工程測試技術課程設計

1、 1 緒論21.1目的背景意義21.2發(fā)展狀況21.3 設計研究內容32 方案設計32.1 總體方案設計32.1.1.壓電式振動傳感器32.1.2壓阻式振動傳感器42.1.3磁致伸縮式振動傳感器52.2 傳感器的選擇52.3信號調理電路設計63 結論91 緒論1.1目的背景意義玻璃破碎報警器是在玻璃破碎時發(fā)出警報的安保器件，它在我們的日常生活中有著重要的應用，多數(shù)防盜系統(tǒng)中都有它的身影，比較常見的是在博物館、珠寶店等。利用壓電陶瓷片可以制成玻璃破碎入侵探測器，對于高頻的玻璃破碎聲音進行有效檢測可以達到同樣目的。玻璃破碎探測器按照工作原理的不同可以大致分為兩類：一類是聲控型的單技術玻璃破碎探測器

2、，另一類是雙技術型玻璃破碎探測器，其中包括聲控-震動型和次聲波-玻璃破碎高頻聲響型。目前報警器中采用最多的就是壓電式玻璃破碎振動傳感器，它具有使用頻帶寬、靈敏度高、結構簡單、工作可靠、質量輕、測量范圍廣等許多優(yōu)點。一般的貴重物品柜臺如珠寶店，展覽櫥窗、博物館等場合周遭會有很多雜音，其頻率一般為10kHZ以下（如說話、走路、車輛駛過的聲音信號），而玻璃破碎的聲音振動頻率在10k15kHZ范圍。報警系統(tǒng)需要甄別傳感器的數(shù)據(jù)，僅在數(shù)據(jù)顯示需要報警的頻段進行報警；考慮到現(xiàn)代犯罪通常會切斷通用電源，報警系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)需要能夠在通用電源不能正常提供工作電壓（電壓過低或斷電）時及時切換備用電源；對于一些比

3、較敏感的場合（重要展覽館或展廳）需要將報警信號與警方聯(lián)動，達到真正意義上保護貴重物品的要求。1.2發(fā)展狀況1946年美國麻省理工學院絕緣研究室發(fā)現(xiàn)，在鈦酸鋇鐵電陶瓷上施加直流高壓電場，使其自發(fā)極化沿電場方向擇優(yōu)取向,除去電場后仍能保持一定的剩余極化,使它具有壓電效應，從此誕生了壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鈦酸鉛鋯酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3(A表示二價金屬離子，B表示四價金屬離子或幾種離子總和為正四價)型化合物。鈮酸鹽系壓電陶瓷,如氧化鈉(鉀)，氯化鈮等,它們不含有毒的鉛，對環(huán)境保護有利。 人們最初對窗戶的防范是在窗口安裝一個由金屬絲串成的網(wǎng)，這些細金屬絲與一個金屬夾相連形

4、成一個回路。當有人破窗而入時，就會碰掉夾子上的金屬絲而形成開路報警。這種金屬絲網(wǎng)并不能探測玻璃破碎，僅僅是探測到入侵者通過被破壞了的窗戶進入房間。鋁箔的應用是對玻璃破碎的測試向前跨進了一大步。約一厘米寬的鋁箔帶沿玻璃邊緣貼在玻璃窗上，鋁箔帶形成回路。由于鋁箔帶緊貼在玻璃上，玻璃破碎時，鋁箔也將斷裂而報警。隨之而來的問題是：由于鋁箔的伸縮率與玻璃不同，鋁箔上的微小裂縫不易發(fā)現(xiàn)，維修人員要花幾個小時的時間去尋找裂縫。鋁箔還非常容易受損或脫落，特別是在公共場合如商場櫥窗。接下來的是一種由夾在兩個金屬叉之間的小鋼珠組成的裝置。日過玻璃被撞擊（不一定破碎），這種裝置容易產生誤報，不能真正解決問題。然后出

5、現(xiàn)了超聲波玻璃破碎探測儀。這種裝置通常是安裝在屋頂來監(jiān)測玻璃破碎時產生的高音頻，超聲波玻璃破碎探測儀存在的問題是：它能感應到任何超聲波噪音，如汽車剎車的聲音，電話鈴聲，發(fā)動機的噪音以及幾乎任何麥克風能收到的高音。幾年前，推出了應用BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的測試系統(tǒng)來探測玻璃破碎。其運用了壓電式振動傳感器原理。1.3 設計研究內容玻璃破碎時會產生10k15k的高頻聲音信號，該信號可使壓電傳感器的壓電元件產生正壓電效應。壓電陶瓷片可對玻璃破碎信號進行有效檢測，并對10kHz以下的聲音（如說話、走路聲）有較強的抑制作用，從而檢測玻璃是否發(fā)生破碎。玻璃破碎聲發(fā)射頻率的高低、強度的大小同玻璃的厚度

6、、材料有關。使用石英玻璃在25、濕度25%時的破碎頻率為12kHz。2 方案設計2.1 總體方案設計2.1.1.壓電式振動傳感器當外力是壓電元件產生應變時，在壓電元件的應變方向出現(xiàn)電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應。反之當壓電元件受外電場作用時，壓電元件產生機械力，這種現(xiàn)象稱為反壓電效應。利用正壓電效應的原理可制作壓電振動式傳感器。壓式電振動傳感器，是利用壓電陶瓷的壓電效應構成不同使用要求的振動傳感器。最常用的有三種。如圖2.1.1 a所示是壓縮式結構的振動傳感器的結構原理，調整通過中心孔螺栓形成質量塊，它能檢測出微小的振動。如圖2.1.1 b所示是剪切式結構的振動傳感器結構原理，它是將兩塊壓電片對

7、稱的固定在軸的兩側，這種結構可忽略橫向振動的影響，還能在高溫環(huán)境中使用。如圖2.1.1 c是彎曲式結構的振動加速度傳感器結構原理，這種傳感器結構簡單，它有體積小、質量輕和靈敏的高等優(yōu)點，但壓電材料電阻有防抗高、脆性和難于與金屬粘連等缺點。 a壓縮式 b剪切式 c彎曲式圖2.1.1 壓電振動傳感器的結構原理2.1.2壓阻式振動傳感器 壓阻式振動傳感器是利用半導體應變片的壓阻效應制成，其結構如圖2.1.2 a圖中互相垂直的三塊彈簧鋼制作的振動板的板面分別平行于X、Y、Z軸，振動板的頂端安裝鉛質的質量塊，半導體應變片粘于振動原點附近。當玻璃承受某一點振動時，由圖2.1.2 b所示電路可檢測出振動的強

8、度，并輸出電壓信號。a結構原理 b電路 圖2.1.2 壓阻式振動傳感器2.1.3磁致伸縮式振動傳感器 如圖2.1.3所示，磁致伸縮式振動傳感器主要是由永久磁鐵、磁致伸縮桿、感應線圈和外殼組成。伸縮桿由高鎳合金制成，在其一端設置有永久磁鐵，另一端安放在彈性部件上。感應線圈繞制在伸縮桿的周圍，線圈兩端引出電極與控制線路連接。當玻璃產生振動時，傳感器的伸縮桿就會隨之產生振動，感應線圈中的磁通量就會發(fā)生變化。由電磁感應原理可知，線圈中就會感應產生交變電動勢，即傳感器就會有信號電壓輸出。1復位彈簧 2感應線圈 3磁致伸縮桿 4殼體圖2.1.3 磁致伸縮式振動傳感器的結構2.2 傳感器的選擇 壓電陶瓷片具

9、有正壓電效應：壓電陶瓷片在外力作用下產生扭曲、變形時將會在其表面產生電荷，且產生的電荷量Q與作用力成正比，Q=F，為陶瓷的壓電系數(shù)，F(xiàn)為極化方向作用力。壓電傳感器還具有一個重要特點：只能用于測量動態(tài)變化的信號，高頻響應較好。 玻璃破碎時會產生10k15k的高頻聲音信號，該信號可使壓電傳感器的壓電元件產生正壓電效應。因而壓電陶瓷片可對玻璃破碎信號進行有效檢測，并對10kHz以下的聲音（如說話、走路聲）有較強的抑制作用，從而檢測玻璃是否發(fā)生破碎。玻璃破碎聲發(fā)射頻率的高低、強度的大小同玻璃的厚度、材料有關。使用石英玻璃在25、濕度25%時的破碎頻率為12kHz。 在玻璃附近安裝壓電傳感器，當壓電元件

10、表面因玻璃破碎產生的高頻聲音信號而受振動時，壓電傳感器就會產生一定的電壓脈沖。該電壓經放大后送入帶通濾波器，以提高靈敏度和減少誤報。壓電傳感器產生的是交流信號，需經過交直流變換變成直流信號后才能送入比較器。 BS-D2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出，輸出電壓經放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。 BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形如圖2.2.1 a所示，其內部結構如圖2.2.1 b所示傳感器的最小輸出電壓為100mV，最大輸出電壓為100V，內阻抗為1520k，工作溫度為-2

11、0+70。 a-外形； b-內部電路圖圖2.2.1 壓電式玻璃破碎傳感的外形及內部電路圖系統(tǒng)電路原理框圖如圖2.2.2所示。使用時把傳感器貼在玻璃上，然后電纜和電路相連。為了提高報警器的靈敏度，信號經放大后，再經帶通濾波器進行濾波，要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。由于玻璃振動的波長在音頻和超聲波的范圍內，這就使濾波器成為電路中的關鍵。只有當傳感器輸出信號高于設定的閾值時，才會輸出報警信號。玻璃破碎報警器可廣泛用于文物保護、貴重商品保管及其物業(yè)保安等場合。圖2.2.2 系統(tǒng)電路原理框圖2.3信號調理電路設計1、壓電傳感器選用壓電陶瓷作為壓電傳感器，壓電傳感器可等效為一個電

12、壓源，如圖所示：圖2.3.1壓電傳感器等效電路Ca為壓電傳感器等效電容、Ra為傳感器漏電阻，Cc為電纜電容，Ri是后級電路的輸入阻抗，Ci是其輸入電容，R=Ra/Ri。若壓電元件受正弦力f = Fmsint的作用時，經計算前置放大器輸入電壓Ui的幅值為：令0=1/R（Ca + Cc + Ci），當 /0>3 時，可認為Uim與無關。利用壓電傳感器可測試玻璃破碎產生信號的強弱。2、前置放大電路壓電傳感器輸出電壓信號很微弱，通常只有幾十毫伏，而且壓電傳感器輸出阻抗很高。為達到阻抗匹配和信號放大的作用，選用低噪聲、高輸入阻抗的儀表放大器AD620作為前置放大器對信號進行放大。AD620放大增益

13、可通過電位器RG調節(jié)，增益 放大電路如圖2.3.2所示圖2.3.2 放大電路圖3、帶通濾波器由于玻璃破碎產生的聲音信號頻率一般為10k15k，為減少誤報，信號經放大后, 需經帶通濾波器進行濾波, 要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小, 而帶外衰減要盡量大。采用二階壓控電壓源帶通濾波電路，如圖2.3.3所示?？捎稍O計手冊根據(jù)中心頻率和帶寬選取電阻電容值。 令濾波器中心頻率f=12.5KHz，帶寬BW=5KHz，取C=0.01uF由公式R=1/2fC，可求得R=1.27k，R2=R=1.27k，R3=2.54k再由Q=1/(3-Av)，BW=f/Q，求得A=2.6，Q=2.5又由于Rf/R4=R3=2

14、.54k，A=1+Rf1/R4，求得Rf=6.6k，R4=4.13k圖2.3.3 二階壓控電壓源帶通濾波電路4、直流變換與比較輸出電路信號經輸入調理電路后是一串被放大了的脈沖波，但是進入比較器的信號必須是直流電壓。采用AD736進行交直流變換，有比較成熟的電路。其輸入信號是有效值，最大為200mV。比較輸出是單片機能否正常顯示、報警的關鍵，電路中采用LM393進行電壓比較。其工作原理如下：輸入信號與參考電壓Ref進行比較，當輸入信號小于Ref時，比較器輸出標準的+5V電壓；當輸入信號大于Ref時，比較器輸出低電平。從AD736出來的直流電壓是隨傳感器的信號變化的，每當有聲音振動信號時，從比較器

15、出來的電壓會形成一個標準的下降沿電壓，觸發(fā)單片機中斷。電路如圖2.3.4所示：圖2.3.4交直流變換與比較輸出電路5、靈敏度調節(jié)電路為了實現(xiàn)對玻璃破碎振動級別的識別，設計了報警靈敏度調節(jié)電路，可以通過調節(jié)它的不同級別來起到對不同強度的振動有濾過作用。采用調節(jié)比較器的比較電壓來實現(xiàn)靈敏度的調節(jié)。因為AD736的最大輸出電壓為200mV，所以Ref也應小于200mV。故需要分壓電路，采用電位器Rp對5V電源進行分壓。 3 結論 在以上玻璃破碎振動測試系統(tǒng)設計中，首先了解到玻璃破碎報警器是在玻璃破碎時發(fā)出警報的安保器件，它在我們的日常生活中有著重要的應用。玻璃破碎振動測試系統(tǒng)中采用最多的就是壓電式玻

16、璃破碎振動傳感器，它具有使用頻帶寬、靈敏度高、結構簡單、工作可靠、質量輕、測量范圍廣等許多優(yōu)點。一般的貴重物品柜臺如珠寶店，展覽櫥窗、博物館等場合周遭會有很多雜音，其頻率一般為10kHZ以下（如說話、走路、車輛駛過的聲音信號），而玻璃破碎的聲音振動頻率在10k15kHZ范圍。該信號可使壓電傳感器的壓電元件產生正壓電效應。壓電陶瓷片可對玻璃破碎信號進行有效檢測，并對10kHz以下的聲音（如說話、走路聲）有較強的抑制作用，從而檢測玻璃是否發(fā)生破碎。玻璃破碎聲發(fā)射頻率的高低、強度的大小同玻璃的厚度、材料有關。使用石英玻璃在25、濕度25%時的破碎頻率為12kHz。在方案設計中，將壓電式振動傳感器、壓

17、阻式振動傳感器、磁致伸縮式振動傳感器進行比較，最終結合實際情況選擇了壓電式振動傳感器類的BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器。它是專門用于監(jiān)測玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出，輸出電壓經放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。由于壓電傳感器輸出電壓信號很微弱，通常只有幾十毫伏，而且壓電傳感器輸出阻抗很高。為達到阻抗匹配和信號放大的作用，故選用低噪聲、高輸入阻抗的儀表放大器AD620作為前置放大器對信號進行放大。此外，由于玻璃破碎產生的聲音信號頻率一般為10k15k，為減少誤報，信號經放大后, 需經帶通濾波器進行濾波, 要求它對選定的頻譜通帶的衰減要小, 而帶外衰減要盡量大。選擇采用二階壓控電壓源帶通濾波電路。最后，信號經輸入調理電路后是一串被放大了的脈沖波，但是進入比較器的信號必須是直流電壓。選擇采用AD736進行交直流變換，有比較成熟的電路。其輸入信號是有效值，最大為200mV。將玻璃受撞擊和破