玻璃破碎报警器

自动检测技术与应用

项目报告

学校：广东水利电力职业技术学院

系别：自动化工程系

班别： 13嵌入式系统班

姓名：***

学号： *********

指导老师：**

日期： 2014-12-14

引言

很多贵重物品柜台如珠宝店，展览橱窗、博物馆等场合为防盗和防抢劫，希望安装一种玻璃破碎能自动报警的装置。这种报警装置需要能够最大限度的防止误报警，并且准确的将报警信号传达到中央控制室甚至警方，以保证贵重物品的安全。我们提供的玻璃破碎报警系统的方案，可以高效的收集危机信号，并且以最快速度报告给中央控制中心，并且考虑到了断电这一不确定因素对报警的影响，为贵重物品安全提供了一个非常强力的保障。

目录

引言 (2)

1.使用背景 (4)

2.压电效应 (4)

3.工作原理 (6)

4.灵敏度 (7)

5.频率特性 (9)

6.方案设计 (10)

7.电路原理图 (12)

8.电路设计分析 (13)

9.设计总结 (18)

10.参考文献 (19)

1.使用背景

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传输的数据，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。

2.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。

3.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。

4.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。