压电式玻璃破碎报警器.docx
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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=
F，
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=Ra//Ri。
若压电元件受正弦力f=Fmsinωt的作用时，经计算前置放大器输入电压Ui的幅值为：
令ω0=1/［R（Ca+Cc+Ci）］，当ω/ω0>3时，可认为Uim与ω无关。
利用压电传感器可检测玻璃破碎产生信号的强弱。
2、前置放大电路
压电传感器输出电压信号很微弱，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、高输入阻抗的仪表放大器AD620作为前置放大器对信号进行放大。
AD620放大增益可通过电位器RG调节，增益
放大电路如图3所示
3、带通滤波器
由于玻璃破碎产生的声音信号频率一般为10k~15k，为减少误报，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。
采用二阶压控电压源带通滤波电路，如图4所示。
可由设计手册根据中心频率和带宽选取电阻电容值。
令滤波器中心频率f=12.5KHz，带宽BW=5KHz，取C=0.01uF
由公式R=1/2πfC，可求得R=1.27kΩ，R2=R=1.27kΩ，R3=2.54kΩ
再由Q=1/（3-Av），BW=f/Q，求得A=2.6，Q=2.5
又由于Rf//R4=R3=2.54kΩ，A=1+Rf1/R4，求得Rf=6.6kΩ，R4=4.13kΩ
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。
采用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，电路中采用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：
图5交直流变换与比较输出电路
5、灵敏度调节电路
为了实现对玻璃破碎振动级别的识别，设计了报警灵敏度调节电路，可以通过调节它的不同级别来起到对不同强度的振动有滤过作用。
采用调节比较器的比较电压来实现灵敏度的调节。
因为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，采用电位器Rp对5V电源进行分压，由4选1模拟开关构成4档比较电压，通过单片机P1.0和P1.1口进行控制。
电路如图6所示。
图6灵敏度调节电路
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输出高电平时，三极管发射结截止，蜂鸣器不响。
当P1.2输出低电平时，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。
在实际应用中可采用单片机控制继电器的关断，从而接通声光报警器。
如图7所示：
图7报警电路
7玻璃破碎报警器的电路图
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。
8选型
因为玻璃破碎所发出的频率处于10-15KHz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，提高了测试精度和可靠性。
其突出特点如下：
低阻抗输出，抗干扰，噪声小性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气体。
而且它的线性度<1%，输出阻抗小，温度适应范围大等特点非常符合设计要求。
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。
ZCC-200系列传感器参数
ZCC-201传感器实物图
软件流程图
单片机选型
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8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存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
电磁继电器选型
电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流.较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。
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。
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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
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【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
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