Piezosensor im Einbruchalarm

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Sicherheitseinrichtungen und Objektsignalisierung

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Das Hauptelement des Sensors ist ein piezoelektrisches Element, ergänzt durch einen Trägheitswandler. Der Aufbau des Sensors ist in Abb. 1 dargestellt. Auf der Leiterplatte 1 ist ein akustischer piezoelektrischer Strahler 4 mit offener Kaschierung befestigt, auf den ein M-förmiger Drahtträger 3 gelötet ist, auf den eine elastische Speiche 2 gelötet ist, deren eines Ende abgeflacht, eingebogen ist ein Halbkreis und an die Platine 1 gelötet, und eine Last ist an der anderen 5 befestigt.

Fig. 1

In der Kopie des Sensors des Autors bestand die Speiche aus Stahldraht mit einem Durchmesser von 0,8 mm (Büroklammer), ihr abgeflachtes Ende hatte eine Dicke von 0,2 ... 0,25 mm, Last 5 war ein Bleiwürfel mit einem Gewicht von 3 g. Der Versuch zeigte, dass die Resonanzfrequenz eines solchen Wandlers Fpez = 23 Hz beträgt.

Diese Konstruktion wandelt die Schwingungen der Last in einen variablen Druck auf das piezoelektrische Element um. Auf kurze Stöße und Erschütterungen reagiert der Aufnehmer mit exponentiell gedämpften Schwingungen (mit der Frequenz Fpez) der Spannung am Piezoelement (Bild 2), deren Anfangsamplitude Ua von der einwirkenden Kraft abhängt. Wenn dieses Signal an einen der Eingänge des Komparators angelegt wird und die beispielhafte (Schwellen-)Spannung Up an den zweiten angelegt wird, dann wird an seinem Ausgang ein "Paket" der Dauer Tp aus N = Frez-Tp Impulsen gebildet.

Fig. 2

Offensichtlich wird bei schwachen und seltenen Stößen und Stößen am Ausgang des Komparators eine geringere Anzahl von Impulsen erzeugt als bei starken und häufigen, und bei hoher Aktivität (Kriminalität?) Es kann eine bestimmte Grenze überschreiten. Ein schematisches Diagramm eines Geräts, das ein Alarmsignal (Log. 1) als Reaktion auf eine transzendentale Erregung des Sensors erzeugt, ist in Abb. 3 dargestellt. XNUMX.

Fig. 3

Ein Komparator ist auf einem Mikroleistungs-Operationsverstärker DA1 montiert, seine Schaltschwelle Up wird durch einen Abstimmwiderstand R4 eingestellt. Im Ruhezustand übersteigt die Spannung am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers DA1 die Spannung am nicht invertierenden um 0,3 ... 3 mV, sodass an seinem Ausgang ein niedriger Pegel eingestellt wird - log. 0.

Wenn am piezoelektrischen Element B1 eine Wechselspannung mit einer Amplitude auftritt, die ausreicht, um den Operationsverstärker DA1 zu schalten, wird an seinem Ausgang ein „Paket“ von Impulsen gebildet, das nach Invertieren durch das Logikelement DD1.3 zu gehen wird der Eingang C des Zählers DD2 und der Eingang des Einzelvibrators (Pin 6 DD1.1), zusammengesetzt auf den Elementen DD1.1, DD1.2. Dieser einzelne Vibrator erzeugt einen Impuls mit der Dauer Tact = 0.7*С1*R8 = 7 s, der das Zeitintervall für den aktiven Betrieb des Sensors festlegt - die Dauer des Impulszählzyklus. Am Ende dieses Intervalls wird am Ausgang des Elements DD1.4 ein kurzer (t = 0.7 * R9 * C3 = 14 ms) Impuls gebildet, der den Zähler DD2 zurücksetzt.

Da das Signal mit hohem Logikpegel (Alarm) am Ausgang des 2P-Zählers DD2 nur mit dem Empfang des 2p-ten Impulses im Zähler auftritt, hängt die Sensorschwelle davon ab, welcher der Ausgänge dieses Zählers freigegeben ist. Wenn dies wie in Abb. 3, dann tritt ein Alarm am "Ausgang 1" auf, wenn der 2. Impuls am Eingang C des Zählers DD64 ankommt. Ein weiterer Sensorausgang ("Ausgang 2") - ein offener Drain des Feldeffekttransistors VT1 - ermöglicht den Anschluss einer Last mit eigener Stromquelle.

Alle Elemente sind auf einer Leiterplatte aus doppelseitiger Glasfaserfolie mit einer Dicke von 1,5 mm montiert, deren Zeichnung in Abb. 4. Ein Teil der Folie auf der Seite der Installation der Elemente wird als gemeinsamer Draht verwendet. Verbindungen zu "geerdeten" Anschlüssen von Widerständen, Kondensatoren und anderen Teilen sind mit schwarzen Punkten dargestellt. In diese Folie sollten an den Stellen, an denen die Anschlüsse der Elemente übersprungen werden, Schutzkreise mit einem Durchmesser von etwa 2 mm eingeätzt werden (in Abb. 4 nicht dargestellt). Die Verbindungsstellen der metallisierten Abschnitte der ersten und zweiten Seite der Platine sind als schwarze Quadrate mit einem hellen Punkt in der Mitte dargestellt.

Fig. 4

Es werden Festwiderstände verwendet: R8 - KIM, C3-14, der Rest - MLT, C2-23, Abstimmwiderstand - SPZ-19a. Der Oxidkondensator wird mit einem geringen Leckstrom importiert, der Rest sind KM-6, K10-17. Piezoelektrisches Element B1 - akustischer Sender ZP-19. Seine Basis ist mit speziell entworfenen Kontaktpads auf der Platine verlötet. Um zu verhindern, dass die Ladung das Brett berührt, kann darin ein Ausschnitt angebracht werden (gestrichelt in Abb. 4 dargestellt). Die zusammengebaute Platine wird unter den Brühwürfeln in eine Blechdose eingebaut und an drei Punkten verschraubt. Bei diesem Design hat der Sensor Gesamtabmessungen von 82 x 35 x 15 mm.

Aber von welchem ​​der Ausgänge des DD2-Zählers sollte der Alarm entfernt werden und was sollte das Zeitintervall für den aktiven Betrieb des Tact-Sensors sein? Zunächst muss die Bedingung erfüllt sein.

Fpez*Tact > 2 hoch n, wobei 2 der Name des Zählerausgangs DD2 ist. Andernfalls tritt der Sensorausgangsalarm nicht auf, selbst wenn das piezoelektrische Element kontinuierlich erregt wird. Für die Bewertungen der im Diagramm angegebenen Elemente ist diese Bedingung erfüllt, weil.

Frez * Zyklus = 23 * 7 = 161, und der Sensorausgang könnte irgendeiner der vier Ausgänge des Zählers DD2 sein: 2 hoch 4, 2 hoch 5, 2 hoch 6 oder 2 hoch Potenz von 7 (2 hoch 7 = 128 < 161). Die höchste Empfindlichkeit (und auch gegenüber Störungen) hat ein Sensor, bei dem das Alarmsignal von Ausgang 2 bis zur Potenz von 4 entfernt wird, und der störunempfindlichste - von Ausgang 2 bis zur Potenz von 7.

Wenn der Sensor auf kurzzeitige Einzelstöße reagieren muss, sollte das Intervall Tact auch zeitlich knapp bemessen sein. Aber wenn es keine solche Begrenzung gibt, wird empfohlen, den Takt zu erhöhen. Dies liegt daran, dass mit zunehmendem Tact die Wahrscheinlichkeit eines Fehlalarms abnimmt. Die hier verwendete Schaltungslösung erlaubt jedoch nur eine Erhöhung des Takts auf 35 ... 40 s, da der Widerstandswert des Widerstands R8 erfahrungsgemäß nicht mehr als 30 MΩ und die maximale Kapazität des Kondensators C2 betragen sollte (Keramik oder Film) übersteigt normalerweise 2,2 μF nicht. Die Verwendung eines Oxidkondensators ist unerwünscht, da sein Leckstrom viel höher ist als der eines Keramikkondensators. Die Schwelle für den Komparator wird durch einen Trimmwiderstand R4 eingestellt.

Bei einem "weichen" Stoß kann die Amplitude des Signals auf dem piezoelektrischen Element zu klein sein, so dass eine signifikante Erhöhung der Empfindlichkeit des Sensors gegenüber solchen Stößen zu einer Abnahme von Fres führen kann. Dies kann erreicht werden, indem das Gewicht der Last erhöht wird. Das Experiment zeigte, dass bei einer Lastmasse von 5, 9 und 15 g die Resonanzfrequenz 18, 13 bzw. 9 Hz betrug.

„Ausgang 2“ kann nicht nur zur Koordinierung mit einem „fremden“ Sicherheitssystem erforderlich sein. Es eignet sich auch zur direkten Ansteuerung einer starken Last, wie z. B. eines akustischen Signalgebers (Sirene) oder einer Glühlampe. An diesen Ausgang kann beim Aufstellen ein leistungsschwacher Tonsignalgeber mit eingebautem Generator, wie z. B. HPM14AX, angeschlossen werden. Der extrem niedrige Stromverbrauch im Standby-Modus ermöglicht die Verwendung einer galvanischen Lithiumbatterie mit geringer Kapazität für die Stromversorgung. Es wird höchstwahrscheinlich das Sicherheitssystem selbst überleben.

Veröffentlichung: radioradar.net

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