Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ процессов сигналообразования в трибо-электрических кабельных средствах обнаружения. постановка задач исследоний 12
1.1. Анализ виброметрических средств обнаружения как класса периме-тровых технических средств охраны 12
1.2. Анализ характеристик трибоэлектрических кабелей отечественного производства 20
1.3. Постановка задач исследований 27
Выводы 32
ГЛАВА 2. Исследование физико-механических свойств сигнализационных заграждений. разработка модели звена заграждения 33
2.1. Исследование механических колебаний плит, рассматриваемых в качестве звеньев заграждения 33
2.2. Исследование механических колебаний горизонтального и вертикального стержней как элементов заграждения 39
2.3. Исследование параметров силового воздействия нарушителя на заграждение 44
2.4. Исследование процессов распространения упругих волн в заграждении 47
Выводы 56
ГЛАВА 3. Электромеханическая модель трибоэлектрического кабеля с центральным спиральным электродом 57
3.1. Исследование механических колебаний центрального спирального электрода 57
3.2. Применение теории процесса образования зарядов в трибоэлектрических кабелях при контактной электризации изоляторов металлами 74
Выводы 86
ГЛАВА 4. Обобщенная модель сигналообразов ания в виброметрических средствах обнаружения 87
4.1. Описание процессов сигнал ообразования в протяженных трибо-электрических кабелях. Синтез входного преобразователя 87
4.2. Обобщенная модель системы «нарушитель-заграждение-ЧЭ -сигнализационное устройство» 96
4.3. Оценка влияния помеховых факторов на виброметрическое средство обнаружения в реальных условиях эксплуатации 103
Выводы 108
ГЛАВА 5. Адекватность разработанных моделей. практическая реализация виброметрического средства обнаружения на основе трибоэлектрического кабеля 110
5.1. Экспериментальные исследования 110
5.2. Проверка адекватности моделей 123
5.3. Определение структурной схемы виброметрического средства обнаружения и алгоритма обработки сигналов 125
5.4. Техническая реализация виброметрического средства обнаружения... 132
Выводы 141
Заключение 143
Список использованных источников 145
Приложения: 156
- Анализ виброметрических средств обнаружения как класса периме-тровых технических средств охраны
- Исследование механических колебаний плит, рассматриваемых в качестве звеньев заграждения
- Исследование механических колебаний центрального спирального электрода
- Описание процессов сигнал ообразования в протяженных трибо-электрических кабелях. Синтез входного преобразователя
Введение к работе
Актуальность работы В виду непрерывного роста масштабов криминально-террористических угроз проблема обеспечения физической безопасности территорий важных и особо важных объектов Российской Федерации, включая охрану государственной границы, остается чрезвычайно актуальной. Особое внимание уделяется вопросам охраны ядерноопасных объектов. Отраслевая программа «Совершенствование физической защиты ядерных материалов, ядерных установок и пунктов хранения ядерных материалов» утверждена приказом министра Российской Федерации по атомной энергии от 25.07.2000 г., №458 и находится под непрерывным контролем со стороны правительства.
В организации современной физической защиты объектов от противоправных действий террористов и преступников (нарушителей) важную роль играют сигнально-заградительные системы раннего предупреждения (обнаружения), возводимые на границах (периметрах) территорий объектов. Эти системы позволяют силам реагирования своевременно обнаружить и пресечь преступную акцию и нейтрализовать нарушителя.
Один из наиболее эффективных способов обнаружения нарушителя основан на методах измерения специфических деформаций (вибраций) физического барьера, возникающих при преодолении нарушителем заграждения или попытках его разрушения. При этом конструкция физического барьера превращается в составную часть чувствительного элемента (ЧЭ) виброметрической системы обнаружения (В СО), а физический барьер обретает свойство сигнализационного заграждения.
Структура взаимосвязей элементов, обеспечивающая функционирование ВСО представлена на рисунке 1.
Системный характер задачи синтеза требует анализа силовых, волновых и электрических процессов при исследовании параметров ^(/), ^(')» 2(0 > вы~ деления информативных признаков в электрическом сигнале ?( /) и выбора решающих правил блока обработки сигналов (БОС).
Кабельный ЧЭ
Bxj БОС
Нарушитель
Механическая связь
т>
Физическое
заграждение (барьер)
Сигнал
срабатывания
F(f) - силовое воздействие, К(/) - волновые процессы, ?(/) - электрический сигнал, Вх - входное устройство, БОС - блок обработки сигнала.
Рисунок 1 Входными параметрами F(f) являются динамические нагрузки механических
элементов системы, а параметр к(/) характеризует волновые процессы и передачу информации от локальных точек (очагов) воздействия на заграждение до места расположения на заграждении протяженного ЧЭ.
Анализируя существующее состояние научно-технических разработок В СО, следует отметить, что эти системы не рассматривались с точки зрения системного анализа, а разрабатывались по частям на основе экспериментальных данных.
Вопросам системного анализа посвящено множество трудов отечественных и зарубежных ученых. Прежде всего, это фундаментальные труды Института системного анализа РАН, С.-Петербургского института информатики и автоматизации РАН, Института проблем управления РАН, Вычислительного центра РАН и др. Хорошо известны основополагающие труды научных школ факультета Вычислительной математики и кибернетики МГУ им. М.В. Ломоносова, МВТУ им. Баумана, Института автоматической аппаратуры им. академика B.C. Семенихина, Военной Академии Петра Великого, 5 ЦНИИ МО РФ. Настольными учебно-научными работами для специалистов в области теории
системного анализа являются монографии Е.С. Вентцель, Н.Н. Моисеева, Б.С. Флейшмана, В.Н. Волковой и др.
Звено заграждения, располагаемое между двумя соседними опорами и предназначенное для строительства протяженного периметрового барьера, можно представить в виде упругой среды, ограниченной геометрическими размерами (axbxh), которые являются, соответственно, ее длиной, высотой и толщиной (причем, толщина h значительно меньше двух других размеров). Таким образом, звено заграждения с точки зрения теоретической механики можно представить в виде плоской плиты (или пластины) с наложенными на нее граничными условиями.
Фундаментальная теория и методы оценки параметров механических вибраций и деформаций в плитах и балках известны и развиты в трудах зарубежных и отечественных ученых, в том числе Бишопом, Джонсоном, Харри-сом, Темпестом, Бидерманом В.Л., Крыловым А.Н., Тимошенко СП., Курносо-вым В.Е. и многими другими.
При синтезе ВСО проблемной задачей является оптимизация выбора типа и конструкции протяженного ЧЭ. Анализ применяемых на практике в качестве ЧЭ протяженных кабельных элементов для технических средств обнаружения (ТСО) виброметрического направления показал, что основными типами используемых кабелей являются оптоэлектронные, трибоэлектрические, микрофонные и пьезоэлектрические кабели. В качестве ЧЭ в данной работе подлежит рассмотрению только класс трибоэлектрических кабелей, освоенных отечественной кабельной промышленностью, обладающих высокой чувствительностью, работающих в диапазоне температур -50...+60 С и имеющих приемле-мую цену. Производство микрофонных и пьезоэлектрических кабелей в Российской Федерации не освоено. Зарубежные микрофонные и пьезоэлектрические кабели достаточно дорогие, а также имеют нижнюю границу рабочих температур -40 С, что ограничивает применение этих кабелей на территории Российской Федерации. Виброметрические системы на основе оптоволоконных
кабелей имеют ряд значительных отличительных особенностей, и в данной работе они не рассматриваются.
Учитывая важность и сложность задач охранной сигнализации, в 60...70-х годах в России было сформировано самостоятельное научно-техническое направление создания ТСО, основателями которого являются Российские ученые Е.Т. Мишин, А.В. Измайлов, Л.Е. Лебедев, Ю.А. Оленин, В.И. Волчихин.
Физические процессы, протекающие в трибоэлектрических кабелях, достаточно сложны и описываются теорией контактной электризации изоляторов металлами, которую основали зарубежные ученые Шаурдай, Гартон, Уести-гейт, Ловелл и Девис. Среди Российских ученых продолжил развитие теории контактной электризации В.И. Пигарев.
Первые ВСО на основе трибоэлектрических кабелей («Арал», «Дельфин») были созданы под руководством ученых Мишина ЕЛ\, Пигарева В.И., Федяева С.Л. и Глазунова Б.П., в которых в качестве протяженных ЧЭ использовались серийные сигнальные кабели с ненормированным сигналообразовани-ем. Необходимость создания серийного трибоэлектрического кабеля с нормированным сигналообразованием привела к разработке (Шарамонов Е.Е.) конструкции трибоэлектрического кабеля с центральным спиральным электродом (типа КТВУ) и его применению (Масенков В.А., Наумов А.С.) в изделии «Годограф-1».
Результаты анализа существующих ВСО зарубежного и отечественного производства, приведенные в главе 1, показали, что в настоящее время нет ВСО, обладающих высокими показателями обнаружения, помехоустойчивости и помехозащищенности.
Все вышеизложенное говорит об актуальности задачи исследования и создания ВСО с высокими тактико-техническими и эксплуатационными характеристиками для применения их в комплексах охранной сигнализации
Цель работы - развитие теоретических и методологических основ проектирования нового поколения виброметрических систем обнаружения наруши-
телей с использованием трибоэлектрического кабеля с центральным спиральным электродом в качестве ЧЭ.
Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
исследовать системные связи и закономерности функционирования виброметрических систем обнаружения нарушителей;
создать обобщенную модель системы «нарушитель - заграждение — ЧЭ - сигнализационное устройство» и на основании моделирования и экспериментальных исследований выявить параметры системы и ее элементов, определяющие информативные признаки факта преодоления заграждений нарушителями;
исследовать электромеханические свойства трибоэлектрических кабелей и установить закономерности процессов электризации изоляторов металлами при образовании зарядов;
исследовать физико-механические свойства заграждений и установить закономерности распространения в них упругих волн;
разработать методики выполнения этапов проектирования подобных систем и оценки характеристик обнаружения нарушителей и помехоустойчивости.
Методы исследования основаны на применении методов системного анализа и синтеза, математической статистики, математического моделирования, обработки экспериментальных данных.
При разработке математических моделей использовались основные положения теории упругости, теории колебаний и распространения волн, теории контактной электризации изоляторов металлами и прикладной механики. При решении задачи по анализу и синтезу ВСО использовались методы дифференциального и интегрального исчисления, имитационного моделирования на ПЭВМ.
Научная новизна
1 Впервые рассмотрены и проанализированы системные связи и зако
номерности функционирования системы «нарушитель - заграждение - ЧЭ —
сигнализационное устройство». При этом выявлены параметры системы и ее
элементов, определяющие информативные признаки факта преодоления загра
ждения нарушителем с учетом физических свойств элементов, входящих в сис
тему, и физических взаимодействий между ними. Предложена и теоретически
обоснована обобщенная модель системы.
Предложена и обоснована модель сигналообразования в трибоэлек-трических кабелях с центральным спиральным электродом.
Предложен, обоснован и экспериментально подтвержден алгоритм обработки сигналов, положенный в основу нового способа виброметрического обнаружения нарушителей.
Предложена и обоснована методическая процедура выполнения этапов создания и усовершенствования виброметрических систем обнаружения нарушителей на основе трибоэлектрического кабеля с центральным спиральным электродом.
Разработаны методики расчета и оценки параметров системы и ее элементов.
Практическая значимость работы состоит в создании новых, более эффективных научно-технических средств синтеза систем виброметрического обнаружения нарушителей, что позволит сократить затраты на разработку и повысить тактико-технические характеристики изделий. Использование новых средств синтеза в конечном итоге позволит повысить физическую безопасность охраняемых объектов и уменьшить ущерб от противоправных акций. Использование результатов работы в проектировании ВСО «Годограф-СМ-В-ІС(Б)» подтверждает ее практическую значимость повышенным спросом на изделия со стороны заказчиков.
Реализация и внедрение результатов:
1 ФГУП "НИКИРЭТ" (Научно - исследовательский и конструкторский институт радиоэлектронной техники) г. Заречный Пензенской обл. Разработаны ВСО 'Тодограф-СМ-В-ІС(Б)*' БАЖК.425119.003-04(07) для сигнализационного блокирования сетчатых и бетонных заграждений, а также для защиты "козырьков" из сетки ССЦП и ленты АКЛ (АСКЛ). Конструкторской документации присвоена литера "01".
ФГУП "ПО "Старт" г. Заречного Пензенской обл. Производится серийное изготовление изделий «Годограф-СМ-В-1С(Б)>>.
Пензенский государственный университет. Результаты диссертационной работы используются при организации учебного процесса на кафедре «Автономные информационные и управляющие системы»
Предложенные в диссертационной работе, модели, разработанные методики и алгоритмы позволяют производить весь комплекс работ по проектированию ВСО на основе протяженного трибоэлектрического кабеля, начиная от исследований структуры сигналов до оценки показателей эффективности функционирования.
Апробация работы Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях:
Вторая Всероссийская научно-практическая конференция «Технические средства периметровой охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом» (г. Заречный, Пензенской области, 2000 г.),
Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция «Со- временные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (г. Заречный, Пензенской области, 2002 г.).
3 Пятая Всероссийская научно-практическая конференция «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (г. Заречный, Пензенской области, 2004 г.).
4 Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Современные методы и средства обработки пространственно-временных сигналов» (г. Пенза, 2004 г.).
Публикации По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа, в том числе 16 статей, 5 тезисов докладов. Подана заявка на оформление патента №2004109408 МІЖ G08B, 13/02 от 29.03.04 «Способ виброметрического обнаружения нарушителей и устройство для его осуществления».
Структура и объем работы Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 113 наименований, изложенных на 155 страницах машинописного текста и 10 приложений к работе на 12 страницах, включая 68 рисунков и 4 таблицы.
Основные результаты и научные положения, выносимые на защиту:
Результаты исследования системных связей и закономерностей функционирования виброметрических систем обнаружения нарушителей.
Обобщенная модель системы «нарушитель - заграждение - ЧЭ -сигнализационное устройство», учитывающая закономерности протекающих процессов в элементах системы на разных физических уровнях. Методика оценки влияния внешних помеховых факторов на вероятность обнаружения и период ложного срабатывания в процессе эксплуатации системы.
Модели трибоэлектрического кабеля и входного преобразователя, отличающиеся описанием процесса сигналообразования при «игольчатой» контактной электризации изоляторов металлами с учетом конструктивных особенностей кабеля.
Алгоритм обработки сигналов и методика выполнения этапов создания виброметрических систем обнаружения нарушителей на основе трибоэлектрического кабеля с центральным спиральным электродом.
Модели заграждения и ЧЭ, отличающиеся описанием механических колебательных процессов при воздействии нарушителя.
Анализ виброметрических средств обнаружения как класса периме-тровых технических средств охраны
Для защиты периметров охраняемых объектов используются ТСО на основе различных физических принципов, среди которых подлежат рассмотрению виброметрические средства или системы обнаружения.
Эти средства предназначены для организации сигнализационного заграждения и обеспечивают фиксацию механических колебаний, вызываемых воздействием нарушителя при разрушении или преодолении физического препятствия [1-14]. Особенность ВСО заключается в том, что ЧЭ системы располагаются непосредственно на инженерном заграждении, а зона обнаружения совпадает с плоскостью заграждения, поэтому не требуется зоны отчуждения для организации рубежа охраны в отличии, например, от радиолучевых средств обнаружения. Несомненными достоинствами ВСО является пассивный принцип действия, характеризующийся отсутствием электромагнитных излучений в пространство. При скрытой установке ЧЭ, ВСО не могут быть обнаружены средствами радиоэлектронной разведки. Достоинством является также широкое многообразие используемых физических барьеров. Основой инженерного заграждения могут быть: тонкая проволочная сварная сетка; проволочная сетка типа «Рабица»; сварная решетка из металлических прутьев или уголков; заграждения из штампованных (кованых) элементов; деревянные заграждения; железобетонные или кирпичные заграждения; барьеры или козырьки из проволочной сварной сетки, спиральной режущей ленты типа АКЛ (АСКЛ) или ПЗ. Пример сигнализационного заграждения приведен на рисунке 1.1. Попытка преодоления нарушителем заграждения путем перелаза или разрушения приводит к силовому воздействию Fuj на заграждение. В процессе воздействия на заграждение внутри него возникают колебательные (волновые) процессы V\t\, которые распространяются в толще заграждения. Протяженный кабельный ЧЭ регистрирует дошедшие до него колебания, превращая их в электрический сигнал Q\tV который передается в БОС для дальнейшей обработки и выдачи сигнала срабатывания (сигнала тревоги). Анализ по информационным источникам рынка продаж кабельных ВСО зарубежного и отечественного производства показал, что номенклатура изделий невелика [15-27]. Технико-эксплуатационные характеристики этих ВСО приведены в таблице 1.1. Проведем краткое описание отличительных особенностей указанных сие Система с микрофонными кабелями CPS компании GPS Standard, предназначена для блокирования сетчатых металлических заграждений типа «Раби-ца». ЧЭ системы CPS является коаксиальный микрофонный кабель диаметром 2,5 мм, обладающий пьезоэлектрическим эффектом. Основным элементом системы FPS-2 фирмы Overly Manufacturing [28] является пьезоэлектрический кабель, закрепляемый на заграждении из проволочной сетки, через интервалы, равные 300 мм. Система FPS-2 является одной из наиболее ранних разработок систем виброметрического обнаружения и имеет в качестве недостатка низкую помехоустойчивость к акустическим и электромагнитным помехам. Периметровая система Intelli-FLEX компании Senstar-Stellar с коаксиальным трибоэлектрическим кабелем [29], обладающим "микрофонным" эффектом предназначена для блокирования легких металлических заграждений, широко используемых в Западной Европе и США. Для защиты помещений от взлома компания Senstar-Stellar предлагает систему ЕЗі с плоским микрофонным коаксиальным кабелем. Система предназначена для сигнализации о попытках разрушения с помощью режущих, ударных и взрывных воздействий стен, потолков, полов и крыш зданий. Английская фирма Geoquip [30,31], известна своими охранными системами «Гардвайр» (Guardwire) и «Дефенсор» (Defensor). Система Guardwire предназначена для использования на легких заграждениях из сварной сетки или проволочной сетки типа «Рабица». Чувствительный кабель фирмы Geoquip (типа GW400k) представляет собой распределенный электромагнитный микрофон, содержащий пару полосковых полимерных магнитов и пару подвижных проводников, расположенных в зазорах между магнитами. Чувствительный кабель в стандартном исполнении имеет диаметр 6 мм и стоимость $ 6,8 за погонный метр. Чувствительный кабель совместно с БОС обеспечивает обработку сигналов, необходимую для регистрации перелезания через заграждение. Система Defensor с прецизионным кабелем GDALPHA предназначена для более массивных заграждений (тяжелых сварных или кованых решеток). Этот кабель содержит два проводника, помещенные в полиэтиленовые трубки с силиконовой смазкой, обеспечивающей повышение подвижности проводников и, соответственно, уровня сигнала. Для минимизации внешних наводок активные проводники сформированы в виде витой пары. Центральный многожильный провод выполняет роль упрочняющего элемента. Стоимость кабеля $9,5 за погонный метр. Система Impactor (IMP400) предназначена для защиты стен и крыш помещений от взлома. В системе используется специальный кабель, снабженный дополнительной полимерной оболочкой. Система MicrAlert является результатом развития системы Defensor, использующей в качестве ЧЭ микрофонные кабели. Данная система может обеспечивать независимую обработку четырех информационных каналов. Виброчувствительная система AN-300 компании Pinkerton Sri. разработана для охраны сетчатых металлических заграждений. В качестве распределенного ЧЭ здесь используется экранированный кабель типа AS257 диаметром 5 мм, содержащий несколько проводников в полимерной оболочке. Извещатель Multusensor (IMS016) применяется на сетчатых заграждениях из плоских или объемных спиралей. В качестве ЧЭ используется трибоэлектри-ческий кабель типа4СВЫ041 диаметром 6 мм.
Исследование механических колебаний плит, рассматриваемых в качестве звеньев заграждения
Имеются также небольшие отличия в плане технической реализации систем и выбора частотных диапазонов анализируемых сигналов. Алгоритм обработки сигналов в БОС функционирует следующим образом. Сигналы с выхода ЧЭ преобразуются с помощью измерительного преобразователя ИП в напряжение ш), амплитуда которого изменяется во времени при воздействии нарушителя на заграждение. Регулируемый усилитель РУ предназначен для усиления амплитуды сигнала до определенного уровня. Полосовой фильтр ПФ выделяет рабочую полосу частот. Детектор огибающей ДО представляет собой выпрямитель и интегратор и преобразует сигнал к однополярному виду. Функция интегрирования предназначена для устранения узких выбросов сигнала («дребезга»). Компаратор К сравнивает текущее значение входного сигнала с пороговым уровнем ПУ. С выхода компаратора К сигналы превышения порогового уровня подсчитываются счетчиком импульсов СЧдо заданного числового значения TV. Формирователь «скользящего временного окна» генерирует временной интервал длительностью т, который поступает на разрешающий вход исполнительного сигнализационного устройства ИСУ, В качестве ИСУ применяются разнообразные изделия от простейшего светодиода до оптоэлектронных реле и индикаторов. ИСУ формирует сигнал срабатывания при регистрации заданного числа импульсов N в указанном временном окне и передает его на ССОИ. Критерий срабатывания системы можно интерпретировать как выявление максимальной (или пороговой) мощности сигнала в выбранной полосе частот.
Для повышения Роби, в такой системе требуется уменьшение порогового уровня ПУ компаратора К и уменьшения числового значения N. Для повышения помехоустойчивости и увеличения Тлс, , наоборот, требуется увеличение порогового уровня ПУ и увеличение числового значения N. Пользователи такой системы вынуждены искать компромисс между показателями Роб1и и 7 G, так как указанная система не имеет дополнительных ресурсов по улучшению этих показателей. Этот факт является слабым местом системы, требующим дополнительных исследований с целью определения путей улучшения показателей Рабн. иГДй
Другим недостатком является то, что при проектировании систем не рассматривались особенности механической связи ЧЭ2с заграждением 1. По результатам эксплуатации было установлено [48], что процесс сигналообразова-ния и характеристики систем в сильной степени зависят от места расположения кабельного ЧЭ на заграждении, а также материалов и механических свойств самого заграждения. В этой работе также было установлено, что на характеристики помехоустойчивости анализируемых систем оказывают влияние резонансные свойства как заграждений, так и кабельных ЧЭ. В эксплутационной документации на эти системы отсутствуют рекомендации по улучшению пока зателей помехоустойчивости. Отсутствуют также методика оценки влияния по-меховых факторов, таких как ветер, дождь, снег и град. Указанные системы разрабатывались на основе экспериментальных данных, что не всегда соответствовало представлениям разработчиков систем о причинах их возможной нестабильной работы при определенных условиях. Учитывая вышеизложенные недостатки рассмотренных виброметрических систем, определим основные задачи исследований. Такими задачами являются: 1 Исследование системных связей и закономерностей функционирования виброметрических систем обнаружения нарушителей; 2 Создание обобщенной модели системы «нарушитель — заграждение -ЧЭ - сигнализационное устройство» и на основании моделирования и экспериментальных исследований выявление параметров системы и ее элементов, определяющих информативные признаки факта преодоления заграждений нарушителями; 3 Исследование электромеханических свойств трибоэлектрических кабелей и установление закономерностей процессов электризации изоляторов металлами при образовании зарядов; 4 Исследование физико-механических свойств заграждений и установление закономерностей распространения в них упругих волн; 5 Разработка методик выполнения этапов проектирования подобных систем и оценки характеристик обнаружения нарушителей и помехоутойчиво-сти. 1 Виброметрическая система обнаружения нарушителей с сигнализационным заграждением является сложной информационной системой обеспечения безопасности охраняемых объектов, процессы в которой имеют разную физическую природу и могут быть описаны на механическом, физическом и электрическом уровнях. Анализ процессов сигналообразования в сигнализационных заграждениях на приводился в информационных источниках. 2 В настоящее время на рынке ТСО отсутствуют виброметрические системы с характеристиками, позволяющими эксплуатировать их в жестких климатических и помеховых условиях разных регионов Российской Федерации. Главные их характеристики: вероятность обнаружения и период ложного срабатывания не соответствуют предъявляемым для Российской Федерации требованиям (РОбн 0,95; Гл.й 1000 ч). 3 Номенклатура трибоэлектрических кабелей отечественного производства, которые могут быть использованы в качестве ЧЭ В СО, невелика. Многие электромеханические характеристики этих кабелей не исследованы и не приводятся в официальных источниках.
Исследование механических колебаний центрального спирального электрода
Для определения амплитудных (передаточных) характеристик некоторых типов серийных кабелей был проведен ряд экспериментов, с помощью которых были установлены определенные зависимости. Графики изменения выходного напряжения от изменения величины ударного импульса приведены на рисунке 5.1. Для кабеля 1 на рисунке 5.1 показана зона разброса его чувствительности. Для других кабелей зоны разброса идентичны и на рисунке не показаны. Анализ амплитудных (передаточных) характеристик кабелей показывает, что кабели обладают достаточно широким динамическим диапазоном изменения сигнала и кроме этого обладают зоной нечувствительности при малых импульсных воздействиях (имеют точку пороговой чувствительности).
В соответствии с графиками, представленными на рисунке 5.1, кабели можно разделить на две группы. К первой группе относятся кабели 1-4, (трибо-электрические кабели с центральным спиральным электродом), ко второй группе — кабели 5-8 (сигнальные кабели с жестким центральным проводником). Разница по уровням электрических сигналов между первой и второй группой кабелей более чем в три раза.
Сигнал отражает колебательный затухающий процесс при наличии в нем высокочастотных и низкочастотных составляющих. Сигнал характеризуется максимальной амплитудой размаха С/, и длительностью t.. Для каждого типа исследуемых кабелей после серии ударных воздействий, равномерно распределенных в динамическом диапазоне, были построены спектры сигналов ударного воздействия, усредненные и нормированные кривые которых приведены на рисунке 5.3.
Анализ спектров показывает, что для каждого типа кабеля имеются два и более участка спектра с наибольшей «энергетикой», например, для кабеля типа КТВ-Мф имеются характерные участки (полосы) частот 20-40 Гц и 180-ЗООГц, которые можно условно назвать низкочастотной (НЧ) и высокочастотной (ВЧ) составляющими спектра.
На рисунке 5.3 также показано, что спектры сигнальной группы кабелей (4, 5) сдвинуты в сторону высоких частот и не имеют явно выраженных низкочастотных составляющих. Отличие спектра 3 (КТВУ-М) от спектров 1 и 2 (КТВ-Мф, КТВ) объясняется тем, что между центральным спиральным проводником и изоляционной трубкой расположена полиэтилентерефталатная (лавсановая) пленка, которая ограничивает движение спирального электрода. Из рисунков 5.1 и 5.3 видно, что кабель КТВ-Мф обладает лучшими характеристиками по сравнению с другимиприведенными кабелями. Замена медной оплетки экрана на алюминиевую фольгу напрямую отразилась на характеристиках кабеля (по сравнению с его прототипом - кабелем КТВ). Однако «наилучший» из отечественных серийных кабелей обладает еще рядом недостатков, главный из которых большой разброс его погонной чувствительности (в несколько раз на отдельных локальных участках).
Опыт эксплуатации изделий «Годограф-1» и «Годограф-СМ-В-1С» с чув 114 ствительными элементами на основе кабелей КТВ, КТВУ и КТВ-Мф показал, что причинами нестабильности электромеханических параметров кабелей являются: уход конструктивных размеров кабеля за пределы установленных допусков на отдельных (локальных) участках (технический брак производства), местное окисление центрального электрода за счет попадания влаги внутрь диэлектрической трубки (на стадиях транспортировки кабеля и изготовления чувствительных элементов), а также локальные изменения жесткости пружины.
Для обоснования выбора наиболее важных параметров сигналов, подлежащих дальнейшему анализу, была использована обобщенная функциональная схема тракта преобразования сигналов, приведенная на рисунке 5.4. Приведенный тракт преобразования сигналов представляют собой одно-пороговый энергетический обнаружитель, который можно достаточно просто адаптировать (перестраивать) для различных видов исследований. ИП представляет собой усилитель заряда с коэффициентом преобразования 75 мВ/нКл, РУ- усилитель с дискретной регулировкой коэффициента усиления через 6 дБ в диапазоне от минус б до плюс 60 дБ, ПФ- полосовой фильтр с регулируемыми частотами среза от 0,2 Гц до 4 кГц. Детектор огибающей ДО представляет собой прецизионный двухполупериодный выпрямитель и сглаживающий полосовой фильтр Чебышева четвертого порядка. Компаратор К построен по схеме тригерра Шмитта и преобразует аналоговый сигнал в дискретный. УЛО предназначен для регистрации сигналов срабатывания.
Описание процессов сигнал ообразования в протяженных трибо-электрических кабелях. Синтез входного преобразователя
Из спектра электрического сигнала, генерируемого виброчувствительным кабелем, выделяем три участка спектра: низкочастотный, высокочастотный и резонансный (на рисунке 5.15 - заштрихованы), каждый из которых обеспечивает формирование соответствующей амплитудной составляющей полезного сигнала в этих диапазонах частот. Для реализации В СО используется трехка-нальная схема обработки сигнала, которая приведена на рисунке 5.16. В качестве измерительного преобразователя, выполняющего функцию первичного детектирования, используется усилитель заряда, описанный в главе 4. Принципы сигналообразования в трибоэлектрических кабелях и волновые процессы передачи возбуждений, рассмотренные в главах 2 и 3, приводят к двухполярным сигналам колебательного характера, возникающих в системе "нарушитель - заграждение — ЧЭ". Полосовая фильтрация продетектированного сигнала также приводит к тому, что после фильтрации сигналы становятся двухполярными даже при однополярном одиночном воздействии и имеют колебательный характер. Для устранения колебательности сигналов и выделения энергии (мощности) в полосе частот целесообразно введение вторичного квадратичного детектирования с последующим сглаживанием на интервале Т, которое реализуется с помощью последовательно включенных квадратора и интегратора. Квадратичное детектирование обеспечивает подавление периодических составляющих огибающей сигналов и придает сигналам вид силового импульсного воздействия [105]. Три частотных диапазона полезного сигнала F}(7-13 Гц), F2(180-300 Гц) и F3(20-40 Гц) выделяются соответствующими полосовыми фильтрами ПФ1 - ПФЗ.
После прохождения через квадраторы и интеграторы амплитуда каждой составляющей полезного сигнала сравнивается, соответственно, в компараторах Ki - К3 с постоянными пороговыми уровнями. При превышении амплитуд составляющих полезного сигнала соответствующих пороговых уровней Vlt V2 и Уз на выходах каждого компаратора появляется сигналы с амплитудами уровня логической единицы. Интенсивность сигнала на выходе измерительного преобразователя с рассмотренной в главе 4 частотной характеристикой при колебаниях пружины в продольном направлении выше, чем в поперечном (как изображено на рисунке 5.15), и эти колебания присутствуют как при перелазе через заграждение, так и при его разрушении путем перекуса проволочной сетки или спирали. Таким образом, резонансная составляющая продольных колебаний пружины является дополнительным информативным признаком (или показателем) любого механического воздействия на физическое заграждение со стороны нарушителя. Поэтому, при обнаружении продольной резонансной составляющей в полезном сигнале по предложенному способу, разрешается пороговая обработка двух других признаков составляющих полезного сигнала с формированием в конечном итоге сигнала срабатывания. Сигнал с выхода компаратора Кз поступает на входы элементов И/, Иг и разрешает прохождение сигналов первой и второй составляющей полезного сигнала в виде импульсов единичной амплитуды с выходов компараторов Kt и Кг на входы исполнительного сигнализационного устройства. На рисунке 5.15 также показано, что выделение высокочастотного и резонансных спектров частот обеспечивает одновременно и подавление первой, второй и третьей гармоник промышленных частот —50 Гц, 100 Гц и 150 Гц, соответственно. Исследования показали, что предложенный способ справедлив для разных типов трибоэлектрических кабелей с центральным проводником в форме спирально навитой пружины, волнообразно размещенной в отверстии диэлектрической трубки (кабелей типа КТВ, КТВД, КТВУ, КТВУ-М, КТВ-Мф). При этом числовые значения выделяемых частотных диапазонов могут несколько отличаться от приведенных на рисунке при сохранении общей закономерности способа. Использование интеграторов исключает формирование ложных сигналов срабатывания от случайных одиночных ударов (мячом, палкой, падающей веткой и т. п.) по заграждению.
При наличии на входе ВСО аддитивной смеси сигнала и шумау(0 на выходах элементов Кі, К2И К3 будут наблюдаться случайные импульсные последовательности во времени сигналов превышения пороговых уровней, которые будут представлять собой клиппированные сигналы и являться потоками случайных событий признаков перелаза через заграждение, «перекуса» проволок и воздействия на заграждение. По теории вероятности данные потоки в достаточно большом промежутке времени Т можно характеризовать как пуассоновские. В этом случае имеют место вероятности обнаружения событий появления указанных признаков, которые можно для пороговых значений rij, П2 и щ записать выражениями:
Похожие диссертации на Системы виброметрического обнаружения нарушителей в комплексах охранной сигнализации
