校园实训室玻璃地板破碎报警器电路设计

安 然

(运城职业技术学院 山西 运城 044000)

0 引 言

目前校园内实训室的装修也像家居装修一样越来越新颖，以前的地板局限于瓷地板和木地板等，而现在很多实训室采用了玻璃地板，玻璃地板的原材料是钢化玻璃，具有很强的稳固性和抗冲击性，不会像普通玻璃一样易碎。运城职业技术学院的计算机网络实训室之所以选择玻璃地板，是因为相比其他材料的地板，玻璃地板不仅是新颖美观，更是服务于《网络综合布线》这门课程。网络实验室拥有千兆交换机、千兆路由器、千兆防火墙、入侵检测、语音网关等网络设备，承担着计算机网络、组网技术与网络管理、服务器管理与维护、网络工程与综合布线、网络安全技术等课程的实践教学工作。能提供从核心层、骨干层、汇聚层到接入层等不同业务的网络应用，可开设交换实验、路由实验、安全实验、VOIP实验、无线网络实验、认证计费实验、综合网络实验、逻辑网络实验等。搭建玻璃地板可以直观地看到地板下面各种电缆的铺设方式，便于学生的学习。不过玻璃地板存在隐患，如果破碎，会出现人员的伤亡和漏电等重大事故，本文针对这一点设计一款实训室玻璃地板破碎报警器。

1 电路框图

压电式振动传感器是专门用于检测玻璃破碎的一种传感器，适用于一些特殊场合的报警。它主要是利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃地板的撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压信号输出，输出电压经过放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统，如图1所示。

图1 压电式玻璃破碎报警器电路框图

2 任务实现

2.1 压电式玻璃破碎报警器的选用

随着技术的发展，新型振动传感器性能越来越好，本设计选用Z02B集成高灵敏度的振动传感模块，使用时将传感器用胶贴在玻璃上，然后通过电缆和报警器相连。Z02工作电压为DC 5 V(典型应用为3 V，极限为12 V)。由于该模块输出幅度可达到模块端电源电压，满足数字模块的出发电压，所以使用时通过与非门整形后和三极管9014相连，三极管9014集电极通过扬声器BL接电源。为了提高报警器的灵敏度，信号经过放大后，需经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带内衰减要小，而对外衰减落差大，如图2所示。

图2 BS—D2压电式玻璃破碎传感器

2.2 放大电路

传感器的输出信号一般比较微弱，需通过放大电路将其输出的直流信号进行放大处理，为检测系统提供高精度的信号。由于压电传感器产生的电量非常小，就要求测量电路的输入电阻尽量大，这样才能减小测量误差，因此在压电式传感器的输出端总是接入高输入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大电路。这里选择电荷型放大电路，图3(a)中Ra为压电传感器的绝缘电阻，Cc为连接电缆的传输电容，Ri为前置放大器的输入电阻，Ci为前置放大器输入电容；图(b)中为等效综合电容，C=Ci+Ca+Cc，R=RaRi/(Ra+Ri)即为等效综合电阻，两图中Rf、Cf为反馈电阻和电容，分析计算可得输出电压ΔU=-Q/Cf,可见 可见输出电压值主要决定于Q和Cf，因此要得到必要的测量精度，反馈电容Cf的温度和时间稳定性要好。在实际应用中，考虑到不同的量程，Cf的容量一般做成可调式，范围在100～10 000 pF之间。

图3 压电式传感器电荷型放大电路

2.3 带通滤波器

在传感器获取的测量信号中，往往混入了一些与被测量无关的干扰信号，使测量结果产生误差，控制装置误动作，所以需要采取相应措施，提取有用信号，抑制噪声等干扰信号。对于系统内噪声，重要的是抑制噪声源，选用质量好的器件；对于系统间噪声，要防止外来噪声的侵入，在这里选用滤波的方式，如图4所示。

滤波器是一种能使有用频率信号顺利通过而同时抑制无用频率信号的电子装置，它的特性用幅频响应来表征。带通滤波器有两个阻带，一个通带，只允许某一频带内的信号通过。而通带下线频率wL以下，上限频率wH以上的信号均被滤除，如图5所示。

图4 带通滤波器幅频响应图 图5 有源带通滤波器电路

2.4 振动报警电路

该传感器的灵敏度极高，能检测微弱的振动波；抗冲击强度高，能承受同类传感器不能承受的强烈振动工作条件；防水性能好，能适应湿度较大的工作环境。因此，Z02B非常适用于玻璃地板监控的振动信号采集，安装在玻璃地板一些振动敏感的地方。它也可作为玻璃破碎报警，安装时需将模块安装面与玻璃表面紧贴。

为了避免玻璃轻微振动产生误报警，采用了分压比较电路来实现，通过调整可调电阻，来获得玻璃破碎所要达到的报警电压，使得门电路刚好可以被驱动，从而使三极管进入饱和状态，实现扬声器BL报警，起到防盗功效，如图6所示。

图6 振动报警电路

3 总 结

通过以上压电式玻璃破碎传感器Z02B的电路设计，将外加的压力转换成电荷变化量，再通过电荷放大后，检测其对应的压力。电容式传感器将外加力转变成传感器电容量的变化，然后再通过一定的电路将此电容的变化转换为电压、电流或频率等信号的输出，从而实现对压力的测量。