HU201167B - Ultrasonic senser, advantageously for sensing penetration - Google Patents

Abstract

A találmány tárgya ultrahangos érzékelő, előnyösen behatolás érzékelésére, amely ultrahang adót, és vevőt tartalmaz, ahol az ultrahang adóhoz ultrahang oszcillátor csatlakozik, az oszcillátorhoz pedig a kiküldött impulzuscsomagok idejét meghatározó kapcsoló áramkör van csatlakoztatva. A találmány szerinti ultrahangos érzékelőnél az ultrahang oszcillátorral vezérelt ultrahang adó (1) folyamatos üzemét megszakító kapcsoló áramkör egy az ultrahang vevő (2) kimenetére csatlakoztatott, az ultrahang vevő által vett impulzussorozat idejére tiltó jelet előállító tiltó kapu (4). A vevő (2) kimenetére célszerűen jelformáló egység (5), előnyösen demodulátorból és aluláteresztő szűrőből kialakított jelformáló egység van csatlakoztatva, (jellemző ábra: 1. ábra) A leírás terjedelme: 8 oldal, 2 ábra N <0 -1-

Description

A találmány tárgya ultrahangos érzékelő, előnyösen behatolás érzékelésére, amely ultrahang adót és vevőt tartalmaz, ahol az ultrahang adóhoz ultrahang oszcillátor csatlakozik, az oszcillátorhoz pedig a kiküldött impulzuscsomagok idejét meghatározó kapcsoló áramkör van csatlakoztatva.

A csökkenő közbiztonság és az anyagi értékek akkumulációja miatt a vagyonvédelmi berendezésekkel szemben egyre növekvő igények jelentkeznek. Ez a növekvő igény késztette a konstruktőröket egyre megbízhatóbb és érzékenyebb érzékelőket tartalmazó riasztó berendezések kifejlesztésére. Ilyen érzékelők ma már kereskedelmi cikként kerülnek forgalomba.

A riasztó berendezésekhez kapcsolható érzékelőket csoportosíthatjuk többek között az őrzött tér kiterjedése szerint is. A legegyszerűbb érzékelők egy fényvagy infrasorompó megszakítását érzékelik. Egyszerűségük ellenére ma már csak korlátozottan alkalmazzák ezeket az érzékelőket vagyonvédelmi célra, mivel az őrizendő térnek csak egy vonal mentén húzódó nagyon kis részét képesek figyelni, és így könnyen megkerülhetők. Ezenkívül az adó és a vevő általában nagyobb távolságra van egymástól, ami a rendszer huzalozását teszi bonyolultabbá.

Egy másik csoportba sorolhatók az olyan érzékelők, amelyek egy zárt térben képesek a mozgás érzékelésére. Ilyenek a passzív infraérzékelők, a Doppler érzékelők és az olyan mozgásérzékelők, amelyek a zárt térben kialakuló állóhullámok változását figyelik.

A legtöbb ismert és kereskedelmi forgalomban lévő érzékelő Doppler elven működő ultrahangos érzékelő. Ilyen érzékelőket gyárt többek között a magyar NIVELCO, az amerikai RACAL és a nyugatnémet HIRSCHMANN cég. Ezen érzékelők közös jellemzője, hogy csak távolodó, illetve közeledő mozgásra megfelelő az érzékenységük, és nagyobb távolságok (nagyobb terek) figyelése esetén az érzékenységet olyan nagyra kell állítani, hogy az már károsan befolyásolja a zavarérzékenységet. A fokozott zavarérzékenység miatt az ilyen elven működő érzékelők gyakran adnak riasztó jelzést hálózati, akusztikai, rövid- és ultrarövidhullámú zavarok esetén.

A 174.806 lajstromszámú HU szabadalomból olyan megoldás ismerhető meg, amely az állóhullámok kialakulásának elvét járulékosan használja a Doppler effektus kiegészítőjeként.

Ezen szabadalom hibáit a 190.553 lajstromszámú HU szabadalom (Nagyérzékenységű ultrahangos mozgásérzékelő kapcsolási elrendezés) igyekszik kiküszöbölni, ugyanis az állóhullámok megváltozása zavaró tárgy miatt általában kisebb, mint a környezeti hatások (hő, páratartalom, a hullámterjedés sebességváltozása, stb.). A nevezett szabadalom olyan visszacsatolást alkalmaz, amely a környezeti lassú változásokat (0,01 Hz - 0,1 Hz) kikompenzálja, de gyorsabb, behatoló személytől eredő változásokat nem.

A 185.674 számú HU szabadalom (Eljárás és készülék mozgásérzékelésre, különösen biztonsági berendezésekhez) a jelamplitúdót vizsgálja, illetve hasonlítja össze a mozgás előtti és mozgás alatti visszaverődésben.

Egy adott térben a behatolás érzékelése a sorompó és a télfigyelés mellett megoldható a visszaverődött jel futási idejének mérésével, azaz a közvetett távolságmérés alapján is. Ezeknél a berendezéseknél nem n

a távolság pontos meghatározása a cél, de adott esetben arra is alkalmasak.

A visszaverődéses ultrahang érzékelők alapvetően három útvonal mentén haladó jeleket érzékelnek. A legközelebbi és ezért leghamarabb a vevőbe jutó jelek az adóból egyenes vonalon a vevőbe jutó közvetlen jelek. A második útvonal az adóból a figyelt tárgyig és onnan a vevőig vezet. Több tárgy esetén természetesen a legközelebbi tárgy a figyelt tárgy. A harmadik útvonal az adótól a háttérben lévő falig vagy távolabbi tárgyig és onnan a vevőig vezet. A figyelt tárgy biztonságos érzékeléséhez mind az első, mind a harmadik típusú jelek által okozott zavaró hatást ki kell küszöbölni.

A 184.565 HU szabadalmi leírás távolságmérésre alkalmas impulzus üzemű ultrahangos érzékelőt ismertet. Ennél a megoldásnál impulzusadó áramkör gondoskodik az ultrahang adó szakaszos üzeméről és időmérő áramkör végzi a kiadott és a visszaverődött jelek közötti idő mérését. A megfelelő jelszinteket és jelalakokat erősítő és jelformáló fokozat, a közvetlen jel kizárását pedig kapujelképző áramkör biztosítja. Ennél a megoldásnál az impulzusadó frekvenciája, azaz a két indító impulzus közötti idő felülről korlátozza a mérhető távolság értékét.

A 3,781,772 US szabadalmi leírás olyan ultrahangos érzékelőt ismertet, amelynél az ultrahang oszcillátorral vezérelt ultrahang adó által kiadott impulzussorozat jelidejének korlátozására kapcsoló áramkör van az oszcillátor kimenete és engedélyező bemenete közé iktatva. Az adó által kisugárzott közvetlen jelek és a távoli falról visszavert távoli jelek vételének kizárására olyan kapuáramkör van a vevő és a kimeneti jelfogót vezérlő erősítő közé beiktatva, amely kiszűri a közvetlen és a távoli jeleket. Hátrányos ennél a megoldásnál, hogy a kapuáramkör állandó szélességű tiltójelet állít elő, ami csak egy meghatározott távolságtartományban teszi lehetővé az érzékelést.

A találmány célja ezek alapján az ismert érzékelő eszközök hibáinak kiküszöbölése, azaz egy olyan érzékelő megadása, amely az ismert megoldásoknál egyszerűbb szerkezeti felépítésű, ugyanakkor megfelelően nagy érzékenységű és biztosítja mind a közeli, mind pedig a távoli visszavert jelek zavaró hatásának kiküszöbölését.

A találmány alapjául az a felismerés szolgál, hogy nem korlátozzuk az érzékelő érzékelési tartományát, ha nem fix frekvenciával működtetjük az ultrahang adót és nem képezünk egy állandó jelszélességű tiltójelet, ami a vevő jelét egy előre meghatározott ideig letiltja, hanem a vevő kimenőjelét használjuk fel az adó vezérlésére. Ebben az esetben csak közvetlen jelek leválasztásáról kell gondoskodni, mert a távoli jelek hatása automatikusan kiküszöbölődik.

A találmány elé kitűzött célt a legáltalánosabb értelemben egy olyan ultrahangos érzékelővel élhetjük el, amelynél az ultrahang oszcillátorral vezérelt ultrahang adó folyamatos üzemét megszakító kapcsoló áramkör egy az ultrahang vevő kimenetére csatlakoztatott, az ultrahang vevő által vett impulzussorozat idejére tiltó jelet előállító tiltó kapu.

A további jelfeldolgozás könnyebbé tételére célszerű a vevő kimenetére jelformáló egységet, előnyösen demodulátorból és aluláteresztő szűrőből kialakított jelformáló egységet is csatlakoztatni.

HU 201167 Β

Az ultrahang adó és ultrahang vevő közötti közvetlen-jelek kiküszöbölése szempontjából nem feltétlenül szükséges, hogy az adó iránysugárzó legyen, elegendő például az is, ha a vevőhöz érkező ultrahanghullámok irányítottságáról pl. egy irányító csővel gondoskodunk.

A találmányt a továbbiakban a mellékelt rajzon példaképpen ábrázolt kiviteli alakok alapján ismertetjük részletesebben, ahol az

1. ábra a találmány szerinti ultrahangos érzékelő elvi vázlata és a

2. ábra az 1. ábra szerinti érzékelő működését szemléltető jelek idődiagrammja.

Az 1. ábrán látható a visszaverő 3 felülettel (pl. fal) szemben elhelyezett érzékelő ultrahang 1 adója, ultrahang 2 vevője, a 2 vevő kimenete és az 1 adó engedélyező bemenete közé kapcsolt 4 tiltó kapu, valamint a 2 vevő kimenetére csatlakoztatott 5 jelformáló egység. A figyelt térben mozgó 6 tárgy a visszaverő 3 felület és az érzékelő között helyezkedik el. Az ultrahang 1 adót és 2 vevőt úgy kell telepíteni a felügyelt térben, hogy az 1 adót és a 2 vevőt összekötő egyenes felezőpontjára merőleges erre is merőleges 3 felülettel találkozzon. Csakis ilyenkor biztosított, hogy az adó ultrahang hullámai a vevőbe visszajutnak. Ez azonban általában mindenütt könnyen megoldható telepítési kérdés.

A találmány szerinti ultrahangos érzékelő működése alaphelyzetben a következő. Az 1 adó ultrahang hullámokat kezd el sugározni, amelyek a 3 felületről visszaverődve a 2 vevőbe jutnak. A vevő kimenetén az ultrahang hullámoknak megfelelő villamos jelalak jelenik meg, ami a 4 tiltó kapu bemenetére jut. A 4 tiltó kapu a 2 vevő jelét detektálva magas szintű jelet generál a kimenetén, ami az 1 adó engedélyező bemenetére kerül. A 4 tiltó kapu magas szintű kimenő jele letiltja az 1 adót, és ezzel megszűnik az ultrahang sugárzás is. Könnyen belátható, hogy a tiltó jel szélessége és jelszünet ideje is megegyezik az ultrahang hullám visszaverődési idejével, tehát a 4 tiltó kapu kimenetén 1:1 kitöltési tényezőjű, állandó frekvenciájú négyszögjel keletkezik. Ez azonban csak a nyugalmi állapotban igaz, tehát akkor, ha az érzékelő és a visszaverő 3 felület között nem jelenik meg mozgó 6 tárgy.

Zavaró 6 tárgy megjelenésekor az 1 adóból kisugárzott ultrahang hullámok nem a 3 felületről, hanem az annál közelebb lévő 6 tárgyról verődnek vissza, így a távolsággal arányosan a futásidő is rövidebb lesz. A rövidebb futásidő rövidebb tiltójelet és ezzel nagyobb frekvenciájú, de ugyancsak 1:1 kitöltési tényezőjű négyszögjelet eredményez a 4 tiltó kapu kimenetén. Ez az eset egyenértékű azzal, mintha a 3 felület került volna közelebb az 1 adóhoz, illetve a 2 vevőhöz.

Mindkét esetben igaz tehát, hogy az ultrahangot kibocsátó 1 adó addig sugározza az ultrahangot, amíg a visszaverődő ultrahang azt le nem tiltja. A letiltás után érkező visszhangjelek még egy ideig folyamatosan tovább érkeznek, így a tiltást fenntartják. Mikor az utolsó visszhangjel is megérkezett, a tiltás megszűnik és az adó ismét sugározni kezd. Ez periodikusan ismétlődik, mégpedig olyan frekvenciával, amely az ultrahang hullám futásidejével jellemezhető. A 2 vevő kimenetére csatlakoztatott 5 jel formáló egység kimenetén a 4 tiltó kapu kimeneti jelével azonos frekvenciájú szinuszos jel jön létre. így a kimeneti változó frekvencia már ismert módon, a Doppler elven működő, hagyományos érzékelők kimenetére kapcsolt áramkörrel értékelhető ki.

A zavaró 6 tárgyról csak abban az esetben érkeznek vissza ultrahanghullámok, ha a zavaró tárgynak az adót és a vevőt összekötő szakaszt felező merőlegesre szintén merőleges felülete, illetve felületének érintője van. Ilyen merőleges felületelemmel, illetve érintővel a gyakorlatban minden amorf tárgy, - pl. emberi test is - rendelkezik. Ilyen amorf tárgy elhaladásakor rövid időre bekövetkezhet olyen állapot is, amikor nem kerül visszavert ultrahanghullám a 2 vevőbe, ez azonban nem azonos a „megszakítás elvének” érvényesülésével, mert az 4 tiltó kapu és 5 jelformáló egység kimenetén jelentkező pregnáns frekvenciaváltozásban nyilvánul meg.

Ha tehát a találmány leírásában szereplő példa szerint a 3 fal 5 m-re van az adótól (és a vevőtől is), az 5 jelformáló egység állandóan 33 Hz frekvenciájú jelet bocsát ki. Ha azonban zavaró (amorf) felület halad el a 3 faltól 50 cm-re, először nem kerül letiltó csomag az adóhoz, vagyis az 5 jelformáló egység frekvenciája 0 felé tart. Azt azonban nem éri el, mivel rövid időn belül az adó által kibocsátott ultrahanghullámok olyan felületelemmel találkoznak, amelyekről visszaverődnek és a vevőbe érve magasabb frekvenciájú kimenő jelet eredményeznek a 4 tiltó kapu és az 5 jelformáló egység kimenetén, vagyis a visszaverődés átmeneti, tranziens szünetelése nem eredményez 0 Hz frekvenciájú jelet és így a jelenség nem azonosítható a „megszakítás elvével”.

A zavaró 6 tárgy elhaladása pregnáns és jól érzékelhető frekvenciaváltozást eredményez.

A visszavert jel teljes kimaradása csak abban a szélsőséges, gyakorlatban soha elő nem forduló esetben jöhet létre, ha a zavaró 6 tárgy úgynevezett abszolút ferde sík. Ilyenkor az abszolút ferde sík elhaladása alatt tényleg a „megszakítás elve” érvényesülhet, de csakis arra az időre, amíg a ferde sík mozdulatlanul a sugárnyalábban tartózkodik. Ha azonban ez a ferde sík pl. 50 cm-es vetülettel rendelkezik és haladási sebessége 0,5 m/s, akkor 1 s időtartamig szünetel a visszaverődés, ami még nem hoz létre 0 Hz frekvenciájú jelet, viszont pregnáns frekvenciaváltozást eredményez a 4 tiltó kapu és az 5 jelformáló egység kimenetén.

A 2. ábrán láthatjuk az adóból kibocsátott, a vevő által vett, a tiltó kapu és a jelformáló egység kimenetén megjelenő jeleket az érzékelő nyugalmi állapotában és egy mozgó tárgy észlelése közben. Az ábrán jól látható, hogy az 1 adó és a 2 vevő jelei felváltva jelennek meg és ugyanannyi ideig vannak jelen. A tiltó kapu jele a vevő jeleivel együtt jelenik meg és letiltja az 1 adót. A visszaverő 3 felület változatlyi távolsága - mint az ábrán is látható - TI ideig változatlan frekvenciájú jelet eredményez. TI időpontban az érzékelő és a 3 felület között megjelenő mozgó 6 tárgy hatására ugrásszerűen megváltozik, mégpedig úgy, hogy a kisebb távolság miatt lecsökkent visszaverődési idő miatt lerövidülnek az 1 adó és a 2 vevő jelei, tehát megnő a 4 tiltó kapu és az jelformáló egység kimenő jelének frekvenciája. A frekvencianövekedés a távolságváltozással arányos. T2 időpontban a mozgó tárgy elhagyja az érzékelő

HU 201167 Β látóterét és egy újabb frekvenciaugrás után visszaáll a TI időpont előtti nyugalmi állapot.

A találmány szerinti érzékelő 5 jel formáló egységének kimenetén megjelenő jel frekvenciája a visszaverő 3 felület 5 m-es távolsága esetén 33 Hz. Ha a mozgó 6 tárgy a 3 felület előtt 50 cm-rel halad el, akkor a jelfrekvencia 36 Hz-re változik, azaz a frekvenciaváltozás mértéke 10 %, ami 3 nagyságrenddel nagyobb egy hasonló helyre telepített Doppler elven működő ultrahangos érzékelő által szolgáltatott frekvenciaváltozásnál.

A fent ismertetett találmány szerinti ultrahangos érzékelő időmérés helyett az ultrahang hullámok visszaverődési idejével jellemezhető frekvenciájú jelet hoz létre, ami egyszerűbben értékelhető, mint az ismert érzékelők jelei. Ezenkívül a találmány szerinti érzékelő lényegesen nagyobb frekvenciaváltozást hoz létre a kimenetén, mint a hasonló, Doppler elven működő berendezések. A nagyobb frekvenciaváltozás miatt a találmány szerinti érzékelő zavarérzékenysége nagy érzékenysége mellett is jóval alacsonyabb, mint az ismert érzékelőké és ezáltal biztosítja a téves riasztások kizárását. Az egyszerű áramköri kialakítás miatt az előállítás költsége is jóval alacsonyabb, mint az időmérési elven alapuló távolságmérésre készített berendezéseké.

Claims (3)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Ultrahangos érzékelő, előnyösen behatolás érzékelésére, amely ultrahang adót és vevőt tartalmaz, ahol az ultrahang adóhoz ultrahang oszcillátor csatlakozik, az oszcillátorhoz pedig a kiküldött impulzuscsomagok idejét meghatározó kapcsoló áramkör van csatlakoztatva, azzal jellemezve, hogy az ultrahang oszcillátorral vezérelt ultrahang adó (1) folyamatos üzemét megszakító kapcsoló áramkör egy az ultrahang vevő (2) kimenetére csatlakoztatott, az ultrahang vevő által vett impulzussorozat idejére tiltó jelet előállító tiltó kapu (4).
2. 2. Az 1. igénypont szerinti ultrahangos érzékelő, azzal jellemezve, hogy az ultrahang vevő (2) kimenetére jelformáló egység (5), célszerűen demodulátorból és aluláteresztő szűrőből kialakított jelformáló egység (5) is van csatlakoztatva.
3. 3. Az 1. vagy 2. igénypont szerinti ultrahangos érzékelő, azzal jellemezve, hogy a vevő (2) az adóból (1) érkező közvetlen jeleket kiszűrő irányító csővel (7) van ellátva.