Systémy ochrany a bezpečnosti objektov

Transcript

1 Úvod Systémy ochrany a bezpečnosti objektov prof. RNDr. Vladimír Tvarožek, PhD., ing. Ivan Košč, PhD., Ing. Milan Kempný, Ing. Erik Vavrinský, PhD., Ing. Soňa Flickyngerová, PhD. Ústav elektroniky a fotoniky Cieľ predmetu: Je naučiť študentov metodickým postupom pri návrhu, príprave, hodnotení vlastností moderných systémov ochrany a bezpečnosti objektov, oboznámiť ich s princípmi činnosti avlastnosťami prvkov konfigurácie systému (vstupné systémy, riadiace jednotky a výstupné prvky), posúdiť kvantitatívne ukazovateľe bezpečnosti systému. Spôsob hodnotenia a skončenia štúdia predmetu: Priebežné hodnotenie: získanie zápočtu: - 40 bodov Záverečné hodnotenie: Skúška - 60 bodov Literatúra: HUSÁK, M. : Mikrosenzory a mikroaktuátory, Academia, Praha, STN Zariadenia poplachových systémov proti narušeniu. 4. KEMPNÝ, M.: Ochrana objektov pomocou systémov PSPN, KME FEI STU, Bratislava RAPKO, J.: Teoretické základy analýzy zabezpečovacích systémov, ŽU, Žilina HOFREITER, L.: Bezpečnostný manažment, ŽU, Žilina Firemná literatúra: Areta Pro spol. s r.o. [online]. Dostupné z: ( ARITECH, JABLOTRON, RIMI, SENTROL, SLOVAKALARM)

2 Nová koncepcia predmetu Nová tvár predmetu vďaka spolupráci ARETA PRO spol. s r.o. a ÚEF FEI Novo vybavené laboratórium zabezpečovacej techniky na báze komponentov TECNOALARM. Prechod od teórie projektovania k programovaniu navrhnutých systémov. Štandardné a nadštandardné programovanie. Simulácia, automatizácia, testovanie a vyhodnocovanie. Prepojenie na systémy inteligentných budov a elektronickej požiarnej signalizácie. Možnosť vydania certifikátu spolu s úspešným absolvovaním skúšky.

3 Inteligentné elektronické zabezpečovacie systémy IP KAMERY Systémy bezpečnosti a ochrany ľudí a majetku DETEKTORY modelovanie, programovanie a simulácia vývoj citlivých detekčných prvkov a ich testovanie GSM riešenia pre vnútorné aj vonkajšie perimetre domová automatizácia SIRÉNY, BLIKAČE CPU ZBERNICA Spolupráca s certifikát Nový prístup k zabezpečeniu nové perspektívy pre výskum a vzdelávanie POČÍTAČ KLÁVESNICE Hybridné IP kamerové a elektronické bezpečnostné system

4 Laboratórium zabezpečovacej techniky Plne hybridné systémy siréna GSM zbernica IR bariéry programovateľné vstupy programovateľné výstupy

5 Senzorika Senzorika - oblasť techniky týkajúca sa merania a spracovania informácií Z technického hľadiska informácia je kvantita, ktorá znižuje neurčitosť a môže byť identifikovateľná, merateľná a lokalizovaná. Nosičom informácie (a tým aj energie) je signál. Prevodník je funkčný prvok, ktorý realizuje prevod (transformáciu) energie z jedného systému do iného v tej istej alebo inej forme. Sprostredkovateľom prevodu energie sú signály v rôznych formách: elektromagnetické, radiačné, mechanické, tepelné, elektrické, magnetické, chemické, biologické. V živej prírode (ale aj v chémii) odozva na vonkajšie podnety má väčšinou elektrochemický charakter, t. zn., že nosičom výstupného signálu sú ióny. V elektrotechnike sú hlavným nosičom informácie elektróny (ak neuvažujeme fotóny ako vlastné a nezávislé elementy spracovania informácií) zrak (svetlo) fotodióda Podsystém informačných technológií - merací a riadiaci systém triptych, zložený z troch prevodníkov: senzora, elektronického procesora a aktuátora sluch (zvuk) mikrofón chuť (chemická reakcia) biosenzor čuch (oxidácia/redukcia) plynový senzor hmat (mechanická energia) tlakový senzor INFORMÁCIA ENERGIA MATERIÁLY

6 Senzory Senzor je funkčný prvok, ktorý mení špecifický signál na elektrický signál Senzor môže byť kombináciou viacerých prevodníkov, napr. chemický senzor : chemický signál tepelný signál koncentrácia chemický reaktor termočlánok elektrický signál

7 Fyzikálno elektrická reprezentácia senzora V reálnom svete existujú fyzikálne veličiny v pároch: vo forme "potenciálu P" a "toku F". Sú to, napr. elektrické napätie U a elektrický prúd I, tlak p a prúdenie dm/dt, teplo Q (teplota T) a tepelný tok dq/dt, mechanické napätie a deformácia. Potenciál P je zviazaný so vzdialenosťou l, prípadne plochou ("priečna" premenná): gradpdl 0 Tok F je lokálna veličina ("cez" premenná v bode i) : divf i 0 Súčin týchto komplexných veličín P x F charakterizuje "energiu E" alebo "výkon P podiel P /F "impedanciu Z"

8 Prevodná charakteristika senzora Ideálny vzťah medzi vstupným stimulom s a výstupným elektrickým signálom S je charakterizovaný prevodnou charakteristikou S = f(s) S m S (elektrický výstup) 100% chyba lineárna: logaritmická: S S as b a ln s b ideálna prevodná charakteristika hranice presnosti odchýlky exponenciálna: ks S as S mocninová: S a 0 a1s k S reálna prevodná charakteristika kde b je veľkosť výstupného signálu senzora pri nulovom stimule, a je citlivosť senzora, k je konštanta senzora Senzory podľa excitácie výstupného signálu môžeme rozdeliť na: aktívne - sú vlastným zdrojom elektrického signálu (termočlánok, potenciometrický elektrochemický článok) pasívne - potrebujú zdroj elektrickej energie e napájanie (piezoodpor, voltampérometrický článok). s s vstupný celkový rozsah (FSI) stimul

9 Dynamické vlastnosti senzorov stimul s odozva S dynamické charakteristiky časová závislosť parametrov senzora - rýchlosť odozvy, resp. frekvenčná odozva, fázové posunutie, vlastná frekvencia senzora, tlmenie a pod. 0. rádu: statická (časovo nezávislá odozva) S( t) G. s( t) G je konštantná prevodná charakteristika, ktorá nie je závislá od času A B C D E 0. rádu } 1. rádu 2. rádu 1. rádu: odozva je charakterizovaná diferenciálnou rovnicou Senzor popísaný touto rovnicou má schopnosť uschovať energiu predtým než ju opäť odovzdá, t. zn., že má "zotrvačnosť" a dosiahne skutočnú hodnotu výstupného signálu odpovedajúcu stimulu až za určitý čas. ds( t) a1 a0s( t) s( t) dt t - S( t) S( t) 2. rádu: odozva je charakterizovaná diferenciálnou rovnicou 1 a2 a0s( t) s( t) 2 a vyjadrená pomocou periodických funkcií sin(t), cos(t), e it dt dt má vlastnú rezonančnú frekvenciu ω 0 a tlmenie b, a a ktoré odpovedajú fyzikálnym, chemickým a elektrickým vlastnostiam b a0a2 senzora a 2 2 a d 2 S 0 1 e ds( t) /

10 Charakteristiky senzorov: rozsah Maximálny rozsah hodnôt vstupných stimulov, ktoré je senzor schopný detekovať s dostatočnou presnosťou a bez poškodenia sa označuje FSI (Full Scale Input). Maximálny rozsah hodnôt výstupných elektronických signálov (daný minimálnou a maximálnou hodnotou stimulov) je FSO (Full Scale Output). V prípade, že rozsahy senzora sú veľmi široké a prevodná charakteristika je nelineárna, je výhodné vyjadrovať pomer hodnôt veličín v decibeloch (db), ktoré môžeme vyjadriť pomerom výkonov P P db 10log P 2 1 alebo síl F db 20log F F 1 2 Decibelová reprezentácia umožňuje zároveň vyjadriť malé signály s vysokým rozlíšením a veľké hodnoty komprimovať Pomer výkonov db

11 Ďalším prvkom v meracom a riadiacom systéme je elektronický procesor (modifikátor, signálny procesor) - funkčný prvok, ktoré upravuje a spracúva elektrický signál (vstup a výstup má rovnakú elektrickú formu). Na výstupe tohoto systému je aktuátor alebo displej. Aktuátor je funkčný prvok, ktorý mení elektrický signál na špecifický signál často spôsobujúci akciu. Displej je špeciálny typ výstupného prevodníka, ktorý mení elektrický signál na viacrozmerný signál, prijímaný ľudskými zmyslami (napr. zrakom, hmatom). Špecifický signál Aktuátor Akcia radiačný laser emisia svetla mechanický piezoelektrický element generuje ultrazvuk, tlak magnetický záznamová hlava magnetizuje médium tepelný tepelná tlačiareň tavenie černe chemický batéria chemická reakcia

12 MST Mikrosystémová technika MST je moderná technologická báza pre návrh, výrobu a aplikáciu miniatúrmych súčiastok a systémov, ktoré môžu obsahovať senzory, elektronické spracovanie signálov a aktuátory, pričom sa kombinujú viaceré funkcie: elektrické, optické, mechanické, magnetické, chemické, biologické Optika Mechanika Chémia Elektronika Senzor Aktuátor Procesor Systém Biológia Informačné technológie Medicínke technológie Inteligentné senzory MST = MEOMS (Mikro-Elektro-Opticko-Mechanické Systémy) MST umožňuje hromadnú výrobu mikrosystémov : vysokáreprodukovateľnosť nízka cena moderná prevádzka zabudovaná inteligencia

13 Systémy ochrany a bezpečnosti objektov Princípy senzorov využívaných v systémoch pre ochranu a bezpečnosť objektov Kapacitné senzory Fotónové detektory a zobrazovače (kamery) viditeľného (VIS) a infračerveného (IR) žiarenia Tepelné detektory infračerveného žiarenia Dopplerovské ultrazvukové (US) a vysokofrekvenčné (UHF) detektory

14 Kapacitné senzory C = ε A / d C = f (ε) C = f (A) C = f (d)

15 Kapacitný senzor obsadenia (umiestnenia) ε r 97 svaly, koža, krv ε r 15 kostra

16

17 Kapacitný zabezpečovací systém v automobile redukcia nežiadúcich signálov Skrútené vodiče oscilátor U C senzorová elektróda referenčný nastavovací kondenzátor C X = C P diferenčný Q detektor U ref komparátor U C >U ref Logický obvod U výstupné karoséria auta Sedadlo neobsadené τ= R 1 C P = R 2 C X = τ 0 Sedadlo obsadené R 1 (C P + ΔC) > R 2 C X, τ > τ 0

18 Kapacitná identifikácia osôb - prst Základné parametre senzora: Počet pixelov: 192 x 128, Rozlíšenie: 317dpi, Nízka spotreba energie menej ako 50mW, Napájanie 3.3V, Senzor regulácie zisku: 3bits Štruktúra: CMOS s kremíkovým hradlom

19 Kapacitné mikrosenzory nárazu rýchla odozva vysoká citlivosť samodiagnostika 1 ms 20 mv/g ±50, ±100, ±250 g 2 6 EUR

20 Inerciálne modulové jednotky na báze MST (MEMS) Aplikácie

21 Inerciálna navigácia a = F / m GPS Boeing AH-64 Apache Eurocopter NHI NH90

22 Elektromagnetické vlnenie a žiarenie Jedna z foriem hmoty - elektromagnetické pole - je charakterizovaná elektromagnetickým vlnením a fotónmi. Látky, ktoré majú absolútnu teplotu T, vyžarujú fotóny so strednou kinetickou energiou E f, čomu odpovedá elektromagnetické vlnenie o frekvencii f (vlnovej dĺžke λ): c kt hf h E f kde k je Bolzmanova konštanta, h je Planckova konštanta a c je rýchlosť svetla. Napr. fotónu o energii približne E f = 1 ev odpovedá vlnová dĺžka λ = 1 µm. Spektrum elektromagnetických vĺn a relatívna citlivosť ľudského oka vo viditeľnej oblasti žiarenia Λ (m) dlhé vlny rozhlasové vlny IR UV X kozmické žiarenie f (Hz)

23 Detekcia infračerveného (IR) a viditeľného (VIS) žiarenia tepelné detektory absorbcia IR žiarenia fotónové detektory IR a VIS žiarenie vzrast teploty ΔT generácia nosičov náboja v materiáli a štruktúre detektora zmena vlastnosti materiálu detektora (Δp, Δρ, ΔPQ, ΔEMS) zmena elektrických charakteristík detektora (Δi, Δu, ΔC) elektrický výstup detektora (ΔR, ΔQ, Δi, Δu)

24 Zložené oko mucha včela vážka Charakteristika: široké zorné pole malé priestorové rozlíšenie vysoké časové (dynamické) rozlíšenie

25 Ultratenký zobrazovací systém - mikrošošovky Problém: kríženie vizuálnych informácií medzi jednotlivými pixelmi Vytvorenie nepriehľadných stien Technika high-aspect-ratio photolithography Objektív pripojený k matici 128 x 128 pixlov rozstup pixlov 69 μm on-chip analógové vypočítavanie kontrastu magnitúdy a smeru obrazu Celý obrazový systém má vlastnosti: clona F 2.2 zorné pole 20 x 20 zväčšenie ekvivalentné fokusačnej vzdialenosti 24 mm kamery s viacerými veľkosťami malých dierok na jednej strane substrátu (2 až 8 μm)

26 Porovnanie a aplikácie Umelé zložené oko Štandartná kamera Umelé zložené oko monitorovanie činnosti ľudí identifikácia osôb ochrana chodcov na cestách detekčný systém v MFI (Micromechanical Flying Insect) armáda lokalizácia ľudí po katastrofách integrovanie do malých zariadení mobilné telefóny kreditné karty

27 Infračervené (IR) detektory a zobrazovače - aplikácie Ochrana objektov Priemysel Medicína Meterológia Astronómia Vulkanológia Armáda atď.

28 Principiálna schéma usporiadania detekčného systému pre VIS a IR žiarenie Žiarivý tok Φ [W] - energia, vyžarovaná za jednotku času (žiarivý výkon) Intenzita vyžarovania I Φ [W/m 2 ] - žiarivý tok, vyžarovaný z jednotkovej plochy zdroja Žiarivosť R [W/sr] - žiarivý výkon, vysielaný z bodového zdroja do jednotkového priestorového uhla Merná žiarivosť R T [W/sr.m 2 ] - žiarivosť plošného zdroja na jednotkovú plochu v ľubovoľnom mieste a smere Spektrálna merná žiarivosť r T (λ) [W/sr.m 2.μm] - merná žiarivosť pre jednotkový interval vlnových dĺžok. Objekt hc/λ = hf Fokuzačný a modulačný element Plocha senzorového elementu A T Φ (λ) Vonkajšie prostredie Φ (λ, ω) Detektor

29 Zákony tepelného vyžarovania telies Planck v r objavil, že spektrálna merná žiarivosť absolútne čierneho telesa závisí od vlnovej dĺžky a teploty, pretože je determinovaná emitovaním energie diskrétnych oscilátorov - fotónov Planckov zákon r T 8 hc 5 e hc 1 kt 1 Wienov zákon postuluje, že najpravdepodobnejšia vlnová dĺžka λ max, odpovedajúca maximálnej intenzite vyžarovania, sa posúva ku kratším vlnovým dĺžkam so zvyšovaním teploty T, K = 2,896.l0-3 K. max K T Totálny výkon, vyžarovaný z jednotkovej plochy absolútne čierneho telesa, je závislý od absolútnej teploty T podľa Stefan-Boltzmanovho zákona, kde σ SB = 5, J/m 2.s.K 4 R T 0 r T d SB T 4

30 Priepustnosť atmosféry pre blízke a stredné IR žiarenie ======================================= ===============================================

31 Infračervené detektory pohybu Všeobecná štruktúra optoelektronického detektora pohybu 3 hlavné komponenty: optický fokuzačný prvok, vlastný senzorický element elektronika pre spracovanie signálu Narušiteľ je detekovaný iba keď jeho imaginárny obraz: prichádza alebo opúšťa povrch detektora, nastáva zmena výstupného signálu (napätia V), ktorý musí byť najskôr zosilnený a prispôsobený, kým sa v komparátore porovná s dvoma refernčnými úrovňami (detekčné okno) a konvertuje na logickú 0 a 1 (žiaden pohyb a detekcia pohybu)

32 Pyroelektrické mikrosenzory Pyroelektricita je spôsobená závislosťou vnútorných dipólových momentov (spontánnej polarizácie P s ) anizotrópnych látok od teploty. Pyroelektrickým javom sa nazýva generovanie elektrického náboja dq (na plochách kolmých k polárnej osi) pri zmenách teploty dt pôsobením tepelného toku. Mierou citlivosti spontánnej polarizácie pyroelektrických materiálov od zmien teploty je pyroelektrický nábojový koeficient P Q [C/m 2 K] P Q dps dt IR Φ(t) dq = i(t)dt Q(t) +++ P Q, ε u(t) C e R e du(t) --- Podstatu IR detektora tvorí pyroelektrický snímací element, ktorý je v princípe kondenzátor s pyro- /piezo- elektrickým dielektrikom, charakterizovaný kapacitou C e aveľmi vysokým vnútorným priečnym odporom R e > Ω Pri IR ožiarení Φ(t) nastáva zmena jeho teploty dt(t), ktorá vyvolá zmenu spontánnej polarizácie a na elektródach o ploche A sa indukuje náboj dq(t) = i(t)dt dq( t) PQAdT ( t) C e A h Odpovedajúca zmena napätia du(t) je nepriamo úmerná kapacite C e elementu o hrúbke h a permitivite ε = ε 0 ε r (ak zanedbáme zvodové prúdy cez vysoký vnútorný odpor) a priamo úmerná časovej zmene náboja dq( t) PQ du( t) h dt ( t) C e