压电式玻璃破碎报警器

HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY《传感器原理及应用》课程课外学分项目名称压电式玻璃破碎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压电式玻璃破碎报警器摘要：我们设计的是压电式玻璃破碎报警器。在很多安全场合，比如博物馆防盗和重要机密或重要文件保存以及家用防盗，都需要设置玻璃破碎报警器来保证其安全。目前采用最多的就是压电式玻璃破碎报警器，它具有使用频带宽、灵敏度高、结构简单、工作可靠、质量轻、测量范围广等许多优点。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；若将外力去掉时，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。左图示为天然结构的石英晶体，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”；在光轴方向受力时则不产生压电效应。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应正压电是指：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，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电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。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。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=33dF，33d为陶瓷的压电系数，F为极化方向作用力。压电传感器还具有一个重要特点：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。当外加电场增强到一定程度，材料的极化达到饱和程度时，所有电畴极化方向与外电场方向一致，即使外电场去掉，电畴极化方向基本不变，此时材料才具有压电特性。玻璃破碎时会产生10k~15k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碎信号进行有效检测，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碎。玻璃破碎声发射频率的高低、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%时的破碎频率为12kHz。玻璃破碎探测器按照工作原理的不同大致分为两大类：一类是声控型的单技术玻璃破碎探测器，它实际上是一种具有选频作用（带宽10到15KHz）的具有特殊用途（可将玻璃破碎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碎探测器，其中包括声控-震动型和次声波-玻璃破碎高频声响型。声控-震动型是将声控与震动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动，才输出报警信号。次声波-玻璃破碎高频声响双技术探测器是将次声波探测技术和玻璃破碎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碎时发出的高频声响信号和引起的次声波信号才触发报警。玻璃破碎探测器要尽量靠近所要保护的玻璃，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，减少误报警。3灵敏度传感器的灵敏度有两种表示法：当它与电荷放大器配合使用时，用电荷灵敏度Sq表示；与电压放大器配合使用时，用电压灵敏度Sv表示，其一般表达式为和下面以常用的压电陶瓷加速度传感器为例讨论影响灵敏度的因素。压电陶瓷元件受外力后表面上产生的电荷为Q=d33F，因为传感器质量块ｍ的加速度ａ与作用在质量块上的力Ｆ有如下关系，即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，大多采用以压电陶瓷为敏感元件的传感器。4频率特性压电式加速度传感器，可以简化成由集中质量ｍ、集中弹簧刚度ｋ和阻尼系数ｃ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，可以列出下列运动方程式式改写为根据求二阶传感器频响特性的方法，获得压电加速度计的幅频特性与相频特性分别为因为质量块与振动体之间的相对位移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围内有由于压电片表面产生的电荷量与作用力成正比，即Ｑ＝ｄＦ，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ω／ωｎ相当小的范围内，有5方案在玻璃附近安装压电传感器，当压电元件表面因玻璃破碎产生的高频声音信号而受振动时，压电传感器就会产生一定的电压脉冲。该电压经放大后送入带通滤波器，以提高灵敏度和减少误报。压电传感器产生的是交流信号，需经过交直流变换变成直流信号后才能送入比较器。比较器产生标准的下降电压引起单片机中断执行显示、报警操作。系统总体框图1如下：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，如图所示：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，Ci是其输入电容，R=Ra14.49RGkA12345678U1AD620AN0.1uFC1+5V0.1uFC2GNDGND-5VUiU0110KRGGND10uFC310uFC4)(122icamimCCCRRdFUR4RR2=RC2=C0.1uFC40.1uFC5C85234671U2MAX410BCPAR3=2RGNDGNDGNDGNDGNDU01U02Rf10uFC310uFC6+5V-5V10uFC233uFC310uFC40.1uFC50.1uFC70.1uFC112834U4ALM393AH-5+5GNDGNDCc1Vin2Cf3-VEE4COM8+Vcc7Vo6Cav5U3AD736+5GNDRefU02P3.210uFC610uFC8GND0.1uFC910uFC10GNDY22Y01Y3Y34VCC16Y15EN6X13VEE7GND8X012B9A10X311X215X114U5CD4052BCM1KR21KR31KR41KR5GNDGND0.1uFC1GNDVCCP1.0P1.1GNDRefVCC4.7KR110KRpGND10uFC2D1Q1LS1BellGND10KR1+5VP1.2VT19014VT290144.7KR14.7KR2B1uC24.7uC1RP1KR3VD2VD31uC3VT390141KR4VS0.01uC41000uC5VD4THASBGQDQL-1A/50V12V220V12V低的电压去控制较大电流.较高的电压的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、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-3F(T73)。小型电磁继电器JQC-3F(T73)参数小型电磁继电器JQC-3F(T73)实物图电磁继电器(Electromagneticrelay)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一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，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。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、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伴随着很大的共模电压（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，但是必须要求外接电阻完全平衡对称，运算放大器具有理想特性，所以本系统采用的是三运放差摸高抑制比放大电路。将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，这种电路经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。本系统所采用的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，所以我们设计的放大增益为95，也能满足系统要求。改变带通滤波电路相应的参数可以实现对10-15KHz以及10-500Hz的信号选择。报警电路报警电路正常状态，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。电源选择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滤波后供给整机工作。为了防备交流电中断，还增加了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准备状态，十分实用可靠。9报警器的安装基于已经设计完好的报警器件，将其安装在合适的位置，以达到实时准确报警的目的。玻璃破碎报警传感器最好安装在和玻璃同面的墻上，因为既易于探测到经建筑物传送的震动，又能“听”到玻璃破碎声。此时，声响玻璃破碎报警传感器工作最有效。它也可安装在邻近的墙上或天花板上。经检验，装置只能跟玻璃有90º转角，所以玻璃破碎报警传感器绝对不能安装在玻璃对面的墻上。声响玻璃破碎报警传感器作用范围很小，通常最大为6m并且它必须沿墻表面测量，若安装在邻近侧面墻上，必须沿墙到墙角，再沿墙到安装测量。这样，一个6m以内的地方，从窗到它的直线距离实际上小于6m。所以，在许多情况下，为了得到最佳的覆盖范围，则需要多的传感器。组员分工：张嘉玮：查找相关资料，撰写论文前一部分。柏玲磊：撰写论文后一部分。田冲：查找相关资料，最后审核论文并进行排版。评分张嘉玮95柏玲磊95田冲95参考文献：【1】黄贤武，郑筱霞.传感器原理与应用.第二版.北京：高等教育出版社【2】梁福平.传感器检测原理及技术.武汉：华中科技大学出版社【3】康华光.电子技术基础（模拟部分）.第五版.武汉：华中科技大学出版社【4】杨昌善.玻璃破碎报警器.中国安全防范【5】陈佩芳.玻璃破碎报警器.电子世界【6】雷奥.MSP430微控制器系列讲座（六）超低功耗玻璃破碎探测器.电子世界2007年第6期【7】李金田.压电传感器与前置放大器的配接.传感器技术.2004年01期【8】鲁湄.玻璃破碎报警器总述.公安科技情报精心搜集整理，只为你的需要