FR2708772A1

FR2708772A1 - Detection device with low energy consumption

Info

Publication number: FR2708772A1
Application number: FR9309770A
Authority: FR
Inventors: Esteban Michel
Original assignee: KATHS DIFFUSION
Current assignee: KATHS DIFFUSION
Priority date: 1993-08-05
Filing date: 1993-08-05
Publication date: 1995-02-10

Abstract

The device comprises a capacitive sensor (10) such as a microphone polarised by polarisation means (+Valim, 21). So as to reduce the energy consumption, an oscillator (1) and a bipolar transistor (20) periodically and alternately activate and deactivate the polarisation means, respectively during the first and second periods, the first being less than the second, so as periodically and briefly to polarise the sensor (10). A sample-and-hold circuit (30, 31), during each first period (T1), picks up a signal level representative of the acoustic pressure and, via the sensor (10) while it is polarised, produces and stores the said signal level during the second period (T2) following each said first period so as to produce a detection signal (C) which is then filtered to trigger an alarm.

Description

Dispositif de détection à faible consommation
d'énergie
La présente invention concerne des dispositifs de détection ou d'alarme pour signaler toute tentative d'intrusion par effraction notamment dans des locaux ou véhicules automobiles.Low consumption detection device
of energy
The present invention relates to detection or alarm devices for signaling any attempt to break and enter in particular in premises or motor vehicles.

Plus particulièrement, l'invention a trait à de tels dispositifs de détection utilisant des capteurs, ou transducteurs, acousto-électriques capacitifs. More particularly, the invention relates to such detection devices using capacitive acoustoelectric sensors, or transducers.

Le principe de fonctionnement d'un tel capteur capacitif est le suivant. Le capteur est constitué d'une membrane mobile et d'une armature fixe formant ensemble un condensateur. Sous l'effet d'une pression acoustique, la capacité du condensateur varie. Dans un dispositif de détection, cette variation de la capacité du capteur, induisant une variation de tension et/ou de courant, est mise à profit pour détecter toute intrusion et déclencher une alarme. On distingue les capteurs électrostatiques simples et les capteurs à électret. Ces derniers sont caractérisés par une polarisation permanente d'un condensateur au moyen d'un diélectrique polarise. The operating principle of such a capacitive sensor is as follows. The sensor consists of a movable membrane and a fixed armature which together form a capacitor. Under the effect of an acoustic pressure, the capacitance of the capacitor varies. In a detection device, this variation in the capacity of the sensor, inducing a variation in voltage and / or current, is used to detect any intrusion and trigger an alarm. A distinction is made between simple electrostatic sensors and electret sensors. The latter are characterized by a permanent polarization of a capacitor by means of a polarized dielectric.

Selon la technique antérieure, un capteur acousto-électrique est polarisé en permanence dès lors que le dispositif de détection est en fonctionnement afin que le dispositif soit sensible à toute variation de capacité. Cette polarisation du capteur est effectuée à travers une résistance de charge qui consomme en continu de l'énergie. According to the prior art, an acousto-electric sensor is permanently polarized as soon as the detection device is in operation so that the device is sensitive to any variation in capacity. This polarization of the sensor is carried out through a load resistor which consumes energy continuously.

L'invention vise à réduire cette consommation d'énergie en prélevant périodiquement, en synchronisme avec une polarisation brève du capteur, un niveau de signal représentatif de la pression acoustique au voisinage dudit capteur. Le capteur n'est polarisé que périodiquement durant des durées brèves, ce qui diminue la consommation d'énergie à travers la resistance de charge. The invention aims to reduce this energy consumption by periodically sampling, in synchronism with a brief polarization of the sensor, a signal level representative of the acoustic pressure in the vicinity of said sensor. The sensor is only polarized periodically for short periods of time, which reduces energy consumption through the load resistor.

A cette fin, un dispositif de détection comprenant un capteur capacitif sensible à une pression acoustique pour produire un signal électrique représentatif de ladite pression, et des moyens de polarisation pour polariser le capteur capacitif
est caractérisé en ce qutil comprend
des moyens de commande pour périodiquement et alternativement activer et désactiver les moyens de polarisation respectivement pendant des premières et secondes durées, lesdites premières durées étant inférieures auxdites secondes durées, afin de polariser périodiquement et brièvement le capteur, et
des moyens d'échantillonnage-blocage pour prélever, pendant chaque première durée, un niveau de signal représentatif de la pression acoustique et produit par le capteur lors de polarisation périodique et mémoriser ledit niveau de signal pendant la seconde durée succédant à ladite chacune première durée, afin de produire un signal de détection.To this end, a detection device comprising a capacitive sensor sensitive to an acoustic pressure to produce an electrical signal representative of said pressure, and polarization means for polarizing the capacitive sensor
is characterized in that it includes
control means for periodically and alternately activating and deactivating the polarization means respectively for first and second durations, said first durations being less than said second durations, in order to periodically and briefly polarize the sensor, and
sampling-blocking means for taking, during each first duration, a signal level representative of the acoustic pressure and produced by the sensor during periodic polarization and memorizing said signal level during the second duration succeeding said each first duration, in order to produce a detection signal.

Le capteur est de préférence un capteur électrostatique ou à électret. The sensor is preferably an electrostatic or electret sensor.

Afin de traiter le signal de détection en sortie des moyens d'échantillonnage-blocage, le dispositif comprend, en outre, des moyens pour filtrer le signal de détection en un signal filtré et des moyens pour comparer le signal filtré à des premier et second seuils afin de produire un signal de déclenchement d'alarme lorsque le signal filtré est supérieur au premier seuil ou inférieur au second seuil. In order to process the detection signal at the output of the sampling-blocking means, the device further comprises means for filtering the detection signal into a filtered signal and means for comparing the filtered signal with first and second thresholds to produce an alarm trigger signal when the filtered signal is above the first threshold or below the second threshold.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'une réalisation préférée de l'invention en référence aux dessins -annexés correspondants, dans lesquels
- la figure 1 est un bloc-diagramme du dispositif d'alarme à consommation réduite selon l'invention, et;
- la figure 2 montre des diagrammes temporels relatifs à des signaux produits dans le dispositif de la figure 1 pour expliquer le fonctionnement de ce dispositif.Other characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the following description of a preferred embodiment of the invention with reference to the corresponding accompanying drawings, in which
- Figure 1 is a block diagram of the reduced consumption alarm device according to the invention, and;
- Figure 2 shows time diagrams relating to signals produced in the device of Figure 1 to explain the operation of this device.

En référence à la figure 1, un dispositif à faible consommation d'énergie selon 11 invention comprend un oscillateur I, un circuit de commande de polarisation 2, un échantllonneur-bloqueur 3, un étage d'amplification-filtrage 4a-4b et 5a-5b, un comparateur à double-seuil 6, une double bascule monostable 7, un relais 8, un buzzer 9 et un capteur acousto-électrique capacitif 10. With reference to FIG. 1, a device with low energy consumption according to the invention comprises an oscillator I, a polarization control circuit 2, a sampler-blocker 3, an amplification-filtering stage 4a-4b and 5a- 5b, a double-threshold comparator 6, a double monostable rocker 7, a relay 8, a buzzer 9 and a capacitive acousto-electric sensor 10.

Le capteur 10 est par exemple un transducteur à électret comprenant un diélectrique polarisé de manière permanente et formant un condensateur polarisé qui est par exemple disposé entre deux électrodes d'un condensateur ou qui constitue une électrode d'un condensateur, l'une des électrodes étant une membrane. Par déplacement de la membrane de ce capteur 10 sous l'effet d'une pression acoustique, l'espace interélectrodes du capteur varie, entraînant une variation de la tension à ses bornes. The sensor 10 is for example an electret transducer comprising a permanently polarized dielectric and forming a polarized capacitor which is for example disposed between two electrodes of a capacitor or which constitutes an electrode of a capacitor, one of the electrodes being a membrane. By displacement of the membrane of this sensor 10 under the effect of an acoustic pressure, the inter-electrode space of the sensor varies, causing a variation of the voltage across its terminals.

Le circuit de commande de polarisation 2 comprend un transistor bipolaire PNP 20 et une résistance 21, et l'échantilloneur-bloqueur 3 est constitué d'un transistor à effet de champ (FET) 30 et d'un condensateur 31. The polarization control circuit 2 comprises a bipolar PNP transistor 20 and a resistor 21, and the sample-and-hold circuit 3 consists of a field effect transistor (FET) 30 and a capacitor 31.

L'émetteur du transistor bipolaire 20 est connecté à la borne positive d'une source d'alimentation en tension +Valim . Le collecteur de ce transistor 20 est relié, à travers la résistance de charge 21, à une borne de polarité positive + du capteur à électret 10. L'autre borne du capteur 10 est reliée à la masse M. Une sortie de l'oscillateur
I est appliquée, d'une part, à la base du transistor bipolaire 20 et, d'autre part, à la grille du transistor FET 30. Le drain du transistor FET 30 est connecté à la borne de polarité positive + du capteur 10, et la source du transistor 30 est connectée à une entrée de l'étage d'amplification-filtrage. Le condensateur 31, formant une "mémoire capacitive", est connecté entre la source du transistor FET 30 et la masse M.The emitter of the bipolar transistor 20 is connected to the positive terminal of a voltage supply source + Valim. The collector of this transistor 20 is connected, through the load resistor 21, to a positive polarity + terminal of the electret sensor 10. The other terminal of the sensor 10 is connected to ground M. An output of the oscillator
I is applied, on the one hand, to the base of the bipolar transistor 20 and, on the other hand, to the gate of the FET transistor 30. The drain of the FET transistor 30 is connected to the positive polarity + terminal of the sensor 10, and the source of transistor 30 is connected to an input of the amplification-filtering stage. The capacitor 31, forming a "capacitive memory", is connected between the source of the FET transistor 30 and the ground M.

Comme montré à une première ligne de la figure 2, le signal de tension A produit par l'oscillateur 1 est un signal périodique rectangulaire. Il est à un état bas "0 tir pendant une première durée, dite durée d'échantillonnage, T1 de chaque période T du signal
A, et à un état haut "1", correspondant à une tension nulle, pendant une seconde durée, dite durée de blocage, T2 ayant une durée très supérieure à ladite première durée T1.As shown in the first line of FIG. 2, the voltage signal A produced by the oscillator 1 is a rectangular periodic signal. It is in a low state "0 shots during a first duration, called sampling duration, T1 of each period T of the signal
A, and at a high state "1", corresponding to a zero voltage, for a second duration, called blocking duration, T2 having a duration much greater than said first duration T1.

Pendant chaque durée d'échantillonage T1, lorsque la tension A produite par l'oscillateur 1 est à état bas "O't, le transistor 20 fonctionne en mode saturé et simultanément le transistor FET 30 est rendu conducteur. Un courant est fourni, à travers la résistance 21, au condensateur 31. En fonction de l'intensité de la pression acoustique au voisinage du capteur 10, la capacité C du condensateur constituant le capteur 10 ainsi que la tension aux bornes de celui-ci sont modifiées. Le condensateur 31 est chargé par le courant fourni par la source d'alimentation + Valim et est polarisé à une tension sensiblement égale à la tension existante au bornes -du capteur 10. Ce condensateur 31 "mémorise l'état" du capteur 10. During each sampling duration T1, when the voltage A produced by the oscillator 1 is in a low state "O't, the transistor 20 operates in saturated mode and simultaneously the FET transistor 30 is made conductive. through the resistor 21, to the capacitor 31. Depending on the intensity of the acoustic pressure in the vicinity of the sensor 10, the capacitance C of the capacitor constituting the sensor 10 as well as the voltage across the latter is modified. is charged by the current supplied by the power source + Valim and is biased at a voltage substantially equal to the existing voltage across the terminals of the sensor 10. This capacitor 31 "stores the state" of the sensor 10.

Une seconde ligne de la figure 2 montre la forme d'onde d'un signal d'échantillonnage B prélevé à la borne commune de la résistance de charge 21 et du capteur 10. A second line in FIG. 2 shows the waveform of a sampling signal B taken from the common terminal of the load resistor 21 and of the sensor 10.

Pendant chaque durée de blocage T2, lorsque la tension A produite par l'oscillateur 1 est à un état haut "1", les deux transistors 20 et 30 sont bloqués. During each blocking time T2, when the voltage A produced by the oscillator 1 is at a high state "1", the two transistors 20 and 30 are blocked.

Aucune énergie n'est consommée par la résistance de charge 21. La source du transistor FET 30 est connectée à une entrée de l'étage d'amplification/filtrage comprenant en cascade un suiveur 4a, un filtre passe-haut 5a, un filtre passebas et un amplificateur de sortie 4b. Après la charge du condensateur 31 à une tension sensiblement égale à la tension aux bornes du capteur 3 durant chaque durée d'échantillonnage T1, le condensateur 31 se décharge, durant chaque durée de blocage T2, dans le circuit constituant le suiveur 4a. Hz Tp Typiquement ce suiveur 4a présente une impédance d'entrée élevée afin de réduire son courant d'entrée et donc augmenter la durée de décharge du condensateur 31 qui est grande par rapport à la période d'oscillateur T.No energy is consumed by the load resistor 21. The source of the FET transistor 30 is connected to an input of the amplification / filtering stage comprising in cascade a follower 4a, a high pass filter 5a, a low pass filter and an output amplifier 4b. After charging the capacitor 31 at a voltage substantially equal to the voltage across the sensor 3 during each sampling time T1, the capacitor 31 discharges, during each blocking time T2, in the circuit constituting the follower 4a. Hz Tp Typically this follower 4a has a high input impedance in order to reduce its input current and therefore increase the discharge time of the capacitor 31 which is large compared to the oscillator period T.

La tension aux bornes du condensateur 31 est ainsi quasi-constante pendant chaque durée de blocage T2.The voltage across the capacitor 31 is thus almost constant during each blocking time T2.

Ainsi, le blocage après échantillonnage de la tension aux bornes du capteur 10 se traduit par un signal de détection C en entrée du serveur 4a qui est compose de paliers de durée T, comme illustré à la troisième ligne de la figure 2.Thus, the blocking after sampling the voltage across the sensor 10 results in a detection signal C at the input of the server 4a which is made up of steps of duration T, as illustrated in the third line of FIG. 2.

La sortie du suiveur 4a est appliquée aux filtres passe-haut et passe-bas 5a et 5b en cascade -qui filtrent dans le signal de détection les composantes fréquentielles des signaux d'origine infra-soniques captés par le capteur 3 dans une bande comprise entre à 0,1 Hz et 20 Hz, typiquement retenue dans les dispositifs d'alarme à infra-sons. Ces infra-sons ont pour origine l'accélération de molécules gazeuses relativement à des molécules voisines. Ils peuvent résulter de l'ouverture d'une fenêtre, d'une porte ou d'une dépression créée par un bris de vitre. En limitant la bande de filtrage entre 0,1 Hz-20 Hz, le dispositif de détection est quasiment insensible aux fréquences audibles et évite des déclenchements intempestifs d'alarme. Le signal de détection filtré, en sortie du filtre 5b, est amplifié par l'amplificateur 4b en un signal de détection filtré et amplifié D obtenu en sortie de l'amplificateur 4b et illustré à une quatrième ligne de la figure 2. The output of the follower 4a is applied to the high-pass and low-pass filters 5a and 5b in cascade - which filter in the detection signal the frequency components of the infra-sonic original signals picked up by the sensor 3 in a band between at 0.1 Hz and 20 Hz, typically used in infrared alarm devices. These infrasounds originate from the acceleration of gaseous molecules relative to neighboring molecules. They can result from the opening of a window, a door or a depression created by a broken glass. By limiting the filter band between 0.1 Hz and 20 Hz, the detection device is almost insensitive to audible frequencies and avoids inadvertent triggering of alarms. The filtered detection signal, at the output of the filter 5b, is amplified by the amplifier 4b into a filtered and amplified detection signal D obtained at the output of the amplifier 4b and illustrated in a fourth line in FIG. 2.

Le signal de détection filtré et amplifié D est appliqué à des premières entrées de deux comparateurs de tension 60 et 61 inclus dans le comparateur à double-seuil 6. Ces deux comparateurs 60 et 61 comparent le signal de détection filtré et amplifié
D respectivement à des premier et second seuils de tension S1 et S2 afin de produire en sortie un signal de basculement E propre à déclencher une alarme sonore et/ou visuelle. Le signal E est à un état haut "1" si le signal de détection D est supérieur au premier seuil S1 ou inférieur au second seuil S2.The filtered and amplified detection signal D is applied to the first inputs of two voltage comparators 60 and 61 included in the double-threshold comparator 6. These two comparators 60 and 61 compare the filtered and amplified detection signal
D respectively to first and second voltage thresholds S1 and S2 in order to produce at output a tilting signal E suitable for triggering an audible and / or visual alarm. The signal E is in a high state "1" if the detection signal D is greater than the first threshold S1 or less than the second threshold S2.

Dans la cinquième ligne de la figure 2 sont montrés deux créneaux du signal de basculement à un état haut "1" correspondant respectivement à un signal de détection D inférieur au second seuil S2 et supérieur au premier seuil S1.In the fifth line of FIG. 2 are shown two slots of the switching signal at a high state "1" corresponding respectively to a detection signal D below the second threshold S2 and above the first threshold S1.

Selon la réalisation illustrée, ce signal de basculement E est appliqué à une entrée d'un circuit d'alarme sonore comprenant la bascule 7, le relais 8 et le buzzer 9. La double bascule monostable 7 est déclenchée sur un front montant du signal de basculement et produit en réponse successivement, pendant une durée active zl, une tension à un état haut "1", et pendant une durée de garde t2r une tension à un état bas "0". Les durées Tî et 52 sont déterminées par les circuits de retard de deux bascules monostables incluses en série dans la double bascule 7. Un signal F produit par la double bascule monostable 7 est représenté à une sixième ligne de la figure 2. According to the illustrated embodiment, this tilting signal E is applied to an input of an audible alarm circuit comprising the flip-flop 7, the relay 8 and the buzzer 9. The double monostable flip-flop 7 is triggered on a rising edge of the signal of tilt and produced in response successively, during an active period zl, a voltage at a high state "1", and during a guard time t2r a voltage at a low state "0". The durations Tî and 52 are determined by the delay circuits of two monostable flip-flops included in series in the double flip-flop 7. A signal F produced by the double monostable flip-flop 7 is shown in a sixth line of FIG. 2.

La tension à l'état haut "1" produit par la double bascule monostable 7 est appliquée à une entrée de commande du relais 8 pour déclencher le buzzer 9 qui constitue un moyen sonore d'alarme. The high voltage "1" produced by the double monostable flip-flop 7 is applied to a control input of relay 8 to trigger the buzzer 9 which constitutes an audible alarm means.

Il apparaîtra évident à l'homme du métier que la mise en oeuvre d'un tel dispositif de détection tient compte du fait que la fréquence du signal rectangulaire produit par l'oscillateur 1 doit être supérieure à la fréquence du signal de pression, dans les fréquences infrasoniques à détecter, apparaissant aux bornes du capteur 10. It will be obvious to a person skilled in the art that the implementation of such a detection device takes account of the fact that the frequency of the rectangular signal produced by the oscillator 1 must be greater than the frequency of the pressure signal, in the infrasonic frequencies to be detected, appearing across the sensor 10.

Claims

1 - Detection device comprising a capacitive sensor (10) sensitive to an acoustic pressure to produce an electrical signal -representative of said pressure, and polarization means (+ Valim, 21) for polarizing said capacitive sensor (10),

characterized in that it includes

control means (1, 2) for periodically and alternately activating and deactivating said polarization means (+ Valim, 21) respectively for first and second durations (T1, T2), said first durations (T1) being less than said second durations (T2), in order to periodically and briefly polarize said sensor (10), and

sampling-blocking means (30, 31) for taking during each first duration (T1), a signal level representative of the acoustic pressure and produced by said sensor (10) during its polarization and memorizing said signal level during the second duration (T2) succeeding said each first duration in order to produce a detection signal (C).

2 - Device according to claim 1, characterized in that said sensor (10) is an electrostatic or electret sensor.

3 - Device according to claim 1 to 2, characterized in that it further comprises means (5a, 5b) for filtering said detection signal into a filtered signal (D) and means (6) for comparing said filtered signal (D) at first and second thresholds (S1, S2) in order to produce an alarm triggering signal (E) when the filtered detection signal is greater than the first threshold (S1) or less than the second threshold ( S2).

4 - Device according to claim 3, characterized in that said means for filtering (5a, 5b) filter in a frequency band substantially between 0.1 Hz and 20 Hz.

5 - Device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that said control means for, periodically and alternately, activate and deactivate said polarization means comprise an oscillator (1) producing a rectangular periodic signal (A) and a bipolar transistor (20) controlled in blocked or saturated mode by said rectangular signal (A).

6 - Device according to any one of claims 1 to 5, characterized in that said sampling-blocking means comprise a field effect transistor (30) and a capacitor (31).