传感器课程设计压电陶瓷

东北石油大学

课程设计

2015年7 月8日

任务书

课程传感器课程设计

题目压电陶瓷传感器应用电路设计

专业测控技术与仪器姓名王辰学号120601240217

主要内容：

本课题针对生活安全性能要求日益提高以及新型材料的日益发展设计应用压电陶瓷传感器的原理制成的声传感器，并以此为基础组合成声控报警器件，分析传感器原理及相应辅助电路原理，计算有关参数，并加以总结。设计内容包括压电陶瓷的原理，压电陶瓷制成声传感器的方式以及进一步对声控报警器的组合。通过声控报警器可以使个人防盗不仅局限于楼道车库等场所，更趋向于精密化来减小体积使其适用于更有针对性的地方。

基本要求：

1．掌握传感器的工作原理及相应辅助电路的设计方法；

2．独立设计原理图及相应硬件电路；

3．设计格式规范、层次合理、重点突出、并有详细的原理图。

主要参考资料：

[1] 谢嘉奎，电子线路[M].北京：高等教育出版社，199 7.10

[2]刘润华,刘立山.模拟电子技术[M].山东:石油大学出版社，2003.6

[3]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，1999.7

[4] 方大千.实用电子制作精选[M].科学技术文献出版社，2003.1

完成期限2015.7.4—2015.7.8

指导教师

专业负责人

2015年7 月1 日

摘要

压电陶瓷是一种具有压电效应的多晶体，由于它的生产工艺与陶瓷的生产工艺相似因而得名。压电陶瓷传感器是以压电陶瓷的压电效应为基础，在外力作用下，在其表面上产生电荷，从而实现非电量测量。

压电陶瓷传感器的特点是具有：转换性能、机械性能、电性能、环境适应性和时间稳定性，由于它的压电性以及由此引起的机电性能的多样性获得了广泛应用。一般可将这些应用分成两大类，即作为压电振子使用和作为换能器使用。作为压电振子使用时要求压电陶瓷材料有好的频率温度稳定性及较高的机械品质因数（表示振动转换时材料内部能量消耗的程度）；作为换能器使用时要求有较高的机械藕合系数等于机械转变为电能/输入机械能，或电能转变为机械能/输入电能)和较大的相对介电常数，本文将介绍几种压电陶瓷传感器的应用。

关键词：压电陶瓷传感器；声控报警；电子打火；压电变压器

目录

一、设计要求 (1)

1、功能与用途 (1)

2、课题研究的意义 (1)

3、国内外发展现状 (1)

二、设计方案及其特点 (1)

1、方案说明 (1)

2、方案论证 (2)

三、传感器工作原理 (3)

四、电路的工作原理 (3)

五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (4)

1、单元电路设计 (4)

2、参数计算 (9)

3、器件选择 (9)

六、总结 (10)

参考文献 (12)

声控报警器电路设计

一、设计要求

1、功能与用途

声控报警器通过利用压电陶瓷的压电特性，可以将声音即机械波转换为电信号，进而可以声控报警。声控报警器多应用于住宅、商业区、工业区、以及一些私人场所的防盗。

2、课题研究的意义

近年来,电子电器飞速发展，人民生活水平提高，各种高级家电产品和贵重物愈来愈多，那么防盗就成了不可或缺的一不要分，而报警器就可以帮人们解决这一问题。现市场上大部分报警器价格昂贵，人们难以接受。若设计一种廉价、性能灵敏可靠的防盗报警器，必将在防盗和保证财产安全方面发挥更加有效的作用。由于声控报警器体积小，灵敏度高，具有很强的隐蔽性，因此在防盗、警戒等安保装置中得到了广泛应用。另外价格低廉，性能稳定受到人们的青睐。在现实生活中，传统的声控报警器有着诸多的缺点，而且造价昂贵，无法做到在生活中通用，本文通过研究以压电陶瓷为核心而制成的声控报警器来改进现有技术，减少使用者所需要的费用，并且使声控报警器更加耐用，灵敏度得到提升，更加平民化，使其应用于更多适用场合。

3、国内外发展现状

国内发展较为迅速但是仍然不成熟，目前应用于商业区、工业区的场合较多，私人场合也有部分应用，以国内现有技术的基础上正在向减少成本，提高性能的方向上发展；国外发展趋于成熟，几乎在每个人家中都配有声控报警器并建立有一系列的报警网络，所以国外的主要研究方向为提高声控报警器的灵敏度、性能等方面，在“精”的方面上做工作。。

二、设计方案及其特点

1、方案说明

对于声控报警器的设计可分为下面三种不同的设计方案：

方案1：采用压电陶瓷片采集声音信号，采用LM324放大经过反向后输出，输出信号触发单稳态触发器和多谐振荡器工作，触发报警电路；

方案2：采用压电陶瓷片采集声音信号，经三极管C9013反向放大后触发一个NE555芯片构成单稳态触发器，驱动蜂鸣器和发光二极管工作，发光二极管和蜂鸣器两端用稳压管使电压稳定；

方案3: 在方案1的基础上增加多谐振荡器，再输出到报警部分两端，驱动其工作，仍然采用稳压管使其稳压，稳压管的稳压值不能高于5V，否则就不起作用，电路增加元件；

系统框图：

图1 方案原理框图

2、方案论证

方案1：采用压电陶瓷片采集声音信号，采用LM324放大经过反向后输出，输出信号触发单稳态触发器和多谐振荡器工作，触发报警电路，但是使输出反向比较麻烦且元件利用率不高，LM324只利用了其中一部分，并且触发信号没必要太大，不予采用；

方案2：采用压电陶瓷片采集声音信号，经三极管C9013反向放大后触发一个NE555芯片构成单稳态触发器，驱动蜂鸣器和发光二极管工作，发光二极管和蜂鸣器两端用稳压管使电压稳定，但是单稳态触发器是低电平触发，时间比较短暂，报警不明显，不易觉察，但是可以通过加入放大元件来改善，予以采用。

方案3: 在方案1的基础上增加多谐振荡器，再输出到报警部分两端，驱动其工作，仍然采用稳压管使其稳压，稳压管的稳压值不能高于5V，否则就不起作