财务室防盗系统传感器课程设计.

1、赣南师院物理与电子信息学院传感器课程设计报告书姓名：陈祯祯 赵娟 李宏 沈佳 陈如意 胡兴根 学号：48 71 20 37 03 09班级：电子信息工程09级 时间： 2012年 12月 3 日 财务室防盗系统一、设计任务与要求财务室的门口安装该系统，当有人带入枪支弹药或刀具等危险物品进入财务室时，系统马上发出声光报警。报警声一直持续到警务人员手动关闭。选择的传感器应当是非接触式测量，危险物品的性质及形状信息最好同时获得。修改：不显示危险物品的形状，只判断有没有进行偷盗， 在进行声光报警。二、电路组成及原理1.电路组成：该防盗系统由两部分组成：金属探测器和敲击式防盗报警器:2.电路原理：（1）

2、金属探测器：金属探测器中的主要部分是一个处于临界状态下的振荡器，当有金属物品接近电感L（即探测器的探头）时，线圈中产生的电磁场将在金属物品中感应出涡流，这个能量损失来源于电路本身，相当于电路中增加了损耗电阻。如果金属物品与线圈L较近，电路中的损耗加大，线圈值降低，使本来就处于震荡临界状态的振荡器停止工作。从而控制后边的发光二极管的亮灭。 在这个电路中三极管VT1与外围的电感器和电容器构成一个电容三点式振荡器。它的交流等效电路（不考虑RP和R2的作用）如图1所示，当图1中的三极管基极有一正信号时，由于三极管的反向作用，使它的集电极信号为负。两个电容器两端的信号极性如图1所示，通过电容器的反馈，三

3、极管基极上的信号与原来同向，由于这是正反馈，所以电路可以产生振荡RP和R1的存在，消弱了电路中的正反馈信号，是电路处于刚刚起振的状态下。金属探测器的振荡频率约为40KHZ，主要由电感L，电容C1、C2决定。调节电位器RP减小反馈信号，是电路处在刚刚起振状态，电阻器R2是三极管VT1的基极偏置电阻.微弱的振荡信号通过电容器C4，电阻器送到由三极管VT2、电阻器R4、R5及电容器C5组成的电压放大器进行放大。然后由二极管VD1和VD2进行整流电容器C6进行滤波。整流滤波后的直流电压使三极管VT3导通，它的集电极为低电平，发光二极管VD3亮， 在金属探测器的电感探头L接近金属时，振荡电路停振，没有信

4、号通过电容器C4，三极管VT4的基极得不到正电压，所以三极管VT3截止，发光二级管熄火。（2）敲击式防盗报警器:压电传感器-单稳态电路-驱动电路-报警电路当有人敲击保险箱时，传感器将输出一串脉冲信号，该信号送入555集成电路2脚触发其翻转，其3脚输出高电平使继电器KA工作，其动合触发点KA-1吸合，接通报警电路。与此同时，R和C组成延时电路开始工作，延时的长短取决于R和C的数值。电路的灵敏度可通过R1调整，R1的阻值小时灵敏度低，阻值大时灵敏度高。 T=RCln3=1.1RC 报警电路是通过蜂鸣器以及LED进行声光报警3.电路原理图（1）电容三点式振荡器图一图二（2）金属探测器原理图图三3.

5、敲击式防盗报警器原理图图四三、传感器的选择1电感式传感器：电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移，压力，流量，振动等转换成线圈的自感系数和互感系数的变化，再由电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。财务室防盗第一步是判断有没有携带金属利器。通过电路的频率改变而触发报警电路。电感式传感器具有以下特点： （1）结构简单，传感器无活动电触点，因此工作可靠寿命长。 （2）灵敏度和分辨力高，能测出0.01微米的位移变化。传感器的输出信号强，电压灵敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出。 （3）线性度和重复性都比较好，在一定位移范围（几十微米至数毫米）内，传感器非线性误差可达0.

6、05%0.1%。同时，这种传感器能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制，它在工业自动控制系统中广泛被采用。但不足的是，它有频率响应较低，不宜快速动态测控等缺点。 电感式传感器种类很多，常见的有自感式，互感式和涡流式三种。 电感线圈：是由导线一圈靠一圈地绕在绝缘管上，导线彼此互相绝缘，而绝缘管可以是空心的，也可以包含铁芯或磁粉芯，简称电感。利用电磁感应的原理进行工作的，当有电流流过一根导线时,就会在这根导线的周围产生一定的电磁场,而这个电磁场的导线本身会对处在这个电磁场范围内的导线发生感应作用.对产生电磁场的导线本身发生的作用,叫做“自感”，即导线自己产生的变化电流产生变化磁场，这个磁场又进一

7、步影响了导线中的电流;对处在这个电磁场范围的其他导线产生的作用,叫做“互感”。 金属探测器就是应用电感线圈的调谐与选频的作用，电感线圈与电容器并联可组成LC调谐电路。即电路的固有振荡频率f0与非交流信号的频率f相等，则回路的感抗与容抗也相等，于是电磁能量就在电感、电容来回振荡，这就是LC回路的谐振现象。谐振时电路的感抗与容抗等值又反向，回路总电流的感抗最小，电流量最大（指 f=f0的交流信号），LC谐振电路具有选择频率的作用，能将某一频率f的交流信号选择出来。 2.压电式传感器：压电式传感器是以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非变量电测的目的。基于压

8、电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。它的优点是频带宽、灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等财务室防盗的第二部是判断有没有进行偷盗。通过电路的脉冲输入从而触发报警电路。 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。正压电效应是指：当晶体受到某固定方 压电式传感器向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电

9、荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型 5种基本形式（见图）。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这 5种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 压电材料它可分为压电单晶、压电多晶和有机压电材料。压电式传感器中用得最多的是属于压电多晶的各类压电陶瓷和压电单晶中的石英晶体。

10、其他压电单晶还有适用于高温辐射环境的铌酸锂以及钽酸锂、镓酸锂、锗酸铋等。压电陶瓷有属于二元系的钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅系列陶瓷、铌酸盐系列陶瓷和属于三元系的铌镁酸铅陶瓷。压电陶瓷的优点是烧制方便、易成型、耐湿、耐高温。缺点是具有热释电性，会对力学量测量造成干扰。有机压电材料有聚二氟乙烯、聚氟乙烯、尼龙等十余种高分子材料。有机压电材料可大量生产和制成较大的面积,它与空气的声阻匹配具有独特的优越性,是很有发展潜力的新型电声材料。60年代以来发现了同时具有半导体特性和压电特性的晶体，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。利用这种材料可以制成集敏感元件和电子线路于一体的新型压电传感器，很有发展前途。 压电式传感器大

11、致可以分为4种，即：压电式测力传感器，压电式压力传感器，压电式加速度传感器及高分子材料压力传感器。压电式传感器的等效电路1、电容效应等效原理 1）压电式传感器结构 .在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极， 如图所示。 2）等效电容量 当压电传感器受到沿其敏感轴向的外力作用时，就在两电极上产生极性相反的电荷，因此它相当于一个电荷源（静电发生器）。由于压电晶体是绝缘体，当它的两极表面聚集电荷时，它又相当于一个电容器，其电容量为沿 x 轴方向加力产生纵向压电效应,沿 y 轴加力产生横向压电效应,沿相对两平面加力产生切向压 电效应。 3）等效电压 当压电晶体受外力作用时，两表

12、面产生等量的正、负电荷 Q ，可求出其开路电压（负载电阻为无穷大时）3.压片陶瓷：压电陶瓷片是一种电子发音元件，在两片铜制圆形电极中间放入压电陶瓷介质材料，当在两片电极上面接通交流音频信号时，压电片会根据信号的大小频率发生震动而产生相应的声音来。一方面，电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。敲击式报警器就是利用压电陶瓷片的振动产生电

13、信号这一原理。陶瓷特性：压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，可用于声纳系统、气象探测、遥测环境保护、家用电器等。地震是毁灭性的灾害，而且震源始于地壳深处，以前很难预测，使人类陷入了无计可施的尴尬境地。压电陶瓷对外力的敏感使它甚至可以感应到十几米外飞虫拍打翅膀对空气的扰动，用它来制作压电地震仪，能精确地测出地震强度，指示出地震的方位和距离。这不能不说是压电陶瓷的一大奇功。 压电陶瓷在电场作用下产生的形变量很小，最多不超过本身尺寸的千万分之一，别小看这微小的变化，基于这个原理制做的精确控制机构压电驱动器，对于精密仪器和机械的控制、微电子技术、生物工程等领域都是一大福音。

14、谐振器、滤波器等频率控制装置，是决定通信设备性能的关键器件，压电陶瓷在这方面具有明显的优越性。它频率稳定性好，精度高及适用频率范围宽，而且体积小、不吸潮、寿命长，特别是在多路通信设备中能提高抗干扰性，使以往的电磁设备无法望其项背而面临着被替代的命运。主要原理：我们来看一种新型自行车减震控制器，一般的减振器难以达到平稳的效果，而这种ACX减震控制器，通过使用压电材料，首次提供了连续可变的减震功能。一个传感器以每秒50次的速率监测冲击活塞的运动，如果活塞快速动作，一般是由于行驶在不平地面而造成的快速冲击，这时需要启动最大的减震功能；如果活塞运动较慢，则表示路面平坦，只需动用较弱的减震功能。综上所诉

15、:压电陶瓷就是矢量转换材料力-电电-力1次力电转化,典型应用:压电点火,称量传感1次电力转换:制动器,执行器电-力-形变-振动-声波-电声-超声等形变-位移-检测电-力-电,压电变压器等等可以说，压电陶瓷虽然是新材料，却颇具平民性。它用于高科技，但更多地是在生活中为人们服务，创造美好的生活。目前，压电陶瓷的主要原料还包括铅等有毒物质。下一阶段，无铅压电陶瓷和低温压电陶瓷将是发展的方向。 压电陶瓷片压电陶瓷的用途非常广泛。下面我们来举其中几例： 1、声音转换器 声音转换器是最常见的应用之一。像拾音器、传声器、耳机、蜂鸣器、超声波探深仪、声纳、材料的超声波探伤仪等都可以用压电陶瓷做声音转换器。如儿

16、童玩具上的蜂鸣器就是电流通过压电陶瓷的压电效应产生振动，而发出人耳可以听得到的声音。压电陶瓷通过电子线路的控制，可产生不同频率的振动，从而发出各种不同的声音。例如电子音乐贺卡，就是通过压电效应把机械振动转换为交流电信号。 2、压电引爆器 自从第一次世界大战中英军发明了坦克，并首次在法国索姆河的战斗中使用而重创了德军后，坦克在多次战斗中大显身手。然而到了20世纪六七十年代，由于反坦克武器的发明，坦克失去了昔日的辉煌。反坦克炮发射出的穿甲弹接触坦克，就会马上爆炸，把坦克炸得粉碎。这是因为弹头上装有压电陶瓷，它能把相碰时的强大机械力转变为瞬间高电压，爆发火花而引爆炸药。 3、压电打火机 现在煤气灶上

17、用的一种新式电子打火机，就是利用压电陶瓷制成的。只要用手指压一下打火按钮，打火机上的压电陶瓷就能产生高电压，形成电火花而点燃煤气，可以长久使用。所以压电打火机不仅使用方便，安全可靠，而且寿命长，例如一种钛铅酸铅压电陶瓷制成的打火机可使用100万次以上。 4、防核护目镜 核试验员带上用透明压电陶瓷做成的护目镜后，当核爆炸产生的光辐射达到危险程度时，护目镜里的压电陶瓷就把它转变成瞬时高压电，在1/1000 s里，能把光强度减弱到只有1/10000，当危险光消失后，又能恢复到原来的状态。这种护目镜结构简单，只有几十克重，安装在防核护目头盔上携带十分方便。 5、超声波换能器 适用于用于超声波焊接设备以

18、及超声波清洗设备，主要采用大功率发射型压电陶瓷制作，超声波换能器是一种能把高频电能转化为机械能的装置，超声波换能器作为能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率（即超声波）再传递出去，而它自身消耗很少的一部分功率。 6、声纳在海战中，最难对付的是潜艇，它能长期在海下潜航，神不知鬼不觉地偷袭港口、舰艇，使敌方大伤脑筋。如何寻找敌潜艇？靠眼睛不行，用雷达也不行，因为电磁波在海水里会急剧衰减，不能能效地传递信号，探测潜艇靠的是声纳-水下耳朵。压电陶瓷就是制造声纳的材料，它发出超声波，遇到潜艇便反射回来，被接收后经过处理，就可测出敌潜艇的方位、距离等。四心得体会 财务室报警器只是实现理论功能，现实功能还需大量时间工作。 CCD图像传感器没能实现，希望感兴趣的同学在毕业设计实现。 压电陶瓷片输入信号不大，导致电路还需人工扰动。金属探测器可能绕线圈出问题，电路没能理想谐振。我们为了这个也付出了很多努力，首先设计原理图是我们第一个难题，把课