工程测试技术课程设计分析.doc

1 绪论 2
1.1目的背景意义 2
1.2发展状况 2
1.3 设计研究内容 3
2 方案设计 3
2.1 总体方案设计 3
2.1.1.压电式振动传感器 3
2.1.2压阻式振动传感器 4
2.1.3磁致伸缩式振动传感器 5
2.2 传感器的选择 5
2.3信号调理电路设计 6
3 结论 9

1 绪论
1.1目的背景意义
玻璃破碎报警器是在玻璃破碎时发出警报的安保器件，它在我们的日常生活中有着重要的应用，多数防盗系统中都有它的身影，比较常见的是在博物馆、珠宝店等。利用压电陶瓷片可以制成玻璃破碎入侵探测器，对于高频的玻璃破碎声音进行有效检测可以达到同样目的。
玻璃破碎探测器按照工作原理的不同可以大致分为两类：一类是声控型的单技术玻璃破碎探测器，另一类是双技术型玻璃破碎探测器，其中包括声控-震动型和次声波-玻璃破碎高频声响型。
目前报警器中采用最多的就是压电式玻璃破碎振动传感器，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。一般的贵重物品柜台如珠宝店，展览橱窗、博物馆等场合周遭会有很多杂音，其频率一般为10kHZ以下（如说话、走路、车辆驶过的声音信号），而玻璃破碎的声音振动频率在10k～15kHZ范围。报警系统需要甄别传感器的数据，仅在数据显示需要报警的频段进行报警；考虑到现代犯罪通常会切断通用电源，报警系统和传感器系统需要能够在通用电源不能正常提供工作电压（电压过低或断电）时及时切换备用电源；对于一些比较敏感的场合（重要展览馆或展厅）需要将报警信号与警方联动，达到真正意义上保护贵重物品的要求。
1.2发展状况
1946年美国麻省理工学院绝缘研究室发现，在钛酸钡铁电陶瓷上施加直流高压电场，使其自发极化沿电场方向择优取向,除去电场后仍能保持一定的剩余极化,使它具有压电效应，从此诞生了压电陶瓷。常用的压电陶瓷有钛酸钡系、钛酸铅－锆酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3(A表示二价金属离子，B表示四价金属离子或几种离子总和为正四价)型化合物。铌酸盐系压电陶瓷,如氧化钠(钾)，氯化铌等,它们不含有毒的铅，对环境保护有利。
人们最初对窗户的防范是在窗口安装一个由金属丝串成的网，这些细金属丝与一个金属夹相连形成一个回路。当有人破窗而入时，就会碰掉夹子上的金属丝而形成开路报警。这种金属丝网并不能探测玻璃破碎，仅仅是探测到入侵者通过被破坏了的窗户进入房间。
铝箔的应用是对玻璃破碎的测试向前跨进了一大步。约一厘米宽的铝箔带沿玻璃边缘贴在玻璃窗上，铝箔带形成回路。由于铝箔带紧贴在玻璃上，玻璃破碎时，铝箔也将断裂而报警。随之而来的问题是：由于铝箔的伸缩率与玻璃不同，铝箔上的微小裂缝不易发现，维修人员要花几个小时的时间去寻找裂缝。铝箔还非常容易受损或脱落，特别是在公共场合如商场橱窗。
接下来的是一种由夹在两个金属叉之间的小钢珠组成的装置。日过玻璃被撞击（不一定破碎），这种装置容易产生误报，不能真正解决问题。然后出现了超声波玻璃破碎探测仪。这种装置通常是安装在屋顶来监测玻璃破碎时产生的高音频，超声波玻璃破碎探测仪存在的问题是：它能感应到任何超声波噪音，如汽车刹车的声音，电话铃声，发动机的噪音以及几乎任何麦克风能收到的高音。
几年前，推出了应用BS-D2压电式玻璃破碎传感器的测试系统来探测玻璃破碎。其运用了压电式振动传感器原理。
1.3 设计研究内容
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。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（如说话、走路声）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。
2 方案设计
2.1 总体方案设计
2.1.1.压电式振动传感器
当外力是压电元件产生应变时，在压电元件的应变方向出现电荷，这种现象称为正压电效应。反之当压电元件受外电场作用时，压电元件产生机械力，这种现象称为反压电效应。利用正压电效应的原理可制作压电振动式传感器。
压式电振动传感器，是利用压电陶瓷的压电效应构成不同使用要求的振动传感器。最常用的有三种。如图2.1.1 a所示是压缩式结构的振动传感器的结构原理，调整通过中心孔螺栓形成质量块，它能检测出微小的振动。如图2.1.1 b所示是剪切式结构的振动传感器结构原理，它是将两块压电片对称的固定在轴的两侧，这种结构可忽略横向振动的影响，还能在高温环境中使用。如图2.1.1 c是弯曲式结构的振动加速度传感器结构原理，这种传感器结构简单，它有体积小、质量轻和灵敏的高等优点，但压电材料电阻有防抗高、脆性和难于与金属粘连等缺点。

a—压缩式 b—剪切式 c—弯曲式
图2.1.1 压电振动传感器的结构原理
2.1.2压阻式振动传感器
压阻式振动传感器是利用半导体应变片的压阻效应制成，其结构如图2.1.2 a图中互相垂直的三块弹簧钢制作的振动板的板面分别平行于X、Y、Z轴，振动板的顶端安装铅质的质量块，半导体应变片粘于振动原点附近。当玻璃承受某一点振动时，由图2.1.2 b所示电路可检测出振动的强度，并输出电压信号。

a—结构原理 b—电路
图2.1.2 压阻式振动传感器
2.1.3磁致伸缩式振动传感器
如图2.1.3所示，磁致伸缩式振动传感器主要是由永久磁铁、磁致伸缩杆、感应线圈和外壳组成。伸缩杆由高镍合金制成，在其一端设置有永久磁铁，另一端安放在弹性部件上。感应线圈绕制在伸缩杆的周围，线圈两端引出电极与控制线路连接。
当玻璃产生振动时，传感器的伸缩杆就会随之产生振动，感应线圈中的磁通量就会发生变化。由电磁感应原理可知，线圈中就会感应产生交变电动势，即传感器就会有信号电压输出。

1—复位弹簧 2—感应线圈 3—磁致伸缩杆 4—壳体
图2.1.3 磁致伸缩式振动传感器的结构
2.2 传感器的选择
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。
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（如说话、走路声）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。
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。
BS-D2压电式传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。
BS-D2压电式玻璃破碎传感器的外形如图2.2.1 a所示，其内部结构如图2.2.1 b所示传感器的最小输出电压为100mV，最大输出电压为100V，内阻抗为15~20kΩ，工作温度为-20~+70℃。
a--外形； b--内部电路图
图2.2.1 压电式玻璃破碎传感的外形及内部电路图
系统电路原理框图如图2.2.2所示。使用时把传感器贴在玻璃上，然后电缆和电路相连。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，再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，而频带外衰减要尽量大。由于玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号。
玻璃破碎报警器可广泛用于文物保护、贵重商品保管及其物业保安等场合。

图2.2.2 系统电路原理框图
2.3信号调理电路设计
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2.3.1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。利用压电传感器可测试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2.3.2所示

图2.3.2 放大电路图
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2.3.3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2.3.3 二阶压控电压源带通滤波电路
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2.3.4所示：

图2.3.4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。
3 结论
在以上玻璃破碎振动测试系统设计中，首先了解到玻璃破碎报警器是在玻璃破碎时发出警报的安保器件，它在我们的日常生活中有着重要的应用。玻璃破碎振动测试系统中采用最多的就是压电式玻璃破碎振动传感器，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。一般的贵重物品柜台如珠宝店，展览橱窗、博物馆等场合周遭会有很多杂音，其频率一般为10kHZ以下（如说话、走路、车辆驶过的声音信号），而玻璃破碎的声音振动频率在10k～15kHZ范围。该信号可使压电传感器的压电元件产生正压电效应。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（如说话、走路声）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。
在方案设计中，将压电式振动传感器、压阻式振动传感器、磁致伸缩式振动传感器进行比较，最终结合实际情况选择了压电式振动传感器类的BS-D2压电式玻璃破碎传感器。它是专门用于监测玻璃破碎的一种传感器，它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。
由于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，故选用低噪声、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。
此外，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。选择采用二阶压控电压源带通滤波电路。
最后，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。选择采用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。将玻璃受撞击和破碎时产生的振动波进行一系列信号调理提供给报警系统。

参考文献
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