壓電式玻璃破碎報(bào)警器

1、. -HEFEIUNIVERSITY OF TECHNOLOGY 傳感器原理及應(yīng)用課程課 外 學(xué) 分項(xiàng) 目 名 稱壓電式玻璃破裂報(bào)警器項(xiàng) 目 組 成 員成 績(jī)機(jī)械與汽車工程學(xué)院機(jī)械電子工程系. 二零一四年 五 月. word.zl-. . - 壓電式玻璃破裂報(bào)警器摘要：我們?cè)O(shè)計(jì)的是壓電式玻璃破裂報(bào)警器；在很多安全場(chǎng)合,比如博物館防盜和重要 XX 或重要文件儲(chǔ)存以及家用防盜,都需要設(shè)置玻璃破裂報(bào)警器來(lái)保證其安全；目前采納最多的 就是壓電式玻璃破裂報(bào)警器,它具有使用頻帶寬、靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、 工作牢靠、 質(zhì)量輕、測(cè)量范疇廣等很多優(yōu)點(diǎn)；1 壓電效應(yīng) 壓電式傳感器的工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為

2、基礎(chǔ)；這些物質(zhì)在沿一 定方向受到壓力或拉力而發(fā)生變形 時(shí),其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；如將外 力去掉時(shí),它們又重新回到不帶電 的狀態(tài),這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)；而具有這種壓電效應(yīng)的物體稱為壓 電材料或壓電元件；常見(jiàn)的壓電材 料有石英、鈦酸鋇等；左圖示為自然結(jié)構(gòu)的石英晶體,它是個(gè)六角形晶柱；在直角坐標(biāo)系中 z 軸表 示其縱向軸,稱為光軸；x 軸平行于正六面體的棱線,稱為電軸；y 軸垂直于正 六面體棱面, 稱為機(jī)械軸； 通常把沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱 為“ 縱向壓電效應(yīng)” ；而把沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“ 橫 向壓電效應(yīng)” ；在光軸方向受力時(shí)就不產(chǎn)生壓電效應(yīng)；壓電效應(yīng)可分

3、為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)- . .可修編 . . -正壓電是指：當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力撤去后, 晶體又復(fù)原到不帶電的狀態(tài)； 當(dāng)外力作用方向轉(zhuǎn)變時(shí), 電荷的極性也隨之轉(zhuǎn)變； 晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比；壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的；逆壓電是指對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)引起晶體機(jī)械變形的現(xiàn)象；用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程；壓電敏銳元件的受力變形有厚度變形型、長(zhǎng)度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5 種基本形式；壓電晶體是各向異性的,并非全部晶體都能在這 5 種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)；

4、例如石英晶體就沒(méi)有體積變形壓電效應(yīng),但具有良好的厚度變形和長(zhǎng)度變形壓電效應(yīng)；2 工作原理壓電陶瓷片具有正壓電效應(yīng)： 壓電陶瓷片在外力作用下產(chǎn)生扭曲、變形時(shí)將會(huì)在其表面產(chǎn)生電荷, 且產(chǎn)生的電荷量 Q 與作用力成正比, Q= d 33 F,d 33 為陶瓷的壓電系數(shù), F 為極化方向作用力；壓電傳感器仍具有一個(gè)重要特點(diǎn)：只能用于測(cè)量動(dòng)態(tài)變化的信號(hào),高頻響應(yīng)較好；壓電陶瓷是人工制造的多晶體壓電材料,呈電中性,不具有壓電性質(zhì)； 當(dāng)外加電場(chǎng)增強(qiáng)到肯定程度,材料的極化達(dá)到飽和. . word.zl-. -程度時(shí), 全部電疇極化方向與外電場(chǎng)方向一樣,基本不變,此時(shí)材料才具有壓電特性；即使外電場(chǎng)去掉, 電疇極

5、化方向玻璃破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生 10k15k 的高頻聲音信號(hào), 該信號(hào)可使壓電傳感器的壓電 元件產(chǎn)生正壓電效應(yīng)；因而壓電陶瓷片可對(duì)玻璃破裂信號(hào)進(jìn)行有效檢測(cè),并對(duì) 10kHz 以下的聲音有較強(qiáng)的抑制作用,從而檢測(cè)玻璃是否發(fā)生破裂；玻璃破裂聲 發(fā)射頻率的高低、強(qiáng)度的大小同玻璃的厚度、材料有關(guān)；使用石英玻璃在 25、濕度 25%時(shí)的破裂頻率為 12kHz；一類是聲控型的單技 玻璃破裂探測(cè)器依據(jù)工作原理的不同大致分為兩大類：術(shù)玻璃破裂探測(cè)器,它實(shí)際上是一種具有選頻作用（帶寬10 到 15KHz）的具有特別用途 （可將玻璃破裂時(shí)產(chǎn)生的高頻信號(hào)驅(qū)除）的聲控報(bào)警探測(cè)器；另一類是雙技術(shù)玻璃破裂探測(cè)器,其中包括聲控-震

6、驚型和次聲波 -玻璃破裂高頻聲響型；聲控 -震驚型是將聲控與震驚探測(cè)兩種技術(shù)組合在一起,只有同時(shí)探測(cè)到玻璃破 碎時(shí)發(fā)出的高頻聲音信號(hào)和敲擊玻璃引起的震驚,才輸出報(bào)警信號(hào)；次聲波 -玻璃破裂高頻聲響雙技術(shù)探測(cè)器是將次聲波探測(cè)技術(shù)和玻璃破裂高頻聲 響探測(cè)技術(shù)組合到一起, 只有同時(shí)探測(cè)敲擊玻璃和玻璃破裂時(shí)發(fā)出的高頻聲響信 號(hào)和引起的次聲波信號(hào)才觸發(fā)報(bào)警；玻璃破裂探測(cè)器要盡量靠近所要愛(ài)護(hù)的玻璃,盡量遠(yuǎn)離噪聲干擾源, 如尖銳的金屬撞擊聲、鈴聲、汽笛的嘯叫聲等,削減誤報(bào)警；3 靈敏度傳感器的靈敏度有兩種表示法：當(dāng)它與電荷放大器協(xié)作使用時(shí),用電荷靈敏度 Sq表示；與電壓放大器協(xié)作使用時(shí),用電壓靈敏度Sv 表

7、示,其一般表達(dá)式為. . word.zl-. -和下面以常用的壓電陶瓷加速度傳感器為例爭(zhēng)論影響靈敏 度的因素；壓電陶瓷元件受外 電荷為 Q=d33F,因力后表面上產(chǎn)生的 為傳感器質(zhì)量塊的加速度與作用在質(zhì)量塊上的力有如下關(guān)系,即. . word.zl-. -F=ma 這樣,壓電式加速度傳感器的電荷靈敏度與電壓靈敏度就可用下式表示,即由上兩式可知： 壓電式加速度傳感器的靈敏度與壓電材料的壓電系數(shù)成正比,也 和質(zhì)量塊的質(zhì)量成正比； 為了提高傳感器的靈敏度, 應(yīng)當(dāng)選用壓電系數(shù)大的壓電 材料做壓電元件, 在一般精度要求的測(cè)量中, 大多采納以壓電陶瓷為敏銳元件的 傳感器；4 頻率特性 壓電式加速度傳感器,

8、可以簡(jiǎn)化成由集中質(zhì)量、集中彈簧剛度和阻尼系 數(shù)組成的二階單自由度系統(tǒng),因此,當(dāng)傳感器感受振動(dòng)體的 加速度時(shí),可以列出以下運(yùn)動(dòng)方程式. . word.zl-. -式改寫(xiě)為依據(jù)求二階傳感器頻響特性的方法,別為由于質(zhì)量塊與振動(dòng)體之間的相對(duì)位移獲得壓電加速度計(jì)的幅頻特性與相頻特性分Xm-X 就等于壓電元件受到作用力后產(chǎn)生的變形量,因此,在壓電元件的線性彈性范疇內(nèi)有. . word.zl-. -由于壓電片表面產(chǎn)生的電荷量與作用力成正比,即,因此將式子帶入得到壓電式加速度傳感器靈敏度與頻率的關(guān)系式,即上式所表示的頻響特性曲線為二階特性曲線,如下圖所示；由下圖可見(jiàn),在 相當(dāng)小的范疇內(nèi),有5 方案在玻璃鄰近安

9、裝壓電傳感器, 當(dāng)壓電元件表面因玻璃破裂產(chǎn)生的高頻聲音信號(hào)而受振動(dòng)時(shí), 壓電傳感器就會(huì)產(chǎn)生肯定的電壓脈沖；該電壓經(jīng)放大后送入帶通濾波器, 以提高靈敏度和削減誤報(bào)； 壓電傳感器產(chǎn)生的是溝通信號(hào),需經(jīng)過(guò)交直流變換變成直流信號(hào)后才能送入比較器；中斷執(zhí)行顯示、報(bào)警操作；系統(tǒng)總體框圖 1 如下：比較器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的下降電壓引起單片機(jī). . word.zl-. -6 硬件設(shè)計(jì)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(gè)電壓源,如下列圖：. . word.zl-. -圖 2 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(jí)電路的輸入阻抗,

10、 Ci 是其輸入電容, R=Ra/Ri ；如壓電元件受正弦力f = Fmsint 的作用時(shí),經(jīng)運(yùn)算前置放大器輸入電壓Ui的幅值為：令0=1/ R（Ca + Cc + Ci）,當(dāng) / 03 時(shí),可認(rèn)為 Uim 與 無(wú)關(guān)；利用壓電傳感器可檢測(cè)玻璃破裂產(chǎn)生信號(hào)的強(qiáng)弱；2、前置放大電路壓電傳感器輸出電壓信號(hào)很柔弱,通常只有幾十毫伏, 而且壓電傳感器輸出阻抗很高；為達(dá)到阻抗匹配和信號(hào)放大的作用,選用低噪聲、 高輸入阻抗的外表放大器 AD620 作為前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大；RG 調(diào)劑,增益AD620 放大增益可通過(guò)電位器. Uim1A 249 dF m 1RG 2R CaRCcC i. word.zl-

11、. -放大電路如圖 3 所示3、帶通濾波器由于玻璃破裂產(chǎn)生的聲音信號(hào)頻率一般為10k15k,為削減誤報(bào),信號(hào)經(jīng)放大后 , 需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波 , 要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小 , 而帶外衰減要盡量大；采納二階壓控電壓源帶通濾波電路,如圖 依據(jù)中心頻率和帶寬選取電阻電容值；4 所示；可由設(shè)計(jì)手冊(cè)令濾波器中心頻率 f=12.5KHz ,帶寬 BW=5KHz ,取 C=0.01uF 由公式 R=1/2 fC,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=2.54k ,A=1

12、+Rf1/R4 ,求得 Rf=6.6k ,R4=4.13k. . word.zl-. -圖 4 帶通濾波器4、直流變換與比較輸出電路信號(hào)經(jīng)輸入調(diào)理電路后是一串被放大了的脈沖波,但是進(jìn)入比較器的信號(hào)必須是直流電壓；采納 AD736 進(jìn)行交直流變換,有比較成熟的電路；其輸入信號(hào)是有效值,最大為 200mV；比較輸出是單片機(jī)能否正常顯示、報(bào)警的關(guān)鍵,電路中采納 LM393 進(jìn)行電壓比較；其工作原理如下：輸入信號(hào)與參考電壓 Ref 進(jìn)行比較,當(dāng)輸入信號(hào)小于 Ref 時(shí),比較器輸出標(biāo)準(zhǔn)的 +5V 電壓；當(dāng)輸入信號(hào)大于Ref 時(shí),比較器輸出低電平； 從 AD736 出來(lái)的直流電壓是隨傳感器的信號(hào)變化的,每

13、當(dāng)有聲音振動(dòng)信號(hào)時(shí), 從比較器出來(lái)的電壓會(huì)形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的下降沿電壓,觸發(fā)單片機(jī)中斷；電路如圖 5 所示：. . word.zl-. -圖 5 交直流變換與比較輸出電路5、靈敏度調(diào)劑電路為了實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃破裂振動(dòng)級(jí)別的識(shí)別,設(shè)計(jì)了報(bào)警靈敏度調(diào)劑電路, 可以通過(guò)調(diào)劑它的不同級(jí)別來(lái)起到對(duì)不同強(qiáng)度的振動(dòng)有濾過(guò)作用；采納調(diào)劑比較器的比較電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)靈敏度的調(diào)劑；由于 AD736 的最大輸出電壓為 200mV,所以 Ref也應(yīng)小于 200mV；故需要分壓電路,采納電位器 選 1 模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成 4 檔比較電壓,通過(guò)單片機(jī)電路如圖 6 所示；Rp 對(duì) 5V 電源進(jìn)行分壓,由 4 P1.0和 P1.1口進(jìn)行掌握；.

14、. word.zl-. -圖 6 靈敏度調(diào)劑電路6、顯示及報(bào)警電路利用 PNP 三極管的輸出特性, 將基極通過(guò) R1 接在 P1.2 腳,發(fā)射極通過(guò)二極管接蜂鳴器； 當(dāng) P1.2輸出高電平常, 三極管發(fā)射結(jié)截止, 蜂鳴器不響； 當(dāng) P1.2 輸出低電平常,三極管工作在放大狀態(tài),蜂鳴器會(huì)發(fā)出響聲, 同時(shí)發(fā)光二極管發(fā)出紅光, 實(shí)現(xiàn)報(bào)警； 在實(shí)際應(yīng)用中可采納單片機(jī)掌握繼電器的關(guān)斷,從而接通聲光報(bào)警器；如圖 7 所示：. . word.zl-. -圖 7 報(bào)警電路7 玻璃破裂報(bào)警器的電路圖壓電陶瓷片 B 將碎發(fā)的振動(dòng)信號(hào)或響聲轉(zhuǎn)化成電信號(hào), 這個(gè)極端的電信號(hào)經(jīng)過(guò)由三極管 VT1 和 VT2 構(gòu)成的直耦

15、式放大器放大后,利用 C2 從 VT2 的集電極上取出放大信號(hào),然后經(jīng)過(guò)二極管VD1 和 VD2 倍壓整流后,使 VT3 導(dǎo)通,VT3. . word.zl-. -導(dǎo)通后在 R4 兩端產(chǎn)生的壓降使單向可控硅VS 導(dǎo)通并鎖存,于是語(yǔ)音報(bào)警喇叭HA 通電反復(fù)發(fā)出聲音,這時(shí)只要按下 SB,方可解除警報(bào)聲；該裝置的電源是由電源變壓器T 將 220V 市電降壓為 12V,經(jīng) QD 全橋整流、C3 濾波后供應(yīng)整機(jī)工作；為了防范溝通電中斷,仍增加了 12V 電池組；這樣當(dāng)電網(wǎng)停止供電時(shí), G 自動(dòng)續(xù)接供電,當(dāng)電網(wǎng)復(fù)電后, G 自動(dòng)停止供電,始終讓報(bào)警電路處于預(yù)備狀態(tài)；8 選型由于玻璃破裂所發(fā)出的頻率處于10

16、-15KHz 之間,而 LC01 系列壓電加速度傳感器,是內(nèi)裝微型 IC-集成電路放大器的壓電加速度傳感器,它將傳統(tǒng)的壓電加速度傳感器與電荷放大器集于一體,能直接與記錄和顯示儀器連接,簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng),提高了測(cè)試精度和牢靠性；其突出特點(diǎn)如下：低阻抗輸出,抗干擾,噪聲小性能價(jià)格比高, 安裝便利,特別適于多點(diǎn)測(cè)量穩(wěn)固牢靠、 抗潮濕、抗粉塵、抗有害氣體；而且它的線性度 合設(shè)計(jì)要求；1%,輸出阻抗小,溫度適應(yīng)范疇大等特點(diǎn)特別符. . word.zl-. -LC01 系列傳感器參數(shù)ZCC-200 系列的振動(dòng)傳感器能將振動(dòng)物體的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電量,可以廣泛應(yīng)于于各種行業(yè),它的技術(shù)參數(shù)也復(fù)合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求；ZC

17、C-200系列傳感器參數(shù). . word.zl-. -ZCC-201 傳感器實(shí)物圖軟件流程圖. . word.zl-. -單片機(jī)選型AT89C51是一種帶 4K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀儲(chǔ)備器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器,俗稱單片機(jī)； AT89C2051是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀儲(chǔ)備器的單片機(jī)；單片機(jī)的可擦除只讀儲(chǔ)備器可以反復(fù)擦除 高密度非易失儲(chǔ)備器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的1000次；該器件采納 ATMEL MCS-51指令集和輸出管腳相兼容；由于將多功

18、能8 位 CPU 和閃耀儲(chǔ)備器組合在單個(gè)芯片中,ATMEL的AT89C51 是一種高效微掌握器, AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本； AT89C 單片機(jī)為很多嵌入式掌握系統(tǒng)供應(yīng)了一種敏捷性高且價(jià)廉的方案；電磁繼電器選型電磁繼電器是一種電子掌握器件,它具有掌握系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路） ,通常應(yīng)用于自動(dòng)掌握電路中,它實(shí)際上是用較小的電流.較低的電壓去掌握較大電流.較高的電壓的一種 “ 自動(dòng)開(kāi)關(guān)” ；故在電路中起著自動(dòng)調(diào)劑、安全愛(ài)護(hù)、 轉(zhuǎn)換電路等作用； 在我們所涉及的這個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)用的是小 型電磁繼電器 JQC-3FT73；. . word.zl-. -小型電磁繼電器 J

19、QC-3FT73參數(shù)小型電磁繼電器 JQC-3FT73實(shí)物圖電磁繼電器 Electromagnetic relay的工作原理和特性：電磁繼電器一般由電磁鐵 ,銜鐵,彈簧片 ,觸點(diǎn)等組成的,其工作電路由低壓控制電路和高壓工作電路兩部分構(gòu)成；只要在線圈兩端加上肯定的電壓,線圈中就會(huì)流過(guò)肯定的電流, 從而產(chǎn)生電磁效應(yīng), 銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯,從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開(kāi)觸點(diǎn)）吸合；當(dāng). . word.zl-. -線圈斷電后, 電磁的吸力也隨之消逝, 銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原先的位置,使動(dòng)觸點(diǎn)與原先的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合；這樣吸合、釋放,從而達(dá)到了在電路

20、中的導(dǎo)通、切斷的目的；對(duì)于繼電器的“ 常開(kāi)、常閉” 觸點(diǎn),可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開(kāi)狀態(tài)的靜觸點(diǎn),稱為“ 常開(kāi)觸點(diǎn)”；處于接通狀態(tài)的靜觸點(diǎn)稱為“ 常閉觸點(diǎn)”；信號(hào)放大濾波電路系統(tǒng)放大濾波電路來(lái)自傳感器的信號(hào)通常都相伴著很大的共模電壓（包括干擾電壓）；一般采用差動(dòng)輸入集成運(yùn)算放大器來(lái)抑制它,但是必需要求外接電阻完全平穩(wěn)對(duì)稱,運(yùn)算放大器具有抱負(fù)特性, 所以本系統(tǒng)采納的是三運(yùn)放差摸高抑制比放大電路；將. . word.zl-. -差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)輸出經(jīng)兩個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相比例差動(dòng)放大后,使其輸入端的共模電壓是 1:1的輸出,并通過(guò)輸出端各自電阻加到傳感器的兩個(gè)電纜屏蔽層上, 即

21、兩個(gè)輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅(qū)動(dòng),而不是接地,電纜輸入芯線和屏蔽層之間的共模電壓為零,這種電路常常使用于差動(dòng)式傳感器,如電容傳感器、壓阻傳感器和電感傳感器等組成的高精度測(cè)控系統(tǒng)中；本系統(tǒng)所采納的 LC01 系列的 傳感器輸出電壓為8-12V,而單片機(jī)所接受的電壓信號(hào)為 0-5v,所以利用三端集成穩(wěn)壓 7805 將輸出電壓降低；同時(shí) ZCC-200系列的傳感器輸出電壓為 0.012-0.036V,所以我們?cè)O(shè)計(jì)的放大增益為 95,也能滿足系統(tǒng)要求；轉(zhuǎn)變帶通濾波電路相應(yīng)的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)報(bào)警電路10-15KHz 以及 10-500Hz的信號(hào)挑選；. . word.zl-. -報(bào)警電路正常狀態(tài), 電磁繼電器常閉, 只有當(dāng)單片機(jī)接受到分別來(lái)自兩個(gè)傳感器的信號(hào)都是 1 時(shí),輸出高電平 1,此時(shí)電磁繼電器導(dǎo)通,從而報(bào)警器報(bào)警；電源挑選該裝置的電源是由電源變壓器T 將 220V 市電降壓為 12V,經(jīng) QD 全橋整流、 C5濾波后供應(yīng)整機(jī)工作；為了防范溝通電中斷,仍增加了 12V 電池組；這樣, 當(dāng)電網(wǎng)停止供電時(shí), G 自動(dòng)續(xù)接供電,當(dāng)電網(wǎng)復(fù)電后, G 自動(dòng)停