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玻璃突破探测器


这个项目, 玻璃破裂探测器 from 1992年,展示了如何制作玻璃破裂探测器,正确检测涉及玻璃类型的玻璃的声音。



玻璃破裂探测器的执行摘要

用于检测窗口等的断裂的玻璃破裂检测器包括具有宽带频率响应的声学换能器,耦合到双信道滤波器和信号处理电路。低频通道检测由窗口的向内弯曲引起的初始正压缩波,高频通道检测是破碎玻璃的特征的声学光谱。

两个通道组合在定时的逻辑电路中,使得最初随后用高频分量检测到低频正弯曲。如果满足两个时序条件,则启动警报。如果最初检测到负压缩波,则提供附加电路以禁止警报。

检测序列由破碎玻璃的响亮声音特征引发。

玻璃断裂探测器的背景

以下设计涉及一种玻璃中断检测器,更具体地涉及一种声学传感装置,其感测断层玻璃的两个不同频率特性,并在预选的时间框架内检测两次发生时提供警报。该设计由发现玻璃产生高度特征的声波图案,特别地,产生特征正低频声波和遵循初始低频现象的高频声波。

在过去,玻璃破裂探测器已经尝试通过专注于破碎玻璃的高低频率特性来消除误报的发生。美国专利No. No.4,091,660到Yanagi,检测频率范围小于50,000个循环的信号,大于100,000个周期,在同时存在两个频率分量时,产生用于警报的启用信号。

其他设备识别出不同时间可以存在不同的频率分量。在Davenport等人。美国专利。据推测,美国专利4,668,941,假设断裂玻璃产生初始低频块,其左右350赫兹,然后以约6.5kHz为中心的高频分量。

6.5 kHz信号表示玻璃,因为它落在地板上,产生叮叮当当的声音。但正如阿布尔等人所指出的那样。美国专利。美国专利4,837,558,一个人不能总是假设一旦破碎的玻璃会产生叮叮当当的声音,特别是如果玻璃窗格或窗口位于办公室或住宅的地毯上方。

对于某些时间的入侵检测器已经利用了门或窗口的开口产生的现象,该现象产生了可以通过敏感麦克风或其他声学换能器检测到一个频率响应的速度压力波,其中频率响应一至五个循环每秒。

在Yarbrough等人中示出了这种装置的示例。美国专利。美国专利号4,853,677。 YARBROUGH装置还包括玻璃中断检测器电路,该玻璃中断检测器电路耦合到相同的麦克风。如果产生适当的频谱,高频或低频事件将触发警报。

此外,已经认识到,门或窗口的开口在第一实例中产生负面的空气压力,以及侵入检测器的声学检测器已经设计用于利用这一事实。在Goldstein等人中显示了一个例子。美国专利。美国专利号4,991,145。

上述玻璃破损和入侵检测器利用了破碎玻璃的一些特性,但并不总是抑制可能由具有与通过破坏玻璃产生的频率特性类似的事件产生的误报。此外,他们未能考虑到特别是在低频区域,不同类型的玻璃中发出不同频谱时的事实。

玻璃断裂探测器概述

本设计利用了每种已知类型的破碎玻璃的事实可以通过由玻璃的向内弯曲产生的正低频声波,因为它被从房间或待监测的外壳被破坏。这种低频弯曲之后是具有特征频谱的高频声波。

根据设计,用于检测窗口,玻璃窗格等的破坏的入侵检测器包括诸如麦克风的声学换能器,响应于声学换能器,用于检测由此产生的第一低频正声波的声学换能器玻璃的向内柔性和响应于信号处理电路的警报。

该系统还包括高频带通滤波器,用于检测断开玻璃的特性和重合逻辑电路的高频声波,该磁波电路使得当在以由由产生的高频事件开头的预定时间窗口期间检测到低频声波时,该磁力逻辑电路使得当检测到低频声波时打破玻璃。

然后可以通过在初始时间窗口之后的时间采样换能器的高频输出来触发警报。该系统的逻辑利用了声波的必要高频光谱将遵循由玻璃窗格或窗口的向内弯曲产生的初始正低频波。

还可以提供电路以禁止在检测负低频率现象时禁止警报,然后是否则将部分地使警报部分能够进行警报。警报抑制功能显着降低了误报的发生率,例如由门或窗口的合法开口引起的那些,然后是诸如键的Jangling的高频声音。

该设计还利用了该事实,即不管玻璃的类型,破碎玻璃的低频分量在于50Hz和100Hz之间的频率区域,并且玻璃的破坏始终通过正压缩波开始。现有技术的Incasonic探测器经常运行的原理,即玻璃突破产生低频声音,这些声音会产生房间,通过破碎的窗口将其耦合到外界。然而,该问题的情况是,对于没有与破碎玻璃相关联的大量事件,也可能发生这种低频谐振。

这是该设计的主要目的,提供了一种玻璃破坏探测器,可准确地区分玻璃和其他声音的声音,以防止误报。该设计的另一个目的是提供一种玻璃破裂检测器,其可以检测不同类型的玻璃的破裂。

然而,这种设计的另一个目的是提供一种用于通过检测具有频谱的高频声音,检测诸如房间的外壳的周边在诸如房间的周边上的玻璃面板的断开的方法破碎玻璃的特征。

在考虑以下对设计的详细描述时,将更容易地理解设计的前述和其他目的,特征和优点,与附图结合使用。


图1:是双通道玻璃中断检测器系统的框图,包括用于玻璃中断检测器的本发明

View larger image 这里.


玻璃断裂探测器的描述

参考图1。图1是玻璃中断检测器包括耦合到低频带通滤波器10的麦克风X1和与电阻器R17并联的高频滤波器40耦合到电源电压Vdd的源极。低频带通滤波器10耦合到一组阈值比较器20,其限定来自麦克风X1的信号的低频分量的不同设定点。

阈值比较器20的输出耦合到柔性逻辑电路30.高频滤波器40耦合到触发比较器50,触发比较器50启动系统的定时逻辑,并耦合到定时逻辑电路60.定时的​​输出逻辑电路耦合到柔性逻辑电路30和NAND门G23。

高频滤波器的输出也耦合到频率到电压转换器70,其输出又耦合到窗口比较器80.窗口比较器80的输出驱动定时锁存器90.定时锁存器90和频率到电压转换器70从定时逻辑电路60接收定时输入,并且柔性逻辑电路30和定时锁存器90的输出也输入到NAND门G23。

NAND门G23的输出连接到警报逻辑电路100.未示出警报逻辑电路100的细节,但是当NAND门G23的输出低时电路是有效的。只有当所有三个输入到NAND门G23的输入很高时,都会发生,并且警报逻辑电路100开发可听和/或视觉警报。这种电路的细节是本领域普通技术人员所熟知的。


图2a是基于图2的框图的示意图的详细示意图的第一部分A. 1对于玻璃破裂探测器




图2B:是基于图2的框图的示意图的详细示意图的第B部分。 1对于玻璃破裂探测器




图2C:是基于图2的框图的示意图的详细示意图的部分C. 1对于玻璃破裂探测器



参考图1。图2A,图2A。图2B。图2C是麦克风X1是驻极体麦克风,其频率响应从20Hz到20kHz加上或减3dB的频率响应,其输出极性是阳性的,用于增加大气压和负面的负面压力下降。麦克风应该是具有宽动态范围,大于120 dB的类型,以及全向拾取模式。麦克风的偏置电流通过电阻器R17从5伏直流源提供。

麦克风的输出耦合到包括高频滤波器40的高频信道。尽管为该应用选择的麦克风具有宽频响应和有源滤波,但是应该识别出频率整形可以部分地或甚至完成完全在麦克风设计中而不是过滤器设计。

为了检测麦克风在距窗口的距离处的距离的叠层窗玻璃的破裂时,高频滤波器40必须具有从0 Hz至5kHz的最小斜率为6dB,然后升至每升至12 dB八度斜率8 kHz。在20kHz以上,滤波器响应以每倍增步骤最小-6 dB滚动以衰减不需要的超声信号。

包括电容器C1电阻器R1,电容器C2电阻R2和放大器A1的网络形成有源的有源频带通过滤波器。电容器C1将麦克风的直流信号从过滤器的电路隔离,并且与电阻器R1相结合,确定近19 kHz的高通杆。

这在频段宽度在0Hz和19 kHz之间的带宽范围内以加6 dB的速率强调高频。电容器C2与电阻器R2结合使用近24 kHz的低通杆,其每倍频频率提供-6dB滚动。包括电容器C3,C4,C5和电阻器R3,R4和R5和放大器A2的网络形成具有峰值的低通滤波器。

电容器C3将第一阶段的DC偏移与第二并且与电阻器R3相结合,确定接近16Hz的足够低的高通杆。来自放大器A2的反馈路径中的网络达到20kHz的响应,并在每个八度音高的+6 dB的斜率中提供额外的升高。

放大器A3形成具有电阻器R7与电阻器R6的比率的附加放大级,将增益和电容器C6与放大器A3的电路隔离放大器A2的DC偏移。电容器C6和电阻器R6确定接近160Hz的足够低的高通杆。

频率到电压转换器包括放大器A6,其将高频滤波器40的输出从幅度域转换为频域。 A6的输出由由NG(噪声门)定时信号触发的AND门G1。比较器放大器A6上的零电压阈值上方的信号关闭开关MP1并打开开关MN1,将电容器C1的电荷量放置在由电容器C15和电阻器R8和R9上确定的电容器C7上以及电容器C7上的偏置电压。

当信号降低比较器的阈值时,开关MN1被关闭,开关MP1接通,归零电容器C15并允许电容器C7上的电荷通过电阻器R10泄漏到接地。响应于该周期性信号在电容器C7上产生的电压减去抵抗电压电容器C15的电压并减少输送到电容器C7的电荷量。

频率到电压转换器的输出被预偏移,使得它位于窗口比较器80的两个触发点之间。这是通过接通开关MP2并将电压源VDD连接到由电阻器R11形成的分压器来完成的。然后收取电容器C7的R10。

频率与电压转换器的输出连接到窗口比较器80,窗口比较器80包括具有耦合到和栅极G2的输出的比较器放大器A7和A8。频率到电压转换器70的输出通过开关MP2预释放,以将其输出保持在+800毫伏的触发点和+340毫伏之间,它们分别输入到比较器放大器A7和A8。

由兴趣带内的频率产生的电压将允许频率的输出到电压转换器70以保持在这些触发点之间。许多错误警报具有始终低于窗口比较器80的阈值的平均频率,并且一些误报最初在阈值以下开始,然后将阈值高于窗口。

预匹配窗口中的输出使这些事件通过驱动窗口而使信号无效。这是由于所有真正的玻璃突破都有平均频率,除了用于窗户底部的一些最坏情况的钢化玻璃突破,除了一些最差的玻璃碎片,然后在前10毫秒内爬入窗口。

窗口比较器80的输出设置定时锁存器90,其包括NAND门G4和G5。 NAND门G4的输入是或栅极G3,另一个输入到或栅极G3的输入是定时10毫秒脉冲。当系统最初触发时,发生该脉冲,如下面将说明的。

10毫秒的脉冲使定时锁存器90保持在可能是有效玻璃突破的事件的前10毫秒期间复位。这是因为如上所述,某些类型的玻璃,特别是钢化玻璃,可以在前10毫秒期间不一定产生频率,这将在窗口比较器80的界限内。

如果断裂是这种类型的玻璃,则10毫秒脉冲将闩锁90保持重置。在初始10毫秒之后,单独的窗口比较器80的输出将确定锁存器90是否重置。锁存器由定时NG(噪声门)信号启用,其起源将在下面解释。

麦克风X1的输出还连接到低频带通滤波器10,其包括两个放大器A9和A10以及适当的反馈网络。与放大器A9相关联的网络包括DC阻挡竞争器C9,其与电阻器R13确定3.4Hz的高通杆。

电阻器R14和电容器C10确定近34Hz的低通杆。与放大器A10相关联的滤波器的第二部分包括直流阻挡电容器C11,其与电阻器R15确定近3.4Hz的高通极。 R16和电容器C12在154 Hz处形成低通杆。该滤波器具有强调50Hz至100Hz区域的频率响应,因为已经经验确定在该频率区域内发现玻璃刚刚在其被打破之前突出的初始弯曲。

此外,由突破之前的初始向内弯曲产生的正压波比向外弯曲的尺寸更高,尤其是钢化玻璃。当锻炼玻璃破裂时,初始向内弯曲后的向外弯曲高度阻尼,因此由向外弯曲或循环计数触发的检测方案可能无法检测到许多这样的断裂。

因此,过滤器10被配置为在所有类型的玻璃突破中具有自然发生的低频区域的输出。

滤波器10的输出连接到阈值比较器网络20,其包括比较器A11,A12和A13。比较器放大器A11检测与断开窗口的对象相关联的压力波,并且其阈值设置得足够低以检测最坏情况弯曲。这是因为已经确定了钢化玻璃,特别是,振幅的正压波比由破碎板和层压玻璃引起的那些。

比较器A13检测在非常小的房间或气闸中创建的高电平压力波,这将在窗户或窗格中实际破裂之前检测。比较器放大器A12是检测与玻璃破碎相关的负压的抑制网络的一部分。在Flex逻辑电路30中分析了这三个比较器的输出。

即使窗口在破裂之前弯曲,突破的高频将在由有效弯曲产生的低频压力波之前达到其峰值,因此更容易检测到首先检测。经验证明,在检测到断裂的第一高频分量之后,在低于10毫秒内始终可检测有效的柔性。

因此,在比较器放大器A11的阈值上方的阳性过渡接通栅极G12并触发由放大器G22组成的1毫秒的一个拍摄,并触发器F27和F28,其目的是表示立即发生的正大气压的增加。

除非由由Nand栅极G14和G15组成的锁存抑制,否则比较器A13或A11的输出将设置由NAND门G20和G21组成的锁存器。由于向NAND门G19的10毫秒输入,如果完全,则必须在中断事件的前10毫秒内发生此事件。

由NAND门G20和G21组成的输出锁存器由NG信号启用。

在第一10毫秒内发生初始负压波的情况下,锁存G14,G15将是低预防和栅极G16或G17通过有效的高信号或栅极G18。这会强制锁存G20,G21低,这又迫使NAND门G23的输出高,禁用警报。

定时逻辑网络60由触发比较器电路50发起的高频事件触发。该电路包括两个触发放大器A4和A5。比较器放大器A5具有相对较低的阈值,该机构包括逆变器I3,栅极G6和触发器F1-F3的五毫秒可再触发的一个镜头,其输出重置触发器F4和栅极G8。

除了由五毫秒可重新触发的一个拍摄或主复位(MR *)脉冲复位之外,还可以通过NAND门G9重置触发器4。如果高频事件的幅度足够高,则触发比较器放大器A4,该时钟触发器F4并在其Q输出处产生NG(噪声栅极)脉冲。

从噪声栅极脉冲触发触发器F5-F11链,触发各个时间并具有各种占空比的脉冲ST。通过触发器F12产生10毫秒的定时脉冲,其前缘基本上与NG脉冲产生。然后将该脉冲作为输入到与定时闩锁90中的NAND门G15,G19和或栅极G3的输入。

AND栅极G10产生77毫秒脉冲(即,其前沿在77毫秒发起),以便使NAND门G23能够。因此,根据系统逻辑,如果断裂的高频分量未驱动频率的输出到由窗口比较器80在初始的10毫秒之后建立的窗口的电压转换器70,并且在77之前断裂后MS,如果在前10毫秒内发生初始低频压力波,则会感测有效的报警条件。


图3:是说明玻璃中断检测器的基本系统时序的波形图

View larger image 这里.


无花果。图3示出了系统的基本定时。典型的玻璃断裂信号产生图2所示的滤波器输出。 3和NG和10毫秒脉冲信号被相应地产生。因为断裂事件处于正确的频率范围和足够的幅度来触发网络60中的定时逻辑,所以低频带通滤波器10的输出在前10毫秒内足够高,以设置锁存G20,G21低频通道的输出。

在77毫秒为77毫秒的脉冲结束和脉冲的开始之间的时间是在其期间,可以通过无效信号从窗口比较器80中建立的窗口驱动高频信道。但是,如果它没有从窗口驱动,但是,在77毫秒的脉冲启动时,将触发警报。

可以随时重置噪声栅极信号,高频信号低于其大于5毫秒的阈值。

应当理解,这里使用各种时钟频率信号和电压,但是未示出产生它们的电路。例如,信号MR *是通过电源电源在系统上电时产生的主复位脉冲。这些信号由常规振荡器和电压提供产生,因此它们的细节是本领域普通技术人员公知的。

在不脱离设计精神的情况下,可以对上述设计进行各种修改。例如,高频和低频滤波器可以是不同的配置,并且甚至可以结合在换能器设计中。而且,已经示出了对电压转换器和窗口比较器电路的频率,系统偏置为假设可以强制出窗口的有效信号。

这使系统提供了更快的响应,并更容易检测到钢化玻璃的破碎。然而,可以配置系统,使得在使能信号由锁存器等提供之前必须发生有效信号。


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