DE2541764A1

DE2541764A1 - Window glass breakage ultrasonic SENSOR - uses carrier and pulse signal to transmitter to provide protection against external disturbances

Info

Publication number: DE2541764A1
Application number: DE19752541764
Authority: DE
Inventors: Fritz Dipl Ing Schmeisser
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1975-09-19
Filing date: 1975-09-19
Publication date: 1977-03-24

Abstract

An ultrasonic sensing system for detecting breakages in large glass windows is designed to reduce the sensitivity of the system to unwanted disturbances e.g. wave reflections causes by external effects. The system uses an oscillator generating a carrier frequency of 100-200 kHz and a low frequency pulse generator. The two signals are combined before transmitting over an ultrasonic sender located in one corner of the window. A reciever transmits to a demodulating amplifier. The output reciever gating circuit only transmits an output when the signal from the low frequency generator is present after processing over a shaping stage. The alarm output stage is in the stand-by condition so long as the pulses are regularly generated.

Description

Uberwachungsanordnung für Beschädigungen an größeren ScheibenMonitoring arrangement for damage to larger panes

mit einer Ultr gschallvorrichtung Die Erfindung bezieht sich auf eine Uberwachungsanordnung fUr Beschädigungen an größeren Scheiben mit einer Ultralschallvorrichtung. with an ultrasonic device The invention relates to a monitoring arrangement for damage to larger panes with an ultrasonic device.

Zur Überwachung von Fensterscheiben ist es bekannt, nur einen Schallempfänger, z.B. ein aufgeklebtes Element aus piezoelektrischer Keramik an der Scheibe anzubringen. Die bei einem Einbruchsversuch in der Scheibe, insbesondere durch Glasschneiden entstehenden Schwingungen werden vom Empfänger aufgenommen und in einer zugehörigen Auswertschaltung in ein Alarmsignal umgesetzt. Das Verfahren hat den Nachteil, das oft Schwingungen aus anderen Quellen von der Scheibe aufgenommen werden und zur Alarmgabe führen können. Bei den bekannten Ultralschallschranken in Luft vor der Scheibe liegen die Nachteile dieser Verfahren in ihrer verhältnismäßig großen MVglichkeit zur Fehlalarmgabe, so daß diese Anlagen Jeweils"gescharat" warden müssen, wenn der Raum verlassen wird.To monitor window panes, it is known to use only one sound receiver, e.g. to attach a glued-on element made of piezoelectric ceramic to the disc. The one in the event of a break-in attempt in the pane, in particular by cutting glass resulting vibrations are absorbed by the receiver and in an associated Evaluation circuit converted into an alarm signal. The procedure has the disadvantage that often vibrations from other sources are picked up by the disc and used to Can lead to an alarm. With the known ultrasonic barriers in the air in front of the The disadvantages of these methods are their relatively large possibilities for false alarms, so that these systems are each "sharpened" have to, when the room is left.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine störunempfindliche, Jedoch sicher ansprechende unauffällige und wartungsfreie Uberwachungsvorrichtung zu schaffen.The object of the invention is to provide an interference-insensitive, but safe to create attractive, inconspicuous and maintenance-free monitoring device.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Scheibe als Schallleitung zwischen einem an der Scheibe angebrachten Ultraschallsender und einem an ihr angebrachten selektiv abgestimmten Uitrallschallempfänger verwendet und aus der durch Materialbeseitigung aus der Scheibe verursachten Änderung der bezüglich Frequenz und/oder Amplitude vorher festgelegten Empfangsverhältnisse ein Alarmsignal abgeleitet wird.This problem is solved in that the disc acts as a sound conductor between an ultrasonic transmitter attached to the pane and one attached to it Selectively tuned Uitrallschallempfänger used and from the by material removal change in frequency and / or amplitude caused by the disk an alarm signal is derived from predetermined reception conditions.

Durch ein Loch z.B. in der zu überwachenden Scheibe wird die Signalübertragung zwischen Sender und Empfänger genügend verändert, so daß daraus ein akustisches oder optisches Alarmsignal abgeleitet werden kann, das gegebenenfalls auch in größere Entfernung zur zu sichernden Scheibe zur Wirkung kommen kann.The signal is transmitted through a hole, e.g. in the pane to be monitored changed enough between transmitter and receiver so that it becomes an acoustic or optical alarm signal can be derived, which may also be in larger Distance to the pane to be secured can come into effect.

Die Erfindung ist nicht nur bei Glasscheiben anwendbar, sondern auch bei Flächen z.B. Wänden und Türen, die aus anderen Materialien wie Glas bestehen.The invention is applicable not only to panes of glass, but also for surfaces e.g. walls and doors that are made of other materials such as glass.

Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele dar. Es zeigt: Fig. 1 ein Impuls -Amplituden-Diagramm, Fig. 2 ein Blockschaltbild mit einer Ultraschallvorrichtung, Fig. 3 eine Uberwachungsanordnung mit einem Rückkopplungsverstärker und Fig. 4 eine Schaltungsanordnung für einen Rückkopplungsverstärker nach Fig. 3.The drawing shows exemplary embodiments. It shows: FIG. 1 a Pulse-amplitude diagram, FIG. 2 a block diagram with an ultrasonic device, Fig. 3 shows a monitoring arrangement with a feedback amplifier and FIG. 4 shows a circuit arrangement for a feedback amplifier according to FIG. 3.

Um eine große Störsicherheit zu bekommen, ist es zweckmäßig, daß die Anlage auf einer Frequenz mit möglichst großem übertragungsfaktor arbeitet. Obgleich die Amplituden/Frequenzkurve von starken Resonanzspitzen und Einbrüchen von 2...30 dB im Abs-tand von einigen kHz überlagert ist, die in den vielen möglichen Eigenresonanzen der Scheibe begründet sind, liegt eine geeignete Sendefrequenz etwa bei 200 kHz. Durch die möglichen dicht beieinander liegenden Eigenresonanzen der Scheibe, die auch noch durch Temperatur und Einfassung beeinflußt werden, läßt sich bei einer Schwingungsanregung die Wirkung eines Lochs an unbestimmter Stelle in der Scheibe nicht ohne weiteres voraussagen, wenn nur die Amplitude eines ankommenden Signals ausgewertet würde.In order to get a high level of immunity to interference, it is advisable that the System works on a frequency with the highest possible transfer factor. Although the amplitude / frequency curve of strong resonance peaks and dips from 2 ... 30 dB at a distance of a few kHz is superimposed on the many possible natural resonances the disc, a suitable transmission frequency is around 200 kHz. Due to the possible close proximity of natural resonances of the disc, the can also be influenced by temperature and setting, can be in a Vibration excitation the effect of a hole at an undefined point in the disk not easily predict if only the amplitude of an incoming signal would be evaluated.

Der Einfluß der Resonanzerscheinungen läßt sich Jedoch vermeiden, wenn der Sender z.B. nur Impulse, kürzer als die Laufzeit zum Empfänger aussendet. Der Empfänger enthält dabei eine vom Sender gesteuerte Torschaltung, die nur den auf direktem Wege, d.h. zuerst ankommenden Impuls zur Auswertung durchläßt. Alle weiteren durch Reflektion hervorgerufenen Signale werden ausgeblendet. Es hat sich gezeigt, daß durch ein Loch im Übertragungsweg keine nennenswerte zeitliche Verzögerung des direkten Impulses auftritt, aber eine ausreichend starke Dämpfung der Amplitude. Fig. 1 zeigt die Wirkung eines Lochs auf die Ubertragung im Vergleich zu einer vollständigen Scheibe oder Platte bei einer Frequenz von etwa 200 kHz.However, the influence of the resonance phenomena can be avoided if, for example, the transmitter only sends out pulses that are shorter than the transit time to the receiver. The receiver contains a gate circuit controlled by the transmitter, which only controls the in a direct way, i.e. the first incoming impulse to pass through for evaluation. All further signals caused by reflection are masked out. It has shown that there is no significant delay due to a hole in the transmission path of the direct impulse occurs, but a sufficiently strong one damping the amplitude. Fig. 1 shows the effect of a hole on the transmission in comparison to a complete disc or plate at a frequency of about 200 kHz.

Man sieht, daß der erste direkte empfangene Impuls 1e bei einer Scheibe mit Loch stark gedämpft ist gegenüber dem Impuls I2e e bei vollständiger Scheibe. Is bezeichnet den Sendeimpuls, während 1r die reflektierten Impulse darstellen, die nach dem direkten Impuls auftreten.It can be seen that the first direct pulse received is 1e for a disc with a hole is strongly damped compared to the pulse I2e e with a complete disk. Is denotes the transmission pulse, while 1r represents the reflected pulses, which occur after the direct impulse.

Eine besonders vorteilhaft arbeitende Ultraschallanordnung ergibt sich, wenn die Ultrallträgerfrequenz 200 kHz,die Dauer des Sendeimpulses Is 50 - 100 8, die Periodendauer 10 ms und die Ausgangsspannung des Senders 2 Veff beträgt.An ultrasonic arrangement that works particularly advantageously results if the ultrasonic carrier frequency is 200 kHz, the duration of the transmission pulse Is 50 - 100 8, the period 10 ms and the output voltage of the transmitter 2 Veff.

Eine zweckmäßige Schaltungsanordnung setzt sich aus den im Blockschaltbild nach Fig. 2 angegebenen Baugruppen zusammen.An expedient circuit arrangement consists of the ones in the block diagram according to Fig. 2 specified assemblies together.

Der eigentliche Ultraschallgeber 2 und Ultraschallaufnehmer 3 sind auf der Scheibe 1 diagonal angebrachte Scheibchen aus piezoelektrischer Keramik. Der Oszillator 4 erzeugt die Trägerfrequenz. Ein Taktgenerator 5 erzeugt Impulse mit der für die Sendeimpulse erforderlichen Länge und Folgefrequenz.The actual ultrasonic transmitter 2 and ultrasonic transducer 3 are Pieces made of piezoelectric ceramic are attached diagonally on the disk 1. The oscillator 4 generates the carrier frequency. A clock generator 5 generates pulses with the length and repetition frequency required for the transmission pulses.

Mit den Impulsen wird einmal die an den Ultraschallgeber 2 angeschlossene Ausgangsstufe 6 des Senders getastet und eine Zeitgeberschaltung 7 des Empfängers gesteuert. Es ist eine Leitung 8 vom Sender zum Empfänger erforderlich.The pulses connected to the ultrasonic transducer 2 are used once Output stage 6 of the transmitter keyed and a timer circuit 7 of the receiver controlled. A line 8 is required from the transmitter to the receiver.

Der Empfänger besteht aus einer Eingangsverstärker 9, der die ankommenden Impulse mit einer Amplitude von einigen mV verstärkt und demoduliert. Der Eingangsverstärker 9 wird zur Erhöhung der Störsicherheit selektiv ausgeführt. Die nachfolgende Torschaltung 10 ist nur für eine Zeit entsprechend der Laufzeit des Sendeimpulses Is diagonal über die Scheibe 1 geöffnet, so daß nur der erste direkt ankommende Impuls 1e ausgewertet wird. Die von der Zeitgeberschaltung 7 bestimmte Öffnungszeit muß für Jede Anlage bei Inbetriebnahme entsprechend der auftretenden Laufzeit individuell eingestellt werden. Die Schaltstufe 11, die z.B. einen Relaiskontakt 12 im Ausgang haben kann, bleibt solange in Stellung "Ruhe", wie regelmäßig Impulse ausreichender Amplitude von der Torschaltung 10 ankommen. Setzen die Impulse eine bestimmte Zeit aus oder sinkt der Mittelwert ihrer Amplitude eine Zeit lang unter eine bestimmte Grenze, so wird Alarm gegeben. Es empfiehlt sich, eine einstellbare Ansprechschwelle 13 vorzusehen, damit die Schaltung an verschiedene Betriebsbedingungen, z.B.The receiver consists of an input amplifier 9, which receives the incoming Pulses amplified with an amplitude of a few mV and demodulated. The input amplifier 9 is implemented selectively to increase the immunity to interference. The subsequent gate circuit 10 is only for a time corresponding to the running time of the transmission pulse Is opened diagonally across the disc 1, so that only the first directly incoming pulse 1e is evaluated. The determined by the timer circuit 7 The opening time for each system must correspond to the one that occurs when it is put into operation Duration can be set individually. Switching stage 11, e.g. a relay contact 12 in the output remains in the "rest" position as long as regular pulses sufficient amplitude arrive from the gate circuit 10. Set the impulses one for a certain time or the mean value of their amplitude falls below them for a period of time a certain limit, an alarm is given. It is best to have an adjustable Provide response threshold 13 so that the circuit can be adapted to different operating conditions, e.g.

durch unterschiedliche Größen, Formen und Einfassungen der Glasscheibe angepaßt werden kann.due to the different sizes, shapes and frames of the glass pane can be customized.

Bei der Verwendung von Miniaturbauteilen werden für den Sender etwa 10.Miniaturwiderstände, 3 Folienkondensatoren, 3 keramische Kondensatoren und eine Minispule sowie 5 Transistoren benötigt, so daß sich ein Flächenbedarf von 500 mm und eine Bauhöhe von ca. 10 mm ergeben.When using miniature components for the transmitter about 10. Miniature resistors, 3 foil capacitors, 3 ceramic capacitors and one Mini coil and 5 transistors are required, so that a space requirement of 500 mm and result in an overall height of approx. 10 mm.

Für die Miniaturwiderstände und Kondensatoren des Empfängers sowie für die Potentiometer die Spule und die Transistoren uiid das Gnia'vur-Reed Relais ergibt sich ein Flachenbedarf von ca. 900 mm2 bei einer Bauhöhe von ca. 10 mm.For the miniature resistors and capacitors of the receiver as well for the potentiometer the coil and the transistors uiid the Gnia'vur reed relay there is a need for space of approx. 900 mm2 with an overall height of approx. 10 mm.

Wie gesagt, bei Anregung der zu überwachenden Scheibe mit einer festen Frequenz ist wegen der starken Resonanzspitzen und -einbrüche die Wirkung eines Lochs in der Scheibe auf die im Empfänger ankommende Amplitude allein nicht vorauszusehen.As I said, when the target to be monitored is excited with a fixed one Because of the strong resonance peaks and dips, frequency is the effect of a Hole in the disk on the incoming amplitude in the receiver alone cannot be foreseen.

Bei einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist jedoch eine Alarmschaltung mit kontinuierlicher Schwingungsanregung möglich, die sich gegenüber dem Impulsverfahren durch geringeren Aufwand auszeichnet.In one embodiment of FIG. 3, however, there is an alarm circuit with continuous oscillation excitation possible, which is different from the impulse method characterized by less effort.

Die Frequenz ist hier nicht durch einen Oszillator fest vorgegeben, sondern wird von der zu überwachenden Scheibe 1', die das frequenzbestimmende Glied der Oszillatorschaltung ist, festgelegt. Der über Leitung 14 an den Ultraschallaufnehmer 3' angekoppelte Rückkopplungsverstärker 15 ist ein einfacher breitbandiger Verstärker. Die Schaltung schwingt auf der Frequenz mit maximalem Ubertragungsfaktor bei richtiger Phasenlage (z.B. # = n . 3600 bei 00 Phasendrehung im Verstärker) zwischen Sender und Empfänger an einer Scheibe 1' z.B. bei 180....200 kHz.The frequency is not fixed here by an oscillator, but is from the disc to be monitored 1 ', which is the frequency-determining element the oscillator circuit is fixed. Via line 14 to the ultrasonic transducer 3 'coupled feedback amplifier 15 is a simple broadband amplifier. The circuit oscillates at the frequency with the maximum transfer factor when correct Phase position (e.g. # = n. 3600 with 00 phase rotation in the amplifier) between the transmitter and receiver on a disc 1 'e.g. at 180 .... 200 kHz.

Wird zwischen Ultraschallgeber 2' und Ultraschallaufnehmer 3' ein Loch in die Scheibe lt geschnitten, so wird die Ubertragung der Schallwellen gestört. Da die Schaltung vorher bei maximalem Ubertragungsfaktor arbeitete, wird die am Ultraschallaufnehmer 3' ankommende Amplitude kleiner werden. Ist der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 15 so eingestellt, daß die Anordnung gerade sicher schwingt, so führt der verminderte Ubertragungsfaktor zum Abreißen der Schwingung.Is inserted between the ultrasonic transmitter 2 'and the ultrasonic transducer 3' If a hole is cut in the pane, the transmission of the sound waves is disturbed. Since the circuit previously worked at the maximum transmission factor, the am Ultrasonic transducer 3 'incoming amplitude become smaller. is the Gain of amplifier 15 adjusted so that the arrangement is just safe vibrates, the reduced transmission factor leads to the vibration being broken off.

Ein Aussetzen der Schwingung führt zur Alarmgabe.A suspension of the oscillation triggers an alarm.

Fig. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung für einen RUckkopplungsverstärker mit Alarmausgang. Der eigentliche Verstärker besteht aus dem an den Schallaufnehmer 3' über Leitung 14 angeschlossenen Transistor T1 und dem Transistor T2. Die Verstärkung ist durch änderung des Gegenkopplungswiderstandes Ri im Verhältnis 1 : 5 einstellbar, um die Schaltung an verschiedenen Glasscheiben anpassen zu können. Die Ansteuerung des Ultraschallgebers 2' erfolgt über einen Emitterfolger T3.4 shows a circuit arrangement for a feedback amplifier with alarm output. The actual amplifier consists of the one attached to the sound sensor 3 'via line 14 connected transistor T1 and the transistor T2. The reinforcement can be set by changing the negative feedback resistance Ri in a ratio of 1: 5, in order to be able to adapt the circuit to different panes of glass. The control of the ultrasonic transmitter 2 'takes place via an emitter follower T3.

Transistor T4 bildet den Schaltverstärker für ein Reed-Relais 16. Der Reed-Kontakt 15' ist im normalen Betrieb geschlossen und öffnet bei Aussetzen der Schwingung.Transistor T4 forms the switching amplifier for a reed relay 16. The reed contact 15 'is closed during normal operation and opens when it is interrupted the vibration.

Die Schaltung ist im Hinblick auf einen Miniatur-Aufbau entworfen. Die benötigte Platinenfläche ist ca. 20 mm x 20 mm.The circuit is designed with a miniature structure in mind. The required board area is approx. 20 mm x 20 mm.

Schaltung, Ultraschall-Sende-Wandler, Reed-Relais und Anschlußstifte werden in einem Gehäuse ca. 22 mm x 22 mm x 23 mm Höhe untergebracht. Der Ultraschallaufnehmer wird zweckmäßigerweise in ein ähnliches Gehäuse eingebaut, das aber nur ca. 12 mm hoch zu sein braucht.Circuit, ultrasonic transmitter transducer, reed relay and connector pins are housed in a housing approx. 22 mm x 22 mm x 23 mm high. The ultrasonic transducer is expediently built into a similar housing, but only about 12 mm needs to be high.

Um einerseits schon bei kleinen Beschädigungen der Scheibe Alarm zu bekommen, andererseits aber Fehlalarm z.B. durch Berilliren der Scheibe zu vermeiaen, ist der Verstärh mgsfaktor des Rückkopplungsverstärkers für Jede Scheibe optimal einzustellen.On the one hand to set off an alarm in the event of minor damage to the windshield get, but on the other hand to avoid false alarms e.g. by rubbing the pane, is the amplification factor of the feedback amplifier for each Adjust the disc optimally.

Die Einstellung erfolgt, indem von kleinster Verstärkung ausgehend (möglicherweise setzt dabei die Schwingung noch gar nicht ein) gerade die maximale Amplitude am Empfänger wandler eingestellt wird und von dort aus ausgehend die Verstärkung so weit reduziert wird, bis die Amplitude ca.The setting is made by starting with the lowest gain (possibly the oscillation does not start at all) just the maximum Amplitude is set on the receiver transducer and from there the gain is reduced until the amplitude is approx.

des Msaimalwertes ist. Die Messung kann auch mit einem Oszillografen erfolgen, da damit auch die Schwingungsform kontrolliert werden kann. Im Arbeitspunkt muß die Schwingungsform sinusförmig sein, während die Maximalamplitude sich dadurch auszeichnet, daß hier Verzerrungen der Sinusform einsetzen.of the maximum value. The measurement can also be made with an oscilloscope take place, as this can also be used to control the waveform. In the working point the waveform must be sinusoidal, while the maximum amplitude is thereby is characterized by the fact that distortions of the sinusoidal shape begin here.

Patentansprüche:Patent claims:

Claims

Claims: 1. Monitoring arrangement for damage to larger ones Discs with an ultrasonic device, characterized. that the disc as a sound conduction between an ultrasonic transmitter attached to the pane and a selectively tuned ultrasound receiver attached to it and from that caused by the adherence of the material from the pane to be monitored Change of the reception conditions previously defined in terms of frequency and / or amplitude an alarm signal is derived.

2.) monitoring arrangement according to claim 1, characterized in that that from the ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver only as a sounder or sound pick-up Serving discs made of piezoelectric ceramic diagonally on the to be monitored Disk are attached.

3.) Monitoring device according to claim 1 or 2, characterized in that that uses an ultrasonic transmitter with a sampled carrier frequency and in the receiver a gate clocked with the repetition frequency of the clock pulses only during the arrival time the impulses arriving first directly and are opened for all further, signals caused by reflection is blocked.

4.) Monitoring device according to claim 3, characterized in that that an adjustable threshold is provided behind the gate.

5.) Monitoring device according to claim 1 or 2, characterized in that that between the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver there is a feedback amplifier is provided, the vibrations of the ultrasonic transmitter picked up by the ultrasonic receiver fed back to this at the maximum transfer factor and when the transfer factor changes can tear off and thus actuated a relay for an alarm signal generator.

6.) Monitoring device according to claim 1 or one of the following, characterized in that ultrasonic transmitter and vaccine receiver in miniature technology are constructed.