DE3011052A1

DE3011052A1 - Einbruchssicherungseinrichtung mit einer detektorleitung

Info

Publication number: DE3011052A1
Application number: DE19803011052
Authority: DE
Inventors: Charles D Butter
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1979-03-26
Filing date: 1980-03-21
Publication date: 1980-10-09
Also published as: IT1126989B; IT8048214A0; US4297684A; GB2046437A; FR2452749A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einbruchssicherungeinrichtung mit einer Detektorleitung, wie sie beispielsweise zum Schutz von militärischen und Industrieanlagen eingesetzt werden kann. Aus DE-OS

22 22 605 und 23 10 126 sind Detektorleitungen mit ferromagnetischer, insbesondere magnetostriktiver Beschichtung bekannt. DE-OS

23 01 356 zeigt eine Detektorleitung mit einem flexiblem magnetisierbaren Kern und einerdiesen umgebendenWicklung, deren Wickelsinn längs des Kernes in vorgegebenen Abständen umkehrt. Die Fertigung solcher Detektorleitungen ist aufwendig und teuer. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einbruchssicherungseinrichtung zu schaffen, deren Detektorleitung einfacher und kostengünstiger herstellbar ist. Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung.

Faserkabel als Lichtleiter sind zwar bekannt; sie dienen bisher ausschließlich als Lichtübertragungsmittel zwischen einem Lichtsender und einem Lichtempfänger. Die Erfindung hingegen nutzt die ι

j Eigenschaften eines solchen Faserkabels als Erschütterungsfühler ' aus. Es hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, daß auf ein j solches Kabel einwirkende Erschütterungen, Druck- oder Lageänderungen eine Änderung der optischen Übertragungseigenschaften des Faserkabels zur Folge haben, welche erfindungsgemäß zur Überwachung ausgenutzt werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den ünteransprüchen. Sie wird nachfolgend anhand in den Zeichnungen wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 die wesentlichen Teile einer Einbruchssicherungseinrichtung in schematischer Darstellung;

Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen Einbruchssicherungseinrichtung ;

Fig. 3 Teile einer abgewandelten Ausführungsform;

Fig. 4 teils als Block- und teils als Flußdiagramm eine ₍

zweite Ausführungsform des Lichtdetektors mit Auswerteschaltung;

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Fig. 5 das zugehörige Blockschaltbild und

Fig. 6 schematisch das Ausgangssignal an einem gemäß Fig. 5 als Detektor eingesetzten CCD-Bildwandler.

In Fig. 1 strahlt ein Laser TO, beispielsweise ein He-Ne-Laser kohärentes Licht mit einer Wellenlänge von beispielsweise 632δ£ über eine Optik¹¹auf die Eingangstirnfläche eines Murtimode-Faserkabels 12. Am anderen Ende des Faserkabels 12 tritt das Intensitätsmuster des Lichts in Form eines Kegels aus dem Faserkabel aus und fällt auf einen Schirm 13 und stellt sich dort als Sprenkelmuster 14 dar. Selbst bei nur geringfügiger Deformation des Faser kabeis 12 ergibt sich eine Änderung des Sprenkelmusters 14. Diese Änderung des Lichtmusters bildet die Kenngröße zur Ableitung eine Detektorsignals.

Bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 2 hat der Schirm 13' eine öffnung 15,hinter welcher ein eine Fotodiode und einen Vorverstärker umfassender Detektor 16 angeordnet ist. Die Fotodiode spricht auf Veränderungen oder Verschiebungen des Sprenkelmusters an. Die Wechselstromkomponenten des vom Detektor 16 gelieferten Signals gelangt über einen Kondensator 17 zum Eingang 18-eines Oszillographen 20 oder kann für andere Zwecke an der Klemme 18 abgegriffen werden.

Bei der Erprobung einer solchen Einbruchssicherungseinrichtung wur< das Faserkabel 12 etwa 23 cm tief in feuchten Sand eingegraben. Es war möglich,sowohl eine mit einer Frequenz von 10Hz aufgebrachte Belastung von 45 kg festzustellen als auch die Schritte einer übei das Kabel hinweglaufenden Person. Dabei fand ein O,5mW-Helium-Neon -Laser Anwendung, der ein Faserkabel mit 100 m Länge vom Typ PFX-S der Firma Dupont speist. Als Detektor diente eine Silizium-Fotodiode und ein Oszillograph. Die Strahlung des Lasers wurde auf das Eintrittsende des Faserkabels fokussiert,und am Ausgang des Faserkabels ergab sich ein räumlich unterschiedliches Intensitätsmuster. Die Silizium-Fotodiode mit vorgeschalteter Blende nahm die

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_ 5 —

Strahlung auf. Bei einer Verformung oder Bewegung des Kabels ändert sich das Sprenkelmuster und damit die Strahlungsintensität, welche sich dem Detektor durch die Blende hindurch anbietet.Diese Änderungen der Lichtintensität bilden das Ausgangssignal der Detektorleitung. Als Prüffeld diente eine mit feuchtem Sand gefüllte Mulde von etwa 90 mal 35 m und 1,2 m Tiefe. Das Faserkabel lag etwa 23 cm unterhalb der Sandoberfläche und war 90 m lang. Nach dem Verlegen des Kabels wurde der Sand im Grabengestampft, um eine gleichmäßige Dichte herzustellen. Für die Überprüfung der Wirksamkeit dieser Art von Detektorleitung wurde unmittelbar über dem Kabel ein mechanischer Schwinger aufgesetzt, der von einem Windmotor angetrieben wurde. Er erzeugte senkrecht auf die Sandoberfläche gerichtete Wechselkräfte von 45 kg Spitzenwert mit einer Frequenz von 10 Hz. Als zeitabhängiges Ausgangssignal des Detektorvorverstärkers ergab sich ein Signal von 5 mV, gemessen Spitze zu Spitze. Die Einrichtung erkannte ferner die Schritte einer über den Sand oberhalb des Faserkabels hinweggehenden Person. Anschließend wurde das Kabel ausgegegraben und über eine Länge von 3 m in einem Kupferrohr verlegt und zwar wiederum etwa 2 3 cm unterhalb der Sandoberfläche. Anschließende erneute Versuche zeigten, daß das Kupferrohr das Faserkabel gegen jegliche Deformationen wirksam abschirmt und somit kein Aussgangssignal feststellbar war.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird das vom Detektor/Vorverstärker 16 über den Kondensator 17 der Klemme 18 zugeleitete Signal dem einen Eingang einer Vergleichsschaltung 21 zugeleitet. Sobald dieses Signal einen Schwellwert V_REfl überschreitet, liefert die Vergleichsschaltung auf der Leitung 22 ein Schaltsignal für den monostabilen Multivibrator 23,an dessen Ausgang eine Leuchtdiode 24 zur Anzeige angeschlossen ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Lochplatte 1.3' und der Detektorvorverstärker 16 durch eine lineare Detektoranordnung 30, beispiels die 128 Elemente eines CCD-Bildwandlers ersetzt. Auf diese Weise wird das Sprenkelmuster gleichzeitig an vielen Punkten abgetastet und mit dem zuvor vorhandenen

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Strahlungsmuster verglichen. Unterschiede zwischen dem gegenwärtigen und dem vorgehenden Strahlunsmuster zeigen an, daß das Faserkabel bewegt oder verformt wurde. Die Ansprechzeit ist dabei so gewählt, daß langsame Änderungen des Sprenkelmusters auf Grund von Temperaturschwankungen im Faserkabelkeinen Alarm auslösen.

Fig. 4 zeigt teils als Blockschaltbild, teils als Flußdiagramm eine solche Ausführungsform der Erfindung. Eine CCD-WBildwandlerzeile 30 mit m-Elementen ist anstelle der Lochplatte vorgesehen und tastet gleichzeitig m-Punkte des gesprenkelten Strahlungsmusters ab. Die im Block 31 dargestellte Information S₁ , S₀ , ..., S kennzeichnet das gerade vorhandene Strahlungs-

M TvT

muster. Die im Block 32 wiedergegebene Information S₁ , S„ , ...,

N
S ist aus dem zuvor vorhandenen Strahlungsmuster abgeleitet. Eil Vergleich der beiden Strahlungsmuster erfolgt schrittweise zwische den einzelnen von den aufeinanderfolgenden Elementen des Bildwandlers gelieferten Teilsignalen. Man bildet die Differenz der beiden Muster. Fig. 4 zeigt hierfür zwei Ausführungsformen, nämlich einmal eine Summation der Absolutwerte der Differenzsignale aus allen einander entsprechenden Elementen

V— 2

il

^N _ ο i i

oder das Quadrat der Differenzwerte gemäß

i=m ι—·_χτ

F? - ^si

Fig. 5 zeigt das Blockschaltbild eines solchen Detektors mit Auswerteschaltung. Der CCD-Bildwandler 30 nimmt wenigstens einen Teil der aus dem Austrittsende des Faserkabels 12 austretenden Lichtmuster auf. Sein Ausgang ist an einen Abtast- und Halteverstärker 38 angeschlossen, dessen Ausgang wiederum mit einem CCD-Speicher 40 verbunden ist. Sein Ausgang ist über einen Verstärker 42 mit steuerbaren Verstärkungsgrad an den negativen Eingang eines Differenzverstärkers 45 angeschlossen, dessen positiver

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Eingang am Ausgang des CCD-Bildwandlers 30 liegt. Dem Differenzverstärker 45 ist ein Abtast- und Halteverstärker 50 nachgeschaltet. Diese Abtast- und Halteverstärker dienen der Signalabtastung '„η den CCD-Bausteinen, deren Ausgangssignal im wesentlichen eine einem Gleichspannungspegel überlagerte Impulsfolge mit 60% bis 80% Impuls/Pausenverhältnis darstellt (vgl. Fig.6). Der Sättigungspegel S liegt bei 3 V. Trifft kein Licht auf den CCD-Bildwandler 30, so liegt der Spannungspegel bei 6 bis 9 V. Steigt die Lichtintensität, so sollte der CCD-Bildwandler 30 ein Ausgangssignal mit 60%bis 80% Pulspausenverhältnis liefern, dessen Mittelwert unter dem genannten Ruhewert liegt. Steigt die Lichtintensität weiter, so fällt der Pegel um 1 bis 3 V unter den Ruhewert und verharrt auf diesem Wert. Die sich bei Bestrahlung mit Umgebungslicht ergebende Spannung sollte zwischen diesen Werten liegen. Bei der Signalverarbeitung ist es wichtig, daß die Ausgangssignale der CCD-Bausteine allein verarbeitet werden und nicht mit den Gleichstrompegeln integriert werden. Deshalb tasten die Abtast- und Halteverstärker die Signalfolgen für die weitere Signalverarbeitung ab.

Der Ausgang des Abtast- und Halteverstärkers 50 liegt am Eingang eines Absolutwertverstärkers 55, dessen Ausgangssignalspannung in einem Spannungs/Stromwandler-Verstärker 60 in einen Strom umgeformt wird. Diesen integriert ein aus Kondensator 62 und Rückstelltransistor 63 bestehender Integrator, dessen Ausgang über einen Operationsverstärker 65 an einen Abtast- und Halteverstärker 66 geführt ist. Die Verstärker können beispielsweise vom Typ LF 365 der Firma National Semiconductor und die Abtast- und Halteverstärker vom Typ LF 398 dieser Firma sein. Der Verstärker LF 356 ist ein Doppel-Feldeffekttransistor-Operationsverstärker mit J-FET-Eingang, während es sich beim Verstärker LF 398 um einen monolithischen Abtast- und Halteverstärker in BI-FET-Technologie handelt.

Im Betrieb wird das gesprenkelte Lichtmuster vom CCD-Bildwandler 30 abgetastet. Man verwendet vorzugsweise einen ladungsgekoppelten Bildwandler mit 128 Elementen. Das Intensitätsmuster füllt die

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verschiedenen Mulden, d.h. die 128 Elemente während der Integrationszeit von beispielsweise 50 ms bis zu unterschiedlichen Pegeln auf. Nach der Integration wird der Inhalt des CCD-Bildwandlers 30 Element für Element in den CCD-Speicher 40 verschoben. Die Verschiebeperiode kann in der Größenordnung von 6ms liegen, nach denen der Bildwandler 30 wieder zur Integration bereitsteht. Das Verhältnis der Integrationszeit zur Verschiebedauer kann erforderlichenfalls geändert werden. Nach der ersten Verschiebung kann die Auswerteschaltung arbeiten, weil nunmehr zwei aufeinanderfolgende Datensätze in den beiden CCD-Bausteinen vorliegen. Anschließend wird Bit für Bit die Differenz zwischen den Signalen in den einzelnen einander entsprechenden Elementen der CCD-Bausteine gebildet und damit festgestellt, ob sich das Signal in dem betreffenden Element während der Integrationszeit geändert hat. Ist während des Integrationsintervalls dasStahlungsmuster unverändert geblieben, so ist die Differenz zwischen den beiden einander zugeordneten CCD-Bits gleich Null. Die Differenzbildung erfolgt im Differenzverstärker 45. Bei ungestörtem Faserkabel liefert dieser also kein Ausgangssignal.

Der an den -Ausgang des CCD-Bildwandlers 30 angeschlossene Abtast- und Halteverstärker 38 hält dessen Ausgangssignal zur Abtastung und Einspeicherung in den CCD-Speicher 40 bereit. Zur Angleichung der Ausgangssignale der beiden CCD-Bausteine 30 und 40 vor deren Zuführung zum Differenzverstärker 45 dient der Regelverstärker 42. Grund hierfür ist,daß ein ladungsgekoppelter Baustein in Form einer 128-Bit-Verzögerungsleitung eine Verstärkung von etwa 0,3 hat, so daß ein zusätzlicher Verstärker 42 mit einem Verstärkungsgrad 3 benutzt wird, um den Ausgangspegel des CCD-Speichers 40 auf denjenigen des CCD-Bildwandlers 30 zu bringen.

Der an den Ausgang des Differenzverstärkers 45 angeschlossene Abtast- und Halteverstärker 50 ist dem Absolutwertverstärker 55 vorgeschaltet, der im wesentlichen aus einem Vollweggleichrichter mit Verstärkungseinstellung besteht. Das als Spannung vorliegende

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Ausgangssignal des Absolutwertverstärkers 45 wird im Wandler 60
in einen der Spannung proportionalen Ausgangsstrom umgeformt, der den Kondensator 62 auflädt. Während der Verschiebeperiode von 6 ms tritt am Ausgang des Absolutwertverstärkers für jedes Bit im CCD-Bitwandler ein Ausgangssignal auf. Dieses Signal wird Bit für Bit während des Verschiebezyklus integriert. Nach Ablauf des Verschiebezyklus wird der im Kondensator integrierte Endwert abgetastet und festgehalten. Er bildet das Ausgangssignal. Nach der Abtastzeit
wird den Kondensator 62 über den Transistor 63 entladen und damit auf den nächsten Integrationszyklus vorbereitet.

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-H-

Leerseite

Claims

Patentansprüche:

Einbruchssicherungseinrichtung mit einer Detektorleitung, gekennzeichnet durch

a) ein optisches Multimode-Faserkabel (12) als Detektorleitung;

b) eine in das eine Kabelende kohärentes Licht einspeisende Lichtquelle (10,11);

c) einen im Austrittskegel des Lichts am anderen Kabelende angeordneten Lichtdetektor (13).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen Laser (10) und eine Optik (11) umfaßt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2,dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtdetektor einen Empfangsschirm (13) aufweist, auf dem ein aus dem anderen Kabelende austretendes Sprenkelmuster (14) abgebildet wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daß der Schirm (13') mit einer öffnung (15) versehen und hinter dieser öffnung ein Strahlungsdetektor (16) angeordnet ist.

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5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsdetektor eine Fotodiode (16) dient.
6. Einrichtung nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsdetektor ein CCD-Bildwandler (30) dient.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des CCD-Bildwandlers (30) einerseits der eine Eingang (+) eines Differenzverstärkers (45) und andererseits der Eingang eines CCD-Speichers (40) für das vorangehende Strahlungsmuster angeschlossen ist und daß der Ausgang des CCD-Speichers (40) mit dem anderen Eingang (-) des DifferenzVerstärkers (45) in Verbindung steht.
8. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 7,dadurch gekennzeichnet, daß dem Strahlungsdetektor (16) oder dem Differenzverstärker (45) eine Auswerteschaltung (20, 21 bis 24; 50 bis 66) für Signaländerungen nachgeschaltet ist,
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserkabel (12) am Rand einer zu überwachenden Fläche im Boden verlegt ist.

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