Данная статья описывает устройство сейсмического датчика-детектора представляющего собой чувствительный электронный узел, способного зафиксировать даже очень слабый уровень вибрации в земной коре.
В конструкции сейсмического детектора применен пьезоэлектрический датчик вибрации , который очень чувствителен к вибрациям и сотрясениям. Данную схему можно использовать для обнаружения сотрясений всевозможных объектов, вибраций происходящих в земной коре, либо как составную часть охранной системы.
Как уже было сказано выше, основным элементом, который чувствителен к вибрациям, является простой зуммер (пьезоэлемент). Он довольно часто применяется в устройствах, предназначенных для обнаружения вибраций и сотрясений, к примеру, в охранной сигнализации для велосипеда. Преимуществом схемы является не только низкая цена, но и проста в монтаже датчика, зачастую просто путем приклеивания на контролируемой поверхность.
Микросхема DA1 — операционный усилитель типа LM741, предназначена для усиления слабых сигналов от пьезоэлемента. Усиленный сигнал с выхода операционного усилителя через резистор R6 поступает на базу транзистора VT1. В результате этого транзистор открывается и на входе 2 таймера NE555 появляется сигнал низкого уровня (менее 1/3 напряжения питания).
На таймере NE555 построен классический ждущий мультивибратор, который запускается по низкому сигналу на выводе 2. В результате запуска мультивибратора, на его выходе (вывод 3) появляется сигнал включающий зуммер (с встроенным генератором) и зажигается светодиод.
Продолжительность сигнала определяется элементами RC-цепи (R8 и С2). С указанными значениями на схеме, этот период составляет примерно 3 минуты. По истечении этого времени устройство переходит в исходное состояние.
Консоль 3 выгибают из такой же проволоки и надежно укрепляют на одном из ее концов груз 5 массой 10...15 г из свинца или припоя. После этого консоль припаивают одним концом к плате, а примерно серединой - к седловине стойки 4.
Во избежание отрыва верхней обкладки от пьезоэлемента перед припайкой консоли ее слегка изгибают так, чтобы после установки на место она создавала на пьезоэлементе избыточное прижимающее упругое усилие. Размеры деталей датчика непринципиальны, поэтому на рис.1 не даны. Паять необходимо легкоплавким припоем.
Выводами датчика служат фольговая площадка, к которой припаян пьезоэлемент, и впаянное в плату основание консоли. Плату укрепляют на поверхности,
вибрацию которой надлежит контролировать. При механическом колебании этой поверхности на выводах датчика возникает несколько слабых импульсов длительностью З...15 мс.
Для того чтобы усилить эти импульсы и придать им форму, необходимую для дальнейшей обработки, сигнал с датчика подают на вход усилителя-формирователя (см. схему на рис.2). Операционный уси
литель DA1 работает в режиме максимального усиления, а транзистор VT1 - в режиме переключения. Диод VD1 увеличивает своим напряжением отсечки зону нечувствительности транзистора.
ОУ вместе с диодом и транзистором образуют компаратор напряжения, отличающийся малым энергопотреблением. Порог срабатывания компаратора устанавливают подстроечным резистором R2. Если амплитуда отрицательной полуволны сигнала датчика менее напряжения на резисторе R2, транзистор VT1 остается закрытым, а выходное напряжениеравным нулю.
Механическое возбуждение датчика приводит к появлению на выходе формирователя нескольких прямоугольных импульсов длительностью 3...15 мс, по амплитуде пригодных для прямого введения их в цифровой анализатор, выполненный на микросхемах КМОП. Простейшее подобное устройство, способное выделить полезный сигнал на фоне ложных срабатываний, представляет собой счетчик(001 на рис.2), периодически обнуляемый по входу R импульсами электронных часов или специального генератора. Сигнал тревоги - напряжение высокого уровня - появится на выходе лишь тогда, когда число импульсов на входе счетчика в интервале между двумя соседними обнуляющими импульсами достигнет некоторого числа, устанавливаемого переключателем SA1 (на рис.2 оно установлено равным восьми).
Если не задаваться решением задачи исключения ложных сигналов, то сигнал с коллектора транзистора VT1 можно подавать непосредственно на вход узла формирования сигнала тревоги.
Как показывает опыт, датчик практически не реагирует на акустические сигналы, распространяющиеся в воздушной среде. Чувствительный прежде всего к нормальной составляющей вибраций, он довольно хорошо воспринимает и возмущения, лежащие в плоскости пьезоэле-мента,-очевидно вследствие возникновения реакции в точках крепления стойки. Таким образом, датчик реагирует на вибрации произвольной ориентации. Ток, потребляемый усилителем-формирователем в режиме ожидания при напряжении питания 9 В, не превышает -18 мкА, при 5 В - 10 мкА.
в качестве датчиков вибрации радиолюбители часто используют пьезокерами- ческие излучатели серии ЗП, больше известные как звуковые «пищалки». Ошибки здесь нет. Пьезоизлучатели являются обратимыми приборами, т.е. они могут генерировать звук (основная функция) или улавливать внешние звуковые колебания (дополнительная функция).
Если корпус «пьезопищалки» жёстко закрепить на шасси исследуемого объекта, то любые щелчки, удары, вибрация будут преобразовываться в переменное или импульсное электрическое напряжение. Полезный сигнал обычно имеет малую амплитуду, поэтому между МК и пьезодатчиком ставят предварительный усилитель. Кроме усиления он играет роль буферной защиты, поскольку резкий и сильный удар по пьезопластине может вызвать короткий импульс очень большой амплитуды, способный повредить МК.
Вместо «пищалок» также используют высокочувствительные промышленные пьезодатчики, применяемые в охранных сигнализациях. Кроме того, в чулане или на чердаке может залежаться старый проигрыватель грампластинок. Его пьезоголовка тоже подходит для экспериментов как хороший высокоомный датчик.
На Рис. 3.31, а…к показаны схемы подключения датчиков вибрации к МК.
Рис. 3.31. Схемы подключения датчиков вибрации к МК {начало):
а) датчик вибрации НА! w МК соединяются между собой через двухкаскадный усилитель на транзисторах VT1, VT2. Резисторами R1, /? J устанавливают максимальную чувствительность датчика при отсутствии самовозбуждения усилителя;
б) транзисторный усилитель с диодным детектором, удваивающим амплитуду сигнала. Резистором /?/регулируют симметричность ограничения сигнала на коллекторе транзистора VT1\
в) аналогичнРис. 3.31, б, но с дополнительным транзисторным усилителем, с регулятором чувствительности /?2и с другими номиналами радиоэлементов;
г) резистором R1 подбирается рабочая точка транзистора VT1 по максимальной досто1юрно- сти срабатывания датчика вибрации НА 1 (например, если он слишком чувствительный);
Рис. 3.31. Схемы подключения датчико!^ вибрации к МК {окончание):
д) необычное применение телевизионной микросхемы DA 1 в качестве входного усилителя;
е) диоды VD1, KZ)2 защищают транзистор КГ/от всплесков напряжения пьезодатчика НА1, а также от электростатических разрядов. Резистором R1 задают оптимальный режим для АЦП;
ж) датчик для автомобильного стетоскопа. Диоды VDJ, К/)2ограничивают входной сигнал на уровне ±(0.7…0.9) В. Резистором /?2 выставляется рабочая точка АЦП МК примерно в середине передаточной характеристики. Доработка датчика НА 1 заключается в его утяжелении;
з) подключение пьезодатчика к быстродействующему компаратору DA1, имеющему «цифровой» выход с открытым коллектором. Напряжение входного сигнала должно быть не более 5 В;
и) Я/4/ -это вибродатчик музыкальной ударной установки. Питание микросхемы DAlw МК осуществляется от разных напряжений. Вместо пьезодатчика может без изменения схемотехники использоваться оптодатчик с перекрывающимся световым каналом;
к) резистором R! регулируют порог срабатывания сигнала отдатчика вибрации НА1.
На основе простого керамического пьезоэлектрического детектора можно собрать интересный и полезный модуль датчика физического воздействия, который может применяться на дверях, витринах и окнах для обнаружения вибраций и ударов.
Сам датчик удара (керамический пьезоэлектрический детектор) имеет «униморфную» диафрагму, которая состоит из пьезоэлектрического керамического диска, спаренного с металлическим диском. Датчик подает напряжение, пропорциональное ускорению удара или вибрации. Например, при 40 мВ/G получим около 2 В, если удар будет с ускорением 60 G.
В данном случае представлен низковольтный, низкотоковый модуль датчика физического воздействия на основе стандартного керамического пьезоэлектрического детектора, который заставляет цепь одновибратора (IC1) активировать кремниевый npn-транзистор. Выход с открытым коллектором этого транзисторного ключа можно подключить к внешней цепи сигнализации для дальнейшей работы с полученным сигналом. Поскольку потребление тока здесь очень мало (от 5 до 6 мА), саму схему можно питать от батарейки 3 В. При обнаружении физического воздействия одновибратор включит транзистор на время, определяемое RC-цепочкой, состоящей из R3 и C2.
Микросхема M74HC123 (IC1) является высокоскоростным двойным перезапускаемым КМОП-одновибратором с входами, защищенными от статического разряда и переходных скачков напряжения. Здесь имеются два входа пусковых импульсов, отрицательный фронт и положительный фронт. В данном случае используется только часть с положительным фронтом запуска (вывод 2). После запуска, выход на период времени, определяемым внешним резистором R3 и конденсатором С2, поддерживает моностабильного состояние.
Перевод сайт
