_o (2) Величина эквивалентного тока внутреннего шума приведенного к входу усилителя заряда, составляет: = = [Υ_o(p)+Υ(p)]²+(p) (3) где I_ш1² средний квадрат шумового тока активных элементов усилителя заряда; U_ш1² средний квадрат шумового напряжения активных элементов усилителя заряда; средний квадрат шумового напряжения активных элементов усилителя напряжения; Y_o(p) проводимость датчика, равная эквивалентной проводимости параллельно соединенных емкости датчика и сопротивления его изоляции;
Y(p) проводимость цепи обратной связи усилителя заряда, равная эквивалентной проводимости параллельно соединенных емкости и резистора обратной связи;
p оператор Лапласа. При использовании на входе усилителя заряда полевых транзисторов вкладом токового источника шума I_ш1² можно пренебречь, тогда:
[Υ_o(p)+Υ(p)]²+(p) (4)
Кроме того, для рабочей полосы частот устройства можно записать:
Υ_o(p) ≃ pC_o (5)
Υ(p) ≃ pC (6) где С_о емкость датчика. Подставив (5), (6) с учетом (2) в (4), получим окончательное выражение для эквивалентного шума устройства:
p²C²(+) (7)
Коэффициент передачи усилителя заряда при достаточно большой глубине отрицательной обратной связи составляет:
K₁= (8) где U_вых напряжение на выходе усилителя заряда;
q_вх заряд, поступающий на вход усилителя заряда. Как следует из соотношений (1) и (2), емкость обратной связи С велика и на 1-2 порядка превышает емкость чувствительного элемента. Значит, согласно (3) и (7), внутренний шум устройства будет велик и не даст возможности обеспечить высокую чувствительность устройства. В то же время, согласно (8) коэффициент передачи усилителя заряда будет мал, что усложняет устройство, требуя введения, кроме усилителя заряда, отдельного усилителя напряжения. Целью изобретения является повышение помехоустойчивости, чувствительности и упрощение устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее датчик токового сигнала с симметричным выходом и последовательно-соединенные полосовой фильтр, амплитудный детектор и пороговый формирователь сигнала тревоги, введен дифференциальный интегратор тока, входы которого подключены к чувствительному элементу, а выход соединен с входом полосового фильтра. Кроме того, дифференциальный интегратор тока содержит дифференциальный усилитель, два накопительных конденсатора, два резистора обратной связи и дифференциальный делитель напряжения, входы которого подключены соответственно к выходу дифференциального усилителя и шине нулевого потенциала, а выходы присоединены через резисторы обратной связи к соответствующим входам дифференциального усилителя, первый накопительный конденсатор включен между инвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя, второй накопительный конденсатор между неинвертирующим входом дифференциального усилителя и шиной нулевого потенциала, причем входами и выходом дифференциального интегратора тока являются соответственно входы и выход дифференциального усилителя. На чертеже представлена блок-схема устройства. Устройство содержит датчик 1 токового сигнала, дифференциальный интегратор тока 2, дифференциальный усилитель 3, накопительные конденсаторы 4, 5, резисторы 6, 7 обратной связи; дифференциальный делитель 8 напряжения, полосовой фильтр 9, амплитудный детектор 10, пороговый формирователь 11 сигнала тревоги. В качестве такого датчика могут выступать пьезоэлектрические, трибоэлектрические электретные и тому подобные чувствительные элементы любого назначения. Датчик подключен к входам дифференциального интегратора тока 2, выход которого связан с последовательно соединенными полосовым фильтром 9, амплитудным детектором 10 и пороговым формирователем сигнала тревоги 11. Дифференциальный интегратор тока выполнен на базе дифференциального усилителя 3, двух накопительных конденсаторов 4, 5 равной емкости, двух одинаковых резисторов 6, 7 обратной связи и дифференциального делителя напряжения 8. Выходы последнего подключены к выходу дифференциального усилителя 3 и шине нулевого потенциала, а выходы присоединены через резисторы обратной связи 6, 7 к входам дифференциального усилителя 3. Инвертирующий вход и выход последнего соединены через накопительный конденсатор 4. Второй накопительный конденсатор 5 соединяет неинвертирующий вход дифференциального усилителя 3 с шиной нулевого потенциала. Устройство работает следующим образом. Датчик 1 преобразует деформацию среды, вызванную перемещением нарушителя, в сигнал электрического тока. Ток протекает по контуру, образованному датчиком и входной цепью дифференциального интегратора 2. В последнем ток сигнала интегрируется, заряжая накопительные конденсаторы 4, 5, и преобразуется в напряжение, пропорциональное заряду, накопленному в этих конденсаторах. Стабилизация режима дифференциального усилителя 3 осуществляется с помощью резисторов обратной связи 6, 7, образующих совместно с дифференциальным делителем напряжения 8 цепь отрицательной обратной связи по напряжению. Выходное напряжение дифференциального интегратора 2 подается на вход полосового фильтра 9, где выделяется эффективная часть частотного спектра сигнала. Следующий затем амплитудный детектор 10 формирует на выходе сигнал, пропорциональный огибающей сигнала на своем входе. Пороговый формирователь 11 выдает на свой выход сигнал тревоги при превышении сигналом заданного порога. При воздействии на датчик токового сигнала и выходные цепи дифференциального интегратора тока 2 помех общего вида, последние будут ослабляться им, вследствие симметричного характера входа предлагаемого устройства: C₄=C₅=C (9) R₆=R₇=R (10) где С₄, С₅ емкости накопительных конденсаторов 4, 5;
R₆, R₇ сопротивления резисторов обратной связи 6, 7. В идеальном случае коэффициент ослабления помех общего вида ( π_OB) будет бесконечно большим. Реально он будет ограничен неточностью соблюдения равенства (9), а также неравенством паразитных емкостей связи выводов датчика 1 с источником помехи. Влиянием неточности выполнения равенства (10) можно пренебречь, т. к. в рабочей полосе частот R>>1/2πfC. Коэффициент подавления помехи общего вида составляет:
π_ОВ= 20 lg (11) где U_ОВ напряжение помехи общего вида;
Δ U разность потенциалов входов устройства, вызванная помехой общего вида в результате нарушения симметрии входной цепи; ее можно найти, как напряжение разбаланса 4 плечевого емкостного моста, образованного накопительными конденсаторами С и паразитными емкостями связи C_n между каждым выводом датчика 1 и источником помехи общего вида:
ΔU (C_пδ_C+Cδ_Cп) (12) где δ_C δ_Cn относительные разбалансы пар емкостей, соответственно, С и C_n. Подставив (12) в (11) получим:
π_ОВ= 20 lg (13)
Анализ (13) показывает, что для предлагаемого устройства можно получить высокие значения π_ОВ уменьшая относительные разбалансы δ_С и δ_Cn а также уменьшая абсолютное значение паразитных емкостей С_n. Это легко достичь, используя накопительные конденсаторы с малым отклонением емкости от номинала, а выводы датчика соединять с входом дифференциального интегратора экранированной и скрученной парой проводов. Чтобы изменение в процессе эксплуатации выходной проводимости датчика токового сигнала не влияло на чувствительность предлагаемого устройства, необходимо обеспечить:
_вх (p) > > _o (p) (14) где _вх (p) входная проводимость дифференциального интегратора тока 2;
_o(p) выходная проводимость датчика 1. Для предлагаемой схемы дифференциального интегратора тока, с учетом (9), (10), имеем
Υ_вх(p) ≃ + pC (15) где К коэффициент усиления напряжения дифференциального усилителя 3 без обратной связи;
m коэффициент передачи дифференциального делителя напряжения 8 (m<1). Из (15) следует, что выбором К, при любых значениях остальных параметров, можно обеспечить выполнение условия (14), следовательно, в предлагаемом устройстве можно обеспечить независимо чувствительности устройства от изменения емкости и сопротивления утечки датчика. В то же время, благодаря введению дифференциального делителя напряжения 8, уменьшается разряд через резисторы обратной связи 6, 7 накопительных конденсаторов 4, 5. Поэтому условие для выбора емкости последних отличается от (1). Действительно, из условия равенства активной и емкостной составляющих входной проводимости (15) на нижней граничной частоте получим:
C ≥ (16)
Сравнивая выражения (1) и (16), видим, что последнее отличается наличием множителя m. Обеспечивая m<<1, можно существенно уменьшить нижний предел емкости С и добиться, чтобы неравенство (2) изменилось на обратное. С<< С_о (17)
Величину эквивалентного тока внутреннего шума, приведенного к входу дифференциального интегратора тока, можно найти из (4), принимая за эквивалентную проводимость, обусловленную для рабочей полосы частот устройства, в основном, емкостью С накопительных конденсаторов 4, 5:
Υ(p) ≃ pC/2 (18)
Тогда с учетом (5), (17) и (18) выражение (4) имеет вид:
p²C²_o (19)
Сравнение (19) и (7) показывает, что в предлагаемом устройстве удается снизить величину внутреннего шума, прежде всего, за счет того, что шум здесь будет пропорционален емкости чувствительного элемента С_о, которая согласно (1) и (2), существенно меньше емкости обратной связи усилителя заряда. Кроме того, в эквивалентный шум устройства практически не вносит вклад каскада, следующий за дифференциальным интегратором 2, т.к. в выражении (19) отсутствует слагаемое U_ш2²
Коэффициент передачи дифференциального интегратора тока составляет:
K₁= U_вых/g_вх≃ 2/C (20) что в 2 раза превышает коэффициент передачи усилителя заряда (8). Однако, в устройстве имеется возможность значительного увеличения К₁ за счет снижения, согласно (16), емкости С.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ, содержащее датчик токового сигнала с симметричным выходом и последовательно соединенные полосовой фильтр, амплитудный детектор и пороговый формирователь сигнала тревоги, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости устройства, в него введен дифференциальный интегратор тока, входы которого соединены с выходами датчика токового сигнала с симметричным выходом, а выход с входом полосового фильтра. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и упрощения, дифференциальный интегратор тока выполнен на дифференциальном усилителе, накопительных конденсаторах, резисторах обратной связи и дифференциальном делителе напряжения, выходы которого через соответствующий резистор обратной связи соединены с инвертирующим и неинвертирующими входами дифференциального усилителя, выход которого непосредственно подключен к одному из входов дифференциального делителя напряжения и через первый накопительный конденсатор с инвертирующим входом дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого через второй накопительный конденсатор соединен с другим входом дифференциального делителя напряжений и с шиной нулевого потенциала, входы и выходы дифференциального усилителя соединены соответственно с входными и выходной клеммами дифференциального интегратора тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1