压电式玻璃破碎报警器

1、. -HEFEIUNIVERSITY OF TECHNOLOGY 传感器原理及应用课程课 外 学 分项 目 名 称压电式玻璃破裂报警器项 目 组 成 员成 绩机械与汽车工程学院机械电子工程系. 二零一四年 五 月. word.zl-. . - 压电式玻璃破裂报警器摘要：我们设计的是压电式玻璃破裂报警器；在很多安全场合,比如博物馆防盗和重要 XX 或重要文件储存以及家用防盗,都需要设置玻璃破裂报警器来保证其安全；目前采纳最多的 就是压电式玻璃破裂报警器,它具有使用频带宽、灵敏度高、 结构简洁、 工作牢靠、 质量轻、测量范畴广等很多优点；1 压电效应 压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为

2、基础；这些物质在沿一 定方向受到压力或拉力而发生变形 时,其表面上会产生电荷；如将外 力去掉时,它们又重新回到不带电 的状态,这种现象就称为压电效应；而具有这种压电效应的物体称为压 电材料或压电元件；常见的压电材 料有石英、钛酸钡等；左图示为自然结构的石英晶体,它是个六角形晶柱；在直角坐标系中 z 轴表 示其纵向轴,称为光轴；x 轴平行于正六面体的棱线,称为电轴；y 轴垂直于正 六面体棱面, 称为机械轴； 通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称 为“ 纵向压电效应” ；而把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“ 横 向压电效应” ；在光轴方向受力时就不产生压电效应；压电效应可分

3、为正压电效应和逆压电效应- . .可修编 . . -正压电是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,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, 晶体又复原到不带电的状态； 当外力作用方向转变时, 电荷的极性也随之转变； 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；逆压电是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象；用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程；压电敏锐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；压电晶体是各向异性的,并非全部晶体都能在这 5 种状态下产生压电效应；

4、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；2 工作原理压电陶瓷片具有正压电效应： 压电陶瓷片在外力作用下产生扭曲、变形时将会在其表面产生电荷, 且产生的电荷量 Q 与作用力成正比, Q= d 33 F,d 33 为陶瓷的压电系数, F 为极化方向作用力；压电传感器仍具有一个重要特点：只能用于测量动态变化的信号,高频响应较好；压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料,呈电中性,不具有压电性质； 当外加电场增强到肯定程度,材料的极化达到饱和. . word.zl-. -程度时, 全部电畴极化方向与外电场方向一样,基本不变,此时材料才具有压电特性；即使外电场去掉, 电畴极

5、化方向玻璃破裂时会产生 10k15k 的高频声音信号, 该信号可使压电传感器的压电 元件产生正压电效应；因而压电陶瓷片可对玻璃破裂信号进行有效检测,并对 10kHz 以下的声音有较强的抑制作用,从而检测玻璃是否发生破裂；玻璃破裂声 发射频率的高低、强度的大小同玻璃的厚度、材料有关；使用石英玻璃在 25、湿度 25%时的破裂频率为 12kHz；一类是声控型的单技 玻璃破裂探测器依据工作原理的不同大致分为两大类：术玻璃破裂探测器,它实际上是一种具有选频作用（带宽10 到 15KHz）的具有特别用途 （可将玻璃破裂时产生的高频信号驱除）的声控报警探测器；另一类是双技术玻璃破裂探测器,其中包括声控-震

6、惊型和次声波 -玻璃破裂高频声响型；声控 -震惊型是将声控与震惊探测两种技术组合在一起,只有同时探测到玻璃破 碎时发出的高频声音信号和敲击玻璃引起的震惊,才输出报警信号；次声波 -玻璃破裂高频声响双技术探测器是将次声波探测技术和玻璃破裂高频声 响探测技术组合到一起, 只有同时探测敲击玻璃和玻璃破裂时发出的高频声响信 号和引起的次声波信号才触发报警；玻璃破裂探测器要尽量靠近所要爱护的玻璃,尽量远离噪声干扰源, 如尖锐的金属撞击声、铃声、汽笛的啸叫声等,削减误报警；3 灵敏度传感器的灵敏度有两种表示法：当它与电荷放大器协作使用时,用电荷灵敏度 Sq表示；与电压放大器协作使用时,用电压灵敏度Sv 表

7、示,其一般表达式为. . word.zl-. -和下面以常用的压电陶瓷加速度传感器为例争论影响灵敏 度的因素；压电陶瓷元件受外 电荷为 Q=d33F,因力后表面上产生的 为传感器质量块的加速度与作用在质量块上的力有如下关系,即. . word.zl-. -F=ma 这样,压电式加速度传感器的电荷灵敏度与电压灵敏度就可用下式表示,即由上两式可知： 压电式加速度传感器的灵敏度与压电材料的压电系数成正比,也 和质量块的质量成正比； 为了提高传感器的灵敏度, 应当选用压电系数大的压电 材料做压电元件, 在一般精度要求的测量中, 大多采纳以压电陶瓷为敏锐元件的 传感器；4 频率特性 压电式加速度传感器,

8、可以简化成由集中质量、集中弹簧刚度和阻尼系 数组成的二阶单自由度系统,因此,当传感器感受振动体的 加速度时,可以列出以下运动方程式. . word.zl-. -式改写为依据求二阶传感器频响特性的方法,别为由于质量块与振动体之间的相对位移获得压电加速度计的幅频特性与相频特性分Xm-X 就等于压电元件受到作用力后产生的变形量,因此,在压电元件的线性弹性范畴内有. . word.zl-. -由于压电片表面产生的电荷量与作用力成正比,即,因此将式子带入得到压电式加速度传感器灵敏度与频率的关系式,即上式所表示的频响特性曲线为二阶特性曲线,如下图所示；由下图可见,在 相当小的范畴内,有5 方案在玻璃邻近安

9、装压电传感器, 当压电元件表面因玻璃破裂产生的高频声音信号而受振动时, 压电传感器就会产生肯定的电压脉冲；该电压经放大后送入带通滤波器, 以提高灵敏度和削减误报； 压电传感器产生的是沟通信号,需经过交直流变换变成直流信号后才能送入比较器；中断执行显示、报警操作；系统总体框图 1 如下：比较器产生标准的下降电压引起单片机. . word.zl-. -6 硬件设计1、压电传感器选用压电陶瓷作为压电传感器,压电传感器可等效为一个电压源,如下列图：. . word.zl-. -图 2 压电传感器等效电路Ca 为压电传感器等效电容、 Ra为传感器漏电阻, Cc 为电缆电容, Ri 是后级电路的输入阻抗,

10、 Ci 是其输入电容, R=Ra/Ri ；如压电元件受正弦力f = Fmsint 的作用时,经运算前置放大器输入电压Ui的幅值为：令0=1/ R（Ca + Cc + Ci）,当 / 03 时,可认为 Uim 与 无关；利用压电传感器可检测玻璃破裂产生信号的强弱；2、前置放大电路压电传感器输出电压信号很柔弱,通常只有几十毫伏, 而且压电传感器输出阻抗很高；为达到阻抗匹配和信号放大的作用,选用低噪声、 高输入阻抗的外表放大器 AD620 作为前置放大器对信号进行放大；RG 调剂,增益AD620 放大增益可通过电位器. Uim1A 249 dF m 1RG 2R CaRCcC i. word.zl-

11、. -放大电路如图 3 所示3、带通滤波器由于玻璃破裂产生的声音信号频率一般为10k15k,为削减误报,信号经放大后 , 需经带通滤波器进行滤波 , 要求它对选定的频谱通带的衰减要小 , 而带外衰减要尽量大；采纳二阶压控电压源带通滤波电路,如图 依据中心频率和带宽选取电阻电容值；4 所示；可由设计手册令滤波器中心频率 f=12.5KHz ,带宽 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-. -图 4 带通滤波器4、直流变换与比较输出电路信号经输入调理电路后是一串被放大了的脉冲波,但是进入比较器的信号必须是直流电压；采纳 AD736 进行交直流变换,有比较成熟的电路；其输入信号是有效值,最大为 200mV；比较输出是单片机能否正常显示、报警的关键,电路中采纳 LM393 进行电压比较；其工作原理如下：输入信号与参考电压 Ref 进行比较,当输入信号小于 Ref 时,比较器输出标准的 +5V 电压；当输入信号大于Ref 时,比较器输出低电平； 从 AD736 出来的直流电压是随传感器的信号变化的,每

13、当有声音振动信号时, 从比较器出来的电压会形成一个标准的下降沿电压,触发单片机中断；电路如图 5 所示：. . word.zl-. -图 5 交直流变换与比较输出电路5、灵敏度调剂电路为了实现对玻璃破裂振动级别的识别,设计了报警灵敏度调剂电路, 可以通过调剂它的不同级别来起到对不同强度的振动有滤过作用；采纳调剂比较器的比较电压来实现灵敏度的调剂；由于 AD736 的最大输出电压为 200mV,所以 Ref也应小于 200mV；故需要分压电路,采纳电位器 选 1 模拟开关构成 4 档比较电压,通过单片机电路如图 6 所示；Rp 对 5V 电源进行分压,由 4 P1.0和 P1.1口进行掌握；.

14、. word.zl-. -图 6 灵敏度调剂电路6、显示及报警电路利用 PNP 三极管的输出特性, 将基极通过 R1 接在 P1.2 脚,发射极通过二极管接蜂鸣器； 当 P1.2输出高电平常, 三极管发射结截止, 蜂鸣器不响； 当 P1.2 输出低电平常,三极管工作在放大状态,蜂鸣器会发出响声, 同时发光二极管发出红光, 实现报警； 在实际应用中可采纳单片机掌握继电器的关断,从而接通声光报警器；如图 7 所示：. . word.zl-. -图 7 报警电路7 玻璃破裂报警器的电路图压电陶瓷片 B 将碎发的振动信号或响声转化成电信号, 这个极端的电信号经过由三极管 VT1 和 VT2 构成的直耦

15、式放大器放大后,利用 C2 从 VT2 的集电极上取出放大信号,然后经过二极管VD1 和 VD2 倍压整流后,使 VT3 导通,VT3. . word.zl-. -导通后在 R4 两端产生的压降使单向可控硅VS 导通并锁存,于是语音报警喇叭HA 通电反复发出声音,这时只要按下 SB,方可解除警报声；该装置的电源是由电源变压器T 将 220V 市电降压为 12V,经 QD 全桥整流、C3 滤波后供应整机工作；为了防范沟通电中断,仍增加了 12V 电池组；这样当电网停止供电时, G 自动续接供电,当电网复电后, G 自动停止供电,始终让报警电路处于预备状态；8 选型由于玻璃破裂所发出的频率处于10

16、-15KHz 之间,而 LC01 系列压电加速度传感器,是内装微型 IC-集成电路放大器的压电加速度传感器,它将传统的压电加速度传感器与电荷放大器集于一体,能直接与记录和显示仪器连接,简化了测试系统,提高了测试精度和牢靠性；其突出特点如下：低阻抗输出,抗干扰,噪声小性能价格比高, 安装便利,特别适于多点测量稳固牢靠、 抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体；而且它的线性度 合设计要求；1%,输出阻抗小,温度适应范畴大等特点特别符. . word.zl-. -LC01 系列传感器参数ZCC-200 系列的振动传感器能将振动物体的机械能转化为电量,可以广泛应于于各种行业,它的技术参数也复合系统的设计要求；ZC

17、C-200系列传感器参数. . word.zl-. -ZCC-201 传感器实物图软件流程图. . word.zl-. -单片机选型AT89C51是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读储备器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器,俗称单片机； AT89C2051是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读储备器的单片机；单片机的可擦除只读储备器可以反复擦除 高密度非易失储备器制造技术制造,与工业标准的1000次；该器件采纳 ATMEL MCS-51指令集和输出管脚相兼容；由于将多功

18、能8 位 CPU 和闪耀储备器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51 是一种高效微掌握器, AT89C2051 是它的一种精简版本； AT89C 单片机为很多嵌入式掌握系统供应了一种敏捷性高且价廉的方案；电磁继电器选型电磁继电器是一种电子掌握器件,它具有掌握系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路） ,通常应用于自动掌握电路中,它实际上是用较小的电流.较低的电压去掌握较大电流.较高的电压的一种 “ 自动开关” ；故在电路中起着自动调剂、安全爱护、 转换电路等作用； 在我们所涉及的这个系统中运用的是小 型电磁继电器 JQC-3FT73；. . word.zl-. -小型电磁继电器 J

19、QC-3FT73参数小型电磁继电器 JQC-3FT73实物图电磁继电器 Electromagnetic relay的工作原理和特性：电磁继电器一般由电磁铁 ,衔铁,弹簧片 ,触点等组成的,其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成；只要在线圈两端加上肯定的电压,线圈中就会流过肯定的电流, 从而产生电磁效应, 衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合；当. . word.zl-. -线圈断电后, 电磁的吸力也随之消逝, 衔铁就会在弹簧的反作用力返回原先的位置,使动触点与原先的静触点（常闭触点）吸合；这样吸合、释放,从而达到了在电路

20、中的导通、切断的目的；对于继电器的“ 常开、常闭” 触点,可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“ 常开触点”；处于接通状态的静触点称为“ 常闭触点”；信号放大滤波电路系统放大滤波电路来自传感器的信号通常都相伴着很大的共模电压（包括干扰电压）；一般采用差动输入集成运算放大器来抑制它,但是必需要求外接电阻完全平稳对称,运算放大器具有抱负特性, 所以本系统采纳的是三运放差摸高抑制比放大电路；将. . word.zl-. -差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后,使其输入端的共模电压是 1:1的输出,并通过输出端各自电阻加到传感器的两个电缆屏蔽层上, 即

21、两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动,而不是接地,电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零,这种电路常常使用于差动式传感器,如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中；本系统所采纳的 LC01 系列的 传感器输出电压为8-12V,而单片机所接受的电压信号为 0-5v,所以利用三端集成稳压 7805 将输出电压降低；同时 ZCC-200系列的传感器输出电压为 0.012-0.036V,所以我们设计的放大增益为 95,也能满足系统要求；转变带通滤波电路相应的参数可以实现对报警电路10-15KHz 以及 10-500Hz的信号挑选；. . word.zl-. -报警电路正常状态, 电磁继电器常闭, 只有当单片机接受到分别来自两个传感器的信号都是 1 时,输出高电平 1,此时电磁继电器导通,从而报警器报警；电源挑选该装置的电源是由电源变压器T 将 220V 市电降压为 12V,经 QD 全桥整流、 C5滤波后供应整机工作；为了防范沟通电中断,仍增加了 12V 电池组；这样, 当电网停止供电时, G 自动续接供电,当电网复电后, G 自动停