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 [1**********]7 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

用，电路增加元件，使得电路变得复杂，经费增多，不予采用。

三、传感器工作原理

压电陶瓷传感器采用特殊材料制成。某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时，相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷（即产生电位差），外力去掉后，电荷消失。

力的方向改变时，电荷的符号也随之改变，这种现象称压电效应（正压电效应）。反之当晶体带电或处于电场中，则产生机械应力，这种现象称逆压电效应。具有压电效应的材料称压电元件或压电材料。压电材料分为两类：其中一类是单晶压材料（如石英晶体）；

另一类是极化的多晶压电陶瓷（如钛酸钡、锆钛酸钡等）。压电陶瓷是人造多晶体，材料内的经历有许多自发极化电畴。

在极化处理之前，各晶粒内电畴任意方向排列，自发极化的作用相互抵消，陶瓷内极化强度为零。

在陶瓷上施加外电场时，电畴自极化方向转至与外电场方向一致，此时拥有一定的极化强度。

当外电场撤出后，各电畴的自发极化方向在一定程度上按原外加电场方向取向，陶瓷极化强度并不立即恢复到零，此时存在剩余极化强度。

同时陶瓷两端出现束缚电荷，一端为正一端为负，由于束缚电荷的作用，两段很快吸附一层外界的自由电子这时束缚电荷与自由电荷数值相等极性相反因此陶瓷片对外不显极性。

如果在压电陶瓷上加上一个与极化方向平行的外力，陶瓷片产生压缩变形，片内自由电荷之间距离减小，电畴发生偏转，极化强度变小，因此吸附在表面的自由电子有一部分被释放呈现放电现象。当外力撤销时，陶瓷片恢复原状，极化强度增大，又吸附一部分自由电荷，呈现充电现象。

q=d33F (1)

四、电路的工作原理

本设计利用压电陶瓷片作为声传感器获得电压，经三极管9013反向放大后触发由NE555集成芯片构成的单稳态触发器和多谐振荡器,输出电压驱动蜂鸣器和发光二极管工作。

图2 总原理电路图

五、单元电路设计、参数计算和器件选择

1、单元电路设计

（1）声音采集放大

图3 压电陶瓷片的振动方式

压电蜂鸣片由压电陶瓷片和金属振动板粘粘而成，由振荡电路激励，通过压电效应，采集声音信号并将其转换为电信号，其振动方式如图3；这部分电路比较简单，由压电陶瓷片采集声音，使其转换为电信号，经过三极管共射反向放大后触发由555构成的单稳态时基电路。放大倍数只要够大就能够触发后面电路工作。

（2）时钟信号产生电路

① NE555

NE555时基集成芯片的电路结构和芯片引脚图如图4所示。他含有两个电压比较器C1、C2，一个基本RS触发器，一个放电开关管Td，比较器的参考电压由三只5K的电阻构成的分压器提供。

图4 NE555内部结构图

图5 NE555内部引脚图

分压器分别使高电平比较器C1的同相输入端和低电平比较器C2的反相输入端的参考电平为2Vcc/3和Vcc/3。C1、C2的输出端控制RS触发器状态和放电管开关状态。

当输入信号从6脚输入并超过参考电平2Vcc/3时，触发器复位，555的输出3脚为低电平，同时放电开关管导通。当输入信号从2脚输入并低于Vcc/3时，基本RS触发器置位，555的输出Vo为高电平，同时放电开关管截止。4脚是复位脚，当为低电平时，555输出低电平。平时4脚开路或接Vcc。

5脚是外加控制电压输入端，当5脚外接一个输入电压时，则改变比较器的参考电压，不接外加电压时，5脚通常接一个0.01uF的电容到地，用来消除外来的干扰，以确保参考电平稳定。

Td是放电管，当Td导通时，为放电端7脚提供低阻抗放电通路。555定时器主要通过电阻R和电容C构成充放电电路，并由两个比较器来检测电容上的电压，以确定输出电平的高低和放电开关管的通断。

利用它可以构成从微秒到数十分钟的延时电路、单稳态触发电路、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。

② 由NE555构成的单稳态触发器电路

由NE555构成的单稳态触发器如图6所示，将555定时器的2号脚作为外触发信号的输入端，将THR输入端与放电三极管TD的放电端DISC连在一起，并接在RC回路中的VC端。单稳态触发器的外触发信号的有效电平为低电平，如果没有触发信号，V1处于高电平。

这时，放点三极管导通VC约为0使得VC1=1、VC2=1,基本RS触发器处于保持状态，Q=0,VO=0,这是单稳态触发器的稳态。

图6 由NE555构成的单稳态触发器电路

图7 由NE555构成的单稳态触发器工作波形图

在输入脉冲下降沿的触发下，V12跳变到VCC/3以下，RS被置1，输出为高电平，电路进入暂稳态，TD截止，VCC开始经过RA对电容充电。当VC电压上升到VC>2VCC/3时，如果此时输入的触发已消失，V1回到高电平，则RS触发器将被置0，输出返回V0=0状态。同时TD变为导通状态，电容CA通过TD迅速放电，直到VC约等于0，电路自动恢复到稳态。在输入触发信号作用下，VC和VO相应的电压波形如图7所示。

③ 由NE555构成的多谐振荡电路

图8 由NE555构成的多谐振荡器

用555定时器构成的多谐振荡器电路如图8所示。R由RA和RB两只电阻组成，两个电阻的中点接到放电三级管Td的放电端7脚。比较器电压由电源Vcc经三个电阻分压形成。外接控制电压输入端未用，经0.01uF电容接地，以防干扰。电路没有稳态，电路亦不外接触发信号，利用电源通过RA,RB向C充电，以及C通过RB向放电端放电。电容C在Vcc/3和2Vcc/3之间充电和放电，其波形如图9。

图9 由NE555构成的多谐振荡器工作波形图

（3）报警电路

此部分由蜂鸣器和发光二极管组成，其中发光二极管和蜂鸣器为串联，发光二极管在导通状态下电阻约等于0，故可以串联，在蜂鸣器与发光二极管两端并联一个稳压二极管，起到保护作用，保证报警电路两端电压不至于过高，并能够使其稳定工作。

2、参数计算

电路没有稳态，仅存在两个暂稳态，电路亦不需要外接触发信号，利用电源通过RA,RB向C充电，以及C通过RB向放电端放电，使电路产生振荡。电容C在Vcc/3和2Vcc/3之间充电和放电。

t=th+tl （2） th=0.7R （3） (A+RB)C tl=0.7RBC （4）

3、器件选择 （1）器件选择

R1至R8、Rp均为电阻。C1至C5均为电容。B1为晶振，B2选用φ22mm的AD16系列蜂鸣器，V选用C9013型硅NPN晶体管,放大倍数为176。IC1、

IC2

选用NE555时基集成芯片，VL选用φ3mm的高亮度的发光二极管。

（2）元器件清单

六、总结

如果使用的地方比较大，可以多用几个压电陶瓷片进行多方位的监视，压电陶瓷片为并联接法，也可以再多用几个蜂鸣器和发光二极管并联使用到不同的地方，增加报警所达到的范围，能达到较好的防盗报警功能，但是缺点是没有识别系统，也就是说无论是谁只要在一定范围内发出声音都会报警（只要发出的声音能够触发该报警电路），所以这个报警系统如果加上识别系统才够完美，但是这个成本就较高了。

以前对电路的工作过程只能抽象地去理解，做电路板也都是进行简单的模仿，做这次课程设计刚开始也是模仿其他电路，结果不能调试出来，除了前面所说的原因外一个重要的原因就是没有完全理解别人的电路，并且别人的电路不一定符合自己的要求，只有在别人电路的基础上自己设计出来的电路错了才知道在哪里修改及怎样修改，后来，翻阅了有关书籍，关于这次课程设计所要用到的一些电路的知识又重新复习了一下，终于完全明白了电路的原理，并且在以前的基础上自己设计出了这次课程设计的电路，并且调试成功。模仿别人的电路做要几天，并且不一定能够调试成功，而用自己的电路一天就能成功，但是要在完全理解原理的情况下才能够自己设计电路。

首先要认清问题，认真分析问题，只有认真地去分析问题才能更好的解决问题，分析问题时必须具备细心，耐心，恒心和毅力，同时还要实事求是地分析问题，不能为了应付课设的验收，更不能为了做电路板而做电路板，要为了提高自己的动手能力，提高理解知识为目的，做电路板的每一步都要细心、耐心，认真考虑所遇到的问题，在实践中不断提高分析和动手能力。通过这次课程设计,提高了分析问题能力和动手能力，并验证了理论知识，通过实际测试，理论值和实际值有一定的差别，但是是在误差的允许范围内。

参考文献

[1] 谢嘉奎，电子线路[M].北京：高等教育出版社，1997.10

[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 [5]邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，2006.5

东北石油大学课程设计成绩评价表

指导教师： 年 月 日