Датчики движения

Эти датчики  разрабатываются для  более совершенной охранной системы для на-

дежной защиты заданных периметров, для чего необходимы соответствующие

сенсорные устройства. Датчики присутствия детектируют нахождение людей

(а иногда и животных) в контролируемой  зоне, тогда как детекторы движения 

реагируют только на перемещение объектов. Основным их отличием является

то, что датчики присутствия  вырабатывают выходной сигнал независимо от того

движется объект или замер, в  то время как сигнал на выходе детектора  движения

появляется только в случае перемещения  объекта. Такие датчики применяются 

в системах наблюдения и охраны, в  устройствах управления энергией (напри-

мер, для управления включением/выключением  электрического света), в инте-

рактивных игрушках и т.д. Для определения присутствия людей и их передвижений в настоящее время

применяются следующие типы датчиков:

• Датчики давления воздуха: детекторы  перепадов давления воздуха, возникаю-

щих при открывании дверей и окон.

• Емкостные датчики: детекторы  изменения емкости человеческого  тела

• Акустические датчики: детекторы  звуков, производимых людьми

• Фотоэлектрические датчики: детекторы  пересечения луча света движущими-

ся объектами

• Оптоэлектронные датчики: детекторы  уровня освещенности или оптической

контрастности в охраняемой зоне

• Сенсоры предохранительных ковриков: длинные полоски, располагающиеся  на

полу под ковриком у входной  двери, реагирующие на давление, создаваемое 

весом непрошеного гостя.

• Детекторы напряжений: датчики  деформации, встроенные в пол, ступени  и 

другие конструктивные элементы.

• Детекторы открывания: электрические  контакты, встроенные в двери и  окна

• Магнитные детекторы открывания: бесконтактная версия детекторов от-

крывания

• Детекторы вибраций: устройства, реагирующие на вибрации стен или  других

конструкций зданий; такие элементы могут также крепиться к дверям и ок-

нам для обнаружения передвижений объектов.

• Детекторы разбитых стекол: датчики, реагирующие на специфические виб-

рации, характерные для бьющегося  стекла

• ИК детекторы движения: устройства, реагирующие на тепловые волны, ис-

пускаемые теплыми или холодными  движущимися объектами 

• СВЧдетекторы(микроволновые датчики): активные устройства, реагирующие

на СВЧ электромагнитные волны, отраженные от объектов

• Ультразвуковые датчики: устройства аналогичные СВЧ датчикам, только в 

них вместо электромагнитных волн используются ультразвуковые колебания.

• Видеодетекторы появления новых  объектов: видео устройства, сравнивающие

текущее изображение охраняемой зоны с записанным в памяти эталонным 

изображением.

• Системы видеораспознавания: анализаторы изображений, сравнивающие ха-

рактерные особенности лиц людей с портретами, хранящимися в базе дан-

ных

• Лазерные детекторы: устройства, подобные фотоэлектрическим детекторам.

Их отличие в том, что они  используют узкие лучи света и  комбинацию отра-

жателей

• Электростатические детекторы: датчики, способные детектировать стати-

ческие электрические заряды, переносимые движущимися объектами

Одним из недостатков детекторов обнаружения  присутствия людей или их

вторжения в охраняемое пространство является ложное срабатывание. Поэтому при выборе датчиков для таких применений необходимо обращать внимание на их надежность, избиратель-

ность и помехозащищенность. Для повышения надежности охранных систем ча-

сто используют несколько датчиков со своими интерфейсными схемами, работа-

ющими независимо друг от друга. Другим способом снижения ошибок при обнаруже-

нии вторжения людей является применение нескольких датчиков, основанных

на разных физических принципах [2] (например, очень эффективна комбинация

емкостных и ИК детекторов, поскольку  для них критичными являются разные

виды вносимых помех)

6.1. Ультразвуковые датчики  присутствия 

Такие детекторы посылают акустические волны на объект и принимают отражен-

ные от него волны. Для использования таких детекторов в качестве датчиков

движения желательно увеличить  их рабочий диапазон и угол охвата территории.

6.2. Микроволновые детекторы  движения 

СВЧ детекторы являются прекрасной альтернативой другим датчикам, когда 

требуется контролировать большие  площади и работать в широком  температур-

ном диапазоне в сильно зашумленных  условиях: при ветре, акустических поме-

хах, в тумане, пыли, влажности и т.д. Принцип действия СВЧ детекторов осно-

ван на излучении электромагнитных радиочастотных волн в сторону охраняе-

мой зоны. Самыми распространенными частотами являются 10.525 ГГц (Х-ди-

апазон) и 24.125 (К-диапазон). Мощность излучения должна быть довольно

низкой, чтобы не причинять вред здоровью людей, длина излучаемых волн до-

статочно большая (X = 3 см для Х-диапазона), чтобы свободно проходить сквозь

большинство частиц, загрязняющих воздух, и достаточно короткой, чтобы от-

ражаться от больших объектов.

Микроволновая часть детекторов состоит  из генератора Ганна, антенны и 

смесительного диода. Генератор Ганна  представляет собой диод, смонтирован-

ный в маленькой прецизионной полости, который при подаче напряжения пи-

тания начинает вырабатывать СВЧ колебания. Часть этих электромагнитных

волн, имеющих частоту/0, проходит через  диафрагму в волновод и попадает в 

антенну, которая направляет их в  сторону объекта. В зависимости  от примене-

ния выбираются разные фокусирующие характеристики антенны. Стабильность генераторов Ганна зависит от

приложенного напряжения, поэтому  очень важно для питания генераторов  ис-

пользовать высококачественные регуляторы напряжения. Детекторы при-

сутствия и движения часто реализуются на основе эффекта Доплера. На этом

принципе работают практически  все СВЧ и ультразвуковые детекторы. Следует 

отметить, что Доплеровские датчики  являются детекторами движения, а  не при-

сутствия, поскольку реагируют только на движущиеся объекты. Антенна излучает на частоте fQ, которая определяется длиной волны Яо:

f -C° 

/о ~~Г, F.1)

Ло 

где с0 —скорость света. Когда объект движется по направлению к антенне  или от

нее, частота отраженного излучения  меняется. При движении объекта от антен-

ны со скоростью v, частота отраженного сигнала уменьшается, а при приближе-

нии объекта — возрастает. Это явление и называется эффектом Доплера.

В датчиках скорости

для определения скорости движения объекта требуется измерять частоту  Доплера и 

фазу для нахождения направления  перемещения (рис. 6.1 А). Этот метод применяет-

ся в радарах автоинспекторов. В охранных системах и в устройствах открывания две-

рей в супермаркетах также используются доплеровские детекторы, но в них  вмес-

то измерения частоты при  обнаружении движущихся объектов срабатывает  поро-

говый компаратор (рис. 6.1Б).

Для определения направления движения объекта (навстречу детектору или  от

него) датчик должен быть оснащен еще  одним смесительным диодом. Второй диод

располагается в волноводе таким  образом, что доплеровские сигналы  от двух дио-

дов отличаются по фазе на 1/4 длины волны или на 90° (рис. 6.2А). Выходные

сигналы обоих диодов усиливаются  отдельно друг от друга и преобразуются  в пря-

моугольные импульсы, которые далее анализируются в логическом устройстве, пред-

ставляющем собой цифровой дискриминатор фаз, определяющий направление дви-

жения объекта (рис. 6.2Б). Такие детекторы в основном применяются в устрой-

ствах автоматического открывания дверей и управления транспортными потока-

ми. В обоих случаях для выработки  управляющего сигнала необходимо предвари-

тельно собрать определенную информацию об объекте.

6.3. Емкостные датчики  присутствия 

Поскольку человеческое тело представляет собой среду с высокой диэлектрической 

проницаемостью (на частоте 40 МГц диэлектрическая  константа мышц, кожи и крови 

приблизительно равна 97, а жира и костей — 15), между ним и окружающими 

Глава 6. Детекторы присутствия  и движения объектов

предметами возникают различные  емкостные связи. Величины появляющихся

переходных емкостей определяются такими факторами, как размер тела, матери-

ал одежды , тип окружающих объектов, погода и т.д. Обычно он лежит в  диапазо-

не от нескольких пикофарад до нескольких нанофарад. При движении человека

величины этих емкостей меняются, что дает возможность отделить движущиеся

объекты от статических. Это изменение емкости может быть зафиксировано при помощи соответствующей

аппаратуры и использоваться для  детектирования присутствия людей  в охраняе-

мой зоне.

6.4. Электростатические  датчики движения 

Любой объект может накапливать  на своей поверхности статическое  электриче-

ство. Заряды на поверхности появляются вследствие электростатических явле-

ний (т.е. процессов выделения зарядов при движении объектов, при трении тка-

ней друг об друга, из-за турбулентности воздуха и атмосферного электричества  и 

т.д) (см. раздел 3.1 главы 3). Обычно в воздухе находятся либо положительные,

либо отрицательные ионы, которые  при попадании на тело человека меняют его 

заряд. Между электродом и окружающими объектами всегда устанавливается элек-

трическое поле, если хотя бы один из них является носителем зарядов. Другими

словами, все распределенные конденсаторы, сформированные между электро-

дом и соседними объектами, заряжаются статическими или слабо меняющи-

мися электрическими полями. Когда вблизи электрода нет движущихся объек-

тов электрическое поле там либо стационарно, либо меняется сравнительно

медленно.

Если носитель заряда (человек или  животное) меняет свое положение (уда-

ляется или в окрестности электрода появляется новый объект — носитель заря-

да), статическое электрическое  поле нарушается. Это приводит к  перераспреде-

лению зарядов между переходными конденсаторами, включая те, которые сфор-

мированы между входным электродом и окружающими объектами.

На рис. 6.8 показан однополярный электростатический детектор движения.

Он состоит из проводящего электрода, подключенного на вход аналогового  пре-

образователя импеданса, реализованного на основе МОП транзистора Q] рези-

стора смещения Rv входного конденсатора Со, усилителя и оконного компара-

тора [4]. Вся схема кроме электрода, как правило, экранируется. Электрод же

подвержен воздействию окружающей среды и образует с внешними объектами 

емкостные связи. На рис. 6.8

источником статического электричества  выступает человеческое тело, на поверх-

ности которого распределены положительные заряды. Будучи носителем заря-

дов, тело формирует электрическое поле с напряженностью Е. Это поле индуци-

рует на электроде отрицательные заряды. В стационарных условиях, когда чело-

век находится без движения, напряженность  поля остается постоянной, а вход-

ная емкость Со разряжается через резистор Rv Для того чтобы схема обладала

высокой чувствительностью, сопротивление  резистора R, должно быть очень боль-

шим — порядка 1010 Ом и даже выше. При движении человека напряженность электрического поля меняется. Это

приводит к появлению на входном  конденсаторе Со электрического заряда, что 

сказывается на величине напряжения на резисторе /?,, которое через разделитель-

ный конденсатор попадает на усилитель и далее на вход оконного компаратора.

Компаратор сравнивает пришедший  сигнал с двумя пороговыми уровнями

Один пороговый уровень обычно

выше базовой линии статического сигнала, а другой — ниже. При  движении чело-

века сигнал на входе компаратора  отклоняется либо вверх, либо вниз, пересекая 

один из пороговых уровней. Выходной сигнал компаратора представляет собой 

серию прямоугольных импульсов, которая  может быть подана в устройство обра-

ботки данных.

6.5. Оптоэлектронные детекторы  движения 

Оптоэлектронные детекторы движения являются самыми популярными датчика-

ми, используемыми в охранных системах. Они используют электромагнитные из-

лучения в оптическом диапазоне  длин волн: 0.4...20 мкм. Этот диапазон включает

в себя видимую, ближнюю ИК и часть  дальней ИК областей спектра. Основное

назначение оптоэлектронных детекторов — обнаружение двигающихся людей  и 

животных. Такие дет екторы работают на расстоянии до нескольких сотен метров и

в зависимости от конкретных условий  применения могут иметь либо узкое, либо

широкое поле наблюдения.

Принцип действия оптических датчиков движения основан на детектирова-

нии излучений (либо видимых, либо нет), исходящих от поверхности движущего-

ся объекта в окружающую среду. Таким излучением может быть либо собственное

излучение объекта, либо отраженный от него свет внешнего источника. В первом

случае речь идет о пассивном  детекторе, во втором — об активном. Очевидно, что 

активный датчик нуждается в  дополнительном источнике излучений, который 

может быть дневным светом, электрической  лампой, ИК светоизлучающим дио-