Трибоэлектрический кабель принцип действия

Системы охраны периметра с сенсорным кабелем Обзор перспективных технологий

Рассмотрим технические средства для охраны протяженных периметров, выбор которых представляет собой наиболее сложную задачу с точки зрения их эффективного применения.

На общем фоне разнообразия ТСО для протяженных периметров наиболее предпочтительными по надежности, информативности и стоимости являются системы, использующие в качестве датчиков сенсорный кабель. Он размещается на полотне заграждения (в грунте) и регистрирует оказываемые на него вибрационные (механические, сейсмические) воздействия. Наибольшее развитие за рубежом и в России получили технологии, использующие трибоэлектрические, микрофонные, проводноволновые, проводнорадиолокационные, волоконно-оптические и другие кабели.

Особый интерес, как наиболее перспективные, на наш взгляд, представляют собой проводнорадиолокационные и волоконно-оптические системы. На примере имеющихся на российском рынке систем данного типа попытаемся провести сравнение их характеристик, преимуществ в применении и стоимости с существующими периметральными системами (трибоэлектрического типа) и определить наиболее рациональные из них. При этом авторы не претендуют на полный сравнительный анализ данных систем.

Принципы работы, особенности, достоинства, недостатки

Трибоэлектрические системы
Принцип работы основан на трибоэлектрическом эффекте – возникновении в кабеле за счет трения экрана и внешней оболочки электрического заряда, потенциал которого регистрируется блоком обработки сигналов. По величине и спектру сигнала можно определить вид механического воздействия и отсеять ложные срабатывания.

Наиболее эффективны при установке на металлических заграждениях.

Достоинства: широкое распространение, отработанные технологии в своем классе.

Недостатки: относительно низкая чувствительность, необходимость прокладки кабеля в несколько проходов, отсутствие бронированного кабеля и неустойчивость к грызунам, влияние электромагнитных помех и погодных условий.

Системы на рынке: Multisensor, «Гюрза», «Годограф», «Дельфин», «Багульник», «Трезор» и др.

Системы проводной радиолокации
Принцип работы основан на обработке данных о состоянии наведенного электромагнитного поля между двумя сенсорами, свободно размещаемыми в специальных каналах кабеля, при прохождении зондирующего импульса в центральном проводнике.

Системы устанавливаются на металлических заграждениях.

Достоинства: определение места нарушения, величины и времени воздействия на заграждение; наличие адаптивности к помеховым факторам.

Недостатки: небольшая длина чувствительного элемента на один преобразователь; влияние электромагнитных помех. Системы на рынке: INTREPID MicroPoint, «Стратум».

Волоконно-оптическая СО «Ворон»
Принцип работы основан на регистрации излучения лазера, проходящего через многомодовое оптическое волокно, приемным устройством, регистрирующим перераспределение световых волн, при воздействии на сенсорный кабель. Программное обеспечение анализирует характер воздействия и сравнивает его с базой данных фактических нарушений для выдачи сигналов тревоги. Система предназначена для установки, как правило, на металлических заграждениях.

Достоинства: легкость монтажа; нечувствительность к электромагнитным воздействиям.

Недостатки: относительно высокая стоимость оптического блока; необходимость прокладки кабеля связи до каждой зоны; необходимость проведения обучения системы в различных помеховых условиях, что не всегда соответствует реальным условиям при эксплуатации; чувствительность к погодным условиям; отсутствие локализации места нарушения.

Волоконно-оптическая система «Сокол»
Принцип работы основан на обработке сигналов обратного рассеяния, вызванного прохождением лазерного импульса в оптическом волокне. При оказании на оптическое волокно физического воздействия (давление, механические смещения, температура) отражательные свойства волокна изменяются, при этом значения сигналов и время их прихода определяют место и характер воздействия. Программное обеспечение анализирует характеристику оказанного воздействия по частотному спектру, по длительности и величине оказанного воздействия, сравнивает с установленными критериями оценки тревожности, с учетом логической обработки смежных рубежей охраны для выработки сигнала «Тревога».

Система предназначена для установки ЧЭ на заграждениях любого типа и в грунт (кроме скального).

Достоинства: легкость монтажа ВОК строительными длинами до 5 км, в том числе в грунт с использованием плуга-кабелеукладчика; нечувствительность к электромагнитным воздействиям, травяной растительности, погодным условиям; адаптивность к помеховым факторам; высокая информативность; низкие эксплуатационные расходы; возможность интеграции с другими системами.

Недостатки: относительно высокая стоимость оптического блока.

Характеристики систем

К основным характеристикам периметральных систем с сенсорным кабелем следует отнести максимальную протяженность охраняемого периметра, длину одной зоны охраны, информативность, электропитание, климатику и др. (табл. 1).

Удобство установки и эксплуатации

Установка периметральных систем заключается в монтаже оборудования на линии периметра (ограждении), станционной части в помещении охраны и выполнении пусконаладочных работ. Различия данных систем касаются в основном монтажа периметрального оборудования и его финишной настройки.

Монтаж
Трибоэлектрические системы предполагают наиболее трудоемкий монтаж, поскольку требуют закрепления кабеля (ЧЭ) на полотне заграждения в несколько проходов, а также участковых блоков обработки, кабеля для передачи сигналов, питающего кабеля и др. Менее трудоемок монтаж систем INTREPID MicroPoint (закрепление кабеля «в одну нитку» на длину плеча локального участка), «Ворон» (закрепление кабеля «петлей» на длину плеча при отсутствии участкового электропитания) и «Сокол» (закрепление кабеля «в одну нитку» на всем протяжении периметра при отсутствии участкового электропитания, участковых блоков обработки и другого оборудования).

Финишная настройка
При финишной настройке оборудования, кроме выполнения стандартных пусконаладочных работ, для систем INTREPID MicroPoint и «Ворон» требуется интеллектуальное обучение системы (создание образов нарушителя, при этом в системе «Ворон» – для каждой зоны).

Эксплуатационные трудозатраты
Следует учитывать необходимость обслуживания и ремонта станционного и периметрального оборудования, устранения возможных повреждений ЧЭ, поддержание в исправном состоянии питающих линий.

В выигрышном плане здесь смотрятся системы INTREPID MicroPoint (защищенный кабель), «Ворон» (отсутствие электропитания, защищенный кабель) и «Сокол» (отсутствие периметрального оборудования и электропитания, защищенный (бронированный) кабель).

Ремонт систем в целом обусловлен надежностью используемой аппаратуры. Однако оценить показатели надежности (срок службы, наработка на отказ и др.) сложно, так как данная информация у многих производителей отсутствует. Объективно можно говорить, что надежность оптической аппаратуры значительно превышает надежность электронной.

Стоимость

Объективная оценка и сравнение стоимости систем в цифрах представляют собой довольно сложную задачу, так как предприятия-изготовители и инсталляторы обычно не дают четких цифр. К тому же непредвзятый анализ возможен только при оборудовании данными системами одинаковых объектов при различных вариантах протяженности периметров и одинаковых условиях охраны. Поэтому сравним общие показатели.

При оценке затрат следует учитывать, что ТСО периметров в основном рассчитаны на многолетнюю эксплуатацию, и прежде всего нужно оценивать совокупные затраты стоимости аппаратуры, монтажа и эксплуатационных расходов (контроль технического состояния, техническое обслуживание, ремонт, потребление электроэнергии и др.).

В целом закупочная стоимость станционного оборудования сравнительно выше у систем «Ворон» и «Сокол», так как включает в себя дорогостоящие оптические блоки обработки сигналов. У системы «Ворон» такие блоки (микрооптические преобразователи) имеются и в составе оборудования периметра. Стоимость периметрального оборудования значительно выше у трибоэлектрических систем и системы INTREPID MicroPoint, что обусловлено, помимо прочего, оборудованием для электропитания и дорогостоящим специализированным кабелем (ЧЭ) (оптико-волоконный кабель (ОВК) стоит на порядок ниже).

Оценка монтажных и эксплуатационных расходов в целом определяется факторами, указанными выше в разделе «Удобство установки и эксплуатации». Относительно эксплуатационных расходов понятно, что намного выигрышнее выглядят оптико-волоконные системы.

Приблизительно оценивая среднюю стоимость смонтированных систем, основываясь на известных данных производителей и инсталляторов, можно предположить, что она распределится так, как представлено в табл. 2.

Оптимальный выбор

Как видно из табл. 2, стоимость систем различных типов «под ключ» отличается друг от друга в зависимости от протяженности охраняемого периметра, что является важным критерием при выборе того или иного типа оборудования. Таким образом, можно сформулировать рекомендации по применению систем 3 .

1. Периметры малой протяженности (Р 10 км) – наиболее привлекательной по эффективности и стоимости представляется система «Сокол».

ТРИБОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ЗАШИТЫ ПЕРИМЕТРА. ПРОГНОЗ НА ЗАВТРА

Защита любого объекта начинается с его периметра — физической границы охраняемой территории. Ее сигнализационное прикрытие строится с помощью специальных периметровых средств обнаружения (СО), к которым предъявляются высокие и противоречивые требования. В самом деле, периметровые СО должны иметь низкое энергопотребление, работать в широком климатическом диапазоне, сложных помеховых условиях, обеспечивать защиту участка периметра до нескольких сотен метров длиной и в то же время обладать высокой обнаружительной способностью и низкой вероятностью ложного срабатывания. Кроме того, такие средства обнаружения должны иметь возможность использоваться на периметрах сложной конфигурации, сильно изломанных, с перепадами по высоте. Наконец, зона обнаружения не должна выходить за пределы периметра для исключения сработок средства, связанных с санкционированным перемещением людей и техники рядом с заграждением периметра. Наиболее полно всем эти требованиям удовлетворяют средства обнаружения, использующие в качестве чувствительного элемента (ЧЭ) кабель, укрепленный на заграждении периметра.

В этом случае механические воздействия на ограждение периметра, возникающие при его преодолении нарушителем, воспринимаются чувствительным элементом и передаются в блок обработки информации средства в виде электрических сигналов. Существует множество различных типов кабелей, использующихся в качестве чувствительного элемента: микрофонный, пьезоэлектрический, трибоэлектрический, сейсмический, электретный и т.д. Каждый из кабелей имеет свои достоинства и недостатки, предъявляет свои требования к заграждению. Наиболее привлекательными выглядят трибоэлектрические средства обнаружения, поскольку допускают использование в качестве чувствительного элемента стандартного кабеля, серийно выпускаемого промышленностью. Подобные устройства представлены на рынке целым рядом изделий, имеющих давнюю и заслуженно высокую репутацию.

Во всех трибоэлектрических средствах обнаружения используется экранированный кабель. При деформации кабеля, за счет трения экрана и внешней оболочки, в кабеле возникает электрический заряд (порядка 10 Е — 12 Кл). Это и есть трибоэлек-трический эффект. Одним из лучших три-боэлектрических кабельных чувствительных элементов является кабель Supersensor (MuLtisensor), который состоит из 2-х сплетенных между собой жил с покрытием алюминиевой фольгой и двумя внешними экранами, обеспечивающими его устойчивость к внешним атмосферным воздействиям и солнечному излучению в широком диапазоне температур.

Варианты расположения кабельного чувствительного элемента на заграждении могут быть самыми различными. Например, в средстве типа WPS, произведенном итальянской компанией GPS Standard, реализован принцип деформации натянутых проводников. Несколько лучей специально разработанного коаксиального кабеля со стальной центральной жилой натягиваются вдоль линии периметра на расстоянии примерно 15 см друг от друга, образуя тем самым дополнительный физический барьер. При попытке преодолеть такой барьер нарушитель деформирует (растягивает) кабель, в котором появляется электрический сигнал. Сигнал после усиления обрабатывается микропроцессором, который выдает сигнал тревоги. В систему входит концентратор, контролирующий до 8 отрезков сенсорного кабеля, каждый из которых может иметь протяженность до 300 м. Программное обеспечение позволяет, отслеживая сигналы кабеля, автоматически адаптировать чувствительность системы к окружающим погодным условиям.

Основным отрицательным моментом в трибоэлектрических периметральных средствах обнаружения является то, что в них используется паразитный эффект, который вносит существенные ограничения в функционал, связанные с тем, что диапазон регистрируемых частот, как правило, не превышает 0,1-300 Гц, поскольку в более высокочастотной области велик собственный шум электроники, а коэффициент преобразования уменьшается. Как следствие, «перелаз» (низкочастотное воздействие) отечественными вибрационными средствами обнаружения выявляется более надежно, чем «перекус» (высокочастотное воздействие). Поэтому для организации эффективной защиты от преодоления заграждения путем перекуса, т.е. разрушения полотна заграждения путем удаления его части, производители рекомендуют укладывать кабели на полотне заграждения зигзагом или выполнять несколько проходов, что значительно уменьшает линейные размеры защищаемого средством участка периметра и увеличивает трудоемкость монтажных работ. Сегодня, когда на свободном рынке представлен широкий спектр приспособлений для разрезания полотна заграждения механическим путем (или электрогазосваркой), особенно актуальным становится обнаружение проникновения путем перекуса. Особенно это важно для объектов, на которых можно ожидать заранее подготовленное проникновение с преступными или террористическими намерениями, поскольку дыра в заграждении позволяет обеспечить быстрое перемещение грузов через защищаемый периметр.

Для повышения качества высокочастотного сигнала, получаемого с ЧЭ, в СО необходимо наличие раздельных каналов для высоких и низких частот. Такое построение устройства позволяет получить более высокое отношение «сигнал/шум» при максимальной длине защищаемого участка. Дополнительно, за счет обрезания высоких частот на входе низкочастотного канала, необходимо значительно повысить помехоустойчивость средства к наводкам, вызванным электросетью.

Еще одним отрицательным моментом, обусловленным недостатком квалифицированного персонала в эксплуатирующих организациях на момент разработки большинства представленных на рынке средств, является примитивность их настройки по месту установки, сводящейся, как правило, к заданию одного параметра. Это ухудшает адаптируемость средства к особенностям климата и заграждения периметра, модели нарушителя и т.д. Современные средства, разработанные с использованием мощных микроконтроллеров, позволяют реализовывать эффективные многопараметрические алгоритмы обработки информации. Один из вариантов организации подбора параметров заключается в реализации в алгоритме работы средства элементов искусственного интеллекта (нейронной сети) с последующим обучением. Достоинства такого подхода не очевидны, поскольку для проверки нормальной работоспособности после очередного обучения (вызванного срабатыванием средства) требуется проверка функционирования средства на всех (или большей части) ранее обнаруженных попытках пересечения периметра. Это возможно, если входные сигналы, приведшие к генерации тревоги, хранятся в некоторой базе данных. Ясно, что организовать подобную базу данных возможно при наличии высокоскоростного интерфейса передачи информации между средством и информационной системой, обслуживающей периметр.

Кроме того, появится возможность шу-модиагностики заграждения, что позволит оптимизировать ремонтные и сезонные работы по обслуживанию периметра. В настоящее время на отечественном рынке систем безопасности средства защиты периметра подобного класса лишь проходят испытания. Да и компаний, анонсирующих новинку такого уровня, пока единицы.

Другой вариант настройки многопараметрических алгоритмов работы средства связан с ручной настройкой параметров. Это приводит к тому, что процесс настройки становится скорее искусством, чем алгоритмом. От обслуживающего персонала здесь требуется четкое понимание связей между параметрами, их влияние на обнаружительную способность средства и его устойчивость к ложным срабатываниям. Подобную подготовку персонал должен проходить на предприятии-изготовителе средства. А это дополнительные расходы, которые эксплуатирующие организации несут весьма неохотно.

Сегодня магистральным направлением развития периметральных средств обнаружения является обеспечение возможности локализации места попытки пересечения периметра. Обеспечивая защиту рубежа в несколько сотен метров, периметральное СО сигналом тревоги, сформированным за время порядка нескольких секунд, сообщает о том, что где-то на этом рубеже, возможно, произошло пересечение периметра. Между генерацией сигнала тревоги средством и приемом сигнала оператором проходит время. Предположим, что по сигналу тревоги включаются соответствующие телевизионные камеры, анализируя изображение с которых оператор делает заключение о реальности угрозы. Затраты времени на формирование тревоги и ее передачу и анализ изображения каждой камеры обеспечивают запас времени на участке (порядка 10 м), с которого пришел сигнал тревоги, т.е. минимизируют время принятия решения оператором о характере сигнала тревоги. Помимо повышения качества охраны объекта, такие средства позволяют экономить на телевизионных камерах, предназначенных для наблюдения за периметром.

Трибоэлектрические СО, к сожалению, не обеспечивают этой возможности. В самом деле, работа трибоэлектрических средств основана на регистрации заряда, возникающего в кабеле, закрепленном на заграждении. Оставляя неизменным принцип работы средства, получим, что локализацию можно обеспечить, разрезав кабель ЧЭ на куски. Но очередное подключение каждого куска к усилительному каскаду средства невозможно, так как уровень полезного сигнала чрезвычайно мал и будет забиваться шумами, вызванными коммутационными помехами. Так как частотный диапазон низкочастотного канала достаточно низкий (частота среза порядка 0,6 Гц), время для успокоения канала после переключения будет составлять секунды. Это приводит к требованию очень низкой частоты переключения кусков ЧЭ, что приведет к значительной потере сигнала. Следовательно, обеспечение локализации возможно только за счет уменьшения рубежа, защищаемого средством.

Однако возможны иные варианты реализации функции локализации места нарушения периметра, например, путем глубокой интеграции с системами телевизионного наблюдения.

Таким образом, можно сказать, что трибоэлектрические периметральные средства обнаружения явно не исчерпали своих возможностей. Помимо чисто технических задач, таких как разработка новых типов кабелей с ярко выраженным трибоэффектом, повышением качества работы высокочастотного канала, оптимизацией алгоритмов работы, процедур настройки, расширение спектра заграждений, на которых возможно использование и так далее, их дальнейшее развитие требует глубокой интеграции в информационные системы защиты периметра на базе некоего высокоскоростного протокола передачи информации.

Подводя итог, нужно заметить, что защита периметра — это комплексная задача. Правильный выбор охранной системы и оптимальное сочетание физического заграждения, затрудняющего проникновение на объект, со средствами охранной сигнализации — все это позволяет в комплексе добиться максимальной эффективности. Среди множества современных периметральных охранных средств и систем невозможно выделить что-то одно, что было бы оптимальным со всех точек зрения.

Трибоэлектрические кабели по индивидуальному заказу.

Используются в качестве чувствительного элемента в охранных системах, устройствах контроля и регистрации механических воздействий.

Используется с датчиками обнаружения типа «Багульник» или «Лимонник».

1. Внутренний проводник– стальная оцинкованная проволока номинальным диаметром (0,50 ± 0,03) мм.

2. Изоляция: внутренний слой -пористый полиэтилен номинальным диаметром (1,8 ± 0,4) мм; внешний слой -полиэтилентерефталатная пленка, наложенная продольно с перекрытием не менее 70%, номинальной толщиной 20 мкм.

3. Внутренний, внешний экран— ламинированная алюминиевая фольга номинальной толщиной не менее 35 мкм, наложенная продольно с перекрытием не менее 50%. Контактные проводники — две медные луженые проволоки номинальным диаметром 0,4 мм

4. Внутренняя оболочка-светостабилизированный полиэтилен, номинальной толщиной 0,4 мм. Номинальный диаметр по оболочке 3,8 мм.

5. Защитная броня-оплетка с гидрофобным заполнителем из стальных оцинкованных проволок номинальным диаметром 0,3 мм, плотность оплетки не менее 40-45%.

6. Внешняя оболочка— Светостабилизированный полиэтилен, номинальной толщиной 0,8 мм. Наружный диаметр по оболочке – (4,8±0,3) мм для КТМ 1,8; (5,9±0,4) мм для КТМ 1,8/3,8 или (6,4±0,6) мм для КТДЗ.

Допускается эксплуатация кабеля в грунте, в т. ч. при воздействии воды.

Трибоэлектричество

Трибоэлектрический эффект — появление электрических зарядов в материале из-за трения (разделения материалов после плотного контакта). Еще в античности Фалес натирал янтарную палочку мотком шерсти и примагничивал к палочке опилки и стружки. Советские дети тёрли об голову надутый воздушный шарик, а потом приклеивали его к потолку. С появлением оргтехники, бытовой электроники, упаковочного пенопласта и бинбэгов (кресла-мешки) в ход пошли котики.

Так что мы знаем на данный момент про трибоэлектричество?

Трибология — наука, раздел физики, занимающийся исследованием и описанием контактного взаимодействия твёрдых деформируемых тел при их относительном перемещении. Областью трибологических исследований являются процессы трения, изнашивания и смазки.
Трибоэлектрический эффект очень непредсказуем, и можно сделать лишь широкие обобщения.
Всеобъемлющая теория электризации пока не построена, но выявлено много эмпирических закономерностей.

Правило Коэна: материал с более высокой диэлектрической постоянной получает положительный заряд. Правило Коэна получило подтверждение более чем для 400 веществ.
Полярность и сила создаваемых зарядов различаются в зависимости от материалов, шероховатости поверхности, температуры, деформации и других свойств.
Опытным путем были найдены трибоэлектрические ряды (впервые Иоганом Вильке в 1757): вещество, расположенное в верхней части ряда при контакте будет заряжено положительно, а то что ниже — будет заряжено отрицательно. Некоторые из рядов представлены в таблице:
Существует и трибоэлектрическое кольцо: в паре шёлк-стекло стекло заряжается отрицательно, в паре стекло-цинк отрицательно заряжается цинк, в паре цинк-шёлк отрицательно заряжается шёлк.
Человек, идущий по ковру или снимающий нейлоновую рубашку или ёрзающий в автокресле, может создать разность потенциалов в несколько тысяч вольт, чего достаточно, чтобы вызвать искру длиной один миллиметр или более.
Электростатический разряд может не проявляться во влажном климате, поскольку поверхностная конденсация обычно предотвращает трибоэлектрический заряд, а повышенная влажность увеличивает электропроводность воздуха.
Самолет в полёте «трётся» о воздух и накапливает трибоэлектрический заряд.
В NASA есть «правило трибоэлектрификации», согласно которому они отменяют запуск ракеты, если предполагается, что ракета-носитель пройдет через определенные типы облаков.
Статический разряд представляет особую опасность на элеваторах из-за опасности взрыва пыли. Возникающая искра способна воспламенить горючие пары, например бензин, пары эфира, а также газообразный метан.
Для бестарных поставок топлива и заправки топливом самолетов заземляющее соединение выполняется между транспортным средством и приемным баком перед открытием баков.
При заправке автомобилей на торговой станции прикосновение к металлу автомобиля перед открытием бензобака или прикосновение к форсунке может снизить риск статического воспламенения паров топлива.
Некоторые электронные устройства, в первую очередь CMOS-интегральные схемы и MOSFET-транзисторы, могут быть случайно повреждены высоковольтным статическим разрядом. Такие компоненты обычно хранятся в токопроводящей пене.
Заземление путем прикосновения к рабочему столу или использования специального браслета или браслета на щиколотке является стандартной практикой при работе с неподключенными интегральными схемами.

Общая модель электронного облака и потенциальной ямы, предложенная Вангом для объяснения трибоэлектрификации и переноса и высвобождения заряда между двумя материалами, которые могут не иметь четко определенной структуры энергетических зон.

Трибоэлектрический кабель ТД-1

Артикул 410
Протяженность охраняемой зоны, метров 200
Тип монтажа На ограждение / В землю

Описание
Характеристики
Документы

Трибоэлектрический кабель ТД-1 — преобразует колебания ограждения, вызванные нарушителем в момент проникновения на охраняемый периметр, в электрический сигнал за счёт трибоэлектрического эффекта. Кабель является самым дешевым и простым чувствительным элементом — монтаж заключается в креплении кабеля с помощью стяжек к охраняемой поверхности. В случае разрыва или повреждения кабеля в процессе эксплуатации, его можно починить без использования специальных инструментов.

ТД-1 можно использовать в трёх вариантах построения рубежа охраны:

1) Кабель можно монтировать непосредственно к сетчатому или проволочному ограждению, ограждению из тонких досок, штакетника, тонкого металла (профнастил) или поликарбоната. Таким образом можно защитить периметр как от перелаза ограждения, так и от его разрушения (перекуса, отгибания и т.п.).

2) Кабель можно монтировать к навесному ограждению из спиралей АКЛ, козырькам из жести или поликарбоната. Таким образом можно защититься от перелаза ограждения подготовленным нарушителем с помощью лестницы или защитить капитальные ограждения из бетона или кирпича.

3) Закопанный в землю кабель ТД-1 можно использовать в качестве противо-подкопного средства. Чувствительности кабеля достаточно для определения человека, копающего землю штыковой лопатой на расстоянии от одного до пяти метров, в зависимости от типа грунта и настроек извещателя. Обнаружение земляных работ с использованием тяжелой техники возможно на расстоянии до тридцати метров, что позволяет использовать кабель в качестве охранного или предупреждающего средства для подземных коммуникаций.

Наличие двух входов у извещателя «Тополь» позволяет комбинировать различные чувствительные элементы между собой.
Например при переходе от сетчатого ограждения к капитальному, можно использовать в одном плече вибрационные датчики ВД-2, а в другом — трибоэлектрический кабель ТД-1:

Так-же один извещатель позволяет построить два рубежа охраны в одной охраняемой зоне, например использовать точечные вибродатчики ВД-2 для охраны ограждения от разрушения (перекуса, отгибания и т.п.), а трибоэлектрический кабель ТД-1 от перелаза ограждения подготовленным нарушителем с помощью лестницы:

Или использовать точечные вибродатчики ВД-2 для охраны ограждения от разрушения (перекуса, отгибания и т.п.), а трибоэлектрический кабель ТД-1 в качество противо-подкопного средства:

Сертификат транспортной безопасности №61 «Система охранной сигнализации «Тополь», №МВД РФ.03.000061 (с приложением),
с 04.06.2018 по 04.06.2021″

Трибоэлектрический кабель принцип действия

Геофоны успешно применяются в качестве сейсмических датчиках в системах охраны периметров. Такие сейсмические системы, являясь пассивными средствами охраны, не обнаруживаются электронными средствами разведки. Сейсмические средства удобны для блокирования участков на пересеченной местности и широко применяются в целях охраны протяженных рубежей госграницы и периметров объектов. Причем, структура грунта, учитываемая, при проектировании, к примеру, оптоволоконных датчиков охранных систем, для сейсмических не имеет существенного значения.

Применение геофонов позволяют организовать рубеж охраны и сигнализации, как при наличии заграждения, так и без него.

Геофоны закапываются в грунт или крепятся на кирпичную или бетонную стену, но так же размещаясь под землёй.

Геофон, как датчик вибрации и движения, позволяет уверенно обнаружить сигналы от перелаза заграждения, подкопа и идущего человека на расстоянии 1,5 – 2 м. Поэтому, геофоны, как правило, устанавливаются на расстоянии 3м. между собой.

Добавление в охранную систему «связки» из двух геофонов помогает выделить помеху от пролетающих самолётов и вертолётов.

Для ещё более точного распознавания в систему закладываются эталоны шумом и сигналов тревоги, полученных с геофонов. Процессоры Блоков обработки сигналов эффективно анализирует суммарную информацию.

Так как скрытый сейсмический извещатель визуально не обнаруживает рубеж охраны, а пассивный принцип действия исключает его возможность обнаружения по акустическим или магнитным полям, то это превращает подготовленного нарушителя в неподготовленного.

Подключение сейсмических датчиков к Блокам обработки сигналов происходит с помощью специальных кабелей. Как правило, используется кабель КСТМГЭз 4х0,22 разработки и производства нашего завода. Параметры кабеля рассчитаны таким образом, что бы передать слаботочные сигналы с сейсмических датчиков максимально точно, без искажений.

Буква «з» в обозначении кабеля указывает на то, что кабель заполнен гидрофобом, который препятствует распространению влаги по длине кабеля в случае его повреждения и не включает его в ежедневное меню наглых всеядных мелких грызунов.

Так как негативные последствия, экономические и политические, несанкционированного проникновения на важные объекты инфраструктуры постоянно возрастают, а установить капитальные заграждения часто не представляется возможным, значит, необходим тщательный контроль этих объектов, в том числе на труднодоступных участках местности.

С этой целью применяются Системы Автономной Сейсморегистрации (САС), в которых используются наши геофоны.

Сейсмический извещатель на геофонах распознаёт человека на расстоянии до 100 м, автотранспорт – до 200 м. Такие системы позволяют фиксировать подозрительную активность на контролируемой территории и по сигналу от геофонов включать, к примеру, фотокамеру или по радиоканалу передавать информацию непосредственно оператору. Информация также может сохраняться и передаваться при очередном патрулировании, в том числе с применением БПЛА.

Отличительная особенность таких систем – низкое энергопотребление: малогабаритного источника питания хватает на срок более одного года.

Родственные САС – это мобильные системы, предназначенные для охраны на маршруте персонала, автомобильной и специальной техники. В этих системах максимально уменьшены масса-габаритные характеристики. Дополнительно к сейсмическим извещателям они, как правило, комплектуются обрывными датчиками с катушками из микропровода длиной до 2000м.

Производители автономных и мобильных охранных систем охотно используют как наши классические геофоны GS-20DX, так и специальные, названия которых говорит само за себя: «Малогабаритный термостойкий GMT-12,5» и «Миниатюрный ВН-20МТ».

Хорошо себя зарекомендовали в эксплуатации такие системы с сейсмическими датчиками как «Радиобарьер», «Радиодозор». «Кайман».
Мирная продукция, геофоны, нашли своё применение в военном деле. Известно, например, эффективное «Неконтактное взрывное устройство НВУ-П «Охота». Комплекс управляет противопехотными минами различного типа до 5шт. и имеет в своём составе геофон, датчик движения противника.

В автономном режиме сейсмический датчик следит за обстановкой и отслеживает колебания грунта. Цель, «человек», засекается на расстоянии 150м. и уверенно опознаётся примерно на 90м. При приближении противника на 15 – 20 м. подаётся команда на подрыв первой мины. В случае попытки помощи первым пострадавшим, сработает вторая мина и так далее. При срабатывании последний мины одновременно подрывается управляющий прибор, который не становится трофеем противника.

Сейсмический комплекс «НВУ-П «Охота» успешно применялся в локальных конфликтах с 80-х годов.

Трибоэлектрический эффект и наногенераторы TENG

Трибоэлектрическим эффектом называют явление возникновения электрических зарядов у некоторых материалов при их трении друг о друга. Данный эффект по своей сути является проявлением контактной электризации, которая известна человечеству со времен античности.

Еще Фалес Милетский наблюдал это явление в экспериментах с янтарной палочкой, натираемой шерстью. Кстати, само слово «электричество» берет свое начало именно оттуда, ведь в переводе с греческого языка слово «электрон» обозначает янтарь.

Материалы, которые способны проявлять трибоэлектрический эффект, можно расположить в так называемый трибоэлектрический ряд: стекло, плексиглас, нейлон, шерсть, шелк, целлюлоза, хлопок, янтарь, полиуретан, полистирол, тефлон, каучук, полиэтилен и т. д.

В начале ряда находятся условно «положительные» материалы, в конце — условно «отрицательные». Если взять два материала из этого ряда, и потереть их друг о друга, то тот материал который находится ближе к «положительной» стороне, зарядится положительно, а другой — отрицательно. Впервые трибоэлектрический ряд в 1757 году составил шведский физик Иоганн Карл Вильке.

С физической точки зрения, положительно зарядится тот из двух трущихся друг о друга материалов, который отличается от другого большей диэлектрической проницаемостью. Эта эмпирическая закономерность называется правилом Коэна и относится главным образом к диэлектрикам.

При трении друг о друга пары химически одинаковых диэлектриков положительный заряд получит более плотный из них. У жидких диэлектриков положительно заряженным окажется вещество с большей диэлектрической проницаемостью или большим поверхностным натяжением. Металлы же при трении о поверхность диэлектрика могут электризоваться как положительно, так и отрицательно.

Степень электризации трущихся друг о друга тел тем значительнее, чем обширнее площади их поверхностей. Пыль, трущаяся о поверхность тела, от которого она отделилась (стекло, мрамор, снежная пыль и т.д), заряжается отрицательно. Когда порошок просеивают сквозь сито частички порошка также заряжаются.

Объяснить трибоэлектрический эффект у твердых тел можно следующим образом. Носители заряда перемещаются с одного тела на другое. У полупроводников и металлов трибоэлектрический эффект обусловлен перемещением электронов от материала с меньшей работой выхода — к материалу у которого работа выхода больше.

При трении диэлектрика о металл, трибоэлектрическая электризация возникает благодаря переходу электронов с металла к диэлектрику. При взаимном трении пары диэлектриков явление возникает из-за взаимного проникновения соответствующих ионов и электронов.

Значительный вклад в выраженность трибоэлектрического эффекта может внести различная степень разогревания тел в процессе их трения друг о друга, поскольку этот факт вызывает перемещение носителей с локальных неоднородностей более разогретого вещества — «истинное» трибоэлектричество. Кроме того к трибоэлектрическому эффекту может приводить механическое удаление отдельных элементов поверхности пьезоэлектриков или пироэлектриков.

Применительно к жидкостям проявление трибоэлектрического эффекта связано с возникновением двойных электрических слоев на поверхности раздела двух жидких сред или на границе жидкости и твердого тела. При трении жидкостей о металлы (при течении или разбрызгивании от удара), трибоэлектричество возникает за счет разделения зарядов на границе между металлом и жидкостью.

Электризация трением двух жидких диэлектриков имеет своей причиной наличие двойных электрических слоев на поверхности раздела жидкостей, диэлектрические проницаемости которых различны. Как было сказано выше (согласно правилу Коэна), жидкость с меньшей диэлектрической проницаемостью заряжается отрицательно а с большей — положительно.

Трибоэлектрический эффект при разбрызгивании жидкостей вследствие удара о поверхность твердого диэлектрика или о поверхность жидкости, обусловлен разрушением двойных электрических слоев на границе жидкости и газа (электризация в водопадах происходит именно по такому механизму).

Хотя трибоэлектричество и приводит в некоторых ситуациях к нежелательному накоплению электрических зарядов в диэлектриках, как например на синтетической ткани, тем не менее трибоэлектрический эффект применяется сегодня при исследовании энергетического спектра электронных ловушек в твердых телах, а также в минералогии для исследования центров люминесценции, минералов, определения условий образования пород и их возраста.

Трибоэлектрические наногенераторы TENG

Трибоэлектрический эффект кажется на первый взгляд энергетически слабым и неэффективным, в силу малой и нестабильной плотности электрического заряда участвующего в данном процессе. Однако группа ученых из Технологического университета штата Джорджия нашли путь улучшения энергетических характеристик эффекта.

Способ заключается в том, чтобы возбуждать наногенераторную систему в направлении наиболее высокой и стабильной выходной мощности, как это обычно осуществляется применительно к традиционным индукционным генераторам с магнитным возбуждением.

В совокупности с грамотно разработанными схемами умножения получаемого напряжения, система с внешним самозарядным возбуждением способна показать плотность заряда более чем в 1,25 мКл на квадратный метр. Напомним, что получаемая электрическая мощность пропорциональна квадрату данной величины.

Разработка ученых открывает реальную перспективу для создания в ближайшем будущем практичных и высокопроизводительных трибоэлектрических наногенераторов (TENG, ТЭНГ) для зарядки портативной электроники энергией, получаемой по сути от повседневных механических движений тела человека.

Наногенераторы обещают иметь малый вес, низкую стоимость, а также позволят выбирать для их создания те материалы, которые будут наиболее эффективно генерировать на низких частотах порядка 1-4 Гц.

Более перспективной на данный момент считается схема с внешней накачкой заряда (подобно индукционному генератору с внешним возбуждением), когда часть вырабатываемой энергии используется для поддержания процесса генерации и увеличения плотности рабочего заряда.

По замыслу разработчиков, разделение емкостей генератора и внешнего конденсатора позволит возбуждать генерацию через внешние электроды без непосредственного воздействия на трибоэлектрический слой.

Возбужденный заряд подается на электрод основного наногенератора TENG (ТЭНГ), при этом система возбуждения заряда и основной ТЭНГ с выходной нагрузкой работают как независимые системы.

При рациональной конструкции модуля возбуждения заряда, накопленный в нем заряд может быть пополнен по обратной связи от самого ТЭНГ во время процесса разрядки. Таким образом и достигается самовозбуждение ТЭНГ.

В ходе исследования ученые изучают влияние на эффективность генерации различных внешних факторов, таких как: тип и толщина диэлектрика, материал электродов, частота, влажность и т. д. На данном этапе трибоэлектрический слой ТЭНГ включает в себя полиимидную диэлектрическую пленку Каптон толщиной 5 мкм, а электроды делают из меди и алюминия.

Нынешнее достижение заключается в том, что уже через 50 секунд, работая на частоте всего 1 Гц, заряд возбуждается достаточно эффективно, что дает надежду на создание в ближайшем будущем стабильных наногенераторов для широких применений.

В структуре ТЭНГ с внешним возбуждением заряда разделение емкостей основного генератора и конденсатора выходной нагрузки достигается путем разделения трех контактов и применением пленок изолятора с разными диэлектрическими характеристиками, чтобы достичь относительно большого изменения емкостей.

Сначала заряд от источника напряжения подается на основной ТЭНГ, на емкости которого напряжение наращивается пока устройство находится в контактном состоянии с максимальной емкостью. Как только два электрода разделяются, напряжение возрастает за счет уменьшения емкости, и заряд перетекает от основного конденсатора — к накопительному, пока не будет достигнуто состояние равновесия.

При следующем контактном состоянии заряд возвращается к основному ТЭНГу и способствует генерации энергии, которой будет тем больше, чем выше диэлектрическая проницаемость пленки в основном конденсаторе. Достижение уровня проектного напряжения осуществляется при помощи диодного умножителя.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Источник: gk-rosenergo.ru