压电式玻璃破碎报警器

HEFEI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

《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=33d F ，33d 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