Wybrane możliwości detekcyjne czujek wibracyjnych i sejsmicznych stosowanych w SSWiN

SZULC Waldemar ROSIŃSKI Adam 2 Wybrane możliwości detekcyjne czujek wibracyjnych i sejsmicznych stosowanych w SSWiN WSTĘP Czujki wibracyjne (często opcjonalnie zwane sejsmicznymi) to grupa czujek o specjalnej konstrukcji oraz specjalnym zastosowaniu. Są one stosowane w Systemach Sygnalizacji Włamania i Napadu (zarówno przewodowych jak i bezprzewodowych) [3,5,6,0]. Zapewniają one ochronę ścian, stropów, podłóg oraz np.: ścian i drzwi sejfów, okien gablot przed próbami ich przekroczenia metodami inwazyjnymi. Zasięg działania czujek wibracyjnych jest zwykle niewielki i wynosi kilka metrów. Czujki wibracyjne profesjonalne reagują (inicjując alarm) na odgłosy np.: wiercenie, eksplozje materiałów wybuchowych, udarność, odgłosy przecinania za pomocą palnika i wzrost temperatury podłoża, do którego jest przytwierdzony. Czujka wibracyjna nie reaguje na inne dźwięki i wibracje (spoza widma ściśle określonego). Czujki proste najczęściej reagują tylko na jeden z ww. czynników, dzięki temu wówczas ich konstrukcja jest prosta. Są to między innymi detektory o konstrukcjach mechanicznych (bardzo wymyślnych) współpracujących z dosyć skomplikowanymi układami elektronicznymi o regulowanych parametrach (np.: częstotliwości, amplitudzie, temperaturze krytycznej, płaszczyznach wibracji, itp.). Czujki wibracyjne można podzielić na: proste: reagujące na jeden z ww. parametrów, profesjonalne: reagujące na uderzenia, wstrząsy, temperaturę podłoża, wibracje pochodzące od kucia, wiercenia, itp. Są to czujki stosowane w bankach i innych odpowiedzialnych obiektach specjalnego znaczenia. Niektóre czujki wibracyjne przeznaczone specjalnie do zabezpieczania sejfów, posiadają dodatkowo mechaniczną przesuwaną zasłonkę otworu na klucz do sejfu. Takie rozwiązanie wyklucza możliwość włożenia klucza lub próbę ingerencji w zamek. Przesunięcie zasłonki w czujce wibracyjnej tej konstrukcji, powoduje inicjację alarmu. Czujki wibracyjne (o specjalnych konstrukcjach) noszą nazwę czujek sejsmicznych. Stąd wniosek, że nie każda czujka wibracyjna jest czujką sejsmiczną. Budowa czujek reagujących na drgania lub przemieszczania jest zależna od charakterystyk drgań i przemieszczeń (a więc od amplitudy, częstotliwości i kierunku).. ZASADA DZIAŁANIA CZUJEK WIBRACYJNYCH I SEJSMICZNYCH Działanie czujek wibracyjnych i opcjonalnie sejsmicznych może być oparte na różnych rozwiązaniach zależnie od potrzeb [3,4]. Najprostszy sposób, który jednocześnie przedstawia zasadę działania takiej czujki, przedstawiono na rysunku. masa drgająca Zestyk NC/NO m sprężyna Rys.. Prosty układ czujnika wibracyjnego reagującego na wibracje (kierunek główny pracy pokazują strzałki) [opracowanie własne] Wyższa Szkoła Menedżerska w Warszawie, Wydział Menedżerski i Nauk Technicznych; 03-772 Warszawa; ul. Kawęczyńska 36. Tel.: +48 22 5900829, waldemar.szucl@mac.edu.pl 2 Politechnika Warszawska Wydział Transportu; 00-662 Warszawa; ul. Koszykowa 75.Tel.: +4822 2347038, adro@wt.pw.edu.pl 546

Działanie tego czujnika jest bardzo proste. Do sprężyny o regulowanym punkcie zamocowania przymocowano masę m. W najwyższym punkcie zmontowano zestyk przełączany umożliwiający opcję NC i NO. Na skutek wibracji lub drgań wywołanych np.: przez intruza następuje chwilowe przemieszczenie się masy m umocowanej do płaszczyzny i rozwarcie zestyku rozwiernego a zwarcie zwiernego. Taki czujnik jest dołączony do układu elektronicznego kształtującego impuls alarmowy tworząc czujkę wibracyjną. Przedstawiony układ pracuje poprawnie, jeśli drgania lub wibracje są zgodne ze trzałkami. Można również przedstawić czujkę działającą poprawnie np.: w płaszczyźnie x-z. Czujkę tego typu przedstawiono na rys 2. y x 2 kształtowania impulsów wykonawczy 3 wy NO, NC z masa drgająca metalowy cylinder sprężyna Rys. 2. czujki wibracyjnej z czujnikiem reagującym w płaszczyźnie x-z (płaszczyzna prostopadła do osi) [opracowanie własne] Działanie tej czujki jest następujące: W metalowym cylinderku (osiowo) zawieszona jest masa drgająca m utrzymywana w pewnym napięciu za pomocą sprężyn. Naciąg sprężyn jest regulowany zależnie od części i amplitudy przewidywanych drgań. Można to potraktować jako regulację czułości czujki. Przedstawiona na rys. 2 czujka najlepiej i najskuteczniej reaguje na drgania i wibracje powstające w płaszczyźnie prostopadłej do osi (w tym przypadku x-z). Na skutek zwarcia masy drgającej z cylinderkiem impuls (lub ciąg impulsów), jest przesyłany do elektronicznego układu kształtowania impulsów (). Ukształtowany impuls przedostaje się do układu wykonawczego (2) a ten steruje przekaźnikiem (3) posiadającym wyjście NO lub NC. Czujki tego typu pracują bardzo skutecznie i niezawodnie. Aby wyeliminować fałszywe alarmy czujka tego typu ma dosyć złożony układ elektroniczny. Na rys. 3. przedstawiono układ czujki wibracyjnej z bezstykowym czujnikiem fotoelektrycznym z zastosowaniem transoptora (nadajnik i odbiornik pracują w zakresie promieniowania podczerwonego). przedstawiony na rys. 3 jest klasyczną czujką bezprzewodową z czujnikiem transoptorowym podczerwieni. Działanie układu jest następujące: Promień skupiony z diody podczerwonej () pada na przesłonę (3) z małym otworem będącym w osi (dioda nadawcza, otwór, fototranzystor ) a następnie przedostając się przez ten otwór pada na fototranzystor (reagujący także na podczerwień). W takim układzie fototranzystor jest oświetlony a na jego wyjściu tzw. logiczna (niski potencjał). Ponieważ przesłona o pewnej masie m jest zamocowana na spiralnej sprężynie o regulowanej sprężystości w stanie spokoju układ ten nie drga (a więc czujka jest w stanie pasywnym). Gdy nastąpi wstrząs masa (3) zacznie drgać i odetnie na pewien czas drogę promieniowi (od diody nadawczej do fototranzystora). Zostanie wytworzony ciąg impulsów prostokątnych o częstotliwości f. W układzie cyfrowego przetwarzania (7) impulsy wytwarzane przez czujnik i uformowane przez układ (5) zostają odebrane a sygnał wyjściowy wysteruje wzmacniacz (8) a ten swoimi zestykami czynnymi lub biernymi da sygnał alarmowy NO lub NC sterując jednocześnie diodą informacyjną (9). Wyjście czujki może być w postaci zestyków przekaźnika lub tranzystorowym z tzw. otwartym kolektorem (open-colektor.) Mogą być również stosowane przekaźniki elektroniczne. Opisana czujka wibracyjna może być: naklejona na szyby okna, drzwi, itp. Czujki tego typu pracują bardzo skutecznie 547

i niezawodnie. Aby wyeliminować fałszywe alarmy czujka tego typu ma dosyć złożony układ elektroniczny. To układy cyfrowego przetwarzania z zastosowaniem układów mikroprocesorowych. Obudowa czujnika 3,4 9 6 Zasilanie diody nadawczej cyfrowego przetwarzania 7 kształtowania impulsów antysabotażo wy 0 Przekaźnik lub tranzystor open 8 Wzmacniacz OE Rys. 3. Schemat blokowy czujki wibracyjnej z czujnikiem fotoelektrycznym [opracowanie własne] 2 Można by wymienić bardzo wiele typów rozwiązań czujek wibracyjnych od mechanicznych (drgających kulek, walców, itp.) poprzez czujki magnetyczne, elektromagnetyczne i elektryczne a także optyczne, jak również i metod stosowanych w czujkach wibracyjnych i sejsmicznych (gdzie powstają drgania mechaniczne). Są stosowane głównie dwie metody: metoda relatywna (o stałym punkcie odniesienia, a polega ona na przemieszczaniu się wybranego punktu obiektu względem określonego praktycznie nieruchomego układu odniesienia); metoda sejsmiczna (inercyjna) polegająca na umieszczeniu na obiekcie układu mechanicznego stanowiącego oscylator harmoniczny o jednym stopniu swobody. Masa tego oscylatora jest punktem odniesienia względem którego można określić (zmierzyć) przemieszczanie obiektu). Powyżej opisane przykłady czujek zaliczyć można do metody relatywnej. Metoda sejsmiczna stosowana do czujek wibracyjnych wymaga jednak specjalnej konstrukcji przetworników. Zjawiska sejsmiczne to problem złożony i trudny do opisania w kilku zdaniach. Można jednak w stosunkowo prosty sposób wyjaśnić zasadę pracy czujki sejsmicznej posługując się budową przetwornika sejsmicznego i jego schematem zastępczym przedstawionym na rys. 4. 5 m Przetwornik sejsmiczny x(t) y(t) k c z(t) OBIEKT Rys. 4. Schemat zastępczy przetwornika sejsmicznego [opracowanie własne], gdzie: m - masa elementu inwersyjnego, k - współczynnik sztywności sprężystej zawieszenia inwersyjnego, c - współczynnik tłumienia w przetworniku (czujnika), z(t) - bezwzględne przemieszczenie wybranego punktu obiektu a więc i obudowy przetwornika (czujnika), x(t) - bezwzględne przemieszczanie elementu inwersyjnego, y(t) = x(t) - z(t) to przemieszczenie. Właściwości w/w. przetwornika na ogół można podać w postaci dwóch charakterystyk przy pobudzeniach okresowych: 548

równanie () przedstawia charakterystykę amplitudowo częstotliwościową G ( ) = f (, 0, ) () gdzie: G ( ) - charakterystyka amplitudowo częstotliwościowa () - względny współczynnik tłumienia - pulsacja = c = 2 mk c c Kr = h o = k m ale h = c 2m to c Kr - krytyczny współczynnik tłumienia równanie (2) to charakterystyka fazowo częstotliwościowa ( ) = f (,, o) (2) Przetworniki sejsmiczne można więc opisać (na podstawie rozwiniętych ww. równań) graficznymi charakterystykami dla różnych względnych współczynników jako parametru. Na rys. 5 przedstawiono przykład elektrodynamicznego przetwornika sejsmicznego (czujnika) na bazie którego zbudowano czujkę sejsmiczną. 2 Legenda: 3 4 - magnes pierścieniowy, 2 - sprężyny, 3 - cewka elektromagnesu, 4 - końcówka czujnika Rys. 5. Budowa elektrodynamicznego przetwornika sejsmicznego [opracowanie własne] W wyniku drgań przedmiotu (na którym umieszczona jest czujka) zmienia się położenie magnesu pierścieniowego () względem cewki (3). Magnes jest umieszczony na prowadnicy (4) i utrzymywany w położeniu statycznym przez sprężyny (2). Drgania powodują ruch magnesu względem cewki, z której indukuje się SEM (siła elektromotoryczna) proporcjonalnie do prędkości magnesu względem cewki. Są także przetworniki elektrokapilarne zbudowane ze szklanych kapilar, wypełnionych na przemian słupkami rtęci i roztworem elektrolitu. Działanie na przetwornik mechanicznych bodźców, np.: drgań, zaburza stan równowagi elektromechanicznej na granicy faz: rtęć - elektrolit. Wywołuje to przepływ ładunku elektrycznego i generowanie napięcia elektrycznego na wyjściu przetwornika. Można stosować także napięcie zewnętrzne U z. Tym sposobem reguluje się czułość takiego 549

przetwornika. Czujki sejsmiczne tego typu mają ostre kryterium czułości i stąd skutecznie reagują na określone częstotliwości. Inne częstotliwości są tłumione. Są one mało wrażliwe na szum akustyczny, pola elektryczne i magnetyczne oraz promieniowanie. Są jednak wrażliwe na zmiany temperaturowe. Przykładowa charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa przetwornika elektrokapilarnego na bazie którego została zbudowana czujka sejsmiczna przedstawiona jest na rys. 6 o reakcji wzdłużnej () i poprzecznej (2). k 0,4 0,3 0,2 0, B 2 40 80 20 Rys. 6. Typowa charakterystyka amplitudowo-częstotliwościowa k=f(f) przetwornika elektrokapilarnego [opracowanie własne] Przetworniki elektrokapilarne posiadają zatem częstotliwość drgań własnych, można je zatem uważać za sejsmiczne układy drgające z jednym stopniem swobody. Zastosowanie przetwornika piezoceramicznego wchodzącego w skład dosyć skomplikowanej czujki sejsmicznej przedstawia rys. 7. 60 200 240 f(hz) przetwornik Kanał wybuchowy zabezpieczenia napięciowego testowania Przekaźnik alarmu NO/NC piezo-ceram. Przedwzmacniacz Filtry pasmowe i obróbka sygnału Analizator sygnału Wyjście analogowe Rys. 7. Schemat czujki sejsmicznej z czujnikiem piezoceramicznym [opracowanie własne] Sygnały odbierane przez przetwornik przy ataku mogą być bardzo słabe (np. lanca tlenowa), albo bardzo silne (ładunek wybuchowy). Zarówno jeden jak i drugi atak muszą być wykryte, a czujnik powinien wywołać alarm i nie ulec uszkodzeniu. Czujka sejsmiczna w rozwiązaniu przedstawionym na rys.7 ma tzw. kanał wybuchowy, który przejmuje sygnały o bardzo wysokim poziomie i podając je uproszczonej obróbce powoduje wywołanie alarmu. Inne sygnały odebrane przez element piezoceramiczny poddane są bardziej skomplikowanej i wyrafinowanej obróbce. Najpierw są wzmacniane w układzie przedwzmacniacza a następnie filtrowane, aby wstępnie wyeliminować sygnały zakłócające leżące poza pasmem występowania sygnałów typowych dla ataku znanymi narzędziami. Następnie odpowiednio obrobiony sygnał podawany jest do układu logicznej analizy sygnału, który podejmuje decyzję o wywołaniu alarmu. Nowoczesne czujki sejsmiczne umożliwiają regulację czterech stopni czułości za pomocą przełączających zwór (regulacja za pomocą potencjometrów jest opcją nieprawidłową ze względu na brak kryterium ustawienia czułości) oraz czasu reakcji na sygnał zakłócający. 2. ZASADA STOSOWANIA CZUJEK WIBRACYJNYCH W OBIEKTACH BUDOWLANYCH 550

Najpierw należy rozgraniczyć klasyczne czujki wibracyjne (popularne) od czujek wibracyjnych tzw. sejsmicznych o bardzo skomplikowanej budowie. Skonstruowanie i produkcja czujek sejsmicznych na najwyższym poziomie techniki jest wynikiem wieloletnich doświadczeń i wielkiej precyzji [2]. Technologia ich wytwarzania wymaga doskonałych laboratoriów pomiarowych (choćby kontrolowane wybuchy), a także poligonów doświadczalnych. Czujki wibracyjne (proste), a także wibracyjne - sejsmiczne wymagają bardzo rozważnego montowania z uwzględnieniem drgań i wibracji, które istnieją w sposób ciągły, np.: okolice lotnisk szczególnie tam gdzie startują i lądują samoloty silnikowe: tłokowe i odrzutowe, poligony wojskowe gdzie trwają ćwiczenia z ładunkami wybuchowymi lub odbywa się strzelanie, okolice (bliskie) ulic gdzie jeżdżą pojazdy [7,9]. Na rys. 8 przedstawiono sygnały zakłócające, które pochodzą od źródeł zewnętrznych. Często na tle tzw. ataku występują różnorodne kształty oraz poziomy sygnałów zakłócających (rys. 8). Do takich źródeł można zaliczyć: ruch komunikacyjny (metro oraz koleje naziemne, samochody i tramwaje) [], urządzenia: wentylatory, klimatyzatory, zakłócenia od pracujących bankomatów i sejfów depozytowych, urządzenia elektromagnetyczne (telefony bezprzewodowe, CB radia, nadajniki AM i FM) [4,8,,2]. A [sygnał sejsmiczny] 0000 Zakres działania prostych czujek wibracyjnych Zakres działania czujek sejsmicznych 000 Kolej, metro, tramwaje 00 0 Ruch uliczny ATM ultradźwięki 5 0 Rys. 8. Sygnały zakłócające i pochodzące ze źródeł zewnętrznych [opracowanie własne] 5 20 25 30 f [khz] Gdzie stosuje się czujki sejsmiczne?: skarbce, kasy pancerne, bankomaty, sejfy małe i duże. Jak mocować czujki sejsmiczne?: sztywne mocowanie samego czujnika sejsmicznego na drzwiach skarbca, kasy lub ściany; sam przetwornik sejsmiczny powinien być separowany od pozostałych części sejsmicznych za pomocą amortyzatora o specjalnej konstrukcji, aby drgania trafiały do przetwornika wyłącznie z materiału, do którego jest on przytwierdzony, a nie z otoczenia poprzez obudowę albo inne części mechaniczne czujki sejsmicznej; część elektroniczna czujki sejsmicznej powinna być zamknięta i ekranowana. Jakim właściwościom powinna podlegać dobra czujka sejsmiczna?: powinna mieć zabezpieczenie antysabotażowe przed: przerwaniem linii zasilającej; zwarciem napięcia zasilania; otwarciem pokrywy czujki; cięciem palnikiem; wierceniem pokrywy; 55

odporność na blokadę przekaźnika alarmu zewnętrznym magnesem; przystosowanie do łatwego zdalnego testowania. powinna mieć zastosowany system testowania dla: łatwego sprawdzenia działania czujek po montażu; systematycznej kontroli części systemu odpowiedzialnej za bardzo ważne obszary obiektu. Jak mocować zwykłe czujki wibracyjne i sejsmiczne?: można mocować (naklejać lub przykręcać) je na: szyby okienne, ściany, drzwi, szafy, gabloty szklane, ściany, sufity, stropy pamiętając o akustycznych uwarunkowaniach zewnętrznych. Niech przykładem będzie wykres przedstawiony na rys. 9. A [sygnał sejsmiczny] Rys. 9. Poziomy sygnałów A = f(t) pochodzących od różnych źródeł ataku [opracowanie własne] WNIOSKI Czujki wibracyjne i sejsmiczne realizują funkcję wynikającą z analizy drgań, stąd i ich skomplikowana budowa w szczególności tych wyższej klasy (sejsmicznych z układem mikroprocesorowym). Montaż tych czujek jest zależny od konfiguracji pomieszczenia i jego przeznaczenia. Sam dobór czujek wibracyjnych wymaga dużego doświadczenia zarówno od projektanta jak i instalatora. Czujki wibracyjne i sejsmiczne potrafią być kapryśne, a wadliwie dobrane oraz ich zainstalowanie a więc i montaż, mogą wywołać spore kłopoty w trakcie eksploatacji systemu alarmowego. Zwykle czujki wibracyjne i sejsmiczne współpracują z innymi czujkami (np. stłuczenia szkła, dualnymi). Bardzo ważnym elementem jest prawidłowy montaż tych czujek do powierzchni, która ma być chroniona. Streszczenie W artykule zaprezentowano wybrane możliwości detekcyjne czujek wibracyjnych i sejsmicznych stosowanych w Systemach Sygnalizacji Włamania i Napadu. Przedstawiono czujki wibracyjne i sejsmiczne ze szczególnym uwzględnieniem ich budowy oraz zasady działania. Podano także sposoby ich użycia i montażu w ochranianych obiektach. Autorzy posłużyli się również wieloletnimi badaniami przeprowadzonymi w Laboratoriach Systemów Alarmowych. Słowa kluczowe: system sygnalizacji włamania i napadu, czujki wibracyjne, czujki sejsmiczne Selected detection capabilities of vibratory and seismic sensors used in SSWiN Abstract In this article there are presented selected detection capability of vibratory and seismic sensors applied in Burglary and Assault Notification Systems. The sensors are described with a particular emphasis on their construction and rules of operation. The way of using and assembling them in protected objects is given. The results of many years of research conducted in Laboratories of Alarm Systems are also taken into account. Keywords: intruder alarm systems, vibration detectors, seismic detectors BIBLIOGRAFIA 000 00 0 0, 0,0 0,00 0,00 0,0 0, 0 00 000 0000 t [s] 552

. Dyduch J., Paś J., Rosiński A.: Podstawy eksploatacji transportowych systemów elektronicznych. Wydawnictwo Politechniki Radomskiej, Radom 20. 2. Instrukcje serwisowe czujek wibracyjnych firm: DSC, RISCO, SATEL, SIEMENS, AAT. 3. Norma PN-EN 503-:2009: Systemy alarmowe Systemy sygnalizacji włamania i napadu Wymagania systemowe. 4. Paś J., Duer S.: Determination of the impact indicators of electromagnetic interferences on computer information systems. Neural Computing & Applications, 202, DOI:0.007/s0052-02-65-. 5. Paś J., Rosiński A., Wiśnios M., Berczyński R.: Stanowisko badawczo-dydaktyczne Systemu Sygnalizacji Włamania i Napadu. Logistyka nr 6/204. 6. Rosiński A., Rozproszone systemy sygnalizacji włamania i napadu w bazach logistycznych. Logistyka 200, nr 2. 7. Siergiejczyk M., Rosiński A.: Systemy ochrony peryferyjnej obiektów transportowych infrastruktury krytycznej, Technika Transportu Szynowego nr 0/203, str. 2083-2089, 203. 8. Szulc W., Rosiński A., Badania własne w Zespole Laboratoriów Systemów Alarmowych w Wyższej Szkole Menedżerskiej w Warszawie na Kierunku Informatyka, Warszawa 205. 9. Szulc W., Rosiński A.: Systemy monitoringu wizyjnego jako ochrona obwodowa obiektów. Monografia Ochrona przed skutkami nadzwyczajnych zagrożeń. Tom 3 pod redakcją Zygmunta Mierczyka i Romana Ostrowskiego, wydana jako monograficzna seria wydawnicza. Wojskowa Akademia Techniczna, Warszawa, 202. 0. Szulc W., Rosiński A., Systemy sygnalizacji włamania. Część Konfiguracje central alarmowych. Zabezpieczenia Nr 2(66)/2009, wyd. AAT, Warszawa 2009.. Szulc W., Rosiński A., Wybrane zagadnienia z elektroniki cyfrowej dla informatyków (część II cyfrowa). Wydawnictwo Wyższej Szkoły Menedżerskiej w Warszawie, Warszawa 202. 2. Szulc W., Rosiński A., Wybrane zagadnienia z miernictwa i elektroniki dla informatyków (część I analogowa). Oficyna Wydawnicza WSM, Warszawa 202. 3. Szulc W., Poradnik Instalatora Systemów Alarmowych. Centrum Kształcenia i Doskonalenia Kadr przy Polskiej Izbie Systemów Alarmowych, Warszawa 200. 4. Szulc W., Systemy zabezpieczeń antywłamaniowych i napadowych. Wyd. PZU, Warszawa 200. 553