工程測(cè)試技術(shù)課程設(shè)計(jì)分析

1、 1 緒論21.1目的背景意義21.2發(fā)展?fàn)顩r21.3 設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容32 方案設(shè)計(jì)32.1 總體方案設(shè)計(jì)32.1.1.壓電式振動(dòng)傳感器32.1.2壓阻式振動(dòng)傳感器42.1.3磁致伸縮式振動(dòng)傳感器52.2 傳感器的選擇52.3信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)63 結(jié)論91 緒論1.1目的背景意義玻璃破碎報(bào)警器是在玻璃破碎時(shí)發(fā)出警報(bào)的安保器件，它在我們的日常生活中有著重要的應(yīng)用，多數(shù)防盜系統(tǒng)中都有它的身影，比較常見(jiàn)的是在博物館、珠寶店等。利用壓電陶瓷片可以制成玻璃破碎入侵探測(cè)器，對(duì)于高頻的玻璃破碎聲音進(jìn)行有效檢測(cè)可以達(dá)到同樣目的。玻璃破碎探測(cè)器按照工作原理的不同可以大致分為兩類：一類是聲控型的單技術(shù)玻璃破碎探測(cè)器

2、，另一類是雙技術(shù)型玻璃破碎探測(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。目前報(bào)警器中采用最多的就是壓電式玻璃破碎振動(dòng)傳感器，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)量輕、測(cè)量范圍廣等許多優(yōu)點(diǎn)。一般的貴重物品柜臺(tái)如珠寶店，展覽櫥窗、博物館等場(chǎng)合周遭會(huì)有很多雜音，其頻率一般為10kHZ以下（如說(shuō)話、走路、車輛駛過(guò)的聲音信號(hào)），而玻璃破碎的聲音振動(dòng)頻率在10k15kHZ范圍。報(bào)警系統(tǒng)需要甄別傳感器的數(shù)據(jù)，僅在數(shù)據(jù)顯示需要報(bào)警的頻段進(jìn)行報(bào)警；考慮到現(xiàn)代犯罪通常會(huì)切斷通用電源，報(bào)警系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)需要能夠在通用電源不能正常提供工作電壓（電壓過(guò)低或斷電）時(shí)及時(shí)切換備用電源；對(duì)于一些比

3、較敏感的場(chǎng)合（重要展覽館或展廳）需要將報(bào)警信號(hào)與警方聯(lián)動(dòng)，達(dá)到真正意義上保護(hù)貴重物品的要求。1.2發(fā)展?fàn)顩r1946年美國(guó)麻省理工學(xué)院絕緣研究室發(fā)現(xiàn)，在鈦酸鋇鐵電陶瓷上施加直流高壓電場(chǎng)，使其自發(fā)極化沿電場(chǎng)方向擇優(yōu)取向,除去電場(chǎng)后仍能保持一定的剩余極化,使它具有壓電效應(yīng)，從此誕生了壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷有鈦酸鋇系、鈦酸鉛鋯酸鉛二元系及在二元系中添加第三種ABO3(A表示二價(jià)金屬離子，B表示四價(jià)金屬離子或幾種離子總和為正四價(jià))型化合物。鈮酸鹽系壓電陶瓷,如氧化鈉(鉀)，氯化鈮等,它們不含有毒的鉛，對(duì)環(huán)境保護(hù)有利。 人們最初對(duì)窗戶的防范是在窗口安裝一個(gè)由金屬絲串成的網(wǎng)，這些細(xì)金屬絲與一個(gè)金屬夾相連形

4、成一個(gè)回路。當(dāng)有人破窗而入時(shí)，就會(huì)碰掉夾子上的金屬絲而形成開(kāi)路報(bào)警。這種金屬絲網(wǎng)并不能探測(cè)玻璃破碎，僅僅是探測(cè)到入侵者通過(guò)被破壞了的窗戶進(jìn)入房間。鋁箔的應(yīng)用是對(duì)玻璃破碎的測(cè)試向前跨進(jìn)了一大步。約一厘米寬的鋁箔帶沿玻璃邊緣貼在玻璃窗上，鋁箔帶形成回路。由于鋁箔帶緊貼在玻璃上，玻璃破碎時(shí)，鋁箔也將斷裂而報(bào)警。隨之而來(lái)的問(wèn)題是：由于鋁箔的伸縮率與玻璃不同，鋁箔上的微小裂縫不易發(fā)現(xiàn)，維修人員要花幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間去尋找裂縫。鋁箔還非常容易受損或脫落，特別是在公共場(chǎng)合如商場(chǎng)櫥窗。接下來(lái)的是一種由夾在兩個(gè)金屬叉之間的小鋼珠組成的裝置。日過(guò)玻璃被撞擊（不一定破碎），這種裝置容易產(chǎn)生誤報(bào)，不能真正解決問(wèn)題。然后出

5、現(xiàn)了超聲波玻璃破碎探測(cè)儀。這種裝置通常是安裝在屋頂來(lái)監(jiān)測(cè)玻璃破碎時(shí)產(chǎn)生的高音頻，超聲波玻璃破碎探測(cè)儀存在的問(wèn)題是：它能感應(yīng)到任何超聲波噪音，如汽車剎車的聲音，電話鈴聲，發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音以及幾乎任何麥克風(fēng)能收到的高音。幾年前，推出了應(yīng)用BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的測(cè)試系統(tǒng)來(lái)探測(cè)玻璃破碎。其運(yùn)用了壓電式振動(dòng)傳感器原理。1.3 設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容玻璃破碎時(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元件產(chǎn)生正壓電效應(yīng)。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（如說(shuō)話、走路聲）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

6、、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。2 方案設(shè)計(jì)2.1 總體方案設(shè)計(jì)2.1.1.壓電式振動(dòng)傳感器當(dāng)外力是壓電元件產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，在壓電元件的應(yīng)變方向出現(xiàn)電荷，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之當(dāng)壓電元件受外電場(chǎng)作用時(shí)，壓電元件產(chǎn)生機(jī)械力，這種現(xiàn)象稱為反壓電效應(yīng)。利用正壓電效應(yīng)的原理可制作壓電振動(dòng)式傳感器。壓式電振動(dòng)傳感器，是利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)構(gòu)成不同使用要求的振動(dòng)傳感器。最常用的有三種。如圖2.1.1 a所示是壓縮式結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)原理，調(diào)整通過(guò)中心孔螺栓形成質(zhì)量塊，它能檢測(cè)出微小的振動(dòng)。如圖2.1.1 b所示是剪切式結(jié)構(gòu)的振動(dòng)傳感器結(jié)構(gòu)原理，它是將兩塊壓電片對(duì)

7、稱的固定在軸的兩側(cè)，這種結(jié)構(gòu)可忽略橫向振動(dòng)的影響，還能在高溫環(huán)境中使用。如圖2.1.1 c是彎曲式結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加速度傳感器結(jié)構(gòu)原理，這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，它有體積小、質(zhì)量輕和靈敏的高等優(yōu)點(diǎn)，但壓電材料電阻有防抗高、脆性和難于與金屬粘連等缺點(diǎn)。 a壓縮式 b剪切式 c彎曲式圖2.1.1 壓電振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)原理2.1.2壓阻式振動(dòng)傳感器 壓阻式振動(dòng)傳感器是利用半導(dǎo)體應(yīng)變片的壓阻效應(yīng)制成，其結(jié)構(gòu)如圖2.1.2 a圖中互相垂直的三塊彈簧鋼制作的振動(dòng)板的板面分別平行于X、Y、Z軸，振動(dòng)板的頂端安裝鉛質(zhì)的質(zhì)量塊，半導(dǎo)體應(yīng)變片粘于振動(dòng)原點(diǎn)附近。當(dāng)玻璃承受某一點(diǎn)振動(dòng)時(shí)，由圖2.1.2 b所示電路可檢測(cè)出振動(dòng)的強(qiáng)

8、度，并輸出電壓信號(hào)。a結(jié)構(gòu)原理 b電路 圖2.1.2 壓阻式振動(dòng)傳感器2.1.3磁致伸縮式振動(dòng)傳感器 如圖2.1.3所示，磁致伸縮式振動(dòng)傳感器主要是由永久磁鐵、磁致伸縮桿、感應(yīng)線圈和外殼組成。伸縮桿由高鎳合金制成，在其一端設(shè)置有永久磁鐵，另一端安放在彈性部件上。感應(yīng)線圈繞制在伸縮桿的周圍，線圈兩端引出電極與控制線路連接。當(dāng)玻璃產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，傳感器的伸縮桿就會(huì)隨之產(chǎn)生振動(dòng)，感應(yīng)線圈中的磁通量就會(huì)發(fā)生變化。由電磁感應(yīng)原理可知，線圈中就會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生交變電動(dòng)勢(shì)，即傳感器就會(huì)有信號(hào)電壓輸出。1復(fù)位彈簧 2感應(yīng)線圈 3磁致伸縮桿 4殼體圖2.1.3 磁致伸縮式振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)2.2 傳感器的選擇 壓電陶瓷片具

9、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。 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（如說(shuō)話、走路聲）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。 在玻璃附近安裝壓電傳感器，當(dāng)壓電元件

10、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。 BS-D2壓電式傳感器是專門(mén)用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。 BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形如圖2.2.1 a所示，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.2.1 b所示傳感器的最小輸出電壓為100mV，最大輸出電壓為100V，內(nèi)阻抗為1520k，工作溫度為-2

11、0+70。 a-外形； b-內(nèi)部電路圖圖2.2.1 壓電式玻璃破碎傳感的外形及內(nèi)部電路圖系統(tǒng)電路原理框圖如圖2.2.2所示。使用時(shí)把傳感器貼在玻璃上，然后電纜和電路相連。為了提高報(bào)警器的靈敏度，信號(hào)經(jīng)放大后，再經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波，要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小，而頻帶外衰減要盡量大。由于玻璃振動(dòng)的波長(zhǎng)在音頻和超聲波的范圍內(nèi)，這就使濾波器成為電路中的關(guān)鍵。只有當(dāng)傳感器輸出信號(hào)高于設(shè)定的閾值時(shí)，才會(huì)輸出報(bào)警信號(hào)。玻璃破碎報(bào)警器可廣泛用于文物保護(hù)、貴重商品保管及其物業(yè)保安等場(chǎng)合。圖2.2.2 系統(tǒng)電路原理框圖2.3信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)1、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

12、壓源，如圖所示：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/Ri。若壓電元件受正弦力f = Fmsint的作用時(shí)，經(jīng)計(jì)算前置放大器輸入電壓Ui的幅值為：令0=1/R（Ca + Cc + Ci），當(dāng) /0>3 時(shí)，可認(rèn)為Uim與無(wú)關(guān)。利用壓電傳感器可測(cè)試玻璃破碎產(chǎn)生信號(hào)的強(qiáng)弱。2、前置放大電路壓電傳感器輸出電壓信號(hào)很微弱，通常只有幾十毫伏，而且壓電傳感器輸出阻抗很高。為達(dá)到阻抗匹配和信號(hào)放大的作用，選用低噪聲、高輸入阻抗的儀表放大器AD620作為前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。AD620放大增益可通過(guò)電位器

13、RG調(diào)節(jié)，增益 放大電路如圖所示圖2.3.2 放大電路圖3、帶通濾波器由于玻璃破碎產(chǎn)生的聲音信號(hào)頻率一般為10k15k，為減少誤報(bào)，信號(hào)經(jīng)放大后, 需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波, 要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小, 而帶外衰減要盡量大。采用二階壓控電壓源帶通濾波電路，如圖所示。可由設(shè)計(jì)手冊(cè)根據(jù)中心頻率和帶寬選取電阻電容值。 令濾波器中心頻率f=12.5KHz，帶寬BW=5KHz，取C=0.01uF由公式R=1/2fC，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+Rf1/R4，

14、求得Rf=6.6k，R4=4.13k圖2.3.3 二階壓控電壓源帶通濾波電路4、直流變換與比較輸出電路信號(hào)經(jīng)輸入調(diào)理電路后是一串被放大了的脈沖波，但是進(jìn)入比較器的信號(hào)必須是直流電壓。采用AD736進(jìn)行交直流變換，有比較成熟的電路。其輸入信號(hào)是有效值，最大為200mV。比較輸出是單片機(jī)能否正常顯示、報(bào)警的關(guān)鍵，電路中采用LM393進(jìn)行電壓比較。其工作原理如下：輸入信號(hào)與參考電壓Ref進(jìn)行比較，當(dāng)輸入信號(hào)小于Ref時(shí)，比較器輸出標(biāo)準(zhǔn)的+5V電壓；當(dāng)輸入信號(hào)大于Ref時(shí)，比較器輸出低電平。從AD736出來(lái)的直流電壓是隨傳感器的信號(hào)變化的，每當(dāng)有聲音振動(dòng)信號(hào)時(shí)，從比較器出來(lái)的電壓會(huì)形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的下降沿

15、電壓，觸發(fā)單片機(jī)中斷。電路如圖所示：圖交直流變換與比較輸出電路5、靈敏度調(diào)節(jié)電路為了實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃破碎振動(dòng)級(jí)別的識(shí)別，設(shè)計(jì)了報(bào)警靈敏度調(diào)節(jié)電路，可以通過(guò)調(diào)節(jié)它的不同級(jí)別來(lái)起到對(duì)不同強(qiáng)度的振動(dòng)有濾過(guò)作用。采用調(diào)節(jié)比較器的比較電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)靈敏度的調(diào)節(jié)。因?yàn)锳D736的最大輸出電壓為200mV，所以Ref也應(yīng)小于200mV。故需要分壓電路，采用電位器Rp對(duì)5V電源進(jìn)行分壓。 3 結(jié)論 在以上玻璃破碎振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先了解到玻璃破碎報(bào)警器是在玻璃破碎時(shí)發(fā)出警報(bào)的安保器件，它在我們的日常生活中有著重要的應(yīng)用。玻璃破碎振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中采用最多的就是壓電式玻璃破碎振動(dòng)傳感器，它具有使用頻帶寬、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

16、單、工作可靠、質(zhì)量輕、測(cè)量范圍廣等許多優(yōu)點(diǎn)。一般的貴重物品柜臺(tái)如珠寶店，展覽櫥窗、博物館等場(chǎng)合周遭會(huì)有很多雜音，其頻率一般為10kHZ以下（如說(shuō)話、走路、車輛駛過(guò)的聲音信號(hào)），而玻璃破碎的聲音振動(dòng)頻率在10k15kHZ范圍。該信號(hào)可使壓電傳感器的壓電元件產(chǎn)生正壓電效應(yīng)。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（如說(shuō)話、走路聲）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。在方案設(shè)計(jì)中，將壓電式振動(dòng)傳感器、壓阻式振動(dòng)傳感器、磁致伸縮式振動(dòng)傳感器進(jìn)行比較，最終結(jié)

17、合實(shí)際情況選擇了壓電式振動(dòng)傳感器類的BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器。它是專門(mén)用于監(jiān)測(cè)玻璃破碎的一種傳感器，它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出，輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。由于壓電傳感器輸出電壓信號(hào)很微弱，通常只有幾十毫伏，而且壓電傳感器輸出阻抗很高。為達(dá)到阻抗匹配和信號(hào)放大的作用，故選用低噪聲、高輸入阻抗的儀表放大器AD620作為前置放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。此外，由于玻璃破碎產(chǎn)生的聲音信號(hào)頻率一般為10k15k，為減少誤報(bào)，信號(hào)經(jīng)放大后, 需經(jīng)帶通濾波器進(jìn)行濾波, 要求它對(duì)選定的頻譜通帶的衰減要小, 而帶外衰減要盡量大。選擇采用二階壓控電壓源帶通濾波電路。最后，信號(hào)經(jīng)輸入調(diào)理電路后是一串被放大了的脈沖波，但是進(jìn)入比較器的信號(hào)必須是直流電壓。選擇采用AD736進(jìn)行交直流變換，有比較成熟的電路。其輸入信號(hào)是有效值，最大為200mV。將玻璃受撞擊和破