1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)專心-專注-專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上專心-專注-專業(yè)HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY傳感器原理及應(yīng)用課程課 外 學(xué) 分 項(xiàng) 目 名 稱 壓電式玻璃破碎報(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 月壓電式玻璃破碎報(bào)警器摘要：我們?cè)O(shè)計(jì)的是壓電式玻璃破碎報(bào)警器。在很多安全場(chǎng)合，比如博物館防盜和重要機(jī)密或重要文件保存以及家用防盜，都需要設(shè)置玻璃破碎報(bào)警器來(lái)保證其安全。目前采用最多的就是壓電式玻璃破碎報(bào)警器，它具有使用頻帶寬、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、質(zhì)量

2、輕、測(cè)量范圍廣等許多優(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；若將外力去掉時(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。常見的壓電材料有石英、鈦酸鋇等。左圖示為天然結(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

3、軸方向受力時(shí)則不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)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，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)外力作用方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變；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。壓電敏感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，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例

4、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=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(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)到一定程度，材料的極化達(dá)到飽和程度時(shí)，所有電疇極化方向與外電場(chǎng)方向一致，即使外電場(chǎng)去掉，電疇極化方向基本不變，此時(shí)材料才具有壓電特性。玻璃破碎時(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

5、元件產(chǎn)生正壓電效應(yīng)。因而壓電陶瓷片可對(duì)玻璃破碎信號(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)生破碎。玻璃破碎聲發(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)的破碎頻率為12kHz。玻璃破碎探測(cè)器按照工作原理的不同大致分為兩大類：一類是聲控型的單技術(shù)玻璃破碎探測(cè)器，它實(shí)際上是一種具有選頻作用（帶寬10到15KHz）的具有特殊用途（可將玻璃破碎時(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)玻璃破碎探測(cè)器，其中包括聲控-震動(dòng)型和次聲波-玻璃破碎高頻聲響型。聲控-震動(dòng)型是將聲控與震動(dòng)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

6、碎時(shí)發(fā)出的高頻聲音信號(hào)和敲擊玻璃引起的震動(dòng)，才輸出報(bào)警信號(hào)。次聲波-玻璃破碎高頻聲響雙技術(shù)探測(cè)器是將次聲波探測(cè)技術(shù)和玻璃破碎高頻聲響探測(cè)技術(shù)組合到一起，只有同時(shí)探測(cè)敲擊玻璃和玻璃破碎時(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。玻璃破碎探測(cè)器要盡量靠近所要保護(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，減少誤報(bào)警。3靈敏度傳感器的靈敏度有兩種表示法：當(dāng)它與電荷放大器配合使用時(shí)，用電荷靈敏度Sq表示；與電壓放大器配合使用時(shí)，用電壓靈敏度Sv表示，其一般表達(dá)式為和下面以常用的壓電陶瓷加速度傳感器為例討論影響靈敏度的因素。壓電陶瓷元件受外力后表面上產(chǎn)生的電荷為Q=d33

7、F，因?yàn)閭鞲衅髻|(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，大多采用以壓電陶瓷為敏感元件的傳感器。4頻率特性壓電式加速度傳感器，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)，可以列出下列運(yùn)動(dòng)方程式式改寫為根據(jù)求二階傳感器頻響特性的方法，獲得壓電加速度計(jì)的幅頻特性與相頻特性分別為因?yàn)橘|(zhì)量

8、塊與振動(dòng)體之間的相對(duì)位移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圍內(nèi)有由于壓電片表面產(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，在 相當(dāng)小的范圍內(nèi)，有5方案在玻璃附近安裝壓電傳感器，當(dāng)壓電元件表面因玻璃破碎產(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)生一定的電壓脈沖。該電壓經(jīng)放大后送入帶通濾波器，以提高靈敏度和減少誤報(bào)。壓電傳感器產(chǎn)生的是交流信號(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。比較器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的下降電壓引起單片機(jī)中斷執(zhí)行顯示、報(bào)警操

9、作。系統(tǒng)總體框圖1如下：6硬件設(shè)計(jì)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，如圖所示： 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，Ci是其輸入電容，R=Ra低的電壓去控制較大電流.較高的電壓的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(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-3F(T73)。 小型電磁繼電器JQC-3F(T73)參數(shù)小型電磁繼電器JQC-3F(T73)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

10、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一定的電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，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)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。對(duì)于繼電器的“常開、常閉”觸點(diǎn)，可以這樣來(lái)區(qū)分：繼電器線圈未通電時(shí)處于斷開狀態(tài)的靜觸點(diǎn)，稱為“常開觸點(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

11、大濾波電路來(lái)自傳感器的信號(hào)通常都伴隨著很大的共模電壓（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，但是必須要求外接電阻完全平衡對(duì)稱，運(yùn)算放大器具有理想特性，所以本系統(tǒng)采用的是三運(yùn)放差摸高抑制比放大電路。將差動(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，這種電路經(jīng)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)所采用的LC01系列的 傳感器輸出電壓為

12、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，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。改變帶通濾波電路相應(yīng)的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)10-15KHz以及10-500Hz的信號(hào)選擇。報(bào)警電路報(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。電源選擇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濾波后供給整機(jī)工作。為了防備交流電中斷，還增加了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

13、網(wǎng)復(fù)電后，G自動(dòng)停止供電，始終讓報(bào)警電路處于準(zhǔn)備狀態(tài)，十分實(shí)用可靠。9報(bào)警器的安裝基于已經(jīng)設(shè)計(jì)完好的報(bào)警器件，將其安裝在合適的位置，以達(dá)到實(shí)時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警的目的。玻璃破碎報(bào)警傳感器最好安裝在和玻璃同面的墻上，因?yàn)榧纫子谔綔y(cè)到經(jīng)建筑物傳送的震動(dòng)，又能“聽”到玻璃破碎聲。此時(shí)，聲響玻璃破碎報(bào)警傳感器工作最有效。它也可安裝在鄰近的墻上或天花板上。經(jīng)檢驗(yàn)，裝置只能跟玻璃有90轉(zhuǎn)角，所以玻璃破碎報(bào)警傳感器絕對(duì)不能安裝在玻璃對(duì)面的墻上。聲響玻璃破碎報(bào)警傳感器作用范圍很小，通常最大為6m并且它必須沿墻表面測(cè)量，若安裝在鄰近側(cè)面墻上，必須沿墻到墻角，再沿墻到安裝測(cè)量。這樣，一個(gè)6m以內(nèi)的地方，從窗到它的直線距離實(shí)際上小于6m。所以，在許多情況下，為了得到最佳的覆蓋范圍，則需要多的傳感器。組員分工：張嘉瑋：查找相關(guān)資料，撰寫論文前一部分。柏玲磊：撰寫論文后一部分。田 沖：查找相關(guān)資料，最后審核論文并進(jìn)行排版。評(píng)分張嘉瑋95柏玲磊95田沖95參考文獻(xiàn)：【1】黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用.第二版.北京：高等教育出版社【2】梁福平.傳感器檢測(cè)