Способ обнаружения вторжения в охраняемое пространство и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технике формирования тревожных сигналов в пассивных системах обнаружения вторжения и может быть использовано в системах автоматики, специальной и бытовой технике. Сущность изобретения заключается в том, что в охраняемом пространстве осуществляют прием электромагнитного поля крайне низких частот, возбуждаемого объектом вторжения, выделяют напряжение и формируют сигнал тревоги при изменении напряжения, которое вызвано возмущениями поля при несанкционированном вторжении объекта, обладающего электрическими зарядами. Устройство содержит чувствительный к электромагнитному полю элемент в виде операционного усилителя, охваченного глубокой отрицательной связью с открытым инвертирующим и заземленным неинвертирующим входами. Входное сопротивление по инвертирующему входу операционного усилителя более 10 Ом. С выходом операционного усилителя последовательно соединены фильтры нижних и верхних частот. Выход фильтра верхних частот подключен ко входу компаратора, соединенного своим выходом с усилителем, который подключен к выходному каскаду для формирования сигнала тревоги. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к технике формирования тревожных сигналов в пассивных системах обнаружения вторжения и может быть использовано в системах автоматики, специальной и бытовой технике.

Известен способ обнаружения вторжения в охраняемое пространство, заключающийся в анализе изменения параметров электромагнитных полей инфракрасного диапазона длин волн, излучаемых находящимися в охраняемом пространстве объектами [1] Согласно способу регистрируется интенсивность тепловых излучений объектов, которая в общем случае пропорциональна температуре поверхности объектов, затем осуществляется преобразование зарегистрированных тепловых излучений в импульсы напряжения, амплитуда которых является некоторой функцией градиента температуры, а их частота скорости его изменения. На основе анализа этих параметров осуществляется принятие решения о вторжении или его отсутствии в охраняемом пространстве.

Недостатком известного способа является ограниченная сфера применения. Это связано с тем, что на практике оказывается невозможным реализовать данный способ в условиях, когда температура окружающей среды примерно равна температуре поверхности объекта вторжения, например тела человека.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа заявляемому, является способ обнаружения вторжения в охраняемое пространство, заключающийся в анализе состояния электростатического поля в охраняемой зоне, осуществляемом путем преобразования электрического тока, возбуждаемого этим полем в приемной антенне, в напряжение и последующей сравнительной оценке этого напряжения при отсутствии и наличии вторжения.

Недостатком известного способа является низкая достоверность обнаружения вторжения. Это обстоятельство вызвано тем, что величина тока I, индицируемого полем в антенне, зависит от параметров среды, в которую помещена антенна, а также временных изменений поля, вызванных случайными атмосферными разрядами (гроза, дождь, снег) и источниками промышленных помех где S площадь антенны; γ удельная проводимость среды; Е напряженность электрического поля; e диэлектрическая проницаемость среды.

Все это приводит к модуляции тока, наведенного в антенне, и, как следствие, к изменению напряжения, по величине которого осуществляется принятие решения о вторжении. Таким образом, даже при отсутствии объекта вторжения из-за случайных изменений величин Е может быть принято ошибочное решение о наличии вторжения.

Известно устройство, реализующее данный способ, состоящее из оптической системы, многоэлементного инфракрасного детектора, логической схемы и схемы принятия решения о наличии или отсутствия вторжения [1] Известное устройство обладает ограниченной в пространстве диаграммой направленности и малым диапазоном (контролируемых) обнаружаемых скоростей перемещения объектов вторжения.

Первое обстоятельство связано с ограниченным полем зрения оптической системы, второе с инерционностью инфракрасного детектора.

Известный датчик обнаружения вторжения, выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит приемную антенну, преобразователь тока в напряжение, усилитель, детектор и пороговое устройство [2] Недостатками известного устройства являются его низкая помехозащищенность, большие габариты и ограниченная область применения. Первое обстоятельство объясняется тем, что в известном устройстве любой сигнал, индуцированный в антенне, воспринимается как полезный, так как фильтрация осуществляется низкодобротными звеньями с коэффициентом ослабления порядка 6 дБ на октаву. Второе обстоятельство предопределяется габаритами антенны (1 м²), что, в свою очередь, ограничивает область применения данного устройства, например, в роботехнике или технологических процессах, где необходимо контролировать перемещение узлов или объектов.

В основу настоящего изобретения положена задача создания способа обнаружения вторжения в охраняемое пространство, обеспечивающего повышение достоверности обнаружения и снижение вероятности ложной тревоги, и устройства для осуществления этого способа, обладающего высокой помехозащищенностью при малых габаритах.

Поставленная задача решается тем, что по способу обнаружения вторжения в охраняемое пространство, заключающемуся в том, что осуществляют выделение одного из параметров, характеризующего поле в охраняемом пространстве, формируют сигнал тревоги при изменении данного параметра, которое вызвано возмущениями поля при несанкционированном вторжении в охраняемое пространство объекта, обладающего электрическими зарядами, согласно изобретению, осуществляют прием электромагнитного поля крайне низких частот, а в качестве параметра, характеризующего это поле, выбирают напряжение.

Поставленная задача решается также тем, что в устройстве для обнаружения вторжения в охраняемое пространство, содержащем чувствительный к полю охраняемого пространства элемент, усилитель, компаратор и выходной каскад для формирования сигнала тревоги, согласно изобретению, использован чувствительный к электромагнитному полю элемент, представляющий собой операционный усилитель, охваченный глубокой отрицательной связью с открытым инвертирующим и заземленным неинвертирующим входами и имеющий по инвертирующему входу входное сопротивление более 10¹² Ом, и, кроме того, устройство дополнительно снабжено последовательно соединенными с выходом чувствительного элемента фильтром нижних частот и фильтром верхних частот, выход которого подключен ко входу компаратора, соединенного своим выходом с усилителем, который подключен к выходному каскаду для формирования сигнала тревоги.

Изобретение поясняется прилагаемыми чертежами, на которых: на фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства для обнаружения вторжения в охраняемое пространство; на фиг. 2 эквивалентная схема операционного усилителя, имеющего большое входное сопротивление.

Предлагаемый способ обнаружения вторжения в охраняемое пространство осуществляют следующим образом.

Известно (Нейман Л.Р. и др. Теоретические основы электротехники. М. Энергия, 1967, том II, с.196), что при движении электрически заряженного произвольного объекта в пространстве возникает электромагнитное поле, которое индуцируется в виде напряжений, амплитуда и частота изменений которых являются некоторой функцией (скорости движения) перемещений и размеров объекта вторжения. Согласно изобретению, в охраняемом пространстве осуществляют прием электромагнитного поля крайне низких частот (0,1-5 Гц), преобразование этого поля в напряжение, усиление и фильтрацию и дальнейший сравнительный анализ величины напряжения при отсутствии и наличии вторжения, превышение заданного порога соответствует принятию решения о вторжении.

Заявляемое устройство содержит: входной каскад 1, состоящий из операционного усилителя 2 и резистора 3; фильтр 4 нижних частот, состоящий из резисторов 5,6, конденсатора 7 и операционного усилителя 8; фильтр 9 верхних частот, состоящий из конденсаторов 10,11, резистора 12 и операционного усилителя 13; компаратор 14, состоящий из конденсатора 15, операционного усилителя 16, резисторов 17,19 и потенциометра 18; выходной усилительный каскад 20, состоящий из резистора 21, транзистора 22 и реле 23.

Выход входного каскада 1 через резистор 3 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 2, неинвертирующий вход которого заземлен, и с одним из выводов резистора 5, другой вывод которого соединен с одним выводом резистора 6, другой вывод которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 8. Выход операционного усилителя 8 фильтра 4 нижних частот соединен с его инвертирующим входом, с одним выводом конденсатора 10 фильтра 9 верхних частот, а через конденсатор 7 с резисторами (общей точкой) 5,6. Второй вывод конденсатора 10 соединен с одним выводом конденсатора 11, второй вывод которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 13, выход которого соединен с его инвертирующим входом, конденсатором 15 компаратора 14, а через резистор 12 с общей точкой конденсаторов 10,11. Второй вывод конденсатора 15 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 16, неинвертирующий вход которого соединен с ползунком потенциометра 18, два вывода которого соединены с одними выводами резисторов 17,19, вторые выводы которых соединены с положительным и общим электродами гальванического источника питания соответственно. Выход операционного усилителя 16 через резистор 21 соединен с базой транзистора 22, эмиттер которого соединен с отрицательным полюсом источника питания, а коллектор с выводом обмотки реле 23, второй вывод которой соединен с положительным полюсом источника питания.

Устройство работает следующим образом. Входной каскад 1, чувствительный к электромагнитному полю крайне низких частот, представляет собой операционный усилитель 2 с открытым инвертирующим входом и заземленным неинвертирующим, который работает в микротоковом режиме. Усилитель охвачен глубокой отрицательной связью и имеет входное сопротивление порядка 10¹² - 10¹⁴ Ом. Эквивалентная схема такого усилителя в области низких частот представлена на фиг. 2, где R_ос сопротивление обратной связи; С_вх паразитная входная емкость операционного усилителя и емкость монтажа; А антенна, образованная выводом инвертирующего входа микросхемы и выводом резистора R_ос.

Известно, что когда электромагнитное поле воздействует на схему с высоким входным сопротивлением, то проявляется так называемый "антенный эффект", суть которого заключается в том, что проводники, соединенные с точкой высокого сопротивления, работают как антенны и в них индуцируется напряжение (Дж. Барнс "Электронное конструирование: методы борьбы с помехами". М. Мир, 1990. с.52,226).

При этом работает емкостная модель возникновения сигнала.

На емкости С_вх возникает заряд Q Q C_вх·U (2) где U напряжение, индуцируемое на входе операционного усилителя.

Продифференцировав (2) для Q, получим
I C_вх·dU / dt (3)
где I ток через R_вых.

Этот ток воспринимается операционным усилителем как ток смещения на инверсном входе, то есть как входной сигнал, а потому он порождает смещение выхода
U_вых I·R_oc; R_oc порядка 10¹¹ Ом.

U_вых и является полезным, несущим информацию о вторжении. С выхода каскада 1 напряжение поступает на активный фильтр 4 нижних частот, а затем на активный фильтр 9 верхних частот, коэффициенты передачи которых больше единицы. Сформированный в частотной области и усиленный сигнал поступает на однопороговый компаратор 14, где осуществляется сравнение амплитуды сигнала с заданным порогом. В случае превышения заданного порога компаратор 14 "опрокидывается", выходной каскад 20 переходит в режим насыщения, срабатывает реле 23, (замыкаются его контакты), что соответствует принятию решения об обнаружении вторжения. При прекращении движения объекта или выходе его из зоны чувствительности устройства компаратор 14 переходит в исходное состояние, транзистор 22 запирается, реле 23 обесточивается, сигнал тревоги снимается.

Использование заявляемого способа обнаружения вторжения позволит повысить достоверность обнаружения за счет обработки электромагнитных полей, возбуждаемых объектами вторжения, существенно снизить вероятность ложной тревоги.

Устройство обладает лучшей по сравнению с прототипом помехозащищенностью. Это вызвано рядом причин. Во-первых, чувствительный элемент 1 расположен в одном корпусе с остальными элементами схемы и защищен от атмосферных осадков и его параметры не зависят от параметров атмосферы. Во-вторых, в фильтрах 4 и 9 нижних и верхних частот осуществляется формирование рабочей полосы частот с достаточно крутыми спадами амплитудно-частотной характеристики устройства.

Отсутствие, как в прототипе, антенны позволяет выполнить все устройство размерами, определяемыми в основном размерами операционных усилителей и источников питания.

Естественно, что устройство малого размера можно применять при решении задач управления робототехническими системами (неконтактные датчики-позиционеры), в технологических процессах, например, для подсчета производимых деталей, бутылок и так далее, а также в бытовой и специальной технике как неконтактные включатели аппаратуры, электромеханических игрушек и так далее. снизить вероятность ложной тревоги.

Формула изобретения

1. Способ обнаружения вторжения в охраняемое пространство, заключающийся в том, что осуществляют выделение одного из параметров, характеризующего поле в охраняемом пространстве, формируют сигнал тревоги при изменении данного параметра, которое вызвано возмущениями поля при несанкционированном вторжении в охраняемое пространство объекта, обладающего электрическими зарядами, отличающийся тем, что несанкционированное вторжение определяют путем выделения крайне низких частот колебаний электромагнитного поля, вызванных перемещением объекта вторжения в зоне обнаружения, а в качестве параметра выбирают напряжение.

2. Устройство для обнаружения вторжения в охраняемое пространство, содержащее чувствительный к полю охраняемого пространства элемент, фильтр нижних частот, компаратор и каскад для формирования сигнала тревоги, отличающееся тем, что в него введен фильтр верхних частот, а чувствительный к полю охраняемого пространства элемент выполнен в виде операционного усилителя, охваченного глубокой отрицательной связью с открытым высокоомным инвертирующим и заземленным неинвертирующим входами и подключенного своим выходом к входу фильтра нижних частот, выход которого через последовательно соединенные фильтр верхних частот и компаратор подключен к входу каскада для формирования сигнала тревоги.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2