Обзор вибрационных датчиков

Вибрационные извещатели системы охранной сигнализации предназначены для обнаружения разрушения строительной конструкции путем ее пролома или высверливания.

Вибрационные извещатели часто используются для измерения:

1. Виброскорости
2. Виброускорения
3. Виброперемещения

Рисунок 1- Схема датчика  вибрации.

Общая схема датчика вибрации содержит два основных блока (Рис. 1): вибропреобразователь и электронный блок обработки. Функциональное назначение первого блока – преобразование механических вибраций в электрический сигнал. Механизмов преобразования несколько:

1. Пьезоэлектрический
2. Оптический
3. Вихретоковый
4. Индукционный

Второй блок – электронный  блок обработки – служит для «расшифровки»  полученного сигнала. Как правило, на входе таких блоков стоит аналогово-цифровой преобразователь, и основная часть  операций над сигналом производится уже в цифровом виде, что расширяет  функциональные возможности процесса пост-обработки, улучшает помехоустойчивость и позволяет осуществлять вывод  информации по внешнему интерфейсу.

Большинство вибродатчиков  используют пьезоэлектрический и оптический механизмы преобразования механических вибраций в электрический сигнал. Рассмотрим их подробнее.

• Оптический виброметр

Прибор обычно содержит лазерный источник излучения, приёмную оптическую схему, а также электронную схему обработки (Рис. 2). При отражении излучения от неподвижного объекта длина волны принятого луча не отличается от истинной длины волны лазера. Если объект перемещается вдоль оси излучения, происходит сдвиг длины волны отражённого излучения на некоторую величину (эффект Доплера), значение и знак которой несут информацию о скорости и направлении движения объекта, а используемая в составе приёмного оптического модуля интерферометрическая схема позволяет определить эту величину. Таким образом, колебания отражающей поверхности модулируют частотный сдвиг, и электронная обработка этого сигнала модуляции позволяет получить параметры вибрационных колебаний.

Одним из основных достоинств оптических виброметров является то, что диагностика с их помощью  может проводиться бесконтактно, при их использовании в стационарном измерительном комплексе требуется  лишь однократная фокусировка на измеряемой поверхности. Кроме того, устройства этого типа обладают высокой  точностью и быстродействием, поскольку  лишены подвижных элементов.

Рисунок 2 – Схема оптического  виброметра

• Пьезоэлектрический виброметр

ясно из названия, в основу работы данного типа приборов положен пьезоэффект – явление возникновения разности потенциалов на пьезокристалле при его механической деформации. Внутри корпуса виброметра содержится инертное тело, подвешенное на упругих элементах, содержащих пьезоэлектрический материал (Рис. 3). Если корпус прибора прикреплён к вибрирующей поверхности, упругие элементы зарегистрируют колебания инертного тела, которое не прикреплено непосредственно к корпусу, а потому стремится сохранять своё первоначальное положение. В целом, в данной конфигурации пьезоэлектрический виброметр есть не что иное, как акселерометр, и часто довольно сложно провести границу между этими видами чувствительных устройств.

Рисунок 3 – Схема пьезоэлектрического  виброметра

Электрический сигнал с пьезокристалла, как правило, подаётся на аналогово-цифровой преобразователь, и его обработка осуществляется в цифровом виде. В целом, как и в случае с оптическим виброметром, основным назначением приёмного чувствительного блока является преобразование вибрации в электрический сигнал, а характер его дальнейшей обработки определяется параметрами цифровой электронной схемы. Основным недостатком этого класса приборов является необходимость соприкосновения чувствительной части с измеряемым объектом, что не всегда уместно в условиях производства. Кроме того, пьезоэлектрические приборы имеют, как правило, более узкий диапазон воспринимаемых частот, поскольку имеют механический тракт передачи вибрации, где максимальная частота определяется инертностью компонентов.

К достоинствам пьезоэлектрических виброметров можно отнести их относительно невысокую стоимость, а также относительно простое  устройство, что обеспечивает надёжность и устойчивость к внешним воздействиям.

Также рассмотрим примеры  блокировки помещений с помощью  вибродатчиков.

Зона обнаружения вибрационного  извещателя представляет собой круг (рис.4). Дальность действия "L" определяется техническими характеристиками конкретного типа вибрационного извещателя и составляет в среднем 1,8 м.

 Таким образом, для  защиты строительных конструкций,  которые в большинстве своем  представляют объекты прямоугольной  формы рекомандуется два основных варианта блокировки:

• частичная защита (рис.5) до 75% площади защищаемой конструкции или ее части,
• полная защита (рис.6), при этом зоны обнаружения вибрационных извещателей частично перекрываются

  Соответственно, во втором случае увеличивается необходимое количество извещателей. Кстати, обратите внимание, из приведенных выше иллюстраций явствует, что если разделить общую площадь блокируемой конструкции на площадь, блокируемую одним вибрационным извещателем, указанную в его паспорте, то потребного количества необходимых извещателей мы не получим.

 С другой стороны,  полная блокировка используется  редко и, в большинстве случаев,  может быть отнесена к разряду  излишеств. Вряд ли кто будет ломать стену в крайнем верхнем углу, поэтому установку вибрационных извещателей осущестляют в местах наиболее вероятного проникновения нарушителя и это практически не влияет на надежность системы сигнализации.

  Вибрационные извещатели применяются в системах сигнализации для блокировки конструкций из различных материалов, однако следует учитывать жесткость и иные характеристики материала блокируемой конструкции, влияющие на способность передачи вибрационных воздействий.

Вибрационные извещатели также позволяют осуществлять блокировку смежных конструкций. Вариант такого использования блокировки приведен на рис.6.

 Следует отметить, что  сопряженные элементы конструкции  должны иметь жесткое соединение, но даже и в этом случае  дальность действия вибрационного  извещателя уменьшается. 

 При выборе способа  блокировки конструкций вибрационным извещателем следует учитывать возможные ложные срабатывания системы сигнализации при наличии дестабилизирующих работу извещателей воздействий и факторов. В качестве примера можно привести расположение по соседству ночного клуба или дискотеки - ритмическая громкая музыка вполне может вызывать срабатывание вибрационных извещателей Вашей системы сигнализации.

Источники:

1. http://labofbiznes.ru/ops1_3.html
2. http://www.devicesearch.ru/article/datchiki_vibracii