Пьезоэлектрический преобразователь сигнала и датчик сигнала тревоги на основе пьезоэлектрического преобразователя сигнала

 

Изобретение относится к охранным системам. Техническим результатом является упрощение преобразователя и датчика и повышение чувствительности датчика сигнала тревоги. Обеспечение селективности датчика в случае минимального механического воздействия на охраняемый объект. Пьезоэлектрический преобразователь сигнала предназначен для получения последовательности прямоугольных импульсов с изменяющейся скважностью в зависимости от механического воздействия на охраняемый объект. Датчик сигнала тревоги предназначен для регистрации механического воздействия на охраняемый объект и преобразования сигнала механического воздействия в сигнал тревоги и содержит пьезоэлектрический преобразователь, включающий пьезоэлемент, установленный в цепи обратной связи блока формирования импульсов. 2 с. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к охранным системам, а точнее - к датчику сигнала тревоги на пьезоэлектрическом преобразователе сигнала в виде последовательности импульсов с изменяющимися временными параметрами.

Известно, что одним из часто встречающихся датчиков сигнала тревоги, регистрирующих механические воздействия на охраняемый объект, является датчик, основанный на пьезоэффекте. Все датчики, в том числе и описываемый известный датчик, содержат электрически соединенные блоки, предназначенные для усиления возникающего при механическом воздействии на пьезокристалл пьезоэлектричества, представляющего собой серию импульсов, длительность и амплитуда которых напрямую зависит от характера механических колебаний пьезоэлемента. Блок усиления, подключенный к пьезокристаллу, соединен с компаратором, где импульсы компарируются, и из всей серии возникающих отдельных хаотичных импульсов выбираются наиболее интенсивные по амплитуде импульсы. Они являются выходными сигналами данного устройства, причем формирование выходного сигнала происходит по первому импульсу ("Шок-сенсоры", рубрика "Лаборатория", журнал "Мастер 12 Вольт", 6, 1997, стр. 54-58, дом "Авто-Медиа". Москва).

Описываемый датчик обладает достаточно высокой чувствительностью, но не позволяет определить характер механического воздействия, так как любое достаточно интенсивное механическое воздействие на охраняемый объект вызывает срабатывание датчика сигнала тревоги.

В качестве датчиков сигнала тревоги на основе пьезоэлемента ("Шок-сенсоры", рубрика "Лаборатория", журнал "Мастер 12 Вольт", 6, 1997, стр. 54-58, дом " Авто-Медиа, Москва) применяются пьезоэлектрические преобразователи, содержащие пьезоэлемент, электрически соединенный с блоком формирования импульсов. В пьезоэлектрическом преобразователе обрабатывается сигнал, поступающий с пьезоэлемента, при помощи блока формирования импульсов, на выходе которого появляются импульсы с изменяющимися во времени параметрами, в данном случае - амплитудой. Затем сигнал, поступающий с выхода пьезоэлектрического преобразователя, обрабатывается в блоке обработки сигнала, в котором имеется аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор. Таким образом, приходящий с пьезоэлектрического преобразователя сигнал должен быть преобразован в удобную для восприятия микропроцессором форму. Для этого в блоке обработки применяются специальные усилители и аналогово-цифровые преобразователи, которые предназначены для усиления и преобразования аналогового сигнала, поступающего с выхода пьезоэлектрического преобразователя, в цифровую форму. Затем информация поступает в микропроцессор для дальнейшей ее обработки по специальному алгоритму, после чего выходной сигнал с блока обработки поступает на исполнительный блок, соединенный с исполнительным механизмом и сигнальными элементами.

В этом датчике сигнала тревоги, так же как и в описанном выше датчике, невозможно определить характер механического воздействия на пьезоэлемент и к тому же он обладает сложной схемотехникой, что обусловлено необходимостью поэтапной обработки последовательности импульсов, поступающих с выхода пьезоэлектрического преобразователя.

В процессе технического эксперимента авторами было установлено, что при обработке сигнала в виде последовательности прямоугольных импульсов с изменяющейся скважностью, которая возникает на выходе пьезоэлектрического преооразователя, появляется возможность осуществить гибкую селекцию возникающих в пьезоэлементе механических колебаний, которые затем преобразуются в блоке формирования импульсов в сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов и поступают в блок обработки сигнала, где непосредственно осуществляется селекция импульсов. В этом случае обрабатывается каждый приходящий на вход блока обработки импульс последовательности, и по их взаиморасположению с большой достоверностью можно судить о характере механических воздействий на пьезоэлемент.

В основу изобретения положена задача создания датчика сигнала тревоги с таким пьезоэлектрическим преобразователем, схема которого позволяла бы получить на выходе сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов с изменяющейся в зависимости от механического воздействия скважностью и таким блоком обработки импульсов, получаемых на выходе пьезоэлектрического преобразователя, которые позволили бы повысить чувствительность датчика сигнала тревоги и его селективность в случае минимального механического воздействия на охраняемый объект и упростить элементную базу, как пьезоэлектрического преобразователя, так и всего датчика сигнала тревоги в целом.

Поставленная задача решается за счет того, что в пьезоэлектрическом преобразователе сигнала с изменяющимися в зависимости от механического воздействия временными параметрами, содержащем пьезоэлемент, электрически соединенный с блоком формирования импульсов, согласно изобретению блок формирования импульсов имеет цепь обратной связи, включающую по меньшей мере один резистор обратной связи, а пьезоэлемент установлен в этой цепи обратной связи для создания автоколебательного контура для изменения параметров обратной связи и временных параметров последовательности выходных импульсов блока формирования импульсов при механическом воздействии на пьезоэлемент.

Целесообразно, чтобы согласно изобретению в пьезоэлектрическом преобразователе блок формирования импульсов включал бы операционный усилитель и по меньшей мере два резистора установки режима операционного усилителя по постоянному току, точка соединения которых была бы подключена к прямому входу операционного усилителя, выход которого, являющийся выходом блока формирования импульсов, через цепь последовательно соединенных резисторов установки режима подключался бы к нулевой шине и одной обкладке пьезоэлемента, другая обкладка которого через резистор обратной связи подключалась бы к выходу операционного усилителя.

Разумно, чтобы в пьезоэлектрическом преобразователе согласно изобретению блок формирования импульсов включал бы инвертор на логической микросхеме с резистором установки режима инвертора по постоянному току и транзистор, коллектор которого был бы подключен к входу инвертора и через резистор установки режима инвертора по постоянному току - к выходу инвертора, являющемуся выходом блока формирования импульсов, подключенным к одной обкладке пьезоэлемента, который параллельно был бы подключен к резистору обратной связи, который соединялся бы со входом блока формирования импульсов, подключенным к базе транзистора, эмиттер которого был бы подключен к нулевой шине.

Допустимо, чтобы в пьезоэлектрическом преобразователе согласно изобретению блок формирования импульсов включал бы последовательно соединенные первый инвертор на основе логической микросхемы, RC-цепочку и второй инвертор на основе логической микросхемы, а также второй резистор, подключенный одним выводом к выходу первого инвертора, и третий резистор, подключенный одним выводом к выходу блока формирования импульсов, соединенному с одной из обкладок пьезоэлемента, другая обкладка которого была бы подключена ко второму выводу второго резистора блока формирования импульсов и к резистору обратной связи, соединенному со входом блока формирования импульсов, являющемуся входом первого инвертора.

Удобно, чтобы в пьезоэлектрическом преобразователе блок формирования импульсов включит бы два транзистора, эмиттеры которых были бы соединены с нулевой шиной, коллектор первого транзистора через первый и второй резисторы соединялся бы с выходом блока формирования импульсов, а база этого транзистора подключалась бы к RC-цепочке, соединенной с выходом блока формирования импульсов, и к точке соединения первого и второго резисторов блока формирования импульсов, а резистор обратной связи одним своим выводом был бы подключен к базе второго транзистора и к одной обкладке пьезоэлемента, другой вывод резистора обратной связи был бы подключен к точке соединения первого, второго и третьего резисторов блока формирования импульсов, являющейся шиной питания, а другая обкладка пьезоэлемента подключалась бы к выходу блока формирования импульсов через первый и второй резисторы.

Поставленная задача решается также тем, что в датчике сигнала тревоги для охраны объекта, содержащем пьезоэлектрический преобразователь, предназначенный для получения последовательности импульсов с изменяющимися временными параметрами при механическом воздействии на пьезоэлемент, электрически соединенный с блоком формирования импульсов, выход которого подключен к входу блока обработки импульсов с изменяющимися временными параметрами, а выходы блока обработки импульсов через по меньшей мере один электронный ключ подключены к исполнительному механизму с сигнальным элементом, согласно изобретению в пьезоэлектрическом преобразователе блок формирования импульсов имеет цепь обратной связи, включающую по меньшей мере один резистор обратной связи, при этом в цепи обратной связи установлен пьезоэлемент для создания автоколебательного контура, изменения параметров обратной связи и параметров выходного сигнала блока формирования импульсов при механическом воздействии на объект, а в качестве блока обработки импульсов использован фазовый детектор, информационный вход которого подключен к выходу пьезоэлектрического преобразователя, вход напряжения питания подключен к источнику питания, а выходы - ко входу исполнительного механизма, включающего по меньшей мере один электронный ключ, выполненный на основе транзистора, база которого подключена к двум резисторам, один из которых соединен с выходом блока обработки импульсов, другой резистор - с нулевой шиной, к которой подключен эмиттер транзистора, коллектор которого соединен с электромеханическим реле, подключенным к источнику питания, а нормально разомкнутые контакты реле подключены к соответствующему сигнальному элементу.

Вполне допустимо также, чтобы в датчике сигнала тревоги согласно изобретению в качестве фазового детектора блока обработки импульсов был бы использован микроконтроллер, выполненный с возможностью срабатывания при заданной величине изменения временных параметров последовательности выходных импульсов, поступающих с выхода пьезоэлектрического преобразователя.

Вполне допустимо, чтобы в предлагаемом датчике сигнала тревоги согласно изобретению пьезоэлектрический преобразователь имел блок формирования импульсов, включающий операционный усилитель и по меньшей мере два резистора установки режима операционного усилителя по постоянному току, точка соединения которых подключалась бы к прямому входу операционного усилителя, выход которого, являющийся выходом блока формирования импульсов, через цепь последовательно соединенных резисторов установки режима операционного усилителя по постоянному току был бы подключен к нулевой шине и одной обкладке пьезоэлемента, другая обкладка которого подключалась бы через резистор обратной связи к выходу операционного усилителя.

Также допустимо, чтобы в предлагаемом датчике сигнала тревоги согласно изобретению в пьезоэлектрическом преобразователе блок формирования импульсов включал бы инвертор на логической микросхеме с резистором установки режима инвертора по постоянному току и транзистор, коллектор которого был бы подключен к входу инвертора и через резистор установки режима по постоянному току - к выходу инвертора, являющемуся выходом блока формирования импульсов, подключенным к одной обкладке пьезоэлемента, который параллельно подключался бы к резистору обратной связи, соединенному со входом блока формирования импульсов, подключенным к базе транзистора, эмиттер которого был бы подключен к нулевой шине.

Весьма целесообразно, чтобы согласно изобретению в датчике сигнала тревоги блок формирования импульсов пьезоэлектрического преобразователя включал бы последовательно соединенные первый инвертор на логической микросхеме, RC-цепочку и второй инвертор на логической микросхеме, а также второй резистор, подключенный одним выводом к выходу первого инвертора, и третий резистор, подключенный одним выводом к выходу блока формирования импульсов, соединенному с одной из обкладок пьезоэлемента, другая обкладка которого была бы подключена ко второму выводу второго резистора блока формирования импульсов и к резистору обратной связи, соединенному со входом блока формирования импульсов, являющемуся входом первого инвертора.

Еще более разумно, чтобы в датчике сигнала тревоги согласно изобретению в пьезоэлектрическом преобразователе блок формирования импульсов включал бы два транзистора, эмиттеры которых были бы соединены с нулевой шиной, коллектор первого транзистора через первый и второй резисторы был бы соединен с выходом блока формирования импульсов, а его база подключалась бы к RC-цепочке, соединенной с выходом блока формирования импульсов, и к точке соединения первого и второго резисторов блока формирования импульсов, а резистор обратной связи одним своим выводом был бы подключен к базе второго транзистора и к одной обкладке пьезоэлемента, другой вывод резистора обратной связи подключался бы к точке соединения первого, второго и третьего резисторов блока формирования импульсов, являющейся шиной питания, а другая обкладка пьезоэлемента была бы подключена к выходу блока формирования импульсов через первый и второй резисторы.

Таким образом, предлагаемые пьезоэлектрический преобразователь и датчик сигнала тревоги позволяют получить тревожный сигнал на выходе датчика сигнала тревоги при минимальном механическом воздействии на датчик, установленный на объекте, без ложного срабатывания на бытовой шум, что стало возможным за счет получения на выходе пьезоэлектрического преобразователя сигнала в виде последовательности прямоугольных импульсов с изменяющимся в зависимости от степени механического воздействия параметром, а именно скважностью этих прямоугольных импульсов, что в свою очередь позволило упростить схему блока обработки импульсов, так как предлагаемое изобретение позволяет исключить необходимые в прототипе операции по преобразованию аналогового сигнала в цифровую форму для дальнейшей обработки сигнала в блоке обработки, функцию которого в предлагаемом изобретении выполняет фазовый детектор или микроконтроллер.

Эти и другие преимущества изобретения станут более понятными после его подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 представляет собой блок-схему пьезоэлектрического преобразователя с пьезоэлементом в обратной связи блока формирования импульсов с изменяющимся временным параметром согласно изобретению, фиг. 2 - электрическую схему блока формирования импульсов с операционным усилителем согласно изобретению, фиг. 3 - вариант выполнения схемы блока формирования импульсов с одним транзистором и инвертором на логической микросхеме согласно изобретению, фиг. 4 - еще один вариант выполнения схемы блока формирования импульсов с двумя инверторами на логической микросхеме, фиг. 5 - следующий возможный вариант выполнения блока формирования импульсов на двух встречно установленных транзисторах согласно изобретению, фиг. 6 - блок-схему датчика сигнала тревоги с пьезоэлектрическим преобразователем и блоком обработки импульсов, получаемых с выхода блока формирования импульсов пьезоэлектрического преобразователя согласно изобретению, фиг. 7 (а, б, в, г) - эпюры сигналов на выходе пьезоэлектрического преобразователя.

Пьезоэлектрический преобразователь сигнала с изменяющимися временными параметрами в зависимости от механического воздействия на объект содержит пьезоэлемент 1, соединенный одной обкладкой со входом блока 2 формирования импульсов, который выходом через резистор 3 обратной связи подключен к другой обкладке пьезоэлемента 1. Таким образом, пьезоэлемент 1 установлен в обратной связи блока 2 формирования импульсов для создания автоколебательного контура, а также для изменения параметров обратной связи и, как следствие, - временных параметров последовательности выходных импульсов блока 1 формирования импульсов при механическом воздействии на пьезоэлемент 1. Предлагаемое изобретение позволяет получить на выходе блока 2 формирования импульсов последовательность прямоугольных импульсов с изменяющимся временным параметром, а именно - скважностью, в зависимости от механического воздействия на охраняемый объект, на котором установлен описываемый пьезоэлектрический преобразователь, как будет показано ниже.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения пьезоэлектрического преобразователя, в котором блок 2 формирования импульсов содержит операционный усилитель 4, например, типа К153УД6 или К140УД7, и два резистора 5,6 установки режима операционного усилителя по постоянному току. Резисторы 5,6 соединены последовательно, а точка соединения резисторов 5,6 подключена к прямому входу 7 операционного усилителя 4, у которого инвертирующий вход 8, являющийся входом блока 2 формирования импульсов, подключен к одной из обкладок пьезоэлемента 1. Выход операционного усилителя 4, являющийся выходом блока 2 формирования импульсов, через резисторы 5, 6 подключен к нулевой шине 9 и к другой обкладке пьезоэлемента 1. Резистор 3 обратной связи подключен к выходу операционного усилителя и к первой обкладке пьезоэлемента 1.

На фиг. 3 изображен другой вариант выполнения пьезоэлектрического преобразователя. Здесь блок 2 формирования импульсов выполнен на транзисторе 10, например КТ3102, подключенном своим коллектором ко входу инвертора 11 на логической микросхеме, например 561ЛН1 или 561ЛН2, и через резистор 12 установки режима работы инвертора - к выходу инвертора 11, который является выходом блока 2 формирования импульсов, подключенным к одной обкладке пьезоэлемента 1, параллельно подключенного к резистору 3 обратной связи. Резистор 3 подключен к другой обкладке пьезоэлемента 1 и к входу блока 2, который соединен через резистор обратной связи с базой транзистора 10, эмиттер которого подключен к нулевой шине 9.

На фиг. 4 представлен еще один вариант выполнения пьезоэлектрического преобразователя, где блок 2 формирования импульсов содержит последовательно соединенные первый инвертор 13 на логической микросхеме, например 176ЛН1, 564ЛН2, 1533ЛН1, а также цепочку из резистора 14 и конденсатора 15 и второй инвертор 16 на логической микросхеме, выполненный аналогично первому. Блок формирования содержит также второй резистор 17, подключенный одним выводом к выходу первого инвертора 13 и третий резистор 18, подключенный одним выводом к выходу блока 2, который соединен с одной обкладкой пьезоэлемента 1, другая обкладка которого подключена ко второму выводу второго резистора 17 блока 2 и к резистору 3 обратной связи, соединенному со входом блока 2 формирования импульсов, являющемуся входом первого инвертора 13.

Следующий вариант представлен на фиг. 5. Здесь блок 2 выполнен на двух транзисторах 19, 20, например КТ3107, КТ3102, КТ315. Эмиттеры транзисторов 19, 20 подключены к нулевой шине 9, а коллектор первого транзистора 19, являющийся входом блока 2, подключен через первый и второй резисторы 21, 22 к выходу блока 2 формирования импульсов. База первого транзистора 19 подключена к RC-цепочке, состоящей из резистора 23 и конденсатора 24, и через резисторы 22 и 23 подключена к выходу блока 2 формирования импульсов. Резистор 3 обратной связи подключен одним выводом к базе второго транзистора 20 и к одной обкладке пьезоэлемента 1, а другим выводом резистор 3 обратной связи подключен к точке соединения первого, второго и третьего резисторов 21, 22, 23 блока 1. Другая обкладка пьезоэлемента 1 подключена к коллектору второго транзистора 20 и к выходу блока 2 формирования импульсов через первый и второй резисторы 21, 22.

Все представленные варианты выполнения схем пьезоэлектрического преобразователя позволяют получить на выходе блока 2 формирования импульсов выходной сигнал в виде последовательности прямоугольных импульсов с изменяющимся временным параметром - скважностью. Скважность последовательности прямоугольных импульсов определяется интенсивностью механического воздействия на пьезоэлемент 1.

На фиг. 6 представлен датчик сигнала тревоги, содержащий пьезоэлектрический преобразователь на пьезоэлементе 1 (фиг. 1), выход которого подключен к блоку 25 (фиг. 6) обработки выходных прямоугольных импульсов, поступающих с выхода пьезоэлектрического преобразователя. Функцию блока 25 обработки выходных прямоугольных импульсов выполняет фазовый детектор, информационный вход которого подключен к выходу блока 2 формирования импульсов пьезоэлектрического преобразователя, вход напряжения питания блока 25 обработки подключен к блоку 26 напряжения питания, который в данном случае включает схему из конденсаторов 27, 28, 29, 30 и резистор 31. Эта схема установлена между выходами блока 26 напряжения питания. Выходы блока 25 обработки подключены ко входам исполнительного механизма 32, включающему по меньшей мере один, в данном случае два электронных ключа по числу выходов блока 25, в данном случае - два электронных ключа 33, 34. Каждый их ключей 33, 34 выполнен на основе транзистора 35, 36 соответственно, база каждого из которых подключена к соответствующим резисторам 37, 38 и 39, 40, при этом резисторы 35, 38 подключены к выходу блока 25, а резисторы 36, 37 - к другому выходу блока 25 и к нулевой шине 9, так же как и эмиттеры транзисторов 35, 36. Коллекторы транзисторов 35, 36 соединены с выводами соответствующих электромеханических реле 41, 42, другой вывод каждого из которых соединен с источником 26 питания, а нормально разомкнутые контакты реле 41, 42 подключены к соответствующему сигнальному элементу или механизму - сигнальной лампе 43 и сирене 44.

Заметим, что в предлагаемом датчике сигнала тревоги в качестве фазового детектора блока обработки импульсов может быть использован микроконтроллер, выполненный с возможностью срабатывания при заданной величине изменения скважности (временного параметра) последовательности прямоугольных импульсов, поступающих с выхода пьезоэлектрического преобразователя.

На фиг. 7 представлены эпюры, показывающие изменение выходного сигнала пьезоэлектрического преобразователя при различной степени механического воздействия на объект. Фиг. 7а - осциллограмма, полученная в состоянии покоя, фиг. 7б - осциллограмма сигнала при минимальном внешнем воздействии на объект (падение металлического предмета весом 1 грамм на твердую поверхность с высоты 10 сантиметров). Фиг. 7в - осциллограмма сигнала при среднем уровне внешнего воздействия - падение металлического предмета весом 50 грамм с высоты 10 сантиметров. Фиг. 7г - осциллограмма сигнала при максимальном уровне внешнего воздействия - падение металлического предмета весом один килограмм с высоты 10 сантиметров.

Предлагаемый пьезоэлектрический преобразователь сигнала работает следующим образом.

Пьезоэлектрический преобразователь может быть расположен либо на охраняемом объекте непосредственно (не показано), либо в составе датчика сигнала тревоги (см. ниже), закрепленного на охраняемом объекте. Исходное состояние пьезоэлектрического преобразователя следующее: на пьезоэлемент 1 (фиг. 2), блок 2 формирования импульсов и резистор 3 подано постоянное напряжение питания, выбранное в диапазоне величин от 1,5 до 30 В в зависимости от применяемого операционного усилителя 4. Механическое воздействие на пьезоэлемент 1 отсутствует. Благодаря положительной обратной связи схема переходит в режим автоколебаний, вследствие чего операционный усилитель 4 достигает режима насыщения и ограничения по амплитуде выходного сигнала, то есть вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов (фиг. 7а). В предлагаемом изобретении в цепь обратной связи включен пьезоэлемент 1, вследствие чего при возникновении механических воздействий на пьезоэлемент 1 на его обкладках возникает переменное напряжение, величина которого изменяется в зависимости от интенсивности механического воздействия в пределах от 1 мкВ до 800 МВ, кроме того изменяется емкость пьезоэлемента 1 в зависимости от его конструктивного исполнения от 50 до 4000 пФ. Указанные обстоятельства изменяют параметры цепи обратной связи и, как следствие, - скважность последовательности генерируемых прямоугольных импульсов на выходе пьезоэлектрического преобразователя Вариант, представленный на фиг. 3, работает следующим образом.

Предположим, что в исходном состоянии транзистор 10 находится в закрытом состоянии. При подаче напряжения питания на коллекторе транзистора 10 возникает некоторый потенциал, вызывающий появление перепада положительного потенциала на выходе инвертора 11. Этот перепад потенциала, передаваясь через емкость пьезоэлемента 1, переводит транзистор 10 на время, определяемое параметрами RC-цепочки, в открытое состояние. На коллекторе транзистора 11 появляется нулевой потенциал, который переводит инвертор 11 в противоположное состояние. Перепад напряжения на пьезоэлементе 1 перезаряжает его емкость и закрывает транзистор 11, после чего процесс повторяется. Изменение параметров цепи обратной связи вызывает изменение скважности последовательности импульсов на выходе блока 2 формирования импульсов.

Вариант пьезоэлектрического преобразователя, представленный на фиг. 4, работает на сходном принципе поочередной перезарядки емкостей пьезоэлемента 1 (в результате механических воздействий на пьезоэлемент) и конденсатора 15, вследствие чего происходит изменение параметров обратной связи и формирование последовательности прямоугольных импульсов с изменяющейся скважностью на выходе блока 2 формирования импульсов.

В схеме, представленной на фиг. 5, в исходном состоянии первый транзистор 19 открыт, конденсатор 24 заряжается через цепь резистора 23 и открывает транзистор 20. Положительный потенциал конденсатора 24 вызывает открывание транзистора 19. Емкость пьезоэлемента 1 соединена с нулевым потенциалом, что вызывает закрывание транзистора 20. Конденсатор 24 разряжается через транзистор 19, что вызывает его закрывание. Очевидно, что параметры последовательности импульсов соответствуют параметрам цепи резистор 23 - конденсатор 24 и резистор 3 - пьезоэлемент 1. При механическом воздействии на пьезоэлемент 1 на его обкладках возникает электрический потенциал, изменяющий параметры транзистора 20 по постоянному току, а изменение емкости пьезоэлемента 1 вызывает изменение параметров в цепи обратной связи из резистора 3 и пьезоэлемента 1.

На эпюрах а,б,в,г фиг. 7 видно, как происходит изменение скважности последовательности импульсов в зависимости от интенсивности механического воздействия на пьезоэлемент 1, очевидно, что чем более интенсивным становится механическое воздействие, тем меньше скважность последовательности прямоугольных импульсов. Изменение периода фиксируется от 1 ms до 4,5 ms при постоянной длительности импульса 0,5 ms, т.е очевидно изменение скважности последовательности прямоугольных импульсов.

Датчик сигнала тревоги, представленный на фиг. 6, использует в своей схеме описанный выше пьезоэлектрический преобразователь (фиг. 1), формирующий на своем выходе последовательность прямоугольных импульсов прямоугольной формы с изменяющейся скважностью. Эта последовательность прямоугольных импульсов поступает непосредственно на вход микроконтроллера 25' (в нашем случае, например, марки PIC 12508), где происходит обработка приходящей последовательности импульсов, при которой происходит отбор нужной интенсивности механического воздействия на охраняемый объект, длительности и характера механического воздействия, как то: резкий удар, порыв ветра, проходящий в непосредственной близости трамвай, вибрация, тихое царапанье или разбитое стекло. После отбора определенного воздействия на выходе микроконтроллера 25 появляется сигнал логической "единицы", вызывающий открывание соответствующего ключевого транзистора 35 или 36, который в свою очередь включает соответствующее электромагнитное реле 41 или 42 с нормально разомкнутыми контактами, включающими исполнительный механизм (в нашем случае лампу накаливания 43 или сирену 44).

В показанной схеме микроконтроллер 25 имеет два выхода, на которых возникают сигналы разной интенсивности: предупредительный сигнал, например, включающий лампу 43, и сигнал полной тревоги, когда срабатывают лампа 43 и сирена 44.

Отметим особо, что в датчике сигнала тревоги, а именно в блоке обработки сигнала в виде последовательности импульсов, может быть применен фазовый детектор (на фиг. 6 не показано), в качестве которого выступал ранее описанный микроконтроллер 25'. Однако использование фазового детектора, обеспечивая обработку приходящей последовательности прямоугольных импульсов, не позволяет проводить гибкую селекцию тревожных сигналов и бытового шума в той же степени, как блок обработки 25, выполненный на микроконтроллере 25' и, следовательно, выполнение блока обработки сигнала на микроконтроллере 25' представляется наиболее оптимальным вариантом выполнения датчика сигнала тревоги.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать пьезоэлектрический преобразователь сигнала, вырабатывающий последовательность прямоугольных импульсов с изменяющейся скважностью в зависимости от механического воздействия на объект. При этом уровень прямоугольного сигнала и его частота позволяют избежать необходимости последовательного усиления и фильтрации выходного сигнала пьезоэлектрического преобразователя, как это было в прототипе, и, следовательно, упростить схемотехническое решение пьезоэлектрического преобразователя. Датчик сигнала тревоги, выполненный с применением предложенного пьезоэлектрического преобразователя, обладает повышенной чувствительностью и селективностью в отношении механических воздействий на охраняемый объект. Селективность предлагаемого датчика сигнала тревоги позволяет реагировать на минимальное воздействие злоумышленника на охраняемый объект и не давать ложного сигнала срабатывания на бытовой фон.

Элементная база датчика сигнала тревоги значительно упрощается за счет отсутствия аналого-цифрового преобразования в блоке обработки последовательности прямоугольных импульсов с изменяющейся скважностью.

Изобретение может найти применение как в стационарных системах сигнализации (оповещения) на любых объектах охраны - музей, автомобили, банки и др. промышленные и культурные объекты.

Производство этого пьезоэлектрического преобразователя и датчика сигнала тревоги, описанных выше, может быть осуществлено на любых предприятиях, выпускающих радиоэлектронное оборудование.

Формула изобретения

1. Пьезоэлектрический преобразователь сигнала с изменяющимися в зависимости от механического воздействия временными параметрами, содержащий пьезоэлемент, электрически соединенный с блоком формирования импульсов, отличающийся тем, что блок формирования импульсов имеет цепь обратной связи, включающую по меньшей мере один резистор обратной связи, а пьезоэлемент установлен в этой цепи обратной связи для создания автоколебательного контура и изменения параметров обратной связи и временных параметров последовательности выходных импульсов блока формирования импульсов при механическом воздействии на пьезоэлемент.

2. Пьезоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок формирования импульсов включает операционный усилитель и, по меньшей мере, два резистора установки режима операционного усилителя по постоянному току, точка соединения которых подключена к прямому входу операционного усилителя, выход которого, являющийся выходом блока формирования импульсов, через цепь последовательно соединенных резисторов установки режима операционного усилителя по постоянному току подключен к нулевой шине и одной обкладке пьезоэлемента, другая обкладка которого через резистор обратной связи подключена к выходу операционного усилителя.

3. Пьезоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок формирования импульсов включает инвертор на логической микросхеме с резистором установки режима инвертора по постоянному току и транзистор, коллектор которого подключен к входу инвертора и через резистор установки режима инвертора по постоянному току - к выходу инвертора, являющемуся выходом блока формирования импульсов, подключенным к одной обкладке пьезоэлемента, который параллельно подключен к резистору обратной связи, который соединен с входом блока формирования импульсов, подключенным к базе транзистора, эмиттер которого подключен к нулевой шине.

4. Пьезоэлектрический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что блок формирования импульсов включает последовательно соединенные первый инвертор на логической микросхеме, RC-цепочку и второй инвертор на логической микросхеме, а также второй резистор, подключенный одним выводом к выходу первого инвертора, и третий резистор, подключенный одним выводом к выходу блока формирования импульсов, соединенному с одной из обкладок пьезоэлемента, другая обкладка которого подключена к второму выводу второго резистора блока формирования импульсов и к резистору обратной связи, соединенному с входом блока формирования импульсов, являющемуся входом первого инвертора.

5. Датчик сигнала тревоги, содержащий пьезоэлектрический преобразователь, предназначенный для получения последовательности импульсов с изменяющимися временными параметрами при механическом воздействии на пьезоэлемент, электрически соединенный с блоком формирования импульсов, выход которого подключен к входу блока обработки импульсов с изменяющимися временными параметрами, а выходы блока обработки импульсов через, по меньшей мере, один электронный ключ подключены к исполнительному механизму с сигнальным элементом, отличающийся тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе блок формирования импульсов имеет цепь обратной связи, включающую, по меньшей мере, один резистор обратной связи, при этом в цепи обратной связи установлен пьезоэлемент для создания автоколебательного контура для изменения параметров обратной связи и параметров выходного сигнала при механическом воздействии на объект, а в качестве блока обработки импульсов с изменяющимися временными параметрами использован фазовый детектор, у которого информационный вход подключен к выходу пьезоэлектрического преобразователя, вход напряжения питания подключен к источнику питания, а выходы - ко входу исполнительного механизма, включающего, по меньшей мере, один электронный ключ, выполненный на основе транзистора, база которого подключена к двум резисторам, один из которых соединен с выходом блока обработки импульсов, другой резистор - с нулевой шиной, к которой подключен эмиттер транзистора, коллектор которого соединен с электромеханическим реле, подключенным к источнику питания, а нормально разомкнутые контакты реле подключены к соответствующему сигнальному элементу.

6. Датчик сигнала тревоги по п.5, отличающийся тем, что в качестве фазового детектора блока обработки импульсов использован микроконтроллер, выполненный с возможностью срабатывания при заданной величине изменения временных параметров последовательности выходных импульсов, поступающих с выхода пьезоэлектрического преобразователя.

7. Датчик сигнала тревоги по п.5 или 6, отличающийся тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе блок формирования импульсов включает операционный усилитель и, по меньшей мере, два резистора установки режима операционного усилителя по постоянному току, точка соединения которых подключена к прямому входу операционного усилителя, выход которого, являющийся выходом блока формирования импульсов, через цепь последовательно соединенных резисторов установки режима по постоянному току подключен к нулевой шине и одной обкладке пьезоэлемента, другая обкладка которого подключена через резистор обратной связи к выходу операционного усилителя.

8. Датчик сигнала тревоги по п.5 или 6, отличающийся тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе блок формирования импульсов включает инвертор на логической микросхеме с резистором установки режима инвертора по постоянному току и транзистор, коллектор которого подключен к входу инвертора и через резистор установки режима инвертора - к выходу инвертора, являющемуся выходом блока формирования импульсов, подключенным к одной обкладке пьезоэлемента, который параллельно подключен к резистору обратной связи, который другим выводом подключен к входу блока формирования импульсов, соединенным с базой транзистора, эмиттер которого подключен к нулевой шине.

9. Датчик сигнала тревоги по п.5 или 6, отличающийся тем, что в пьезоэлектрическом преобразователе блок формирования импульсов включает последовательно соединенные первый инвертор на логической микросхеме, RC-цепочку и второй инвертор на логической микросхеме, еще один резистор, подключенный одним выводом к выходу первого инвертора, и третий резистор, подключенный к выходу блока формирования импульсов, соединенному с одной из обкладок пьезоэлемента, другая обкладка которого подключена к второму выводу второго резистора блока формирования импульсов и к резистору обратной связи, соединенному со входом блока формирования импульсов, являющемуся входом первого инвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 13.11.2007

Извещение опубликовано: 10.07.2009        БИ: 19/2009

---