1. Các khái niệm:
a. Cảm biến:
Bộ phận cảm nhận sự thay đổi bên ngoài khác với các điều kiện quy định ban đầu. Cảm biến chia làm 2 loại cảm biến tích cực và thụ động.
Cảm biến tích cực bao gồm phát sóng và thu sóng như: sóng siêu âm, sóng hồng ngoại, sóng cao tần.
Cảm biến thụ động bao gồm các loại như: cảm biến nhiệt, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm, cảm biến khói.
Trong hệ thống phát hiện di động cảm biến phát ra một tín hiệu dưới dạng nào đó khi phát hiện có sự di động hoặc đột nhập trong vùng bảo vệ từ đó phát lệnh báo động.
b. Vùng quan sát:
- Vùng không gian được hệ thống phát hiện di động quan sát, vùng bảo vệ có thể chia thành nhiều khu vực riêng và chung.
Hệ thống phát hiện di động phát tín hiệu báo động khi vùng quan sát không có bất kỳ sự thay đổi nào so với quy định ban đầu. Báo động nhầm do mạch điều khiển tác động nhầm khi nhận tín hiệu nhầm từ các cảm biến do các nguyên nhân bên ngoài như thời tiết, các tiếng động lớn....
2. Tổng quan về hệ thống phát hiện đột nhập di động.
a. Sơ đồ khối tổng quát:
b. Nguyên lý hoạt động:
Khi cảm biến phát hiện có sự chuyển động trong vùng bảo vệ nó sẽ gửi tín hiệu đến bộ phận điều khiển. Bộ phận điều khiển xử lý tín hiệu và gửi tín hiệu điều khiển đến bộ phận chuyển mạch (Relay). Bộ phận chuyển mạch sẽ đóng mạch báo động.
3. Hệ thống phát hiện di động dùng sóng siêu âm
a. Hiệu ứng Doppler:
Hiệu ứng Doppler được tìm ra vào năm 1842 do nhà bác học người áo Christian Johanm Doppler (1803-1853) lúc đó ông dùng nó để giải thích hiện tượng lệch mầu sắc của các ngôi sao đang chuyển động.
Hiệu ứng được phát biểu như sau: Nếu sóng được phát ra từ nguồn phát cố định đến đầu thu cố định thì tần số thu bằng tần số phát. Nếu khoảng cách giữa đầu thu và đầu phát thay đổi trong khoảng thời gian thu sóng (thời gian sóng truyền đến đầu thu) thì bước sóng sẽ dài hoặc ngắn lại: Ngắn lại trong trường hợp đầu thu và đầu phát lại gần nhau và dài ra trong trường hợp đầu thu và đầu
Relay Transformer (Power supply) Line Voltage Controller Low Voltage Sensor Luminaire
phát xa nhau. Điều này có nghĩa là tần số tín hiệu thu sẽ tăng hoặc giảm tương ứng.
Hiệu ứng Doppler sử dụng trong phương pháp siêu âm Doppler xảy ra khi các vật thể chuyển động khi đó tần số sóng phản xạ từ các vật thể sẽ khác với tần số của sóng tới. Hiệu của 2 tần số gọi là độ lệch hay tần số Doppler. Bằng cách xử lý độ lệch tần số người ta có thể phát hiện ra sự di động của vật thể trong trường siêu âm và các thông số liên quan đến sự di động đó như hướng dịch chuyển, vận tốc dịch chuyển... b. Công thức Doppler: sa c V f f 2. . .cos (3.4) Trong đó: f là độ lệch tần số Doppler f là tần số siêu âm phát đi
csa là vận tốc sóng siêu âm của môi trường truyền sóng. V là vận tốc dịch chuyển của vật thể
: góc tạo bởi chùm tia siêu âm so với chiều dịch chuyển của vật thể. Từ công thức trên ta rút ra nhận xét:
Tần số Doppler tỉ lệ thuận với vận tốc dịch chuyển của vật thể, với cùng 1 giá trị của vận tốc dịch chuyển khi tần số siêu âm tăng thì f cũng tăng theo. Như vậy vận tốc dịch chuyển của vật thể cho bởi.
cos 2 . f c f V sa Độ lệch tần số f cũng phụ thuộc vào góc , góc càng nhỏ thì độ lệch tần số càng tăng và độ lệch tần số đạt giá trị cực đại khi = 00 hoặc = 1800 tức phương của chùm tia siêu âm song song với phương dịch chuyển của vật thể và trong trường hợp chùm tia siêu âm vuông góc với phương dịch chuyển của vật thể thì f = 0.
Tần số doppler làm tăng hoặc giảm tần số sóng phản xạ so với tín hiệu phát một khoảng f. Khi vật thể dịch chuyển hướng lại gần biến tử thì tần số sẽ tăng một lượng f.
c. Nguyên lý hoạt động bộ phát hiện di động dùng sóng siêu âm
không gian cần bảo vệ một sóng có tần số siêu âm đồng thời thu về sóng phản xạ từ các vật trong vùng bảo vệ. Bằng cách so sánh pha, tần số cũng như biên độ của sóng phát và sóng thu, ta có thể phát hiện được sự di động trong vùng bảo vệ.
Hình 3.33: Nguyên lý bộ phát hiện di động dùng sóng siêu âm
Hình vẽ mô tả nguyên tắc hoạt động của một hệ thống phát hiện đột nhập di động dùng sóng siêu âm. Hệ thống này sử dụng 2 biến tử siêu âm, một biến tử phát sóng tần số siêu âm và biến tử còn lại để thu nhận các sóng phản xạ từ các vật thể có vùng bảo vệ. ở trạng thái bình thường nếu không có vật nào đi di chuyển trong vùng bảo vệ thì sóng phản xạ thu được sẽ cùng pha với sóng phát. Ngược lại, nếu có sự di chuyển trong vùng bảo vệ thì giữa sóng phát và sóng phản xạ sẽ có sự lệch pha (hiệu ứng Doppler). Bộ so pha sẽ phát hiện ra sự lệch pha giữa sóng phát và sóng phản xạ tạo tín hiệu điêu khiển kích hoạt bộ phận tác động làm việc. Phase comp trigger Output Amp Osc transmitter Receiver Well mounted ultrasonic sensor sensitivity to hand motion sensitivity to arm and upper torso motion sensitivity to full-body motionmoti on
Ta thấy vùng phủ sóng của biến tử siêu âm là một vùng không gian liên tục, không có các khe hở như vùng phủ sóng của cảm biến hồng ngoại kiểu thụ động. Chính vì thế mà biến tử siêu âm nhạy hơn so với cảm biến hồng ngoại kiểu thụ động.
3. Sơ đồ khối hệ thống phát hiện đột nhập và di động sử dụng sóng siêu âm
a. Sơ đồ khối Khối phát sóng:
Khối thu sóng:
Hình 3.35: Sơ đồ khối hệ thống phát hiện đột nhập và di động sử dụng sóng siêu âm b. Chức năng nhiệm vụ các khối
Dao động tạo tín hiệu: thông thường sử dụng các mạch dao động sine có tần số ổn định trong khoảng 38 - 40KHz. Nếu tần số quá cao sự tổn hao trong không khí tăng dẫn đến vùng phủ sóng bị thu hẹp. Ngược lại tần số quá thấp vùng phủ sóng rộng nhưng tính an toàn cũng như khả năng báo động nhầm sẽ tăng do tác động của các nguồn âm bên ngoài.
Khối khuếch đại và xử lý tín hiệu: Tín hiệu được điều chế dưới dạng các chùm xung tăng khả năng chống nhiễu và tác động nhầm, sau đó được khuếch đại đến biên độ đủ lớn cấp cho biến tử phát sóng.
Biến tử phát sóng: Chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ học lan truyền vào trong môi trường tạo nên vùng phủ sóng có dạng hình Elip. Một trong các lý do cần phải sử dụng biến tử tần số thấp là nhằm tăng góc mở của biến tử cũng tức là tăng vùng phủ sóng.
Biến tử thu sóng: Sóng siêu âm sau khi lan truyền trong môi trường sẽ phản xạ lại biến tử thu sóng. Biến tử thu sóng chuyển đổi dao động cơ học thành dao động điện có tần số siêu âm.
Dao động sin Khuếch đại và xử lý tín hiệu Biến tử phát sóng
Biến tử thu sóng Nhận dạng tín hiệu thu KĐ tín hiệu thu Tách sóng
Mạch nhận dạng tín hiệu: Thực chất là mạch khuếch đại có chọn lọc tín hiệu chỉ khuếch đại các tín hiệu có tần số trong khoảng tần số phát nhằm tránh tác động của các nguồn âm bên ngoài.
Mạch khuếch đại tín hiệu thu: Mạch có nhiệm vụ nâng cao cũng như ổn định biên độ tín hiệu thu phục vụ cho việc tách sóng.
Mạch tách sóng: chùm tia siêu âm lan truyền trong môi trường khi gặp giới hạn phân cách như tường, trần, các vận dụng trong phòng thì một phần năng lượng sẽ phản xạ lại biến tử thu. Phản xạ này gọi là phản xạ tĩnh có tần số bằng đúng tần số phát. Trường hợp trong vùng bảo vệ có sự xuất hiện và di động của vật thể tùy theo hướng dịch chuyển, vận tốc dịch chuyển của vật thể mà sóng phản xạ sẽ tăng hoặc giảm đi một lượng f so với tần số phát. Mạch tách sóng có nhiệm vụ tạo ra một tín hiệu tỉ lệ với độ lệch tần f, đây là bộ tách sóng tần số.
Như vậy khi không có sự đột nhập và di động trong vùng phủ sóng biến tử thu chỉ nhận năng lượng phản xạ tĩnh tín hiệu lấy ra từ sau tách sóng là một lượng không đổi. Khi có sự đột nhập và di động trong vùng phủ sóng biến tử thu nhận năng lượng phản xạ động và tín hiệu lấy ra từ sau mạch tách sóng là một lượng biến đổi tùy thuộc vào hướng dịch chuyển, vận tốc dịch chuyển của vật thể.
Mạch xử lý tín hiệu thu: Tín hiệu từ sau tách sóng được tiếp tục xử lý cho ra dạng sóng thích hợp, thông thường là xung hoặc chuỗi xung vuông. Tín hiệu này được khuếch đại dòng và áp đạt yêu cầu để cung cấp cho bộ chuyển mạch.
Chuyển mạch: Các chuyển mạch có thể sử dụng loại tiếp điểm như Rowle, công tắc tơ hoặc loại không tiếp điểm như TZT, SCR, triac. ....
Bộ báo động: tùy theo yêu cầu hệ thống phát hiện di động thường sử dụng các thiết bị như chuông báo động, đèn, máy ghi hình, điện thoại...
c. Các yêu cầu cần thiết của hệ thống:
Hoạt động chính xác và hiệu quả, phát hiện kịp thời những biến động xảy ra để phát lệnh báo động, tránh tác động nhầm.
Việc lắp đặt thiết bị, mã hóa, thời gian tác động,,, phải đảm bảo yếu tố bí mật, tin cậy khó bị phát hiện và vo hiệu hóa.