Датчики охранной сигнализации

Датчики являются главной составной частью системы охранной сигнализации и во многом определяют надежность всей системы.

Анализ номенклатуры датчиков охранной сигнализации, предлагаемых крупнейшими производителями систем охранной сигнализации, а также представленных на последних выставках, показывает, что в классе датчиков для охраны помещений наиболее популярными являются ИК-пассивные, комбинированные (в основном ИК+микроволновые), различные модификации контактных (в первую очередь магнитоконтактные) и акустические датчики разбития стекла.

СОДЕРЖАНИЕ

Применяются также, хотя и в значительно меньшей степени, микроволновые, ультразвуковые активные и инерционные ударные датчики. Другие средства обнаружения при охране помещений практически не используются, и в целом наблюдается тенденция снижения номенклатуры датчиков по используемым принципам действия. Основными тенденциями при построении современных датчиков являются:

• широкое использование встроенных микропроцессорных средств обработки сигналов;
• комбинирование в одном датчике нескольких физических принципов обнаружения;
• возможность дистанционного контроля работоспособности датчика и контроля постороннего воздействия на него.

Рассмотрим принципы действия, номенклатуру и особенности применения наиболее популярных датчиков охранной сигнализации.

ИНФРАКРАСНЫЕ ПАССИВНЫЕ ДАТЧИКИ

Инфракрасные пассивные датчики реагируют на тепловое излучение движущегося человека в диапазоне длин волн 8-14 микрон. В настоящее время ИК-пассивные датчики являются самыми популярными, они составляют неотъемлемый элемент охранной системы практически каждого объекта.

Эти датчики выпускаются всеми ведущими фирмами-производителями сигнализационного  оборудования: PYRONIX (Англия), ARITECH (Европа), C&K (США), PARADOX (Канада), ADEMCO (США), DSC (Канада), CROW (Израиль), VISONIC (Израиль), SCANTRONIC (Англия) и др.

ИК-пассивные датчики состоят из трех основных элементов:

• оптической системы, формирующей диаграмму направленности датчика и определяющей форму и вид пространственной зоны чувствительности;
• приемника (чувствительного элемента), регистрирующего тепловое излучение человека;
• блока обработки сигналов приемника.

В качестве оптической системы большинства ИК-пассивных датчиков используются линзы Френеля.

К достоинствам линз Френеля относятся:

• простота конструкции детектора на их основе;
• низкая цена;
• возможность использования одного датчика в различных приложениях при использовании сменных линз.

Современные ИК-пассивные датчики комплектуются большим количеством съемных линз Френеля для обеспечения разнообразных диаграмм направленности и большей универсальности при оборудовании самых различных по конфигурации помещений.

Путем замены линзы можно получить зону чувствительности детектора в виде одиночного сплошного занавеса или в виде многовеерных занавесей, при этом возможно изменение в широком диапазоне протяженности зоны чувствительности (от 6 м до 50 м), угла обзора (от 5^О до 180^О, для потолочных датчиков 360^О) и угла наклона каждого занавеса, количества лучей (от 2 до 64), возможно формирование зоны чувствительности специальной формы, например с зоной нечувствительности (аллеей) для домашних животных вблизи пола и т.п.

Традиционные линзы Френеля, применяемые в дешевых ИК-датчиках, обладают неравномерной чувствительностью по дальности. Это связано с тем, что каждый занавес зоны чувствительности имеет фиксированный угол обзора в вертикальной плоскости, а значит высота этой зоны чувствительности увеличивается с удалением от датчика. Так как сигнал на выходе чувствительного элемента пропорционален степени перекрытия нарушителем зоны чувствительности, то в традиционных детекторах сигналы от человека с 20 м, или от мыши на расстоянии 1 м, или от насекомого на поверхности линзы могут оказаться близкими по величине. С другой стороны, сигналы от человека с большого расстояния будут существенно меньшего уровня, чем сигналы от человека с малого расстояния.

В последнее время появились ИК-датчики со специальными, более сложными линзами, в которых этот недостаток частично устранен.

Так линзы фирмы PARADOX имеют более сложную точную геометрию, что дает 30% увеличение собираемой энергии по сравнению со стандартными линзами и соответственно увеличение уровня полезного сигнала от человека на больших расстояниях.

Материал, из которого изготавливаются эти линзы, обеспечивает защиту пироприемника от белого света.

Другим способом борьбы с явлением неравномерной чувствительности является использование зеркальной оптики, широко применяемой, например, фирмой ARITECH. В этом случае вместо линз Френеля или дополнительно к ним в ИК-датчиках устанавливается несколько зеркал (обычно 3) специальной формы и специально сконструированный пироприемник.

Общая длина зоны чувствительности при этом разделяется на несколько зон, каждая из них контролируется с использованием своего зеркала (ступенчатая фокусировка). За счет этого обеспечивается практически постоянная чувствительность по расстоянию, причем эта чувствительность на дальних расстояниях приблизительно на 60% выше, чем для линз Френеля.

С помощью зеркальной оптики обеспечивают также защиту ближней зоны, расположенной непосредственно под местом установки датчика. По аналогии со сменными линзами Френеля, ИК-датчики с зеркальной оптикой комплектуются сменными отстегивающимися зеркальными масками, дающими возможность адаптировать датчик к различным конфигурациям защищаемого помещения.

К неудовлетворительной работе ИК-датчика могут привести такие эффекты, как тепловые потоки, являющиеся результатом нагревания электрических компонентов датчика, попадание насекомых на чувствительные пироприемники, возможные переотражения инфракрасного излучения от внутренних частей детектора. Для устранения этих эффектов в ИК-датчиках последнего поколения применяется специальная герметичная камера между линзой и пироприемником (герметичная оптика), например в новых ИК-датчиках фирм PYRONIX и C&K.

В качестве чувствительного элемента в ИК-датчиках используется сверхчувствительный полупроводниковый пироприемник (обычно из танталата лития), способный уловить разницу в несколько десятых градуса между температурой тела человека и «фона».

Изменение температуры преобразуется в электрический сигнал, который после соответствующей обработки вызывает сигнал тревоги. В ИК-датчиках обычно используются сдвоенные пироэлементы. В последних моделях с целью снижения частоты ложных срабатываний используются счетверенные пироэлементы (типа QUAD) — это два сдвоенных пироприемника, расположенные в одном датчике (обычно размещаются один над другим).

Логика совместной обработки сигналов с этих двух пироприемников основывается на том, что радиусы наблюдения этих пироприемников делаются различными, и поэтому тепловой источник ложных срабатываний не будет наблюдаться в обоих пироприемниках одновременно.

При этом геометрия размещения пироприемников и схема их включения выбирается таким образом, чтобы сигналы от человека были противоположной полярности, а электромагнитные помехи вызывали помеховые сигналы в двух каналах одинаковой полярности, что приводит к подавлению и этого типа помех. Защита от электромагнитных и радиопомех обеспечивается также за счет плотного поверхностного монтажа и металлического экранирования (напряженности поля до 20…50 В/м в диапазоне до 1000 МГц).

Блок обработки сигналов пироприемника обеспечивает снижение частоты ложных срабатываний и повышение обнаружительной способности ИК-датчика. В простых ИК-пассивных датчиках используются аналоговые методы обработки, которые могут включать в себя фильтрацию в полосе полезного сигнала (в диапазоне приблизительно 0,6…10 Гц), подсчет импульсов, пороговую обработку и др.

В современных ИК-датчиках все шире начинают использоваться методы цифровой обработки с использованием специализированных микроконтроллеров с АЦП и сигнальных процессоров, что позволяет проводить детальную обработку тонкой структуры сигнала для лучшего выделения его на фоне помех. Применяются схемы термокомпенсации для обеспечения работоспособности в области высоких температур (33^ОС-37^ОС), когда сигнал, вызванный движением человека, резко снижается за счет уменьшения теплового контраста между телом человека и «фоном».

В ИК-датчиках, предназначенных для профессионального использования, применяются так называемые схемы антимаскинга. Суть проблемы состоит в том, что обычные ИК-датчик могут быть выведены нарушителем из строя путем предварительного (когда система не поставлена на охрану) заклеивания или закрашивания входного окна датчика.

Для борьбы с этим способом обхода ИК-датчиков и используются схемы антимаскинга. Один из наиболее эффективных методов реализован в серии ИК-датчиков Mercury фирмы ARITECH. Метод основывается на использовании специального канала ИК-излучения, срабатывающего при появлении маски или отражающей преграды на небольшом расстоянии от датчика (от 3 до 30 см).

Схема антимаскинга работает непрерывно, пока система снята с охраны. Когда факт маскирования обнаруживается специальным детектором, сигнал об этом подается с датчика на контрольную панель, которая, однако, не выдает сигнала тревоги до тех пор, пока не придет время постановки системы на охрану. Именно в этот момент оператору и будет выдана информация о маскировании.

Причем, если это маскирование было случайным (крупное насекомое, появление крупного объекта на некоторое время вблизи датчика и т.п.) и к моменту постановки на сигнализацию самоустранилось, сигнал тревоги не выдается.

Еще одним защитным элементом, которым оборудованы практически все современные ИК-детекторы, является контактный датчик вскрытия, сигнализирующий о попытке открывания или взлома корпуса датчика.

Рассмотрим подробнее возможности и характеристики ИК-датчиков на примере продукции известных фирм.

Фирма ARITECH.

Датчики этой фирмы используют прецизионную зеркальную оптику, обеспечивающую равномерную чувствительность по всей охраняемой зоне (ступенчатая фокусировка). Сменные зеркальные маски дают возможность формирования различных диаграмм направленности.

Схема температурной компенсации и автоматическая регулировка чувствительности обеспечивают стабильное и надежное обнаружение во всем диапазоне температур от -18^ОС до +50^ОС. При обработке сигналов с пироприемников используется 3D или 4D анализ, под которым в терминологии фирмы подразумевается следующее.

При 3D-обработке анализируется наличие следующих параметров сигнала, характерных для перемещения человека в зоне защиты:

• противоположная полярность последовательных во времени импульсов с выхода дифференциального пироприемника при пересечении человеком зоны чувствительности;
• определенная длительность и время повторения этих импульсов, связанные с диапазоном регистрируемых скоростей перемещения нарушителя;
• симметрия формы этих импульсов.

Сигналы, не удовлетворяющий этим критериям, игнорируются.

При 4D-обработке дополнительно к анализу указанных параметров добавляется фильтрация сигналов малой амплитуды. ИК-датчики с 4D-обработкой оснащены встроенным микропроцессором, контролирующим анализ сигналов.

Некоторые модели ИК-датчиков фирмы ARITECH снабжены системой «автофокус», позволяющей снизить ложные тревоги для помещений малой площади, где обычные ИК-датчики дают высокую частоту ложных срабатываний.

Используется система антимаскинга.

В наиболее мощной серии EV-600 для дополнительного снижения ложных тревог реализована возможность совместной работы двух и более ИК-датчиков по общей защищаемой зоне (Double Checker), в том числе направленных друг на друга (Eye-To-Eye Checker).

Основные характеристики ИК-датчиков фирмы ARITECH приведены в таблице.

Канадская компания PARADOX SECURITY SYSTEM выпускает две серии ИК-пассивных датчиков: аналоговую и микропроцессорную. Эти серии представлены как традиционными техническими решениями, так и новыми разработками фирмы.

Линзы ИК-датчиков имеют сложную точную геометрию, что дает 30% увеличение собираемой энергии по сравнению со стандартными линзами. Используемы линзы обеспечивают полное перекрытие пространства в секторе 110^О на расстоянии до 14 м. В зависимости от конкретных условий применения можно подобрать одну из 12 сменных линз.

В ИК-датчиках используется автоматическая температурная компенсация, что обеспечивает постоянство характеристик датчиков в диапазоне температур от -25^ОС до +50^ОС без потерь по дальности и без увеличения вероятности ложных тревог.

В ИК-датчиках используются как сдвоенные, так и счетверенные пироприемники, причем для счетверенной конфигурации разработаны специальные сенсоры сложной геометрии, содержащие взаимопереплетенные чувствительные элементы, что позволило увеличить дальность действия в два раза по сравнению с обычными счетверенными пироприемниками.

Алгоритм обработки сигналов пироприемника, используемый в ИК-датчиках PARADOX, имеет особенность, связанную с тем, что здесь в отличие от традиционных пороговых методов измеряется, сохраняется в памяти и накапливается энергия каждого замеченного сигнала. Сигнал тревоги выдается в случае превышения величиной накопленной энергии некоторого порогового уровня.

Причем для сильных сигналов детектор сразу выдает сигнал тревоги, работая при этом как пороговый, а для сигналов низкого уровня детектор автоматически переключается в режим подсчета импульсов, что существенно снижает вероятность ложных тревог.

Число накапливаемых импульсов зависит от уровня энергии сигналов и может доходить до 25.

Алгоритм обработки практически идентичен для аналоговой и микропроцессорной серий, отличие состоит только в технической реализации — в микропроцессорной серии обработка производится с помощью RISC-процессора.

В своих последних разработках фирма PARADOX начала применять усовершенствованный алгоритм обработки, в который введен Entry/Exit Analysis, суть которого состоит в следующем.

При входе и выходе человека из луча в каждом из дифференциальных элементов пироприемника происходит изменение полярности сигнала на противоположную. Порции энергии, соответствующие входу в луч и выходу из него, раздельно заносятся в память и раздельно накапливаются. При этом сигнал тревоги выдается лишь в том случае, если за определенный промежуток времени накопленные сигналы как входов, так и выходов превышают определенный порог. Такой способ обработки позволяет дополнительно подавить помеховые сигналы, обусловленные действием нагревателей воздуха, вентиляторов и т.п.

Реализующий этот метод аналоговый ИК-датчик AVANTAGE является наиболее эффективным из всей аналоговой серии PARADOX.

Датчик PARADOME предназначен для установки на потолка и имеет очень узкий плоский занавес.

Разработан для защиты окон, дверей, витрин, картин или других плоских предметов и объектов.

Сравнительная характеристика ИК-пассивных датчиков PARADOX приведена в таблице.