Общие сведения о современных вибрационных средствах обнаружения

УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ
Физические принципы действия и чувствительные элементы ВСО.
Методы выделения сигналов и подавления помех в ВСО.
Особенности применения ВСО при охране объектов.

Учебный вопрос №1
Физические принципы действия и чувствительные элементы ВСО.

вибрационные средства обнаружения - средства, которые контролируют внешние воздействия на их чувствительные элементы, имеющие характер механических колебаний.

Чувствительный элемент ВСО -составной элемент, устанавливаемый непосредственно на контролируемом объекте и воспринимающий воздействие нарушителя или непосредственно или через элементы объекта с ним связанные механически.
ЧЭ вибрационных средств обнаружения (ВСО) преобразуют механические колебания в электрические, они являются генераторами электрических сигналов, т.е. по характеру получения первичного сигнала они являются генераторными.

Вибрационные средства обнаружения

Принципы получения первичного
электрического сигнала в ВСО.
В генераторных средствах обнаружения происходит непосредственное преобразование входной неэлектрической величины в электрический сигнал без подвода энергии.
В параметрических средствах обнаружения входная преобразуемая величина вызывает изменение параметров самого преобразователя и вследствие этого создает изменение его выходной величины.
Контактно-электризуемые, принцип действия основан на возникновении электрических зарядов на поверхности металла и диэлектрика при их взаимном механическом перемещении.
Индукционные, принцип действия основан на использовании явления электромагнитной индукции.
Пьезоэлектрические, использующие явление пьезоэлектрического эффекта возникновения электрических зарядов в диэлектриках за счет энергии воспринимаемых механических колебаний.

Принципы получения первичного
электрического сигнала в ВСО.
Магнитометрические, принцип действия основан на возникновении электрических зарядов в проводнике в постоянном магнитном поле Земли за счет энергии воспринимаемых механических колебаний.
Прямоконтактные, механические колебания приводят к прямому обрыву или замыканию контрольной электрической цепи.
Волоконно-оптические, принцип действия основан на изменении оптической проводимости световода при его механических колебаниях.

Принцип контактной электризации.
Суть эффекта контактной электризации состоит в возникновении электрических зарядов на поверхности металла и диэлектрика при их взаимном механическом перемещении или иными словами возникновении разности потенциалов в месте нарушения контакта между металлом и диэлектриком.

Заряды на поверхности металла и диэлектрика.

Воздушный конденсатор при рассоединении поверхностей металла и диэлектрика.
d - расстояние между обкладками, м;
σ - поверхностная плотность заряда, к/м ;
ε0ε - диэлектрическая проницаемость промежутка, Ф/м.

Схема индукционного элемента
1
2
3
1- Корпус
2- Элемент внесения затухания
3- Пружина

Принцип пьезоэлектрического эффекта.
При изменениях первоначальной ориентации частиц в кристалле
Например, вследствие действия внешней силы, на противоположных гранях кристалла появляются электрические заряды. Величина зарядов пропорциональна величине приложенной силы, а знак зарядов зависит от направления действия силы.

Схема пьезоэлектрического эффекта.
Изгиб пьезоэлемента.

Классификация ЧЭ ВСО
по форме крепления на конструкции:
точечные (Лаванда, Подснежник, ДИМК, Гюрза, Реалия); протяженные (Багульник, Цикорий, Арал, Ворон, Дрозд, Крот).
по форме диаграммы чувствительности:
круговая (шаровая) (Подснежник, Реалия);
"восьмеркой" (Лаванда, Гюрза);
цилиндрическая (Багульник, Цикорий, Арал, Ворон, Дрозд, Крот).
по конструктивному исполнению:
провод (Дрозд);
коаксиальный кабель (Багульник, Цикорий, Крот); многожильный кабель (Дельфин, Арал-1);
волоконно-оптический кабель (Ворон);
астатический маятник (Лаванда);
свободноподвешенная масса (Подснежник, Гюрза, Реалия).

Устройство коаксиального кабеля:
1-защитное покрытие; 2-металлическая отметка внешний проводник); 3-изолятор из полимерного диэлектрика; 4-центральный проводник.
Устройство коаксиального кабеля со спиралевидным центральным проводником:
1 - защитное покрытие; 2 - внешний проводник (оплётка); 3 - внутренний трубчатый изолятор; 4 - центральный проводник спираль из медной проволоки).

Устройство коаксиального кабеля КТМ-1,5/2 (ТУ16.К18-010-90):
I. защитное покрытие. 2 - внешний провод ник(оплётка из медной проволоки); 3 - изолятор; 4 - внутренний проводник:, 5 - дополнительный центральный проводник в изоляции.
Устройство коаксиального кабеля КТВУ. (ТУ16-К12.04-87):
1 - защитное покрытий; 2 - защитная оплётка из стальной проволоки; 3 - внешний изолятор; 4 - внешний проводник (оплётка из медной проволоки); 5 - внутренний изолятор трубка); 6 - центральный проводник (спираль из медной проволоки).

При вибрациях кабели генерируют электрические сигналы в низкочастотной области спектра от единиц Гц до нескольких сотен Гц
Нормированные характеристики преобразования чувствительных элементов на базе контактно-электризуемых коаксиальных и многожильных кабелей типа: 1 - КТМ; 2-ТПП; 3 - РК-75; 4-П-274М; 5-КТВУ; 6 - РКШ-0,72.

Требования предъявляемые к промышленным образцам контактно-электризуемых ЧЭ
должен обеспечиваться заданный коэффициент преобразования S в течение назначенного срока службы;
неравномерность коэффициента преобразования механических воздействий в электрический сигнал по его длине не должна превышать допустимое значение

физическая сущность процесса преобразования механических колебаний в электрические сигналы
1-изолятор; 2-центральный проводник; 3-внешний проводник; 4-внешнее защитное покрытие.
С1 - ёмкость конденсатора, образованного на участке рассоединения центрального проводника и изолятора;
С2 - ёмкость конденсатора, образованного поверхностным зарядом на участке диэлектрика и областью внешнего проводника.

Учебный вопрос №2
Методы выделения сигналов и подавления помех в ВСО.

ИСТОЧНИКИ ПОМЕХ НА ВСО
Природно-климатические:
ветер;
осадки;
колебания температуры окружающей среды;
влажность;
грозовые разряды.
Промышленные:
промышленные электроустановки;
ЛЭП;
оборудование промышленного производства;
проезжающий наземный транспорт;
воздушный транспорт.

Методы выделения сигналов и подавления помех.
конфигурационные методы,
реализуемые путём различных вариантов пространственного расположения чувствительных элементов
аппаратурные методы,
использующие различные схемотехнические решения устройств обработки сигналов.

В основу конфигурационных методов подавления помех положено различие в воздействиях на ЧЭ средств обнаружения источников помех и нарушителя.
метод симметричного пространственного расположения ЧЭ по отношению к блоку обработка сигналов (Б0С).
В датчике "БАГУЛЬНИК" ЧЭ выполнен в виде 4-х отрезков одинаковой длины: по 2 отрезка на каждый канал. Отрезки ЧЭ одного канала прокладываются параллельно на левом фланге участка, а другого канала - соответственно на правом фланге. Такое расположение позволяет эффективно подавлять во входном дифференциальном устройстве БОС синфазные помехи, например, от источников электрических помех.
В случае значительной протяжённости участка (l=500 м) и прокладке ЧЭ по одному флангу применяется метод перекрещивания отрезков ЧЭ, что улучшает подавление синфазной помехи.

Общий вид датчика «Багульник»:
1 - ограждение; 2 - УПИ; 3 - АСКЛ; 4, 7 - чувствительные элементы;
5, 6 - контрольные резисторы; 8 - соединительный кабель

Подавление сейсмических помех
Объединение локальных ЧЭ. - сейсмодатчиков индукционного типа (система "ПОДСНЕЖНИК") или контактно-электризуемого типа ("ЦИКОРИЙ") в так называемые функциональные пары.
Обработка выходных напряжений сейсмодатчиков одной из пар происходит одновременно.
Сейсмодатчики одной пары, например, СД1, СДЗ или СД2.СД4 устанавливают на такие расстояния друг от друга и регулируют их чувствительность таким образом, что полезный сигнал от нарушителя может быть воспринят только одним датчиком функциональной пары.

Расположение сейсмодатчиков двух функциональных пар.

В основу аппаратурных методов положены признаки, которым помехи отличаются от полезных сигналов.
а) частотой и амплитудой колебаний;
б) длительностью импульсов огибающей;
в) скоростью нарастания переднего фронта огибающей; г) частотой следования импульсов огибающей;
д) количеством импульсов за время анализа информации;
е) наличием или отсутствием синфазности колебаний с чувствительных элементов одного канала (одной функциональной пары);
ж) совпадением или несовпадением по времени и амплитуде импульсов огибающей сигналов с чувствительных элементов одного канала (одной функциональной пары) или нескольких каналов (нескольких функциональных пар).

Обработка сигналов в вибрационных средствах обнаружения
выделение и предварительная обработка аналоговых сигналов;
преобразование аналоговых сигналов в дискретную форму;
обработка дискретных сигналов.