Sistem de Securitate cu Comunicator Gsm

CUPRINS

Capitolul 1. Introducere

Capitolul 2. Arhitectura sistemelor de securitate

2.1 Concepte și terminologie

2.2 Comunicația între componentele sistemului și centrală

2.3 Porturile de comunicație externă

Capitolul 3. Detecția stării de alarmă

3.1 Principii de detecție

3.2 Tipuri de detectoare

3.2.1 Traductoare de proximitate

3.2.1.1 Traductoare de proximitate inductive.

3.2.1.2 Traductoare de proximitate magnetice

3.2.1.3 Traductoare de proximitate capacitive

3.2.1.4 Traductoare de proximitate fotoelectrice

3.2.1.5 Traductoare de proximitate integrate

3.2.2 Traductoare magnetice

3.2.2.1 Senzori de câmp magnetic cu strat subțire metalic

3.2.2.1.1 Senzori Reed pentru câmp magnetic

3.2.2.2 Senzori de câmp magnetic cu semiconductoare

3.2.2.2.1 Senzori Hall

3.2.3 Traductoare de radiații optice

3.2.3.1 Surse de radiații optice coerente

3.2.3.2 Senzori optici pasivi (SOP)

3.2.3.3 Senzori optici activi (SOA)

3.2.3.3.1 Fotorezistoare: Senzorul PIR

3.2.3.3.2 Fotodiode și fototranzistoare

3.2.4 Traductoare de vibrații

3.2.4.1 Traductoare piezoelectrice

3.2.4.1.1 Senzor de geam spart și detectoare dublă tehnologie

3.2.4.2 Traductoare piezorezistive

Capitolul 4. Rețeaua GSM

4.1 Caracteristici tehnice

4.2 Clasificare sisteme de comunicații mobile

4.3 Avantaje, proprietăți și evoluție

4.4 Comunicatorul GSM

4.4.1 Funcționare

4.4.2 Avantaje și dezavantaje

Capitolul 5. Studiu de caz: Sistem de securitate cu contact magnetic Reed

Concluzii

Bibliografie

Capitolul 1. Introducere

Securitatea, în accepțiunea generală, este o necesitate primară a individului extinsă la diferite nivele organizaționale. Una din modalitățile de asigurare a funcțiilor conținute de conceptul generic de securitate este oferită de sistemele electronice de securitate.

O situație frecvent întâlnită în zilele noastre este nevoia de a ține sub observație locuința, altfel spus, nevoia de a monitoriza accesul persoanelor neautorizate într-o încăpere considerată importantă, atunci când nu ne aflăm la domiciliu. Acest lucru a devenit frecvent deoarece tot mai multe persoane care au lipsit un timp mai îndelungat de acasă și-au găsit locuința prădată și chiar dacă ancheta le-a dezvăluit cine au fost făptașii a fost imposibilă recuperarea bunurilor furate.

Cel mai simplu, practic și eficient mod prin care putem monitoriza accesul persoanelor neautorizate într-o încăpere este notificarea prin apel telefonic folosind rețeaua GSM. Astfel suntem anunțați imediat de pătrunderea prin efracție a persoanelor neautorizate în locuință, pe ușă sau pe fereastră, și putem suna la poliție în timp util pentru prinderea acestor persoane la locul faptului.

Prin utilizarea mai multor tipuri de detectoare a stării de alarmă și a unui comunicator GSM evităm alarmarea infractorului, care nu va ști de această alarmă ”silențioasă” și astfel, evităm păgubirea bunurilor, ca în cazul în care o alarmă sonoră alertează infractorul și acesta pleacă până la sosirea poliției.

Pentru supravegherea unei locuințe am propus un sistem de securitate cu comunicator GSM care poate utiliza drept detectoare mai multe tipuri de senzori. Acești senzori acoperă toate posibilitățile de intrare prin efracție, atât pe ușă cât și pe fereastră, și chiar și în cazul în care se sparge fereastra (un contact magnetic nu este eficient dacă nu se deschide fereastra).

În capitolul 2 se prezintă structura generală a sistemelor de securitate și modul de funcționare a acestora.

Capitolul 3 este dedicat principiilor de detecție și tipurilor de senzori care pot fi utilizați în sistemul de securitate propus. Fiecare tip de senzor este prezentat și descris din punctul de vedere al structurii și funcționării acestuia.

În capitolul 4 sunt prezentate aspecte generale ale rețelei GSM, clasificarea sistemelor de comunicații mobile, evoluție, avantaje și funcționarea comunicatorului GSM împreună cu avantajele și dezavantajele utilizării acestuia.

În capitolul 5 este prezentat un sistem de securitate cu comunicator GSM care utilizează drept detector un contact magnetic normal deschis, structura și funcționarea acestuia.

În final sunt prezentate performanțele sistemului și concluziile referitoare la sistemul prezentat.

Capitolul 2. Arhitectura sistemelor de securitate

2.1 Concepte și terminologie

Elementele constitutive ale unui sistem de securitate sunt: senzorii, centrala, echipamentele periferice ale centralei, dispozitivele de avertizare locală și dispozitivele de comunicare la distanță.

Senzorii sunt dispozitive ce preiau o informație de tip stare de alarmă.

Centrala este o unitate de automatizare ce procesează informațiile preluate de la senzori în funcție de starea sistemului (activat, dezactivat, etc.). Rolul principal al oricărei centrale de efracție este de a semnaliza (optic, acustic și/sau la distanță) detectarea unei intruziuni în spațiul protejat. Centrala este un automat programabil: starea ieșirilor depinde de starea intrărilor și de starea sistemului. Ieșirile pot fi comenzi pentru dispozitivele de semnalizare locală, porturi de comunicație sau ieșiri pentru interconectarea cu alte dispozitive.

Dispozitivele de avertizare locală pot fi optice, acustice sau opto-acustice (mixte). Rolul acestor dispozitive este de a semnaliza o stare de alarmă.

Dispozitivele de avertizare la distanță sunt comunicatoare care utilizează canale de comunicație pentru a semnaliza o alarmă la un dispecerat de monitorizare și intervenție. Multe din echipamentele existente pe piață includ în centrală un port de comunicație, de regulă pe linie telefonică. Un alt tip de suport poate fi cel radio sau, mai nou, un port TCP/IP pentru transmisia pe suport internet.

Conceptul de zonă prezintă două semnificații distincte: din punct de vedere electric și din punct de vedere al arhitecturii sistemului de securitate. Din punct de vedere electric, zona reprezintă o intrare a centralei de alarmă semnalată ca entitate pe dispozitivele de afișare. Din punct de vedere sistemic, zona reprezintă un spațiu bine delimitat care este protejat împotriva efracției.

Comportamentul sistemului în cazul detectării pe o zonă (intrare) a unui semnal de alarmă este diferit, funcție de tipul logic al zonei. Centralele existente pe piață au, fie tipuri de zonă predefinite, fie permit configurarea de către programator a comportamentului sistemului în funcție de necesități. Câteva tipuri de zone sunt foarte uzuale în sistemele de securitate:

Zona instantanee – este o zonă care declanșează instantaneu o alarmă. Zonele de 24 de ore declanșează alarma indiferent de faptul că partiția din care fac parte este activată sau nu, în timp ce zonele de 12 ore generează alarma numai în cazul în care partiția ce le conține este armată.

Zona temporizată – este zona a cărei activare generează o temporizare internă a sistemului după care, în cazul în care acesta nu este dezactivat, declanșează automat o alarmă. Din zonele temporizate fac parte zonele de intrare/ieșire (entry/exit zone) care declanșează temporizarea și zonele de urmărire (EE Folower) care păstrează temporizarea în cazul în care aceasta a fost inițiată de o zonă de intrare/ieșire sau generează instantaneu o alarmă dacă zona este activată înainte de a se activa temporizarea de intrare de către o zonă de intrare/ieșire. Aceste două tipuri de zone temporizate se găsesc amplasate pe căile de acces către MMI-urile sistemului.

Zona de panică-atac – este o zonă instantanee de 24 de ore. De regulă în sistemele de securitate monitorizate, această zonă declanșează o alarmă silențioasă.

Zona de sabotaj/defecțiune tehnică – este o zonă de 24 de ore utilizată pentru monitorizarea securității sistemului (contactele antisabotaj ale dispozitivului, zonele de anti-masking, etc.).

Conceptul de partiție (arie) reprezintă o mulțime de zone care sunt activate sau dezactivate simultan. Evident, și conceptul de arie/partiție reprezintă aceeași dualitate ca și conceptul de zonă: din punct de vedere electric o arie reprezintă o mulțime de zone fizice conectate electric la centrală care sunt operate simultan de către utilizatori, iar din punct de vedere sistemic o partiție este o suprafață mai mare protejată de sistemul de securitate a cărei funcționare/utilizare are caracteristici comune pentru toate zonele.

Codurile sunt „cheile” sistemului. Codurile permit identificarea utilizatorului în sistem și efectuarea de către acesta de funcții cum ar fi:

Activare/dezactivare partiții (funcția de bază a sistemului de securitate);

Omitere de zone. În anumite condiții este necesară omiterea unei zone în mod excepțional;

Recunoaștere/resetare alarme;

Programare coduri utilizatori – programarea codurilor utilizatorilor este o operațiune ce trebuie executată de personalul care exploatează sistemul de securitate;

Un sistem are mai multe tipuri de coduri, de exemplu:

Codul de instalator – are rolul de a permite accesul la funcțiile de programare ale sistemului. În majoritatea cazurilor, codul de instalator permite de asemenea analiza jurnalului de evenimente din memoria centralei;

Codul master-utilizator principal – activare, dezactivare, programare coduri, omitere zone;

Cod user (utilizator simplu) – armare, dezarmare, eventual omitere zone;

Cod constrângere – este un tip special de cod user ce transmite la dispecerat un mesaj de constrângere (atac) și este folosit în cazul în care utilizatorul este forțat să dezactiveze sistemul de securitate;

Cod cu drepturi limitate (numai în activare sistem) – codul persoanelor care fac mentenanța și trebuie să activeze sistemul de securitate la terminarea activității.

2.2 Comunicația între componentele sistemului și centrală

Un sistem de securitate are în general următoarea arhitectură:

Fig. 2.1 Arhitectura unui sistem de securitate

Comunicația între senzori și centrală sau unitățile de expandare: decizia referitoare la starea de alarmă se ia la nivel de detector, ceea ce presupune o informație de 1 bit.

Există următoarele tipuri de conexiuni:

contact normal deschis (NO);

contact normal închis (NC);

contact normal închis cu rezistență de cap de linie (EOL);

contact normal închis cu două rezistențe de cap de linie (DEOL).

Din punct de vedere al securității conexiunii, în sistemele de securitate nu se utilizează contacte normal deschise întrucât acestea sunt cele mai ușor de sabotat prin tăierea unui singur conductor. Pentru asigurarea unei securități sporite antisabotaj se utilizează conexiunea cu cap de linie (rezistența se montează fizic în senzori). Pentru utilizarea ergonomică a intrărilor în centrală se utilizează conexiunea cu două rezistențe de cap de linie. Această conexiune permite monitorizarea simultană atât a contactului de alarmă cât și a contactului antisabotaj existent în carcasa senzorului.

Comunicația între centrală și unitățile de expandare sau MMI-uri este realizată prin intermediul unei magistrale de date (BUS). Această comunicație presupune transmiterea unei cantități mai mare de informație. Centrala interoghează ciclic dispozitivele aflate pe magistrală printr-un protocol de comunicație serială.

Există mai multe tipuri de comunicație folosite în sistemele de securitate. Unele dintre ele nu prezintă solicitări speciale referitoare la arhitectura magistralei și permit conexiuni de tip stea sau ramificate, altele prezintă cerințe specifice. Un protocol extrem de utilizat, nu numai în cazul sistemelor de securitate dar și în cazul sistemelor de control al accesului și pentru acționările utilizate în sistemele CCTV este protocolul RS 485. Acest protocol de comunicație serială necesită:

– utilizarea unui mediu de comunicație uniform;

– arhitectura PIPE-LINE, în care dispozitivele sunt conectate prin BUS ca mărgelele pe ață; ramificațiile și conexiunile în stea nu sunt permise deoarece introduc dezadaptări pe canalul de comunicație;

– terminatoare (adaptoare de impedanță) la capetele magistor de sabotat prin tăierea unui singur conductor. Pentru asigurarea unei securități sporite antisabotaj se utilizează conexiunea cu cap de linie (rezistența se montează fizic în senzori). Pentru utilizarea ergonomică a intrărilor în centrală se utilizează conexiunea cu două rezistențe de cap de linie. Această conexiune permite monitorizarea simultană atât a contactului de alarmă cât și a contactului antisabotaj existent în carcasa senzorului.

Comunicația între centrală și unitățile de expandare sau MMI-uri este realizată prin intermediul unei magistrale de date (BUS). Această comunicație presupune transmiterea unei cantități mai mare de informație. Centrala interoghează ciclic dispozitivele aflate pe magistrală printr-un protocol de comunicație serială.

Există mai multe tipuri de comunicație folosite în sistemele de securitate. Unele dintre ele nu prezintă solicitări speciale referitoare la arhitectura magistralei și permit conexiuni de tip stea sau ramificate, altele prezintă cerințe specifice. Un protocol extrem de utilizat, nu numai în cazul sistemelor de securitate dar și în cazul sistemelor de control al accesului și pentru acționările utilizate în sistemele CCTV este protocolul RS 485. Acest protocol de comunicație serială necesită:

– utilizarea unui mediu de comunicație uniform;

– arhitectura PIPE-LINE, în care dispozitivele sunt conectate prin BUS ca mărgelele pe ață; ramificațiile și conexiunile în stea nu sunt permise deoarece introduc dezadaptări pe canalul de comunicație;

– terminatoare (adaptoare de impedanță) la capetele magistralei de comunicație.

2.3 Porturile de comunicație externă

Porturile de comunicație externă sunt fie porturi seriale pentru comunicație locală (RS232, RS485 fără repetor), fie portul telefonic pentru avertizarea la distanță pe linie telefonică, fie, mai nou, porturi TCP/IP utilizate în monitorizarea centralizată a unor sisteme distribuite utilizând rețele LAN sau WAN.

Dispecerizarea sistemelor poate fi făcută utilizând oricare din porturile de comunicație disponibile, în cazul în care există un protocol de comunicație comun între echipamentul monitorizat și cel de monitorizare. Foarte utilizat în anii '90 este portul telefonic pentru care au fost dezvoltate o serie de protocoale de comunicație, cum ar fi Contact ID ce permite transmiterea de mesaje complete de alarmă ce includ codul de abonat, partiția, zona și tipul de alarmă. Altă modalitate de dispecerizare este utilizarea de ieșiri programate pentru anumite tipuri de alarmă conectate la intrările unui emițător radio pentru sisteme de securitate. Odată cu dezvoltarea rețelelor GSM, comunicatorul radio clasic a fost înlocuit de comunicatorul GPRS.

Capitolul 3. Detecția stării de alarmă

3.1 Principii de detecție

Realizarea detecției unui eveniment se bazează pe identificarea și măsurarea unor parametri din mediu asociați evenimentului respectiv. În general, operațiunea de măsurare presupune o interacțiune între două sisteme, unul care conține parametrul ce urmează a fi măsurat, iar celălalt fiind cel care realizează operația de măsurare. Interacțiunea se realizează fie prin contact direct, fie prin intermediul unui câmp. Aplicațiile din domeniul sistemelor de securitate utilizează în prezent unde electromagnetice și unde elastice, dar nu este exclus ca în viitor să se dezvolte și tehnologii bazate pe alte principii.

În domeniul undelor mecanice sunt utilizate următoarele domenii de frecvență:

4-6 Hz – detectoare geofonice sau seismice (termenul seismic este utilizat în mod forțat deoarece domeniul de frecvență al unei unde seismice este cuprins între 1,5 și 3,5 Hz);

zeci-sute de Hertzi – detectoare de vibrații;

1-10 KHz – spectrul acustic utilizat de detectoarele de geam spart;

40-80 KHz – detectoare de mișcare ultrasonice;

În domeniul undelor electromagnetice:

banda 10,5 GHz (lungime de undă aproximativ 3 cm) și banda 24 GHz (lungime de undă aproximativ 1 cm) – detectoare cu microunde;

domeniul de lungimi de undă 8-14 um (radiație infraroșie de joasă frecvență – domeniul termic) – senzori pasivi în infraroșu (cu un vârf la 9,4 um);

Există două categorii de detecție: detecția pasivă și cea activă.

Detecția pasivă este cea care utilizează un parametru existent în mediul asociat evenimentului ce se dorește a fi detectat. Detectorul este un „observator tăcut” al mediului.

Detecția activă presupune generarea unui parametru în mediul supravegheat a cărui modificare este asociată cu evenimentul care se dorește a fi detectat.

În cazul sistemelor de securitate antiefracție, informația transmisă de detector poate fi cuantificată pe un singur bit de date: existența sau non-existența unei situații de alarmă. În acest domeniu de aplicații, decizia se ia la nivel de detector. Acest fapt simplifică modalitatea de comunicație, sistemul monitorizând pentru un senzor un singur contact intern de alarmă al acestuia, comandat de starea senzorului: de repaus sau în alarmă.

3.2 Tipuri de detectoare

3.2.1 Traductoare de proximitate

În general, proximitatea exprimă gradul de apropiere dintre două obiecte, dintre care unul reprezintă sistemul de referință. Se poate realiza controlul poziției unui obiect care se deplasează, fără contact între acesta și referință.

Senzorii de proximitate sunt senzorii care pot detecta prezența unor obiecte aflate în câmpul lor de acțiune fără a fi în contact fizic cu obiectele respective. Senzorii de proximitate au o caracteristică de tip releu, mărimea de ieșire având variații discrete între două valori care reprezintă, în mod convențional, prezența sau absența obiectului controlat. Această particularitate conduce la realizarea compactă a traductorului, elementul sensibil și adaptorul fiind plasate în aceeași unitate constructivă.

Avantajele senzorilor de proximitate:

-siguranța în funcționare;

-posibilitate de reglaj;

-fiabilitate mare;

-gabarit mic;

-consum de energie mic.

În categoria măsurărilor de proximitate intră:

-sesizarea capetelor de cursă;

-sesizarea interstițiului dintre suprafețe;

-sesizarea prezenței unui obiect în câmpul de lucru, etc.

3.2.1.1 Traductoare de proximitate inductive

Schema de principiu a acestui traductor este dată în figura 3.1:

Fig. 3.1 Schema bloc a traductorului inductiv de proximitate

Detectorul are rolul de a converti informația asupra poziției unui obiect metalic (în raport cu fața sensibilă) în semnal electric. Blocul adaptor prelucrează semnalul electric de la ieșirea detectorului și comandă un etaj final cu ieșire pe sarcină de tip releu. Blocul de alimentare furnizează tensiunea necesară circuitelor electronice. Oscilatorul din blocul detector întreține, prin câmpul magnetic alternativ, oscilațiile în jurul bobinei ce formează (împreună cu miezul de ferită) fața sensibilă a detectorului.

Când un obiect metalic, cu proprietăți feromagnetice, intră în câmpul magnetic al detectorului, în masa metalului apar curenți Foucault care generează, la rândul lor, un câmp magnetic de sens opus câmpului principal pe care îl atenuează puternic și, ca urmare, blochează oscilațiile.

Caracteristicile de funcționare ale traductorului pot fi apreciate în funcție de valorile cotelor utile, notate în figura 3.2 prin: e – grosimea ecranului metalic (grosimea obiectului detectat); l – lățimea ecranului; L – lungimea ecranului; x – distanța de la marginea ecranului la centrul feței sensibile; y – acoperirea feței sensibile de către ecranul metalic; z – distanța de la ecran la fața sensibilă; – distanța nominală de detecție (sesizare).

Fig. 3.2 Dimensiunile de gabarit ale traductorului inductiv de proximitate

Principalele caracteristici funcționale sunt următoarele:

Zona de acțiune, delimitată de valorile [3…40] mm, este cuprinsă între curba de anclanșare (oprirea oscilațiilor) și curba de declanșare (pornirea oscilațiilor);

Distanța utilă de detecție – , influențată puternic de natura și dimensiunile obiectului (ecranului), cât și de variația temperaturii, a tensiunii de alimentare și de dispersiile câmpului magnetic (din fabricație).

Fidelitatea reprezintă toleranța preciziei de reperare a punctelor de oprire și pornire a oscilațiilor, când se mențin constanți următorii parametri: distanța, sensul și viteza de deplasare, temperatura și tensiunea de alimentare.

Histerezisul reprezintă cursa (distanța) dintre punctele de oprire și de pornire a oscilațiilor în aceleași condiții (figura 3.3).

Durata impulsului de ieșire, determinată de viteza deplasării ecranului (obiectului) și dimensiunile acestuia.

Fig. 3.3 Histerezisul unui traductor de proximitate

Constructiv traductoarele inductive de proximitate se realizează în două variante:

cu fața sensibil inclusă frontal sau lateral în corpul propriu-zis al traductorului;

cu fața sensibil separată și legată prin cablu flexibil de corpul traductorului.

3.2.1.2 Traductoare de proximitate magnetice

Aceste traductoare au o construcție simplă și sunt formate dintr-un contact întrerupător (releu de tip Reed) plasat pe un braț al unei carcase sub formă de „U” și un magnet permanent fixat pe celălalt braț. Trecerea unui obiect metalic printre brațele detectorului (carcasei) modifică liniile de forță ale magnetului (le ecranează) și ca urmare contactul releului își schimbă starea – figura 3.4.

Fig. 3.4 Traductor magnetic de proximitate

Există variante constructive la care obiectele magnetice pot acționa direct asupra releului.

3.2.1.3 Traductoare de proximitate capacitive

În cazul traductoarelor capacitive de proximitate, elementul sensibil este format dintr-un condensator care face parte dintr-un circuit oscilant. Prezența unui material conductor sau dielectric cu permitivitatea >1, la o distanță în raport cu fața sensibilă a detectorului, modifică capacitatea de cuplaj și amorsează oscilațiile, figura 3.5.

Fig. 3.5 Element sensibil capacitiv pentru traductoare de proximitate

Funcționarea este diferită în raport cu natura obiectului controlat:

La detecția materialelor conductoare, obiectul a cărui poziție este controlată formează cu fața sensibilă un condensator a cărui capacitate crește odată cu micșorarea distanței dintre obiect și fața sensibilă.

La detecția materialelor izolante, fața sensibilă este un condensator a cărui capacitate crește, cu atât mai mult, cu cât permitivitatea dielectrică a obiectului controlat este mai mare.

Principalele surse de erori le reprezintă variațiile de temperatură.

3.2.1.4 Traductoare de proximitate fotoelectrice

Funcționarea acestora se bazează pe modificarea fluxului de radiații care se stabilește între o sursă (emițător) și un receptor, datorită prezenței obiectului controlat. Se disting două variante constructive, și anume:

Element sensibil de tip barieră, la care emițătorul și receptorul sunt de o parte și de alta a obiectului controlat, figura 3.6.

Element sensibil de tip reflector, la care fasciculul de radiații emis de sursa (E) este transmis spre receptor, situat de aceeași parte cu emițătorul, în raport cu obiectul controlat, prin intermediul unui paravan reflectorizant (reflector), figura 3.7.

Fig. 3.6 Element sensibil de tip barieră

Fig. 3.7 Element sensibil fotoelectric de tip reflector

Prezența obiectului controlat modifică intensitatea fluxului luminos receptat după reflexie. Dacă obiectul controlat are proprietăți reflectorizante, atunci el poate juca și rolul de paravan reflectorizant.

Sursele emițătoare (E) pot fi realizate cu diode electroluminiscente (LED) cu fascicul vizibil sau infraroșu (cel mai utilizat) dar și cu lămpi speciale care au lentilă de focalizare. Receptoarele (R) utilizează fotodiode sau fototranzistoare în domeniul vizibil sau infraroșu, dar pot utiliza și celule fotovoltaice în domeniul vizibil. Variația de semnal electric furnizată de elementul sensibil, datorită modificării poziției obiectului detectat – este prelucrată de adaptorul traductorului (care conține un formator de impulsuri și un amplificator) apoi transmisă elementului de ieșire de tip releu sau contactor static (tiristor sau triac).

3.2.1.5 Traductoare de proximitate integrate

Traductoarele de proximitate realizate cu circuite integrate reprezintă o tendință actuală și de viitor, datorită avantajelor pe care le oferă: gabarit redus, performanțe ridicate, preț de cost mai mic și fiabilitate mare. Noțiunea de traductor integrat este justificată numai dacă semnalul de la ieșirea acestuia este un semnal unificat, în accepțiunea definiției din automatizările industriale. Când această condiție nu este îndeplinită, se poate utiliza denumirea de senzor integrat.

Senzorul de proximitate inductiv cu fantă

Schema senzorului inductiv de proximitate cu fantă (realizat cu TCA 105-N) este prezentată în figura 3.8.

Fig. 3.8 Senzorul de proximitate cu fantă

Circuitul de intrare are configurație de oscilator. Oscilațiile sunt întreținute de cuplajul inductiv dintre cele două bobine și , plasate pe miezuri de ferită și poziționate astfel încât bobinele, având axa de simetrie comună, să aibă între ele o distanță de 3…7 mm.

În funcționarea senzorului se disting două situații:

– în lipsa obiectului feromagnetic oscilațiile, cu frecvența de aproximativ 1MHz, din etajul de intrare, mențin ieșirile circuitului în starea „acționat”.

– la apariția obiectului metalic în fantă, cuplajul magnetic dintre bobine se întrerupe, oscilațiile se amortizează, iar ieșirile trec în starea „blocat”.

Valorile parametrilor constructivi ai circuitului oscilant sunt date în documentație și depind de mărimea fantei dintre bobine.

Senzorul de proximitate magnetic integrat

Termenul „magnetic” derivă de la faptul că acest senzor utilizează un detector de tip Hall, care sesizează prezența câmpurilor magnetice de intensități relativ mici și produce semnale de tensiune de ordinul 1…10 mV.

Aceste circuite integrate conțin în același cristal de siliciu atât senzorul Hall, cât și blocurile de prelucrare a semnalelor oferite de acesta. Denumirea comercială a acestor circuite este de „senzori magnetici comutatori”. Schema bloc a unui senzor magnetic de tip SM 23X este prezentată în figura 3.9.

Fig. 3.9 Schema bloc a senzorului magnetic comutator de tip SM 23X

În funcționarea acestui senzor se disting două situații:

– dacă este sesizat un câmp magnetic de inducție B, senzorul Hall dă o tensiune diferențială, proporțională cu B. Tensiunea este preluată de amplificatorul diferențial care o aplică unui comparator cu histerezis, ce lucrează ca un comutator. Dacă circuitul este plasat într-un câmp magnetic a cărui inducție depășește valoarea corespunzătoare pragului de deschidere, comparatorul comandă prin intermediul unui amplificator injecția unui curent în baza tranzistorului de ieșire, care este adus la saturație, deci colectorul său absoarbe un curent important (curentul prin sarcina conectată la borna 3).

– dacă inducția B scade sub valoarea pragului de blocare, ieșirea comutatorului revine în starea inițială și tranzistorul de ieșire este blocat. Între pragul de deschidere și cel de blocare (închidere) există un histerezis, necesar pentru imunizarea cicuitului la zgomote.

Principalele căi de basculare a senzorului magnetic comutator, legate direct de aplicațiile industriale, sunt:

Deplasarea magnetului permanent, care se poate face frontal sau transversal. Pentru funcționarea corectă a senzorului, cursa magnetului trebuie să depășească (datorită histerezisului) două distanțe de prag: una la care are loc deschiderea, iar cealaltă la care are loc blocarea.

Ecranarea câmpului unui magnet, care se poate realiza printr-o folie feromagnetică plasată între sursa de câmp magnetic și senzor.

Concentrarea câmpului unui magnet, ce se poate face prin apropierea unui material feromagnetic în spatele senzorului, care se află într-un câmp magnetic insuficient de intens pentru a produce bascularea. Astfel, inducția magnetică va crește la o valoare capabilă să basculeze senzorul.

3.2.2 Traductoare magnetice

Măsurarea câmpului magnetic este necesară pentru a detecta prezența obiectelor mari feromagnetice care schimbă distribuția câmpului magnetic. Curenții din circuitele electrice generează câmpuri magnetice proporționale. Astfel, se pot măsura indirect curenții electrici prin măsurarea câmpurilor magnetice.

Senzorii de câmp magnetic funcționează pe baza forței Lorentz exercitată asupra electronilor care se mișcă în metale, semiconductoare sau izolatoare:

F = -qv x B

unde q este sarcina electronului, v este viteza electronului, iar B este inducția magnetică ce acționează asupra purtătorilor de sarcină și determină răspunsul senzorului. Deoarece

B = H, răspunsul senzorului este amplificat de permeabilitatea relativă mare.

În funcție de valoarea permeabilității magnetice, senzorii sunt de două tipuri:

– senzori feromagnetici sau ferimagnetici, cu >>1 și sensibilitate mare; exemple: senzorii bazați pe magnetorezistență din straturi subțiri de NiFe, magnetostricțiunea învelișului de Ni a unei fibre optice sau efectele magneto-optice în granate.

-senzori combinați cu dispozitive concentratoare de flux, senzori diamagnetici sau paramagnetici, cu 1 și sensibilitate mică; exemple: dispozitive Hall, senzori Hall cu tranzistoare TECMOS sensibile la câmp magnetic, structuri Hall heterojoncțiune, magnetotranzistoare, magnetodiode, magnetorezistoare, magnetometre cu fibră optică.

3.2.2.1 Senzori de câmp magnetic cu strat subțire metalic

Sunt realizați din materiale feromagnetice, cei mai utilizați fiind din aliaj cu magnetostricțiune mică (permalloy). Cel mai reprezentativ este senzorul magnetorezistiv din straturi anizotropice NiFe sau NiCo.

3.2.2.1.1 Senzor Reed pentru câmp magnetic

Senzorul Reed este alcătuit din doua lamele feromagnetice, de obicei aurite, iar zona de contact electric este amalgamată cu mercur. Lamelele sunt închise ermetic într-un tub de sticlă din care ies către exterior două sârme pentru legături electrice. În prezența câmpului magnetic, liniile de câmp se concentrează în zona lamelelor, care constituie o cale de reluctanță mică. Între lamele apare o forță de atracție magnetică. Când forța este suficient de puternică, pune în contact lamelele și închide contactul electric.

Fig. 3.10 Contact Reed

Energia câmpului magnetic în volumul delimitat de suprafețele celor două lamele aflate față în față S, la distanța y este:

W = Sy/

unde B este inducția câmpului magnetic și permeabilitatea magnetică a vidului sau aerului.

Forța exercitată între lamele va fi:

F = dW/dy = SB/

adică direct proporțională cu suprafața de contact S și cu pătratul câmpului magnetic dintre lamele (care depinde implicit de distanța dintre lamele, dacă distanța este mare).

Contactul Reed poate fi considerat cel mai simplu senzor magnetic. El furnizează un semnal de ieșire direct utilizabil în sistemele de control. Este alcătuit dintr-o pereche de lamele flexibile, feromagnetice, pe post de contacte ale întrerupătorului, încapsulate ermetic într-un tub de sticlă umplut cu gaz inert.

Lamelele magnetizate de câmpul magnetic orientat longitudinal se atrag, închizând contactul. Diferența dintre valoarea câmpului magnetic peste care se închide contactul și valoarea câmpului sub care se deschide contactul fiind mare (histerezis), dispozitivul este bine imunizat împotriva fluctuațiilor de câmp magnetic.

Contactele Reed nu au nevoie de întreținere și sunt foarte bine protejate contra murdăriei și prafului. Contactele placate cu rhodiu asigură un timp de viață lung (106-107 acționări la 10 mA). Ele pot comuta curenți de 0,1…0,2 A la 100…200 V. Contactele amalgamate („udate” cu mercur) pot comuta curenți de 1 A fără vibrații generatoare de zgomot electric. Contactele Reed sunt disponibile cu contact normal deschis, contact normal închis și contacte de clasă C. Se fabrică și relee cu automenținere (latching).

Utilizarea contactelor Reed în foarte multe aplicații este asigurată de simplitatea constructivă, prețul mic, siguranța în funcționare și consumul nul de putere. În sistemele de securitate pentru monitorizarea deschiderii ușilor și ferestrelor se atașează un magnet permanent pe partea mobilă, iar pe partea fixă se montează un contact Reed pe post de senzor de proximitate. Contactele se închid când magnetul este suficient de aproape (uși, geamuri închise) și se deschid la depărtarea magnetului (uși, geamuri deschise).

Fig. 3.11 Ansamblu contact magnetic

Ca ansamblu, contactul magnetic este un senzor activ; magnetul generează câmpul supravegheat. Prin modificarea acestuia, câmpul magnetic care acționează releul Reed și îl ține în poziția „închis” scade în intensitate până când contactul se deschide semnalizând o stare de alarmă.

Există o varietate mare de tipuri constructive, toate având același principiu de funcționare. Pentru aplicații destinate ușilor metalice se poate utiliza varianta constructivă numită „heavy duty” care prin modalitatea de instalare creează un întrefier între dispozitiv și ușa metalică, permițând funcționarea corectă a contactului magnetic. De asemenea se pot utiliza versiuni încastrate în tocul ușii sau ferestrei precum și contacte magnetice pentru uși secționale a căror poziție de închidere poate prezenta abateri de ordinul milimetrilor.

Contactul magnetic poate fi sabotat ușor, prin uilizarea unui magnet exterior puternic, în cazul în care este cunoscută poziția în care este instalat acesta. Există tipuri constructive care au o imunitate ridicată la sabotarea cu magnet extern, la care magnetul se poziționează într-o plajă limitată a distanțelor (prea aproape sau prea departe de contact generează alarma). De asemenea contactul magnetic nu poate fi utilizat în aplicații de înaltă securitate pe instalații de control al accesului pentru activarea intrărilor de tip ușă deschisă, dar este util ca element suplimentar de control.

Dorința de a sesiza aproape orice în autovehicule, face să crească numărul aplicațiilor cu senzori Reed din industria autovehiculelor.

3.2.2.2 Senzori de câmp magnetic cu semiconductoare

Senzorii de câmp magnetic cu semiconductoare sunt flexibili în proiectare și aplicații, au dimensiuni mici, sunt robuști și au ieșire în semnal electric.

Sunt fabricați uzual din Si sau materiale semiconductoare în amestec, din grupele III-V. Sunt ieftini deoarece sunt realizați în tehnologia circuitelor integrate. Dispozitivele includ elemente Hall de volum și cu strat de inversiune, magnetotranzistoare, magnetodiode și magnetometre cu domeniu purtător. Anumiți senzori cu semiconductoare III-V au rezoluție magnetică superioară dispozitivelor comparabile din siliciu datorită mobilității mai mari a purtătorilor. Materialele smiconductoare din grupele III-V sunt folosite sub forma dispozitivelor Hall și a celor magnetorezistive.

3.2.2.2.1 Senzori Hall

Următorul fenomen este cunoscut sub denumirea de efect Hall (E. Hall, 1879): când un curent curge printr-o lamelă conductoare, un câmp magnetic perpendicular pe lamelă va determina apariția unei forțe Lorentz, perpendiculară pe direcția curentului și pe cea a câmpului magnetic.

unde b și d sunt lățimea și grosimea lamelei Hall, n este concentrația de electroni de conducție și v este viteza de drift a electronilor.

Forța Lorentz determină deplasarea electronilor spre o latură a lamelei, în partea opusă rămânând un exces de sarcină pozitivă (ionii pozitivi din rețeaua cristalină a materialului). Această separare de sarcini va determina apariția unui câmp electric care se opune deplasării laterale a electronilor. În regim staționar forța cu care acest câmp va acționa asupra electronilor este egală cu forța Lorentz, adică intensitatea lui va fi egală cu .

Asimilând experimentul cu un circuit electric, între fețele laterale ale lamelei va fi generată o diferență de potențial, numită tensiune Hall:

sau , dacă câmpul magnetic nu este perpendicular pe lamelă.

Factorul RH=(1/ne)cos se numește coeficient Hall și se măsoară în .

Concentrația electronilor de conducție în diversele materiale folosite este puternic dependentă de temperatură și pentru metalele pure RH este prea mic pentru ca acestea să poată fi folosite în procesele de măsură. De aceea, sunt preferați semiconductorii de GaAs, InSb, InAsP și InAs.

Senzorii cu efect Hall fabricați din GaAs și Si sunt din ce în ce mai importanți, datorită progreselor în tehnologia planară care face posibilă integrarea și a altor funcții cum ar fi sursa de curent, compensarea în temperatură și amplificarea semnalului de ieșire.

Senzorii Hall se folosesc la construcția senzorilor de proximitate, de deplasare, detectarea câmpului magnetic și sunt de mai multe tipuri:

Senzori Hall integrați orizontal

Au fost realizați prima dată de Bosch, în anii '70. O placă Hall integrată orizontal este realizată prin creștere epitaxială n, pe un substrat p, într-un proces tehnologic pentru circuite integrate bipolare din Si. Se preferă semiconductor tip n ca material activ, datorită sensibilității relative de tensiune mai mari. Pe lângă senzorul Hall, în același circuit se realizează circuitele de amplificare și stabilizare. Acești senzori sunt sensibili la vectori de inducție magnetică B perpendiculari pe suprafața senzorului.

Se realizează și comutatoare Hall, pentru aplicații unde este necesară numai ieșirea logică; acestea au un trigger Schmitt pentru controlul etajului de ieșire.

De asemenea, pentru realizarea senzorilor Hall integrați se folosește și GaAs datorită mobilității mai mari de peste cinci ori a electronilor decât la Si și datorită temperaturilor de funcționare mai mari.

Senzori Hall integrați vertical

Sunt sensibili la vectori inducție magnetică B paraleli cu planul senzorului. Structura este realizată în tehnologie CMOS, astfel încât toate contactele electrice necesare sunt la partea superioară. Regiunea activă a dispozitivului este un substrat n, iar regiunea izolatoare inelară este de tip p, realizată prin difuzie (joncțiune p-n polarizată invers).

Senzori Hall integrați cu amplificator diferențial

Sunt compuși dintr-o placă Hall orizontală tip n și două tranzistoare bipolare p-n-p ce formează o parte din amplificatorul diferențial. Stratul de Si tip n de la partea superioară este și placa Hall și regiunea de bază comună pentru cele două tranzistoare. Funcționarea se bazează pe modularea purtătorilor minoritari injectați de câmpul Hall produs de curentul purtătorilor majoritari din bază.

Senzori Hall integrați cu tranzistoare cu efect de câmp

Suprafața stratului de inversiune sau canalul unui tranzistor TECMOS poate fi folosită ca regiune activă a unui senzor Hall. Aceste dispozitive sunt prescurtate MAGFET, existând două variante: Hall MAGFET și MAGFET cu drenă duală.

La senzorii Hall MAGFET, canalul se folosește ca placă Hall subțire. MAGFET folosit în regiunea liniară este similar cu o placă Hall de volum. Sensibilitatea relativă de curent este de sute V/AT. Se realizează în tehnologie NMOS, cu poartă din polisiliciu. Se folosesc drept comutatoare fără contact, pentru tastaturi.

MAGFET cu drenă duală are regiunea de drenă împărțită în două. Inducția magnetică perpendiculară pe stratul de inversiune produce un curent de dezechilibru între cele două drene. Un MAGFET cu drenă duală integrat cu un oscilator controlat în curent formează un oscilator controlat de câmpul magnetic. Frecvența sa variază liniar cu inducția magnetică în jurul unei frecvențe centrale. O altă variantă de senzor MAGFET cu drenă duală este MAGFET dublu cu drenă duală, cu o pereche de MAGFET cu drenă duală dispuse în configurație de amplificator diferențial CMOS.

Senzori Hall integrați cu heterojoncțiuni

Regiunea activă este un strat dreptunghiular foarte subțire, localizat într-o heterojoncțiune (AlGa)As/GaAs. La temperatura azotului lichid (77 K), sensibilitatea relativă de tensiune rezultă 0,7 %/mT, însă sensibilitatea relativă de curent este 1000V/AT, la fel ca la temperatura camerei. Poate detecta câmpuri magnetice foarte scăzute, de exemplu 2 nT, la frecvența de 1 kHz. Varianta cu contact dual la regiunea activă are o sensibilitate de 48 %/T, la temperatura camerei.

3.2.3 Traductoare de radiații optice

Diferența între un traductor electronic și un traductor optoelectronic este la senzor, care în acest caz este optoelectronic. Schema bloc a unui senzor optoelectronic este prezentată în figura 3.12.

Fig. 3.12

Sursa de radiație optică poate fi de orice tip: coerentă sau necoerentă, de bandă largă sau de bandă îngustă și putere optică mare sau mică, în funcție de mediul de propagare ales, de distanța până la senzorul optic pasiv, tipul senzorului optic pasiv, tipul mărimii de măsurat și aplicație. Mărimea de măsurat determină variația unuia din parametrii undei de radiație optică în senzorul optic pasiv: intensitate, fază, polarizare, lungime de undă sau frecvență de modulație.

Senzorul optic activ (denumit și detector optic sau fotodetector) convertește variația intensității undei de radiație optică de la ieșirea senzorului optic pasiv în variația unui semnal electric: tensiune, curent, sarcină sau rezistență.

3.2.3.1 Surse de radiații optice coerente

Sursele de radiații optice coerente sunt numite surse laser și au proprietățile:

– monocromaticitate mare, echivalentă cu o lățime spectrală îngustă și o mare coerență temporală;

– divergență mică;

– dimensiune mică a fascicolului;

– coerență spațială mare sau focalizare limitată de difracție;

– putere mare;

– gamă mare de acord, existând surse laser pentru aproape tot spectrul optic;

– impulsuri laser cu lățimi foarte înguste.

Diode laser

Diode laser cu cavitate optică rezonantă Fabry-Perot

Sunt realizate după structura de tip heterojoncțiune dublă. Stratul activ al unei diode laser tipice din GaAlAs este încadrat între două straturi cu benzi interzise mai mari și indici de refracție mai mici. Crește astfel eficiența, putându-se obține funcționarea în undă continuă. Structura este crescută pe GaAs multistrat dopat.

Factorii care determină eficiența emisiei radiației laser sunt banda interzisă, indicele de refracție, constanta rețelei cristaline, structura dispozitivului și calitatea materialelor.

Lungimea de undă a radiației laser depinde de grosimea benzii interzise a stratului activ. GaAs pur are energia benzii interzise de 1,35 eV la temperatura camerei, corespunzând unei lungimi de undă de 905 nm. GaAs pur are concentrația rețelei de 0,5653 nm. Elementul chimic care în combinație permite obținerea celei mai apropiate potriviri la constanta rețelei de GaAs este Al, amestecul AlAs având constanta rețelei cristaline 0,5662 nm. Adăugând Al în structura GaAs, crește energia benzii interzise, mutând emisia laser spre lungimi de undă mai mici. Pentru concentrații variabile de Al, în structura GaAlAs se obțin emisii până la 620 nm. Schimbarea structurii nivelelor energetice reduce eficiența emisiei laser la lungimi de undă mai mici, limitând durata de viață. Lungimile de coerență ale diodelor lase multimod sunt de câțiva mm.

Constructiv, diodele laser nu diferă de diodele LED decât prin calitatea materialelor și contactele metalice necesare pentru asigurarea densităților ridicate a purtătorilor de sarcină injectați. Cel mai adesea aceste contacte sunt sub formă de bandă cu lățimea de câțiva microni, situată deasupra zonei active, diodele laser având denumirea de diode laser cu geometrie de bandă.

Diodele laser cu heterojoncțiune dublă cu geometrie de bandă sunt în două variante: cu ghidare prin câștig și cu ghidare prin indicele de refracție.

În cazul diodei laser cu heterojoncțiune dublă cu geometrie de bandă, cu ghidare prin câștig, lățimea benzii determină lățimea zonei active, doar regiunea de sub bandă, unde captivitatea curentului este suficientă, prezintă câștig optic. Radiația laser emisă este ghidată transversal. Există diverse variante de structuri cu ghidaj prin câștig, realizate în sisteme GaAs-GaAlAs și InP-GaInAsP: cu localizarea curentului prin izolant, cu localizarea curentului cu diode Scottky, etc.

Diodele laser cu heterojoncțiune dublă, cu geometrie de bandă, cu ghidare prin indicele de refracție folosesc o structură de ghid de undă care forțează optic radiația în regiunea îngustă a stratului activ. Sunt mai multe heterostructuri de acest tip: îngropată, îngropată crescătoare, îngropată plană bicanal, cu ghid de undă crestat, cu substrat plan canelat, etc. Aceste diode au eficiență și coerență foarte bună și fascicol de radiație laser emis mai îngust, dar au puteri mai mici decât diodele laser cu ghidare prin câștig.

Pentru puteri optice emise mari (>100 mW), diodele laser se împachetează mai multe împreună, formând suprafețe de diode laser, conectate în serie și în paralel.

Se obțin suprafețe de diode laser cu ghidare prin câștig cu faza blocată, la care separarea între benzile active este de doar 10 m. Apropierea între benzi facilitează cuplarea optică, sincronizarea sau blocarea fazelor fascicolelor de radiație optică învecinate, simplificând sistemul optic. S-a obținut blocarea fazei în suprafețele cu ghidare prin indice de refracție cât și în suprafețe ghidate invers (anti-guided). La suprafețele anti-guided indicele de refracție al benzii active este mai mic decât al materialului înconjurător, permițând astfel interferența optică. Dacă separarea între benzi este egală cu un număr impar de , radiația optică devine cuplată rezonant. Suprafețele cu ghid de undă rezonant permit obținerea unor nivele de putere de 0,5 W în undă continuă și 2,1 W în impulsuri.

Suprafețele cu diode laser cu puterea cea mai mare sunt barele monolitice cu zone de benzi active de 1 cm, aranjate în linie. Puterea este de 100 W în undă continuă.

Dezvoltarea tehnicilor de fabricație avansate ale semiconductoarelor, ca epitaxia cu fascicul molecular și depunerea metalică în faza de vapori chimici organici, a permis obținerea unor structuri foarte subțiri (prin depunere metalică în faza de vapori s-au crescut straturi cu grosimi de câțiva atomi).

Dacă grosimea stratului activ într-o heterostructură dublă ajunge sub 50 nm, mișcarea electronilor și golurilor este limitată. Se schimbă astfel energia globală și momentul purtătorilor de sarcină în material, modificând proprietățile optice. Ca efect, banda de conducție și banda de valență se divid în subbenzi discrete, cu distribuția energetică dependentă de grosimea materialului, deci se poate modifica lungimea de undă a radiației laser emise variind grosimea stratului activ. O altă consecință este schimbarea probabilității tranziției între o subbandă de conducție și o subbandă de valență, rezultând inversiunea de populație.

Dioda laser cu o singură heterostructură dublă cu un strat activ cu grosime sub 50 nm este numită rezervor cuantic unic (SQW – single quantum well). Diodele laser SQW au câștiguri ridicate și curenți de prag mult mai mici decât dispozitivele convenționale, iar radiația optică este mai coerentă.

Pentru amplificări mai mari, straturile cu heterostructură cu un singur rezervor cuantic pot fi stivuite, obținându-se astfel structura de rezervor cuantic multiplu: MQW. Diodele laser MQW au performanțe superioare, combinând captivitatea foarte strânsă a purtătorilor, dată de structura SQW și captivitatea optică superioară a straturilor multiple.

La fel ca structurile cu heterostructură dublă, structurile cu rezervor cuantic pot fi realizate în ambele variante, cu ghidare prin câștig sau cu ghidare prin indice de refracție. Realizările în domeniul structurilor cu rezervor cuantic includ structuri cu fire cuantice, puncte cuantice și cascadă cuantică. Diodele laser cu structură tip cascadă cuantică folosesc tranzițiile electronice între subbenzi ale benzii de conducție pentru a crea radiație optică în domeniile spectrale de la infraroșu mijlociu până la infraroșu îndepărtat.

Avantajele diodelor laser cu structuri cu rezervor cuantic sunt curentul mic de prag, sensibilitate scăzută cu temperatura, comportare dinamică excelentă, puteri optice de câțiva mW în undă continuă. Frecvența de modulație este sub 20 GHz.

Diode laser cu alte cavități rezonante

În afară de cavitatea optică clasică Fabry-Perot s-au realizat și cavități optice pentru cuplarea radiației optice de la ieșirea diodelor laser, pentru aplicații care necesită fascicol cu înaltă coerență și bandă de frecvență îngustă. Aceste cavități optice pot fi folosite în structuri specifice de diode laser sau pot fi adăugate la structurile existente Fabry-Perot.Cea mai simplă modalitate este o rețea de difracție cu oglindă externă posterioară.

Fig. 3.13

Două alte variante de cavități de diode laser mai importante care folosesc rețele de difracție sunt cavitatea cu reacție distribuită (DFB), figura 3.14 și cavitatea cu reflexie distribuită Bragg (DBR), figura 3.15.

La dioda laser cu cavitate distribuită, o rețea de difracție plasată pe suprafața stratului activ realizează reacția cu reflexie înapoi (difractată) doar pentru o anumită lungime de undă. La toate celelalte lungimi de undă se produc pierderi mai mari în cavitate, neatingându-se pragul de emisie laser.

Dioda laser cu reflexie distribuită Bragg, figura 3.15, are rețeaua poziționată în prelungirea stratului activ și necesită un strat cu ghidare prin indice de refracție pentru a face legătura optică la regiunea de câștig a cavității optice.

Diode laser cu emisie prin suprafață

Toate structurile de diode laser de până acum emit radiația optică lateral. Există însă și o altă clasă de diode laser, la care emisia se face prin suprafață. Pentru acestea, cavitatea optică are două variante:

– cavitate optică plană (PCSEL – planar cavity surface emitting laser)

– cavitate optică verticală (VCSEL – vertical cavity surface emitting laser)

Ambele variante formează suprafețe bidimensionale de diode laser.

Dioda laser cu emisie de suprafață cu cavitate optică plană conține o diodă laser cu emisie laterală și două structuri optice (frontală și posterioară) care redirecționează fascicolul laser în sus, perpendicular pe suprafața structurii. Fascicolul emis are formă eliptică.

Dioda laser cu emisie de suprafață cu cavitate optică verticală este realizată pe straturi de GaAs. Regiunea activă și oglinzile superioară și inferioară sunt realizate sub formă de straturi depuse succesiv, stivuite vertical. La punerea sub tensiune, fascicolul emis este circular, facilitând cuplarea cu eficiență mare la fibre optice. Deoarece depunerile pentru contactele p și n sunt pe aceeași față a substratului, VCSEL pot fi testate în timpul fabricației, înainte de a fi tăiate.

Lasere cu stare solidă

Laserele cu stare solidă au mediul laser alcătuit din dopanți (ioni de pământuri rare sau metale de tranziție) care emit radiație laser, implantați în matrici transparente din materiale solide izolatoare, cristaline sau sticlă, denumite gazdă. Inversiunea de populație se obține prin pompare cu lămpi cu descărcare sau diode laser. Atomii responsabili de generarea radiației laser sunt mai întâi excitați la nivelele energetice superioare prin absorbția fotonilor; felul în care acești atomi se relaxează din stările excitate determină calitatea și cantitatea radiației laser emise.

Laserele cu stare solidă au putere radiantă mare, dând la ieșire impulsuri laser foarte scurte sau radiații cu lungimea de undă acordabilă în domeniul vizibil și infraroșu apropiat.

Există mai multe tipuri de lasere cu stare solidă:

– lasere solide cu neomidiu, la care mediul activ este neomidiu triplu ionizat ca material dopant, într-o matrice cristalină sau sticlă. Ese foarte versatil, putându-se dubla, tripla sau cvadrupla lungimea de undă prin generarea de armonici. Dă la ieșire impulsuri scurte prin comutarea factorului de calitate sau blocarea modului;

– lasere solide cu rubin, realizate din bastonașe de rubin crescute pe safir dopat cu crom. Emit raze laser în impulsuri de ordinul ms, dar necesită răcire;

– lasere solide vibronice acordabile. Lungimea de undă acordabilă se obține la funcționarea pe tranziții vibronice în care mediul activ schimbă și stările electronice și cele de vibrații. Pot funcționa în undă continuă sau în impulsuri;

– lasere solide cu holmiu, tuliu sau erbiu;

– lasere solide cu fibre optice.

Lasere cu lichid

Laserele reprezentative cu lichid sunt laserele dye, al căror mediu activ este o substanță lichidă, colorată, organică, fluorescentă, dizolvată într-un solvent lichid, la temperatura camerei. Pomparea se face cu lămpi cu descărcare sau laser extern, iar lungimea de undă de ieșire variază de la UV până la NIR.

Laserele dye funcționează în undă continuă, cu lățime de bandă spectrală foarte îngustă și produc impulsuri foarte scurte, cu durate sub 1 ps. Au construcție complexă, care necesită elemente optice complicate, iar obținerea lungimilor de undă în tot spectrul vizibil impune schimbarea mediului activ. Au eficiență și coerență mare.

Principalele lasere dye sunt: polifenil, stilben, cumarin, rodamin, dicioanometilen, stiril.

Pentru laserele dye în impulsuri, creșterea puterii emise se face prin pomparea optică cu lasere de putere mare, excimere sau Nd: YAG. Pentru a nu degrada puterea spectrală, se elimină amplificarea emisiei spontane prin proiectarea corectă a oscilatorului.

3.2.3.2 Senzori optici pasivi (SOP)

După mărimea care variază, există mai multe tipuri de senzori optici pasivi:

– cu variația intensității radiației optice;

– cu variația fazei radiației optice;

– cu variația polarizării;

– cu variația lungimii de undă spectrală;

– cu variația frecvenței de modulație, etc.

Senzori optici pasivi cu variația intensității radiației

Sunt cel mai simplu de realizat, deoarece nu impun exigențe particulare nici sursei de radiație și nici senzorilor optici activi. Au fiabilitate mare și preț scăzut. Mărimea detectată de senzorii optici activi este intensitatea undei după trecerea printr-un mediu atenuator sau dispersiv. Se realizează într-o mare diversitate, prin transmisia sau prin reflexia undei.

Pot măsura: turații, deplasări, poziții relative și vibrații, forțe și presiuni, coduri de bare prin reflexie, densități ale substanțelor, temperaturi prin fluorescență, etc.

Radiația optică trebuie să aibă o bună directivitate, dimensiuni mici ale fascicolului și intensitate suficientă pentru a fi detectată ușor. Aceste cerințe sunt asigurate prin folosirea unui laser, a unei surse necoerente și a unei fibre optice unimod pentru directivitate.

Senzori optici pasivi cu fibre optice

După locul interacțiunii dintre mărimea de măsurat și radiația optică, senzorii pasivi cu fibre optice sunt de trei tipuri:

– intrinseci, la care acțiunea de modulare se face în interiorul fibrei optice;

– extrinseci, la care acțiunea de modulare se petrece în exteriorul fibrei optice.

– bazați pe câmp slab, de suprafață (evanescent), la care acțiunea de modulare se face direct pe suprafața exterioară, dezvelită, a miezului.

Senzorii optici pasivi cu fibre optice se bazează în general pe variația intensității sau fazei radiației optice. Sunt realizați din fibre optice unimod sau multimod.

Senzorii cu modulația fazei necesită fibre optice unimod sau chiar unimod cu menținerea polarizării. Pentru senzorii extrinseci cu variația intensității, un rol important îl are capabilitatea de putere, definită ca posibilitatea fibrelor optice de a transmite puterea optică. Pentru aceste aplicații se recomandă fibrele optice cu miezuri cu diametru și aperturi numerice mari.

Senzorii cu fibre optice cu variația intensității au dezavantajul suprapunerii peste semnalul util al perturbațiilor determinate de variația intensității radiației optice a sursei, eficiența de cuplare a fibrei optice, îndoiri, etc.

O clasă de senzori pasivi cu fibre optice o constituie senzorii înglobați în structuri pentru determinarea eforturilor, temperaturilor, deformațiilor, formelor, forțelor, vibrațiilor, agenților chimici sau deteriorărilor.

Senzorii cu fibre optice au gamă dinamică mare, pot fi montați pe suprafața structurilor noi sau existente folosind adezivi convenționali și pot fi incluși în materialele compozite în timpul fabricației. Mai mult, senzorii cu fibre optice pot fi realizați cu sensibilitate optimă la un parametru sau să exploateze diferite proprietăți ale radiației optice, în scopul modulării simultane a mai multor parametri, folosind același senzor.

Senzorii cu fibre optice cu variația fazei sunt de mai multe tipuri: interferometru Mach-Zender cu fibre optice, senzori cu faza codată, senzori cu rețea Bragg în fibra optică.

O clasă specială formează senzorii cu fibre optice pentru radiație optică IR.

Materialele folosite pentru realizarea lor sunt: safirul, fluoruri și sticle calcogenide cu o gamă variată de ferestre spectrale de transmisie.

Senzorii cu fibre optice pentru IR pot fi multiplexați de-a lungul unei fibre optice pentru a obține măsurători discrete, distribuite. Senzorii cu variația intensității pot fi multiplexați necoerent, iar senzorii interferometrici pot fi multiplexați prin mai multe tehnici: cu purtătoare cu generarea impulsului, interferometrie diferențială cu împerecherea căilor, multiplexare coerentă, cu divizarea în timp sau frecvență.

Senzori pasivi hibrizi cu capetele fibrelor optice față în față

Un astfel de senzor, de vibrații sau de închidere, constă din două fibre optice apropiate față în față. Radiația optică este transmisă prin una din fibrele optice iar la ieșire radiația optică este expandată într-un con al cărui unghi depinde de diferența dintre indicele de refracție al miezului și învelișului fibrei optice. Cantitatea de radiație optică capturată de a doua fibră optică depinde de unghiul de acceptanță și de distanța dintre fibre.

O variantă a acestui senzor folosește cele două fibre optice în aceeași parte iar în fața lor o oglindă flexibilă care răspunde la un efect extern (presiunea sau deplasarea). Aranjând două fibre optice în linie, se obține un senzor prin translație, ca în figura 3.16.

Fig. 3.16

Un senzor rotativ de poziție conține o placă codată cu zone cu reflectanță variabilă, plasată astfel încât fiecare poziție are un cod unic. Pentru a determina prezența sau absența unei zone reflectorizante, se folosește un anumit număr de fibre optice.

Senzori de poziție cu multiplexare cu divizarea lungimii de undă

Sursa de radiație optică folosită este de bandă largă, de exemplu o diodă LED și se utilizează o singură fibră optică care transportă fascicolul până la un multiplexor cu divizarea lungimii de undă (WDM), figura 3.17.

Fig. 3.17

Multiplexorul divide fascicolul de radiație optică și-l trimite la o placă codată pentru determinarea poziției liniare. Semnalele reflectate sunt apoi recombinate și separate de al doilea multiplexor cu divizarea lungimii de undă, astfel încât fiecare semnal de la fibra optică de interogare este citit de un fotodetector separat (CD este un cuplor direcțional cu fibră optică).

Senzori de poziție cu fibre optice cu multiplexare și divizare în timp

Utilizează o sursă de radiație optică în impulsuri, care sunt divizate în mai multe fibre optice de interogare, figura 3.18. Fibrele optice sunt aranjate astfel încât au întârzieri care separă semnalul reflectat de la placa codată cu un timp mai mare decât durata impusului. Când semnalele reflectate se recombină la detector, rezultatul este o secvență codată de impulsuri de semnal care corespund cu poziția plăcii codate.

Fig. 3.18

Senzori bazați pe microîndoirea periodică a fibrei optice

Microîndoirea fibrei optice este folosită la realizarea senzorilor pentru măsurarea vibrațiilor, presiunii, forțelor și a altor efecte din mediul înconjurător. Un astfel de traductor conține o sursă de radiație optică, o porțiune de fibră optică poziționată într-un senzor cu microîndoiri pentru modularea în intensitate a radiației optice în funcție de un efect din mediu și un fotodetector. Senzorul cu microîndoiri poate fi implementat și folosind cabluri speciale cu fibre optice sa fibre optice optimizate să fie sensibile la pierderi prin microîndoire.

Senzori cu fibre optice bazați pe rețele de difracție

Un fascicol de radiație optică este colimat de o lentilă și trece printr-un sistem de două rețele de difracție, una fixă și una mobilă, figura 3.19.

Dezavantaj: mișcarea relativă a rețelelor de difracție are ca efect o caracteristică sinusoidală a sensibilității relative. Pentru sensibilitate optimă, poziția inițială a rețelelor trebuie să fie jumătate deschisă, jumătate închisă. Pentru creșterea sensibilității se folosesc rețele cu spațieri mai fine care însă, limitează gama dinamică.

Fig. 3.19

Pentru a mări sensibilitatea fără limitarea gamei dinamice se folosesc rețele multiple decalate cu .

În cazul rețelelor duble ieșirile sunt în cuadratură. Când una din ieșiri este la sensibilitate optimă cealaltă este la sensibilitate minimă și invers. Folosind ambele ieșiri pentru urmărire, se pot scana mai multe linii ale rețelei, crescând astfel gama dinamică și evitând scăderea la zero a semnalului la pozițiile de sensibilitate minimă.

Senzorii pasivi cu fibre optice bazați pe modularea intensității au limitări impuse de pierderile variabile din sistem care nu sunt legate de mărimea ce trebuie măsurată. Sursele de erori sunt pierderile variabile datorate conectoarelor, divizoarelor, îndoirilor și nealinierea surselor de radiație optică și a fotodetectoarelor. Pentru a elimina aceste probleme se folosesc două lungimi de undă, una fiind pentru calibrare prin evitarea regiunii de detecție. O concepție alternativă este utilizarea unor senzori pasivi cu fibre optice rezistenți la erori induse de variații de intensitate.

3.2.3.3 Senzori optici activi (SOA)

Senzorii optici activi, denumiți și fotodetectoare, transformă variația intensității radiației optice modificate de mărimea de măsurat în senzorii optici pasivi, într-o variație a unei mărimi sau parametru electric (tensiune, curent, sarcină, rezistență sau capacitate).

După modul în care se face absorbția radiației optice și transformarea ei în alte forme de energie, senzorii optici activi se împart în două grupe:

– electronici (sau cuantici), în care absorbția radiației optice determină excitarea electronilor pe nivele energetice superioare;

– termici, în care absorbția radiației optice este însoțită de creșterea temperaturii sistemului rețea cristalină-electroni.

Fiecare din cele două tipuri de fotodetectoare se clasifică în parametrice (sau modulatoare) și energetice (sau generatoare), după cum radiația optică are ca efect modificarea unui parametru electric sau generarea unei tensiuni, unui curent sau unei sarcini electrice.

3.2.3.3.1 Fotorezistoare: Senzorul PIR

Fotorezistoarele au un strat semiconductor omogen cu grosimea 50…100 m din CdS, PbS, PbSe sau amestecuri de CdS și CdSe depuse între doi electrozi. Radiația optică incidentă determină scăderea neliniară a rezistenței de la valori mari în lipsa radiației optice, până la valori de zeci de ohmi la nivele mari de iradiere optică. Materialele din săruri (CdS, CdSe) se utilizează pentru domeniul vizibil și infraroșu apropiat , iar sulfurile și selenurile pe bază de plumb (PbS, PbSe) pentru infraroșu depărtat.

Fotorezistoarele se polarizează cu tensiune alternativă sau continuă cu orice polaritate și în urma iradierii la putere optică de W…mW apare un curent. Variația rezistenței electrice este determinată de efectul fotoelectric intern. Când un foton incident trece un electron din banda de valență în banda de conducție peste banda interzisă, crește conductivitatea semiconductoului.

Dezavantajele fotorezistoarelor sunt răspunsul neliniar, timp mare de răspuns și memoria de termen lung.

Caracteristicile curent-tensiune ale fotorezistoarelor sunt simetrice față de originea axelor de coordonate, rezistența nedepinzând de polaritatea tensiunii. Variația fotocurentului în funcție de nivelul de iradiere optică este logaritmică.

Fig. 3.20 Fotorezistorul și caracteristica R=f(Φe)

Dependența R=f(Φe) este aproximativ o dreaptă cu pantă negativă.

Acești senzori se folosesc în echipamentele ce funcționează la diverse grade de iluminare, la bariere optice, la detectoare de fum, la activarea unor stări pe timp de noapte, la activarea iluminatului odată cu lăsarea întunericului,etc.

Senzorii PIR-MELDER sunt caracteristici detectoarelor pirometrice pasive de mișcare.

Senzorul PIR este un dispozitiv destinat detecției deplasării cu minim 10-15 cm/s a unui corp cu diferența de temperatură față de mediu de minim 3-5 C. Senzorul PIR utilizează un dispozitiv sensibil la radiația infraroșie din spectrul termic (8-14 μm) numit piroelement.

Fig. 3.21 Schema de principiu a unui senzor PIR

Pentru concentrarea radiației infraroșii se utilizează un ansamblu special de lentile Fresnell. Modul de amplasare și dimensiunile acestora determină caracteristica de detecție a senzorului. Există senzori volumetrici, senzori cortină, senzori cu spot lung, senzori de tavan, etc.

Fig. 3.22 Exemple de caracteristici de detecție

O altă modalitate de concentrare a radiației este dată de utilizarea unei oglinzi concentratoare de formă parabolică, piroelementul situându-se în focarul parabolei. PIR-urile cu oglindă sunt senzori volumetrici în adevăratul înteles al cuvântului.

Fig. 3.23 Tipuri de senzori PIR

Senzorul PIR prezintă două avantaje:

Elementele de delimitare a spațiilor (pereți, geamuri, uși) sunt opace la radiația IR, astfel încât senzorul nu detectează mișcare în exteriorul spațiului protejat;

Datorită flexibilității în construcția lentilelor Fresnell există tipuri constructive pentru o varietate largă de aplicații.

Detectoarele obișnuite se instalează în general la 2-2,3 m de la podeaua încăperii și au un unghi de detecție de 90-105. Se instalează de regulă în colțurile încăperii pentru a asigura o protecție completă. Raza de detecție pe spoturile centrale este în general de 12 m, ceea ce face suficientă instalarea unui singur senzor într-o încăpere obișnuită.

Dezvoltarea tipurilor constructive de piroelemente (dual element, quad element) au permis fabricarea de senzori PIR imuni la corpuri de dimensiune redusă (pet imune) precum și la senzori cu procesare digitală avansată pentru creșterea imunității la alarme false.

Senzorul PIR este un senzor mascabil, el funcționează numai în raza de vizibilitate. Vopselele, hârtia și sticla obișnuită sunt opace la radiația IR, ceea ce face ca senzorul să fie relativ ușor sabotabil în cazul în care potențialul infractor are acces la senzor atunci când sistemul de securitate nu este activat. Pentru evitarea alarmelor false sunt necesare anumite măsuri de prevenire a mișcării accidentale a corpurilor din încăperi precum și a curenților de aer calzi sau reci (ferestre deschise, amplasare necorespunzătoare a senzorilor față de instalațiile de climatizare sau convectoare de căldură ). Cu toate aceste limitări, senzorul PIR este cel mai popular element utilizat în sistemele de securitate datorită flexibilității ridicate și a costului scăzut al dispozitivului.

3.2.3.3.2 Fotodiode și fototranzistoare

Fotodiode p-n (planare)

Cele mai răspândite sunt cele din siliciu, într-un singur substrat cristalin din Si pur, similar celor folosite la circuite integrate.

O secțiune transversală printr-o fotodiodă plană din Si este dată în figura 3.24.

Fig. 3.24

Prin difuzia termică sau implantarea ionică a unui material dopant în Si tip n, se formează stratul subțire tip p de la suprafața frontală. Pe suprafața frontală se aplică un contact mic de metal, iar suparafața posterioară este complet metalizată. Se formează astfel o joncțiune p-n care diferă de cele de la diode prin faptul că stratul p este foarte subțire, în funcție de gama de lungimi de undă selectate.

Capacitatea electrică a joncțiunii p-n depinde de grosimea regiunii de sărăcire, rezistivitatea Si și mărimea suprafeței active.

Când radiația optică este absorbită în regiunea activă, se formează perechi electron-gol care sunt separate, electronii trecând în regiunea n, iar golurile în regiunea p. Rezultă astfel un curent foarte puțin afectat de temperatură, variind cu mai puțin de 0,2 %/C pentru spectrul vizibil.

La aplicarea unei polarizări inverse, în lipsa iluminării, prin fotodiodă va trece un curent mic, denumit curent de întuneric.

Parametrii fotodiodelor p-n sunt:

– Responsivitatea este o măsură a sensibilității fotodiodei și este definită ca raportul dintre fotocurentul de ieșire și puterea radiantă incidentă În figura 3.25 se dă responsivitatea spectrală a unei fotodiode din siliciu;

– Eficiența cuantică se exprimă în procente și este capabilitatea fotodiodei de a converti energia radiației optice în energie electrică;

– Puterea echivalentă de zgomot este puterea optică incidentă minimă necesară unei fotodiode pentru a genera un fotocurent egal cu curentul de zgomot total al fotodiodei și se definește ca raportul între curentul de zgomot și responsivitate;

– Timpul de creștere reprezintă măsura vitezei de răspuns a fotodiodei la un impuls dreptunghiular de radiație optică și este timpul necesar pentru fotodiodă să-și crească nivelul de ieșire de la 10% la 90% din nivelul final de ieșire.

Fig. 3.25

Timpul de colectare a sarcinii depinde de tensiune și are două componente: una rapidă, care este timpul de tranzit al purtătorilor de sarcină prin regiunea de sărăcire, sub influența unui câmp electric și una lentă, timpul de difuzie.

O clasă specială de fotodiode sunt cele pentru domeniul infraroșu.

Fotodiode PIN

Fotodiodele PIN au o regiune cu Si intrinsec între regiunile p și n. Pe o plachetă de Si intrinsec cu rezistivitate mare se difuzează un strat epitaxial tip n cu grosimea de 30…40 m. Pe cealaltă față a plachetei se difuzează un strat subțire de conducție mare, tip p. Se depun apoi straturi antireflectorizante de SiO și a contactelor ohmice.

Fotodiodele PIN se realizează cu iluminare frontală sau cu iluminare laterală. Datorită sensibilității la radiația optică incidentă și a vitezei mari de răspuns, ele înlocuiesc des fotodiodele cu joncțiune p-n.

Fotodiode Schottky

Curbarea benzilor energetice ale unui semiconductor în vecinătatea contactului cu un metal dă naștere unei bariere de potențial numită barieră Schottky. Dispozitivul obținut este fotodioda Schottky, cu un principiu de funcționare asemănător cu al fotodiodei p-n.

Spre deosebire de fotodiodele cu joncțiune p-n, fotodiodele Schottky se pot utiliza și ca fotodetectoare pentru regiunea UV a spectrului radiației optice. Pentru realizarea fotodiodelor Schottky eficiente în detecția radiației optice cu lungimi de undă mici, se alege grosimea stratului de metal și a stratului antireflectorizant astfel încât radiația optică incidentă să fie absorbită în regiunea de la suprafața semiconductorului.

Fototranzistoare

Datorită expunerii la radiație optică, în jocțiunea colector-bază a fototranzistoarelor bipolare apare un curent care este amplificat de tranzistor. Pentru amplificare mai mare, emitorul fototranzistorului se leagă în baza unui tranzistor, formând un etaj Darlington denumit fotodarlington. Amplificarea fotodarlingtoanelor este > , însă răspunsul este mai lent ca la fotodiode.

Tipuri de fototranzistoare: cu barieră Schottky, unijoncțiune, unipolare, bipolare din Si sau cu heterojoncțiuni. Cele mai folosite sunt fototranzistoarele bipolare, TECMOS și TECj din Si.

3.2.4 Traductoare de vibrații

Vibrațiile reprezintă mișcări oscilatorii în jurul unui punct caracterizat prin amplitudine, viteză, accelerație, frecvență, iar șocurile reprezintă mișcări în formă de impulsuri singulare cu durată scurtă fiind descrise de anumite legi de variație în timp sau mai simplu, prin valori cinematice maxime.

Vibrațiile sunt de joasă sau înaltă frecvență, libere sau întreținute, amortizate sau neamortizate, deterministice sau aleatoare, de translație, torsiune, încovoiere, etc.

În principiu, vibrațiile se măsoară prin cei trei parametri ai acestora, adică: amplitudine, viteză sau accelerație, prin cunoașterea cărora se pot determina și ceilalți parametri (prin derivare sau integrare). În practică se preferă soluția de integrare (derivarea duce de obicei la intensificarea perturbațiilor de înaltă frecvență), prin măsurarea accelerației care prezintă și avantajul că nu este necesar un anumit sistem de referință.

În practică, măsurarea vibrațiilor se face prin forța ce acționează asupra unei mase seismice din componența unor traductoare seismice.

Fig. 3.26 Traductor seismic

Conform figurii 3.26, traductoarele seismice sunt traductoare mecanice de tip inerțial compuse din: carcasă (1), placă de bază (2), resort (3) cu constanta elastică k, masă seismică m (4), dispozitiv de amortizare (5) cu factorul de amortizare c, traductorul în ansamblu fiind un sistem mecanic de ordinul II, i – mărimea de intrare, e – mărimea de ieșire.

Ecuația de mișcare a masei seismice în domeniul timp este :

Cu precizarea că membrul drept al acestei relații reprezintă forța inerțială, în funcție de relțiile existente între coeficienții m, c, k, sunt tratate cazurile:

– masa seismică mare, resorturi slabe (vibrometre);

– resort rigid, masă și coeficient de amortizare neglijabile (accelerometre);

– coeficient de amortizare mare, masă și constantă elastică neglijabile.

Traductorul seismic poate fi descris funcțional și în domeniul frecvență, prin aplicarea transformatei Laplace și determinând funcția de transfer care este de forma:

unde: – pulsația proprie de rezonanță mecanică; – factor de amortizare.

Dacă , atunci , traductorul se poate utiliza ca vibrometru, fiind realizat constructiv cu masă mare și suspensie moale.

Dacă , atunci , ceea ce ne arată că mărimea de ieșire este proporțională cu accelerația, traductorul funcționând ca accelerometru seismic, construcție ce presupune o masă seismică redusă și o suspensie tare.

Funcționarea traductorului seismic ca vibrometru impune utilizarea unui filtru trece-sus, constructiv putând reduce amortizarea sau crește masa seismică prin aceasta scăzând sensibilitatea.

În cazul accelerometrelor, este necesar să utilizăm un filtru trece-jos, iar creșterea frecvenței maxime de funcționare devine posibilă prin micșorarea masei sau creșterea amortizării. Această soluție are avantajul reducerii gabaritului, dar trebuie ținut cont de faptul că sensibilitatea scade cu pătratul frecvenței. Totodată creșterea amortizării are ca efect lărgirea benzii de frecvență, prezentând dezavantajul unui defazaj suplimentar ce face dificilă analiza nodurilor de vibrare și a șocurilor.

În mod obișnuit, ca unitate de măsură pentru accelerații se folosește sau accelerație gravitațională g = 9,81 , iar punerea în evidență a deplasării masei seismice se face cu traductoare adecvate de deplasare, viteză sau presiune (forță).

Cele mai multe vibrații pot fi modelate ca sisteme cu un singur grad de libertate și mulți senzori de vibrații folosesc un sistem cu arc elastic și masă. Arcul este caracterizat de constanta elastică k , iar masa m de greutatea sa, G. Aceste caracteristici determină atât comportarea statică a structurii, cât și comportarea dinamică.

Comportarea dinamică a unui sistem cu masă și arc poate fi exprimată de comportarea sistemului în vibrație liberă și / sau în vibrație forțată.

Comportarea dinamică a unui sistem în vibrație liberă

Vibrația liberă apare atunci când arcul este deformat și apoi eliberat, vibrând liber. În această situție, se evidențiază două caracteristici:

– prin amortizarea sistemului, amplitudinea oscilațiilor scade în timp;

– frecvența oscilației nu depinde de amplitudinea deflexiei inițiale.

Frecvența oscilațiilor libere este numită frecvență naturală și are expresia: .

Comportarea dinamică a unui sistem în vibrație forțată

Vibrațiile forțate apar atunci când se adaugă continuu energie sistemului masă și arc, printr-o forță oscilantă, cu o frecvență de forțare, . Dacă energia aplicată depășește amortizarea, mișcarea va continua atât cât continuă excitația.

Vibrațiile forțate pot fi:

– autoexcitate, dacă forța de excitație este generată în sau pe masa excitată;

– cu excitație externă, dacă forța de excitație se aplică arcului, de exemplu când baza pe care stă arcul se mișcă.

Când oscilează baza și forța este transmisă masei suspendate prin intermediul arcului, mișcarea masei va fi diferită de mișcarea bazei. Mișcarea bazei este denumită mișcare de intrare, I, iar mișcarea masei reprezintă răspunsul, R.

Raportul acestor două mărimi se numește transmisibilitatea T:

La frecvențe de forțare mult sub frecvența naturală a sistemului, și .

Cu cât frecvența de forțare este mai apropiată de frecvența naturală, transmisibilitatea crește datorită rezonanței. Rezonanța reprezintă stocarea energiei în sistemul mecanic. La frecvențe de forțare apropiate de frecvența naturală, energia se acumulează și crește, rezultând o creștere a amplitudinii răspunsului. Crește de asemenea amortizarea și energia absorbită de amortizare într-o perioadă egalează energia forței de excitație, atingându-se echilibrul. Vârful transmisibilității se obține pentru , condiția fiind numită rezonanță. Dacă frecvența de forțare crește peste , răspunsul R scade.

Atunci când se obține R=I și ; la frecvențe superioare, și . La frecvențe pentru care , sistemul se spune că este în izolare, adică o parte a mișcării vibratorii este izolată de masa suspendată.

Se observă că frecvența naturală este proporțională cu rădăcina pătrată a consantei elastice k și invers proporțională cu rădăcina pătrată din greutatea G sau masa m. Astfel, crescând constanta elastică a arcului sau scăzând masa, va crește frecvența naturală.

Amortizarea este orice efect care înlătură energia cinetică potențială din sistemul masă și arc. Este uzual rezultatul efectelor vâscozității fluidelor sau a frecării. Toate materialele și structurile au un anumit grad de amortizare internă. În plus, mișcarea prin aer, apă sau alte fluide absoarbe energia și o convertește în căldură. Frecarea internă intermoleculară sau intercristalină convertește tensiunea mecanică a materialului în căldură. De asemenea, frecarea externă produce amortizare.

Amortizarea determină scăderea amplitudinii vibrației libere în timp și limitează transmisibilitatea maximă în vibrație forțată. Se definește prin relația:

unde: C este amortizarea structurii sau materialului, iar este amortizarea critică.

Amortizarea critică este definită ca mărimea amortizării care permite ca sistemul masă și arc deplasat să revină la poziția de echilibru, fără supracreșteri și oscilații.

Un sistem subamortizat are supracreșteri și va oscila când este deplasat și apoi eliberat.

Un sistem supraamortizat nu se va întoarce niciodată la poziția sa de echilibru, el deplasându-se asimptotic spre echilibru.

Detectoarele de vibrații sau șocuri sunt destinate în general unor aplicații speciale, cum ar fi protecția pereților tezaurelor, dar și a unor suprafețe vitrate. Detectoarele de șocuri conțin un traductor care transformă semnale de tip acustic în semnale electrice. În general, traductorul este de tip piezo, dar există și alte tipuri de traductoare.Raza de detecție este variabilă, în funcție de natura materialului din care este construit peretele protejat. Majoritatea producătorilor asigură o rază de acoperire de aproximativ 6 metri pentru pereți de beton. Aceste detectoare sunt sensibile la alarme false cum ar fi ciocănituri în pereți sau zgomote de reparații din restul clădirii, ceea ce face ca utilizarea lor să fie limitată din cauza acestor factori. La instalarea acestor detectoare trebuie analizată structura pereților protejați, atât materialul de bază (beton, cărămidă, lemn, etc.) cât și materialul de acoperire sau izolație. Spre exemplu, instalarea unui senzor de șoc pe un perete de beton armat acoperit cu un strat izolator antifonic de polistiren expandat trebuie realizată prin aplicarea senzorului de șoc pe structura de bază a peretelui, înainte de acoperirea acestuia cu polistiren. De asemenea, trebuie luat în calcul un coeficient mult mai mare de absorbție a sunetelor. Reglarea sensibilității este de asemenea o operațiune importantă. Senzorul nu trebuie să fie extrem de sensibil pentru a elimina pe cât posibil alarmele datorate zgomotului de mediu.

3.2.4.1 Traductoare piezoelectrice

Traductorul piezoelectric nu necesită tensiune de alimentare, folosind efectul piezoelectric al elementelor sensibile pentru a genera sarcină electrică la ieșire. Elementul piezoelectric, cu rol de element elastic, produce sarcină electrică proporțională cu efortul aplicat.

Materialele piezoelectrice au o structură moleculară cristalină regulată, cu o distribuție a sarcinilor care variază când sunt supuse la efort (materiale naturale sau artificiale cum sunt cristalele, materialele ceramice, unii polimeri).

Materialele piezoelectrice formează un dipol (separare netă a sarcinilor pozitive și negative de-a lungul unei direcții cristaline particulare) când nu sunt supuse la efort. În aceste materiale pot fi generate câmpuri electrice prin deformarea produsă de efort sau temperatură, determinând respectiv ieșire piezoelectrică sau piroelectrică. Ieșirile piroelectrice sunt semnale perturbatoare mari, au loc în perioade lungi de timp și variații de temperatură (de exemplu, materialele piezoelectrice din polimeri).

Sarcinile electrice nu sunt generate ci doar deplasate (ca și energia și momentul, sarcinile se conservă). Când se generează un câmp electric de-a lungul direcției dipolului, electrozii metalici de pe fețe opuse produc electroni mobili care se mută de la o față, prin rezistența de sarcină (rezistența de intrare a circuitului de condiționare, tipic, convertor sarcină-tensiune electrică), spre cealaltă față a senzorului, pentru a anula câmpul electric generat. Cantitatea de electroni depinde de tensiunea creată și de capacitatea dintre electrozi.

Alegerea materialului piezoelectric este un compromis între sensibilitatea de sarcină, coeficientul dielectric, coeficienții termici, temperatura maximă, caracteristicile de frecvență și stabilitate. Raporturile cele mai bune semnal/zgomot se obțin la coeficienții piezoelectrici mari. Cristalele piezoelectrice naturale (turmalină, cuarț) au sensibilitatea de 100 de ori mai mică decât materialele feroelectrice (ceramici artificiale). Turmalina este un cristal natural care are depolarizare, de aceea se folosește la temperaturi foarte mari. Senzorii piezoelectrici nu pot fi folosiți la măsurarea accelerațiilor sau forțelor statice.

Măsurarea tensiunii generate de senzorii piezoelectrici necesită atenție la comportarea dinamică a cablului de semnal și a caracteristicilor de intrare ale premplificatorului. Deoarece capacitatea cablului de legătură afectează direct amplitudinea semnalului, mișcarea excesivă a cablului în timpul măsurării produce variații ale capacității sale și trebuie evitată. Impedanța de intrare a preamplificatorului trebuie să fie mai mare decât 1 G pentru a asigura răspunsul la joasă frecvență.

În practică, pentru senzori piezoelectrici se folosesc convertoare de tip sarcină-tensiune cu amplificator operațional, denumite obișnuit preamplificatoare de sarcină electrică. Acestea conțin un amplificator operațional integrator, cu impedanță mare de intrare.

Tensiunea de ieșire este proporțională cu sarcina generată de traductor și invers proporțională cu capacitatea de reacție și nu depinde de capacitatea de ieșire a traductorului sau capacitatea cablurilor, deoarece capacitatea de intrare a convertorului sarcină-tensiune este (A – amplificarea în buclă deschisă, – capacitatea de reacție), prin efect Miller.

Se pot folosi cabluri de legătură de diverse lungimi, fără necesitatea recalibrării. Frecvența limită superioară este fixată de condensatorul și rezistența de reacție a convertorului sarcină-tensiune și nu de caracteristicile traductorului. Impedanța de ieșire a traductorului piezoelectric schimbă caracteristicile de zgomot, nu și frecvența.

Limitarea importantă introdusă de impedanța mare de ieșire a traductoarelor piezoelectrice este utilizarea unor cabluri de legătură speciale, cu impedanță foarte mare și zgomot redus (de exemplu, cu izolație cu teflon).

Tipurile cele mai comune de traductoare piezoelectrice sunt cele care lucrează prin compresie și cele cu torsiune. Variantele cu torsiune au izolație mai bună la efecte perturbatoare din mediul înconjurător, cum sunt variațiile de temperatură și de efort ale bazei și sunt în general mai scumpe. Variantele tip grindă (fixată într-un singur capăt) care lucrează prin compresie sunt mai fragile și au bandă de frecvență limitată.

Acest tip de traductoare este foarte utilizat în echipamentele de securizare, în echipamentele de sesizare audio, la sesizarea șocurilor, la producerea și recepționarea ultrasunetelor, la construcția senzorilor de geam spart, la sistemele de alarmare, la detectarea presiunilor, etc.

Traductoare piezoelectrice de compresie

Structura de bază este reprezentată în figura 3.27.

Fig. 3.27 Traductor piezoelectric de compresie

Constructiv, se realizează dintr-o piesă a cărei vibrație se măsoară și o placă de bază (1), care reprezintă suportul a două pastile piezoelectrice (2), pe care se plasează masa seismică . Pretensionarea sistemului este realizată cu ajutorul resortului (3), întreg ansamblul fiind introdus în carcasă (4) și prevăzut cu mufă de conectare (5).

Traductoarele piezoelectrice sunt robuste, preiau undele longitudinale, au o frecvență de rezonanță ridicată, dar, prezintă și o sensibilitate transversală, ceea ce face ca sensibilitatea totală să varieze în funcție de unghiul de orientare, între o valoare maximă și minimă.

Pentru reducerea influenței sensibilității transversale, pe traductor se marchează direcția pe care aceasta este minimă, fiind necesară respectarea acesteia la montare.

Traductoare piezoelectrice de forfecare

Fig. 3.28 Traductor piezoelectric de forfecare

Sunt realizate constructiv sub formă cilindrică (figura 3.28) sau sub formă prismatică triunghiulară. Sunt prevăzute cu o placă de bază (1), pastila piezoelectrică de formă cilindrică (2) care se fixează cu adezivul conductor (3), masa seismică (4) și carcasa (5).

La aceste traductoare, vibrațiile produc unde de forfecare în pastila piezoelectrică. Comparativ cu traductoarele de compresie, sensibilitatea acestor traductoare este redusă la variații de temperatură și tensiuni mecanice din piesa de bază, prezentând o anumită fragilitate.

Traductoare piezoelectrice cu preamplificator electronic

Aceste traductoare conțin un preamplificator electronic hibrid miniatură și, datorită semnalului mare de ieșire de pe impedanța mică de ieșire, nu mai are nevoie de cabluri speciale de legătură de zgomot mic. Cele mai multe traductoare de acest tip necesită surse de curent constant de alimentare. Curentul de alimentare și semnalul de ieșire sunt produse pe aceleași două fire. Impedanța mică de ieșire oferă imunitate față de rezistența de izolație mică a cablului, zgomotului electric și a semnalelor perturbatoare.

Sensibilitatea traductoarelor piezoelectrice cu preamplificator electronic încorporat nu este afectată semnificativ de variațiile sursei de alimentare. Gama dinamică a tensiunii de ieșire este însă afectată de tensiunea de alimentare. La variații mari ale curentului de alimentare apar probleme la răspunsul în frecvență, când se comandă sarcini cu capacitate electrică mare.

Un dezavantaj al circuitelor electronice încorporate este limitarea gamei de temperaturi de lucru și a fiabilității.

Preamplificatorul electronic intern nu este necesar să fie de tip convertor sarcină-tensiune deoarece capacitatea electronică dintre firele de legătură între senzor și preamplificator este mică și bine controlată. Cuarțul este folosit ca generator de tensiune electrică. Preamplificatoarele de tensiune ajută și ceramicele feroelectrice care au răspunsul în frecvență mai scăzut la folosirea convertoarelor sarcină-tensiune datorită coeficientului dielectric dependent de frecvență. În cazul preamplificatoarelorde tensiune, răspunsul în frecvență este destul de plat.

3.2.4.1.1 Senzor de geam spart și detectoare dublă tehnologie

Detectoarele de geam spart funcționează pe principiul analizei spectrale a sunetului produs de spargerea unei suprafețe vitrate ( spectrul între 1 și 5 KHz). Acest sunet are în componența sa armonici superioare la o anumită intensitate sonoră, ceea ce face ca sunetul să poată fi distins de alte zgomote din mediu. Acest tip de senzori este mult mai indicat pentru protejarea suprafețelor vitrate decât senzorii de vibrații întrucât nu sunt sensibili la zgomotele exterioare (de regulă de joasă frecvență).

Senzorul conține un microfon piezoceramic directiv ce se montează în interior și care este orientat către fereastra ce trebuie supravegheată. Semnalul captat de microfon este analizat din punct de vedere spectral cu ajutorul unui microprocesor aflat în componența sistemului și este comparat cu răspunsul spectral corespunzător unei spargeri de geam, stocat în memoria microprocesorului. Acesta va analiza relativa identitate a răspunsurilor spectrale și va decide activarea alarmei.

Senzorul se montează la o distanță de până la 5 m de suprafața vitrată și are o acoperire de aproximativ 6 m.

Fig. 3.29 Exemplu de detector de geam spart și instalarea tipică a acestuia

Datorită diversității materialelor din care se fac în prezent suprafețele vitrate anumiți producători de echipament calibrează senzorii în funcție de tipul de material al zonei protejate.

Testarea și reglajul se fac cu dispozitive speciale. Implicit, producătorii care au o gamă mai largă de detectoare de geam spart, pun la dispoziție și testerele specifice fiecărui tip de detector.

Principala limitare constă în faptul că un geam poate fi tăiat fără a genera zgomotul specific de spargere. Se recomandă ca atât detectoarele de șocuri cât și detectoarele de geam spart să fie utilizate în conjuncție cu elemente de detecție volumetrică.

Necesitatea creșterii imunității la alarme false a dus la apariția unor dispozitive de detecție ce încorporează de fapt două module independente ce utilizează tehnologii de detecție diferite cum ar fi:

– detectorul dual PIR + MW;

– detectorul dual PIR + geam spart;

– detectorul dual PIR + ultrasonic.

Unele dispozitive permit configurarea contactului de alarmă atât în logica ȘI cât și în logica SAU, ceea ce permite, în funcție de necesități, maximizarea sensibilității senzorului sau a imunității la zgomot a acestuia. De exemplu, utilizând în logica ȘI un detector dual PIR+MW dispunem de toate avantajele cumulate ale celor două tehnologii în obtinerea unui senzor cu o rată redusă a alarmelor false deoarece în cazul secțiunii PIR zona de detecție este bine delimitată de elementele constructive ale încăperii, iar partea de MW asigură imunitatea la curenți de aer.

Ca aplicație, detectorul ultrasonic este utilizat în special în alarmele auto, deoarece poate funcționa într-o gamă extinsă de temperatură. Este un detector activ, ce funcționează pe principiul detecției modulației de amplitudine a semnalului recepționat (ecou) în cazul în care în aria protejată există corpuri în mișcare.

Ca aplicație de securitate în conjuncție cu un detector PIR se poate utiliza în spații în care se desfășoară în mod curent activitate (hipermarket-uri, clădiri de birouri, spații industriale ) și mai puțin ca aplicație rezidențială.

3.2.4.2 Traductoare piezorezistive

Funcționează pe principiul modificării rezistenței sub acțiunea unei deformații a unor timbre tensometrice. Principial, un astfel de traductor se realizează ca în figura 3.30, din masa seismică (1), suspendată de lama elastică (2), încastrată în suportul (3), deformația acesteia fiind măsurată cu timbrele tensometrice (4).

Fig. 3.30 Traductor piezorezistiv

Deoarece banda de frecvențe începe de la zero, la măsurare pot să apară derive termice ale modulului de elasticitate și amortizării, iar modificarea temperaturii duce la variația modulului de elasticitate și a amortizării.

Aceste traductoare se utilizează ca traductoare de joasă frecvență și la măsurarea accelerațiilor constante (în cazul vehiculelor), la frecvențe în banda 0…1000 Hz cu domeniul de măsurare (1-500).

Față de traductoarele piezoelectrice, cele piezorezistive prezintă avantajul unei impedanțe echivalente reduse, sunt mai puțin sensibile la influențele exterioare, banda de frecvențe începe de la zero, dar sunt mai puțin sensibile deoarece în circuitele de măsurare s-ar putea să apară derivă de zero de natură termică sau mecanică.

Există și alte variante îmbunătățite, iar circuitele de măsurare sunt cele utilizate la timbrele tensometrice.

Un traductor piezorezistiv are o punte Wheatstone de rezistoare, pe unul sau mai multe brațe, ce își schimbă valoarea rezistenței electrice sub acțiunea efortului. Deoarece senzorii sunt alimentați cu tensiune electrică exterioară, ieșirea poate fi cuplată în curent continuu pentru a răspunde și la condiții statice. Sensibilitatea punții Wheatstone variază direct proporțional cu tensiunea de alimentare (de excitație), care trebuie să fie stabilă și nezgomotoasă. Ieșirea punții este flotantă, fiind nevoie de un amplificator diferențial sau ambele legături de la tensiunea de excitație trebuie să fie flotante pentru ca ieșirea din punte să fie față de masă. Configurația cu ieșire diferențială are avantajul rejecției de mod comun. Cele mai multe punți cu senzori piezorezistivi folosesc două sau patru elemente active. Tensiunea la ieșire a unei punți cu două brațe active (semipunte) este jumătate din cea a unei punți cu patru brațe active (punte completă).

Cerințele de stabilitate a tensiunii de excitație a punții cu piezorezistoare și a elementelor de condiționare sunt mai severe decât la traductoarele piezoelectrice cu preamplificatoare încorporate.

Traductoarele cu senzori piezorezistivi au impedanță mică și imunitate la zgomote. Sensibilitatea provine din răspunsul elastic al structurii și rezistivitatea materialului.

Senzorii piezorezistivi sunt fabricați dintr-o singură piesă din Si, cu avantajul realizării întregului senzor într-un singur bloc de material omogen, adică stabilitate mai bună, coeficienți termici buni și fiabilitate mare. Sunt folosiți la eforturi mari, chiar dacă Si este un material fragil. Datorită răspunsului în curent continuu, sunt folosiți la măsurători de lungă durată.

Traductoarele piezorezistive de mare sensibilitate sunt proiectate cu amortizare pentru a extinde gama de frecvență și posibilitățile de depășire a gamei dinamice.

Capitolul 4. Rețeaua GSM

Global System for Mobile Communications (Sistem Global pentru Comunicații Mobile), prescurtat GSM, este standardul de telefonie mobilă cel mai răspândit din lume, precum și numele rețelei de telefonie respective. Atributul „mobil” al multor aparate și dispozitive actuale se referă în primul rând la conectivitatea lor (fără fir, prin semnale radio) la sistemul GSM, practic din orice punct de pe glob. Din aceasta rezultă și mobilitatea utilizatorului.

Promotorul acestui standard, GSM Association, a estimat în anul 2007 că 82% din piața mondială de comunicații mobile folosește acest standard. Mai este cunoscut și sub denumirea de 2G (generația a doua). GSM 2G a apărut pe piață la începutul anilor 1990, luând un mare avânt la sfârșitul deceniului. Este sistemul dominant în Europa. La ora actuală, la rețeaua GSM se pot conecta cu ajutorul unei minicartele de tip SIM nu numai telefoanele mobile, dar și diverse calculatoare, de exemplu iPad-uri, tablete, alte calculatoare portabile, modem-uri UMTS/LTE înglobate în diverse aparate, etc.

4.1 Caracteristici tehnice

Sistemul GSM este un sistem numit „celular”. Deoarece telefoanele portabile atașabile la GSM (telefoanele mobile sau celulare) trebuie să fie ușoare și trebuie deci, să aibă acumulatori cât mai ușori, ele au și o putere de emisie radio limitată la circa 4-6 km. Drept consecință, releele GSM, numite și stații de bază, care au antenele în poziții fixe pe stâlpi la sol sau pe clădiri înalte, trebuie să fie numeroase, împânzind astfel mari suprafețe, de ordinul unor întregi zone metropolitane și chiar mai mari, tinzând cu timpul spre acoperirea completă a țărilor.

Zonele globului în care, în general rețeaua GSM nu pătrunde sunt: mari zone nelocuite (deșerturi, munți înalți, zone polare, lacuri mari, mări și oceane), zone subterane (tuneluri, mine, stațiuni de cercetări situate la adâncime) precum și zonele subacvatice, spațiu aerian cu altitudine de peste 4-6 km, unele zone și țări subdezvoltate.

Fiecare releu GSM deservește doar o mică suprafață, mai mult sau mai puțin rotundă, cu diametrul de circa 8-10 km, numită celulă. Dacă posesorul telefonului mobil se deplasează (de exemplu când călătorește cu mașina), sistemul îl „pasează” de la un releu la altul, urmărindu-l peste tot unde se află. Dacă la trecerea în altă celulă (teritorială) posesorul tocmai vorbește la telefon, convorbirea sa nu este întreruptă și nici măcar deranjată.

Sistemul GSM, bazându-se pe transmisii radio, prezintă principial riscul captării ilegale a convorbirilor telefonice. El însă prevede ca semnalul sonor, înainte de a fi transmis, să fie digitalizat și criptat, dispunând astfel de o securitate de transmisie ridicată.

GSM extinde funcția de mobilitate la nivelul abonatului, prin utilizarea modulului personal de identitate (SIM -Suscriber Identity Module). La introducerea SIM într-un terminal, acesta este dedicat abonatului. La fiecare apel, folosind proceduri de control a autenticității, rețeaua GSM verifică dacă utilizatorul este un abonat autentic. Securitatea este sporită prin introducerea secretizării comunicațiilor la nivelul interfeței radio.

La ora actuală există pe glob 14 domenii de frecvențe pentru GSM, toate situate în câte una din următoarele benzi: 400 MHz, 700 MHz, 850 MHz, 900 MHz, 1800 MHz și 1900 MHz. Unele domenii se folosesc numai pe anumite continente. Frecvențele cu care transmit telefoanele mobile în cadrul unei legături cu releul antenă (legături numite „uplink”) se deosebesc de frecvențele folosite de relee în direcția inversă („downlink”).

4.2 Clasificare sisteme de comunicații mobile

Această clasificare pe generații se aplică doar rețelelor mobile destinate realizării de legături vocale (sistemelor celulare). Pe de altă parte, rețelele mobile de date au cunoscut și ele o evoluție atât în privința soluțiilor tehnice cât și a performanțelor obținute.

1G

Prima generație de sisteme de comunicații mobile, numită 1G, a folosit transmisia analogică a informațiilor. Inițial, astfel de sisteme au utilizat exclusiv transmisia analogică atât pentru mesaje cât și pentru semnalele de control și semnalizare din sistem. În acest scop se utilizau modulații de tip AM, SSB sau FM.

Ulterior s-a trecut la transmisia numerică a semnalelor de control și apel selectiv, cu modulații de tip FSK sau FFSK, menținându-se pentru semnalul vocal transmisia analogică prin modulație de frecvență.

2G

Următoarea generație de sisteme de comunicații mobile, în întregime digitalizată și notată 2G, a fost caracterizată de transmisia numerică a informațiilor de utilizator, integrând mesajele digitalizate cu informațiile de control (comandă) și semnalizare, ceea ce a permis atingerea unor performanțe superioare în raport cu soluțiile folosite anterior și a asigurat compatibilitatea cu rețelele numerice terestre tip ISDN. Rețelele 2G se bazau inițial pe comutația de circuite.

Ulterior, în aceste rețele s-au implementat soluții care să permită creșterea vitezei de transmisie a datelor și utilizarea comutației de pachete de date în paralel cu cea de circuite, născându-se astfel o generație de tranziție, denumită 2,5G.

3G

A treia generație, 3G este marcată de o creștere a debitului de transmisie de la valori de ordinul a 10 Kbps la valori cuprinse între 200 Kbps și 2 Mbps. Acest salt presupune o creștere a benzii alocate unui canal precum și trecerea la utilizarea exclusivă a comutației de pachete.

4G

A patra generație, 4G este succesoarea 3G. Un sistem 4G oferă internet mobil de mare viteză. Există două tehnologii principale care stau la baza 4G: WiMax și Long Term Evolution (LTE). Atât WiMax, cât și LTE se bazează pe tehnologii avansate de antenă, pentru îmbunătățirea recepției semnalului și a performanței, sprijinindu-se pe diferite tipuri de wireless spectrum. De această conexiune pot beneficia laptop-urile cu o conexiune prin modem USB fără fir, smartphone-urile și alte sisteme mobile. Aplicațiile compatibile includ televiziunea mobilă high-definition, televiziunea 3D, sistemele pentru conferințe video, etc.

Noile sisteme de operare mobile Android, iOS, Windows mobile intră în categoria 4G.

GPRS

În general, în timpul unei convorbiri, de la telefonul mobil este stabilită o conexiune continuă rezervată (în acel timp nimeni altcineva nu poate folosi acel canal). GPRS are ca efect faptul că, dacă în timpul convorbirii la un moment dat nu se transmit date, canalul este pus la dispoziție pentru alte transmisii, fără ca să se piardă conexiunea inițială. În acest fel se mărește disponibilitatea rețelei. Altfel spus, la standardul GPRS conexiunea pentru o convorbire este continuă, permanentă, dar în plus, canalul de transmisie poate fi partajat de mai multe persoane (convorbiri). Tarifele GPRS prevăd de obicei plata după volumul de date transferate și nu după durata conexiunii.

GPRS este mult mai rapid decât CSD (Circuit Switched Data, uneori numit doar GSM Data). Cu toate acestea, la orele de vârf transferul de date este ceva mai lent (comparativ cu viteza maximă), deoarece conexiunile de voce au de obicei prioritate. Rata de transfer de date depinde de clasa multislot a dispozitivului

EGPRS (EDGE)

EGPRS (Enhanced GPRS, EDGE) utilizează o tehnologie ușor diferită, bazată pe așa numitul 8PSK sau 8-Phase Shift Keying. Cu ajutorul standardului EDGE, transferurile GPRS sunt aproximativ de trei ori mai rapide, ușurându-se astfel descărcarea fișierelor mari cum ar fi clipurile video.

LTE

LTE sau 3GPP Long Term Evolution este un standard pentru comunicații wireless, de viteză foarte mare pentru telefoane mobile sau terminale de date. Este o arhitectură bazată pe GSM/EDGE, îmbunătățind capacitatea și viteza prin utilizarea tehnicilor de modulație.

Interfața wireless LTE este incompatibilă cu rețelele 2G și 3G, astfel încât, ca aceasta să ruleze este necesar un alt spectru wireless (4G). Specificațiile includ o rată de downlink de 300 Mbps și o rată de uplink de 75 Mbps. Astfel, datele se transmit cu o calitate excepțională într-un timp foarte redus. Suportă multicast și stream-uri broadcast.

4.3 Avantaje, proprietăți și evoluție

Rețelele mobile celulare GSM oferă o serie de avantaje față de alte soluții tehnice:

capacitate de transmisie sporită;

consum redus de energie;

acoperire geografică extensivă;

interferențe reduse cu alte semnale;

toleranță la greșeli de transmisie sau defecțiuni;

latență redusă și stabilitate.

Rețeaua GSM are următoarele proprietăți:

Scalabilitate. Sistemul trebuie să poată fi dezvoltat în piețe diferite care au disponibile lățimi de bandă de frecvență diferite, de la 1.4 MHz la 20 MHz.

Latență. Latența în C-plane pentru tranzițiile din modul idle în modul conectat trebuie să fie mai puțin de 100 ms, iar întârzierea în U-plane trebuie să fie mai mică de 10 ms.

Viteză de transfer. Viteza maximă de transfer trebuie să fie de cel puțin 300 Mbps pe downlink și 50 Mbps pe uplink. În medie vitezele de transfer trebuie să fie de 3 sau 4 ori mai mare decât cele oferite HSDPA și de 2 sau 3 ori mai mari decât cele oferite de HSUPA.

Întârziere în cazul Handover-ului Inter-RAT. Handover-ul pentru serviciile în timp real trebuie să dureze mai puțin de 300 ms, iar pentru celelalte mai puțin de 500 ms.

Acoperire teritorială. Obiectivele de performanță trebuie menținute până la o distanță de 5 km de stație și cu o ușoară degradare până la 30 km.

Mobilitate. Sistemul trebuie să fie optimizat pentru o viteză relativ mică (<15 km/h), dar trebuie să fie capabil să-și mențină conexiunile active și la viteze de până la 500 km/h.

Inițial GSM a fost conceput doar pentru telefonie și transmitere de telefaxuri și alte date la viteză constantă. Succesul Internetului a condus însă și la evoluția standardelor GSM, care azi permit, printre altele, accesul mobil la Internet cu viteze mari. Pentru aceasta, în decursul timpului au fost implementate mai multe standarde GSM, unele dintre ele pentru scopuri speciale: CSD, HSCSD, GPRS, EDGE, UMTS, HSPA, Streaming, Generic Access, Cell Broadcast, BOS-GSM, LTE.

4.4 Comunicatorul GSM

Comunicatorul GSM este un dispozitiv care asigură schimbul de mesaje între centrala de alarmă și dispecerat folosind infrastructura comunicației GSM.

4.4.1 Funcționare

Principiul de funcționare este simplu: apelează dispeceratul telefonic indiferent dacă acesta este pe linie telefonică obișnuită sau prin intermediul unui premiCell (PremiCell GSM este o interfață între centrala telefonică de instituție și rețeaua GSM; ea creează o legătură directă între o joncțiune PBX și rețeaua GSM folosind o cartelă SIM activată) pe GSM și transmite toate mesajele predefinite a fi transmise către dispecerat de la centrala de alarmă.

4.4.2 Avantaje și dezavantaje

Se știe că linia telefonică obișnuită prezintă riscul de a fi întreruptă independent de furnizor prin tăierea cablurilor. De asemenea, frecvența radio poate fi bruiată local cu o stație de emisie cu putere ridicată, astfel încât, la un beneficiar conectat pe radio se poate bruia transmisia mesajului către dispecerat, chiar dacă are alocate pentru această cale de comunicație mai multe frecvențe radio.

Comunicarea GSM SMS prezintă dezavantajele:

nu poate fi controlat timpul în care este transmis, indiferent dacă mesajul este de tip prioritar sau nu (și cele prioritare „stau la coadă” în ordinea sosirii lor);

nu există confirmare de primire pentru centrala de alarmă, ca urmare centrala știe că a trimis mesajul, dar nu știe dacă s-a primit.

Avantajele comunicatorului GSM:

Comunică direct cu centrala putând astfel să transmită până la 10 mesaje în 3-4 secunde. Poate fi înlocuit cu succes de un premi-cell;

Este estetic. Practic, tot ce se vede la acest comunicator este cutia de plastic în care este introdus montajul.

Dezavantajele comunicatorului GSM:

Lipsa nivelului necesar de semnal pentru a se asigura o transmisie de calitate. De aceea aceste dispozitive sunt plasate, pe baza măsurătorilor nivelului de semnal, în locuri cât mai bune din punct de vedere al comunicației dar, conform metodologiei de instalare în acest sector de servicii, cât mai greu accesibil unor potențiali infractori.

Capitolul 5. Studiu de caz: Sistem de securitate cu contact magnetic Reed

Acest sistem de securitate este utilizat pentru monitorizarea ușilor de acces în locuință și a ferestrelor. Utilizează drept detector a stării de alarmă un contact magnetic normal deschis.

Comunicatorul GSM din acest sistem de securitate utilizează rețeaua GSM, indiferent de operator. Acesta efectuează un singur apel către un număr de telefon atunci când se declanșează alarma semnalizând pătrunderea în zona supravegheată. Atunci când se produce acest eveniment, comunicatorul GSM inițiază un apel telefonic către numărul de telefon memorat în telefonul mobil( numărul poate fi memorat oricând de către utilizator, prin acționarea unui push-button aflat în circuit), după care comunicatorul trece în starea anterioară, adică în așteptare. Apelul ajunge la destinatar fără ca apelatorul să ceară confirmare și fără să se transmită mesaj vocal sau tonuri audio. Apelul rămâne activ până când apelantul respinge apelul sau este întrerupt de rețea. Nu este necesar să se răspundă la apel, ci este suficient ca numărul SIM-ului de la apelator să fie afișat pe ecran. Afișarea numărului de la comunicator pe ecranul telefonului destinatar comunică defapt starea sistemului de securitate: alarmă declanșată. Destinatarul poate anula apelul prin „respingere apel”. Datorită acestei modalități cheltuielile sunt minime.

Comunicatorul are nevoie de o cartelă SIM validă, cu credit minim, necesar doar pentru a putea iniția apeluri. Apelurile inițiate de comunicator nu consumă credit. Utilizarea comunicatorului GSM este utilă celor ce doresc să fie la curent, oriunde și oricând, cu posibilele evenimente de interes personal( pătrunderea prin efracție în locuință).

Comunicatorul este format dintr-un circuit de comandă conectat prin handsfree la un telefon mobil Nokia 3410.

Date tehnice:

Tensiunea de alimentare: 3V-5.5V;

Consum de curent redus: 0.5 mA (6 mA când apelează);

Se poate programa un singur număr de telefon;

Numărul care trebuie apelat poate fi schimbat oricând din meniul telefonului și acționând un push-button;

Un singur apel se inițiază, ori de câte ori intrarea este pusă la masă;

Dimensiune PCB: 5.8 x 3.5 cm.

Schema electrică a circuitului de comandă:

Fig. 5.1

Componente:

R1, R2, R3, R4 – rezistor 10 K

R5 – rezistor 1 K

C1 – condensator electrolitic 10 uF

C2, C3 – condensator multistrat 100 nF

D1 – diodă 1N4148

Releu – releu REED 5V (R1-1A0500)

IC1 – PIC10F202

K1 – mini push-button

CON1 – Terminal bloc 4 căi

CON2 – Terminal bloc 2 căi

Sistemul de securitate cu contact Reed și comunicator GSM:

Fig. 5.2

Funcționare:

Componenta de bază a sistemului de securitate cu Nokia 3410 și apelator GSM este microcontrolerul PIC10F202, pe 8 biți, cu memorie program de tip Flash, cu un consum foarte redus. Pinii 5 și 3 ai acestuia sunt configurați ca „ieșire”, iar pinii 4 și 8 sunt setați ca „intrare”, unde R1 și R2 ”trag” intrarea la plusul alimentării.

Programul scris în memoria PIC-ului folosește o buclă care verifică starea intrării (conector CON2, pin 4) și starea mini push-button-ului (pin 8). Când intrarea este pusă la masă de un contact normal deschis, programul iese din buclă și acționează, prin pinul 5, releul Reed, iar la rândul lui, releul, prin contactul NO, închide de două ori scurt (pentru a anula un apel care tocmai sosește) și o dată lung (pentru a activa funcția de apelare vocală a telefonului) circuitul electric al microfonului de la handsfree. Imediat, prin pinul 3 se generează un ton audio, pe același circuit al microfonului de la handsfree, având ca rezultat apelarea numărului de telefon dorit.

Programul reintră în buclă doar dacă intrarea este liberă. Totodată, aceeași buclă a programului verifică daca mini push-button-ul este acționat. Dacă da, atunci prin pinul 3 se generează un ton audio identic cu cel generat la apelare, ton care va fi memorat de telefon ca și câmp vocal pentru numărul care se dorește a fi apelat.

Condensatorul electrolitic C1 decuplează alimentarea, iar D1 protejează microcontrolerul de tensiunea inversă de autoinducție generată de bobina releului.

Concluzii

Ca funcționalitate primară, un sistem de securitate poate fi definit ca un ansamblu de dispozitive ce detectează și semnalizează o intruziune sau o stare de pericol asociată intrării neautorizate în spațiul protejat. Dezvoltarea capacității de prelucrare a informațiilor precum și a tehnologiilor de comunicație au extins funcțiunile primare ale sistemului de securitate astfel încât, în prezent, pot fi monitorizate mai multe tipuri de evenimente ce descriu o situație potențială de pericol.

Domeniul de aplicație a sistemelor de securitate este extrem de vast: de la aplicații rezidențiale la sisteme profesionale de înaltă securitate. În funcție de particularitățile obiectivului protejat (cu referire deosebită la valorile ce trebuie protejate), gradul de complexitate a unui sistem poate varia foarte mult, însă principiile care stau la baza unui sistem electronic de securitate sunt aproape întotdeauna aceleași.

Asigurarea securității nu este apanajul exclusiv al sistemelor electronice de securitate; pentru realizarea acestui deziderat este necesară îmbinarea mai multor elemente: realizarea detecției, evaluarea alarmei, întârzierea acțiunii intrusului prin măsuri de securitate mecanice, asigurarea intervenției.

Sistemul de securitate propus se poate utiliza în birouri, apartamente, case etc. Montajul este simplu și are un consum redus utilizând un telefon mobil de veche generație, dar în stare de funcționare.

Sistemul permite conectarea unui număr nelimitat de senzori care posedă un contact normal deschis, toate contactele fiind montate paralel.

Dacă se pătrunde în zona supravegheată, se pornește procesul de alarmare, proprietarul primind un apel prin care este anunțat de această pătrundere, putând lua măsurile necesare acestei situații la timp.

Bibliografie

C. Cepișcă, N. Jula, Traductoare și senzori, Editura ICPE, București, 1998

Cornel Ștefănescu, Sistem de alarmă prin telefon, Revista TEHNIUM, 2 iunie 2005, pagina 18

D. Stanciu, Senzori.Prezent și perspective, ET, București, 1987

G. Ionescu, Măsurări și traductoare, EDP, București, 1985

Gheorghe Ilie, Tiberiu Urdăreanu, Securitatea deplină, Editura UTI, 2001

Liliana Vornicu-Albu, Traductoare electronice, Editura PIM, Iași, 2013

*** – www.safe-electronics.ro

*** – www.scribd.com/doc/37569306/Curs-II-Sisteme-de-Securitate-Antiefractie-Si-Pr

*** – www.securitate-supraveghere.ro

Wikipedia, ro.wikipedia.org

Bibliografie

C. Cepișcă, N. Jula, Traductoare și senzori, Editura ICPE, București, 1998

Cornel Ștefănescu, Sistem de alarmă prin telefon, Revista TEHNIUM, 2 iunie 2005, pagina 18

D. Stanciu, Senzori.Prezent și perspective, ET, București, 1987

G. Ionescu, Măsurări și traductoare, EDP, București, 1985

Gheorghe Ilie, Tiberiu Urdăreanu, Securitatea deplină, Editura UTI, 2001

Liliana Vornicu-Albu, Traductoare electronice, Editura PIM, Iași, 2013

*** – www.safe-electronics.ro

*** – www.scribd.com/doc/37569306/Curs-II-Sisteme-de-Securitate-Antiefractie-Si-Pr

*** – www.securitate-supraveghere.ro

Wikipedia, ro.wikipedia.org