安 然

(運城職業(yè)技術學院 山西 運城 044000)

0 引 言

目前校園內(nèi)實訓室的裝修也像家居裝修一樣越來越新穎，以前的地板局限于瓷地板和木地板等，而現(xiàn)在很多實訓室采用了玻璃地板，玻璃地板的原材料是鋼化玻璃，具有很強的穩(wěn)固性和抗沖擊性，不會像普通玻璃一樣易碎。運城職業(yè)技術學院的計算機網(wǎng)絡實訓室之所以選擇玻璃地板，是因為相比其他材料的地板，玻璃地板不僅是新穎美觀，更是服務于《網(wǎng)絡綜合布線》這門課程。網(wǎng)絡實驗室擁有千兆交換機、千兆路由器、千兆防火墻、入侵檢測、語音網(wǎng)關等網(wǎng)絡設備，承擔著計算機網(wǎng)絡、組網(wǎng)技術與網(wǎng)絡管理、服務器管理與維護、網(wǎng)絡工程與綜合布線、網(wǎng)絡安全技術等課程的實踐教學工作。能提供從核心層、骨干層、匯聚層到接入層等不同業(yè)務的網(wǎng)絡應用，可開設交換實驗、路由實驗、安全實驗、VOIP實驗、無線網(wǎng)絡實驗、認證計費實驗、綜合網(wǎng)絡實驗、邏輯網(wǎng)絡實驗等。搭建玻璃地板可以直觀地看到地板下面各種電纜的鋪設方式，便于學生的學習。不過玻璃地板存在隱患，如果破碎，會出現(xiàn)人員的傷亡和漏電等重大事故，本文針對這一點設計一款實訓室玻璃地板破碎報警器。

1 電路框圖

壓電式振動傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器，適用于一些特殊場合的報警。它主要是利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃地板的撞擊和破碎時產(chǎn)生的振動波。傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，輸出電壓經(jīng)過放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 壓電式玻璃破碎報警器電路框圖

2 任務實現(xiàn)

2.1 壓電式玻璃破碎報警器的選用

隨著技術的發(fā)展，新型振動傳感器性能越來越好，本設計選用Z02B集成高靈敏度的振動傳感模塊，使用時將傳感器用膠貼在玻璃上，然后通過電纜和報警器相連。Z02工作電壓為DC 5 V(典型應用為3 V，極限為12 V)。由于該模塊輸出幅度可達到模塊端電源電壓，滿足數(shù)字模塊的出發(fā)電壓，所以使用時通過與非門整形后和三極管9014相連，三極管9014集電極通過揚聲器BL接電源。為了提高報警器的靈敏度，信號經(jīng)過放大后，需經(jīng)帶通濾波器進行濾波，要求它對選定的頻譜通帶內(nèi)衰減要小，而對外衰減落差大，如圖2所示。

圖2 BS—D2壓電式玻璃破碎傳感器

2.2 放大電路

傳感器的輸出信號一般比較微弱，需通過放大電路將其輸出的直流信號進行放大處理，為檢測系統(tǒng)提供高精度的信號。由于壓電傳感器產(chǎn)生的電量非常小，就要求測量電路的輸入電阻盡量大，這樣才能減小測量誤差，因此在壓電式傳感器的輸出端總是接入高輸入阻抗的前置放大器，然后再接入一般的放大電路。這里選擇電荷型放大電路，圖3(a)中Ra為壓電傳感器的絕緣電阻，Cc為連接電纜的傳輸電容，Ri為前置放大器的輸入電阻，Ci為前置放大器輸入電容；圖(b)中為等效綜合電容，C=Ci+Ca+Cc，R=RaRi/(Ra+Ri)即為等效綜合電阻，兩圖中Rf、Cf為反饋電阻和電容，分析計算可得輸出電壓ΔU=-Q/Cf,可見 可見輸出電壓值主要決定于Q和Cf，因此要得到必要的測量精度，反饋電容Cf的溫度和時間穩(wěn)定性要好。在實際應用中，考慮到不同的量程，Cf的容量一般做成可調(diào)式，范圍在100～10 000 pF之間。

圖3 壓電式傳感器電荷型放大電路

2.3 帶通濾波器

在傳感器獲取的測量信號中，往往混入了一些與被測量無關的干擾信號，使測量結果產(chǎn)生誤差，控制裝置誤動作，所以需要采取相應措施，提取有用信號，抑制噪聲等干擾信號。對于系統(tǒng)內(nèi)噪聲，重要的是抑制噪聲源，選用質(zhì)量好的器件；對于系統(tǒng)間噪聲，要防止外來噪聲的侵入，在這里選用濾波的方式，如圖4所示。

濾波器是一種能使有用頻率信號順利通過而同時抑制無用頻率信號的電子裝置，它的特性用幅頻響應來表征。帶通濾波器有兩個阻帶，一個通帶，只允許某一頻帶內(nèi)的信號通過。而通帶下線頻率wL以下，上限頻率wH以上的信號均被濾除，如圖5所示。

圖4 帶通濾波器幅頻響應圖 圖5 有源帶通濾波器電路

2.4 振動報警電路

該傳感器的靈敏度極高，能檢測微弱的振動波；抗沖擊強度高，能承受同類傳感器不能承受的強烈振動工作條件；防水性能好，能適應濕度較大的工作環(huán)境。因此，Z02B非常適用于玻璃地板監(jiān)控的振動信號采集，安裝在玻璃地板一些振動敏感的地方。它也可作為玻璃破碎報警，安裝時需將模塊安裝面與玻璃表面緊貼。

為了避免玻璃輕微振動產(chǎn)生誤報警，采用了分壓比較電路來實現(xiàn)，通過調(diào)整可調(diào)電阻，來獲得玻璃破碎所要達到的報警電壓，使得門電路剛好可以被驅(qū)動，從而使三極管進入飽和狀態(tài)，實現(xiàn)揚聲器BL報警，起到防盜功效，如圖6所示。

圖6 振動報警電路

3 總 結

通過以上壓電式玻璃破碎傳感器Z02B的電路設計，將外加的壓力轉(zhuǎn)換成電荷變化量，再通過電荷放大后，檢測其對應的壓力。電容式傳感器將外加力轉(zhuǎn)變成傳感器電容量的變化，然后再通過一定的電路將此電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓、電流或頻率等信號的輸出，從而實現(xiàn)對壓力的測量。