Устройство для охранной сигнализации

(57) Изобретение относится кранкой сигнализации и может ерри- Целью помехо- упрощеводств лера кл. кл.806 0 261, 0-261,кле нциальфильтр, формиОХРАН выход ть как ехнике ыть Ф Комитет Российской по патентам и товар(51) б б 08 В 13/00 пользовано для обнаружения прон ния нарушителя на контролируемую торию или в помещение, изобретения является повышение устойчивости, чувствительности и нне устройства, Устройство со датчик токового сигнала, диффере ный интегратор тока, полосовой амплитудный детектор, пороговый рователь сигнала тревоги, Наличие ренциального интегратора позволяет датчика токового сигнала использова симметричный. 1 з. п. ф-лы. 1 ил, 1834547(2) ССо Изобретение относится к технике охранной сигнализации и может быть использовано для обнаружения проникновения нарушителя на контактируемую территорию или в помещение,Известны устройства охранной сигна- лизациИ использующие датчики токового сигйалаг(электретные, трибоэлектрические, пьедомекгрйчдскией т.п,), Эти датчики отличаются низа выходной проводимостью, в которойЪбцщо,.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 датчикомвозмущений, 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 10 в равен коэффициенту передачи полезного сигнала К 1 с. Следовательно, коэффициент ослабления помехи общего вида для этого устройства равен; 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; где Ьн. -нижняя граничная частота спектра сигнала; для устройства охранной сигнализации спектр сигнала заходит в область инфранизких частот (для прототипа 1 н,01 Гц);В - сопротивление резистора обратной связи, т.к, устройства охранной сигнализации часто работают в условиях повышенной влажности, то обычно Я 10 Ом (для прототипа Я=0,8 10 Ом),Подставив в (1) приведенные числовые значения, получим: С 160 нф. Это значение на 1 - 2 порядка больше емкости типичных датчиков Со. Величина эквивалентного тока внутреннего шума приведенного к входу усилителя заряда, составляет: г г Ог ( ( )+( г+Ог ( ) (3)шэ ш 1 ш 1 о шг1 = 33 Т р)+Тр) +13 Т р) (4)шэ ш 1 о ш 2 Кроме того, для рабочей полосы частотустройства можно записать: т р) = рс(6) тр) = рс где Со - емкость датчика.Подставив (5), (6) с учетом (2) в (4), получим окончательное выражение для эквивалентного шума устройства; Коэффициент передачи усилителя заряда при достаточно большой глубине отрицательной обратной связи составляет:0К = (8)вхгде Овых - напряжение на выходе усилителя заряда;цвх - 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 воэможности обеспечить высокую чувствительность устройства. В то же время, согласно(8) коэффициент передачи усилителя заряда будет мал, что усложняет устройгде 1 Ш 1 - средний квадрат шумового токагактивных элементов усилителя заряда;ОВш 1 - средний квадрат шумового напряжения активных элементов усилителя заряда;,О шш 2 - средний квадрат шумового напряжения активных элементов усилителя напряжения;у о(р) - проводимость датчика, равная эквивалентной проводимости параллельно соединенных емкости датчика и сопротивления его изоляции;(р) - проводимость цепи обратной связи усилителя заряда, равная эквивалентной проводимости параллельно соединенных емкости и резистора обратной связи;р - оператор Лапласа,При использовании на входе усилителя заряда полевых транзисторов вкладом токового источника шума 1 ш 1 можно пренебгречь, тогда:10 15 20 25 30 35 40 45 50 ство, 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 под-ключены соответственно к выходу дифференциального усилителя и шине нулевого потенциала, а выходы присоединены через резисторы обратной связи к соответствуЮ- щим 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 подобныечувствительные 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 сигналатревоги 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, Выходыпоследнего 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 б, 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:(10)где С 4, С 5 - емкости накопительных конденсаторов 4, 5;В 6, 87 - сопротивления резисторов обратной связи б, 7.В идеальном случае коэффициент ослабления помех общего вида ( жов) будет бесконечно большим, Реально он будет ограничен неточностью соблюдения равенства (9), а также неравенством паразитиыхемкостей связи выводов датчика 1 с источником помехи. Влиянием неточности выполнения равенства(10) можно пренебречь, т.к.в рабочей полосе частот й 1/2 лС. Коэф фициент подавления помехи общего видасоставляет: 071 =20 1 дов ЬУ 10 0 ЫЗ = (С О +Со ) С пс Сп 25(13) Анализ (13) показывает, что для предлагаемого устройства можно получить высокие значения лов, уменьшаяотносительные разбалансы дс и дс, а также уменьшая абсолютное значение пара 0 зитных емкостей Сп. Это легко достичь,используя накопительные конденсаторы смалым отклонением емкости от номинала, авыводы датчика соединять с входом дифференциального интегратора экранированнойи скрученной парой проводов,Чтобы изменение в процессе эксплуатации выходной проводимости датчика токового сигнала не влияло на чувствительность 50 предлагаемого устройства, необходимообеспечить: твх (р)Го (р)(14) 55 где ,(р) - входная проводимость дифференциального интегратора тока 2;То(р) - выходная проводимость датчика1,где Оов - напряжение помехи общего вида;ЬО - разность потенциалов входовустройства, вызванная помехой общего ви да в результате нарушения симметрии входной цепи; ее можно найти, как напряжение разбаланса 4- плечевого емкостного моста, образованного накопительными конденсаторами С и паразитными емкостями связи 20 Сп между каждым выводом датчика 1 и источником помехи общего вида;30 1834547 Для предлагаемой схемы дифференциального интегг тора тока, с учетом (9), (10), имеем 1вх К ггст (р = = -- + рСвх Ц 2 Ввх(16) Сравнивая выражения (1) и (16), видим, что последнее отличается наличием множителя гп.Обеспечивая т 1, можно существенно уменьшить нижний предел емкости С и добиться, чтобы неравенство (2) изменилось на обратное. К = У /я = 2/С 1 вых вх(20) что в 2 раза превышает коэффициент передачи усилителя заряда (8). Однако, в устройстве имеется возможность значительного увеличения К 1 за счет снижения, согласно (16), емкости С,бретения45Формула изо2. Устройство по п.1, отличающеесятем, что, с целью повышения чувстви 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОХРАННОЙ тельности и упрощения, дифференциаль- СИГНАЛИЗАЦИИ, содержащее датчик ный интегратор тока выполнен на дифтокового сигнала с симметричным выхо 0 ференциальном усилителе, дом и последовательно соединенные накопительных конденсаторах, резистополосовой фильтр, амплитудный детек- рах обратной связи и дифференциальтор и пороговый формирователь сигнала ном делителе напряжения, выходы кото- тревоги, отличающееся тем, что, с рого через соответствующий резистор целью повышения помехоустойчивост" 55 обратной связи соединены с инвертируустройства, в него введен дифференци- ющим и неинвертирующими входами альный интегратор тока, входы которого дифференциального усилителя, выход соединены с выходами датчика токового которого непосредственно подключен к сигнала с симметричным выходом, а одному из входов дифференциального выход . свходоы полосового фильтра. дезитеяя напряжения и через первый где К - коэффициент усиления напряжения . дифференциального усилителя 3 без обратной связи;в - коэффициент передачи дифференциального делителя напряжения 8 (в 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 ем костной составляющих входной проводимости(15) на нижней граничной частоте получим: ССО (17) Величину эквивалентного тока внутреннего шума, приведенного к входудифференциального интегратора тока, можно найти 5 из(4), принимая за эквивалентную проводимость, обусловленную для рабочей полосы частот устройства, в основном, емкостью С накопительных конденсаторов 4, 5; Тогда с учетом (5), (17) и (18) выражение15 (4) имеет вид: Сравнение (19) и (7) показывает, что впредлагаемом устройстве удается снизить величину внутреннего шума, прежде всего, за счет того, что шум здесь будет пропорци онален емкости чувствительного элементаС которая согласно (1) и (2), существенно меньше емкости обратной связи усилителя заряда. Кроме того, в эквивалентный шум устройства практически не вносит вклад ка скада, следующий за дифференциальныминтегратором 2, т,к. в выражении (19) отсутствует слагаемое Ошг .2Коэффициент передачи дифференциального интегратора тока составляет: 351834547 Составитель И.НазаркинТехред М.Моргентал Редактор Заказ 136 ктор Л.Фил Тираж Подписн НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. У, ул.Г на, 10 накопительный конденсатор с инвертирующим входом дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого через второй накопительный конденсатор соединен с другим входом 5 дифференциального делителя напряжений и с шиной нулевого потенциала, входы и выходы дифференциального усилителя соединены соответственно с входными и выходной клеммами дифференциального интегратора тока.