научная статья по теме АКУСТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ Энергетика

Текст научной статьи на тему «АКУСТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ»

пературы подложек и датчиками других параметров технологического процесса и наносимого покрытия (толщины, скорости осаждения [4]).

Выходной сигнал датчика 'вых представляет собой цифровой код, соответствующий нормированной величине токов в цепях коллекторов (см. рис. 1). Чувствительность на линейном участке характеристики по одной из координат, вдоль которой перемещается луч (например по координате X), можно определить по выходной характеристике ' по формуле:

'р - 'Р ■

С — .гтах гт^

6 х—-х—,

хтах хтш

где Бп и Бп — максимальное и минимальное зна-

ртах ртш

чение позиционного сигнала в пределах зоны чувствительности; Хтах и Хт1п — координаты, соответствующие

значениям Бп и ' .

ртах ртш

Для рассмотренного чувствительного элемента статическая чувствительность датчика 6 составила 0,098 мм—1, относительная погрешность определения положения электронного луча не более 5,1%.

Датчик как элемент цифровой системы автоматического регулирования может быть представлен в виде последовательного соединения двух звеньев: безынерционного звена с коэффициентом передачи 6 и звена задержки на время т (для вычисления позиционного сигнала). Если период дискретизации гораздо больше т и постоянных времени системы отклонения луча, то звено задержки можно исключить.

Датчики положения луча с чувствительным элементом в виде камеры-обскуры могут быть использованы для определения положения электронного луча, ток которого, а также ускоряющее напряжение электронной пушки могут меняться в широких пределах, а возможность получения требуемой характеристики путем варьирования конструктивных параметров чувствительного элемента позволяет разработать его конструкцию применительно к используемой камере испарения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мовчан Б.А., Малашенко И.С. Жаростойкие покрытия, осаждаемые в вакууме. Киев: Наукова Думка, 1983.

2. Семенов Э.И., Гусаров A.B. Расчет вторично-эмиссионного датчика положения электронного луча для установок нанесения тонких пленок // Тонкие пленки в электронике: Материалы X международного симпозиума. 20 — 25 сентября 1999 г. Ярославль, 1999.

3. Семенов Э.И., Гусаров A.B. Система стабилизации положения электронного луча в установках для нанесения тонких пленок // Тр. Украинского Вакуумного Общества. Харьков. Т. 3. 1997.

4. Семенов Э.И., Сидоркин В.П. Методы и устройства автоматического контроля параметров тонких пленок в процессе нанесения их в вакууме // Тонкие пленки в электронике: Матер. X междун. симпоз. 20 — 25 сентября 1999 г. Ярославль, 1999.

Александр Вячеславович Гусаров — канд. техн. наук, ассистент РГАТА;

Эрнст Иванович Семенов — д-р техн. наук, доцент РГАТА. в (0855) 52-30-26

E-mail: Root@rgata.adm.ru □

УДК 534 : 621.38 : 681.325

АКУСТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ОХРАННОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

М.А. Гладштейн, М.А. Шаров

Предлагается датчик для охранной сигнализации, построенный на базе микроконтроллера и позволяющий фиксировать как факт движения, так и факт разбивания стекла в охраняемом помещении. Работа устройства основана на методе ультразвуковой импульсной дальнометрии и цифровой обработке эхо-сигнала.

В системах охраны производственных и бытовых помещений все шире применяются различные датчики, которые можно разделить на контактные и бесконтактные. Наиболее перспективными, с точки зрения скрытности работы, надежности, простоты монтажа и обслуживания, считаются бесконтактные датчики [1]. В современных системах охраны применяются совместно два типа датчиков: • датчик разбивания стекла, работающий в акустическом диапазоне и выделяющий звук разбивающего-

ся стекла на основе спектрального анализа звукового сигнала;

• датчик движения объекта, срабатывающий от инфракрасного излучения объекта, или реагирующий на изменение интерференционной картины ультразвукового поля бегущей волны в охраняемом помещении.

Представляется целесообразным создание единого датчика, способного зафиксировать как факт разбивания стекла, так и факт движения объекта в охраняемой

Рис. 1. Структурная схема охранного датчика

зоне. Построение такого прибора возможно на базе импульсного акустического локатора, работа которого основана на периодическом излучении коротких ультразвуковых посылок, приеме и обработке отраженного сигнала [2]. В общем случае отраженный сигнал несет информацию не только о расстоянии до предметов, но и о распределении по расстоянию их эффективной отражающей поверхности. Следовательно, можно зафиксировать и перемещение внутри охраняемого помещения, и разбивание стекла на основе анализа отраженного сигнала по временной и амплитудной составляющим.

Структурная схема такого охранного датчика представлена на рис. 1. Основной элемент устройства — микроконтроллер Z86E0408PSC (DD1) [3]. В качестве излучателя BQ1 и приемника BQ2 используются пьезопре-образователи [4]. Период следования ультразвуковых посылок определяется временем, за которое происходит практически полное затухание ультразвука в воздухе, и для несущей частоты 40 кГц оно составляет 64 мс. Отраженный сигнал усиливается резонансным усилителем У. Амплитудный детектор Д выделяет огибающую отраженного сигнала. Встроенный аналоговый компаратор AN1 обеспечивает аналого-цифровое преобразование амплитуды сигнала с промежуточным преобразованием во временной интервал путем сравнения ее с квазилинейно нарастающим напряжением, формируемым с помощью пассивной 5С-цепи (51, С1) [5]. В режиме тревоги микроконтроллер DD1 изменяет сигнал управления оптоэлектронным реле К, которое разрывает цепь сигнальной линии. Чувствительность такого локатора существенно зависит от разности между несущей частотой ультразвуковой посылки и резонансной

частотой излучателя и приемника (они подбираются парами). В свою очередь, резонансная частота зависит от параметров окружающей среды. Поэтому для поддержания максимальной чувствительности необходима автоматическая подстройка несущей частоты.

Основные принципы реализации универсального охранного датчика заключаются в дискретизации сигнала, квантовании и цифровой обработке. Частота дискретизации определяется максимальной частотой огибающей отраженного сигнала и может быть принята равной 500 Гц. Временная диаграмма, поясняющая процесс преобразования, показана на рис. 2.

Согласно рис. 2 для каждой у'-ой посылки имеет место множество из п выборок у, $2у, $зу, -., Агп.

Распознавание факта разбивания стекла и факта движения в охраняемом помещении, а также подстройку несущей частоты на основе полученных данных, используя выборки двух соседних посылок у' и у + 1, можно осуществить с помощью следующего алгоритма.

1. Вычисление разности между выборками с одинаковым первым индексом: ДАу = Ау — А1 (у + 1)

2. Вычисление числовых показателей:

п

Мм = ^ 8+(—ДАу ) — число выборок, увеличив-

I = 1

шихся по амплитуде;

п

/ = ^ и+(ДАф — число выборок, уменьшившихся

I = 1

по амплитуде;

п

1 = ^ 8+(| ДА,у | — к) — число выборок, отличаю-

I = 1

щихся по модулю более, чем на порог к;

где

U+(x) = при [ d

1 при x>0,

асимметричная единичная

функция [6].

3. Распознавание:

если Nj > р , где р = const, то разбивание стекла; если Lj + Mj > s, где s = const, s > р, то движение.

4. Подстройка:

а) поиск направления V на резонанс f = f + Д f, V= = sign(0 — L);

б) если V = 0, то конец подстройки частоты, иначе f = f + V'f, где f — частота, Дf — приращение частоты.

Рис. 2. Дискретизация и квантование сигнала

Рис. 3. Граф переходов акустического датчика

Детальное функционирование устройства поясняется графом [6], показанным на рис. 3. Граф включает в себя пять вершин-состояний:

ПОСЫЛКА — формирование ультразвуковой пачки импульсов;

ПОДАВЛЕНИЕ — подавление послезвучания излучателя;

ОБРАБОТКА — накопление выборок принятого эхо-сигнала и подсчет событий;

РАСПОЗНАВАНИЕ — распознавание факта разбивания стекла и факта движения в охраняемой зоне;

ПОДСТРОЙКА — автоматическая подстройка частоты ультразвуковой посылки.

Переходы между состояниями, показанные ребрами графа, вызываются следующими прямыми (обозначенными одной буквой) и косвенными событиями:

? 0 — срабатывание таймера 70 микроконтроллера (МК);

? 1 — срабатывание таймера 71 МК; кпд— окончание подавления послезвучания излучателя;

к— срабатывание компаратора МК; коп, кор — соответственно окончание обработки эхо-сигнала в режимах подстройки и распознавания;

кр — оконч ание распознавания факта перемещения или разбивания стекла;

кп— окончание подстройки частоты ультразвука.

При включении питания происходит автосброс устройства и инициализируются режим подстройки и состояние ПОСЫЛКА. В этом состоянии формируется ультразвуковая пачка импульсов длительностью 1 мс. Частоту ультразвука задает таймер 70. Срабатывание таймера Т1 переводит устройство в состояние ПОДАВЛЕНИЕ, в котором оно не реагирует на принятый эхо-сигнал. По окончании отсчета времени подавления устройство перейдет в состояние ОБРАБОТКА. В этом состоянии выполняется аналого-цифровое преобразование принятого эхо-сигнала. Период дискретизации определяет таймер Т1. Значения кодов записываются в

ячейки памяти МК. Вычисляются числовые показатели. После окончания обработки, в зависимости от состояния флага режима подстройки ультразвука, устройство переходит либо в состояние ПОДСТРОЙКА, либо в состояние РАСПОЗНАВАНИЕ. В состоянии ПОДСТРОЙКА выполняется очередной шаг автоматической подстройки частоты по выше приведенному алгоритму. В состоянии РАСПОЗНАВАНИЕ принимается решение о наличии перемещения в охраняемой зоне или разбивания стекла и выдача сигнала управления. Переход устройства в состояние ПОСЫЛКА происходит по завершению вычислений. Далее цикл работы повторяется.

Переход устройства из режима подстройки в режим распознавания осуществляется после достижения резонансной частоты и сопровождается сбросом флага подстройки. Из режима распознавания инициализируются периодические выходы в режим подстройки путем установки этого флага для проверки ухода резонансной частоты и подстройки в случае необходимости.

В заключение отметим, что применение метода импульсной ультразвуковой дальнометрии в охранных из-вещателях позволяет строить охранные систем

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком