CN1029172C - 空气压力变化探测器 - Google Patents

Abstract

空气压力变化探测器，包括：一个具有穿孔(1a)或空腔(1a)的基板(1)；一个压电元件(2)，该固定在基板上放置在穿孔之上且形成窄条状形状，其宽度窄于穿孔或空腔的内部宽度；一个由场效型晶体管(9)和漏电阻器(10)组成的阻抗转换电路(8)；一个具有透气孔(5b)的电传导接纳容器(5)。压电元件的输出端(3)被连到场效型晶体管的栅极(9a)上，漏电阻器被连在栅极与压电元件的接地端之间。

Description

本发明涉及一种空气压力变化探测器，使它适应于能够用一压电元件来探测空气压力的变化并适用于例如报警***。

一般已知各种探测器，它们用作检测房室、汽车、图书馆，钱币保险柜室、冷冻仓库等封闭空间里的封闭状态是否被破坏的装置。根据工作原理，这些探测器分别为电磁型、光波型、电波型及声波型。

在这些探测器中，电磁型探测器以一种磁性接近开关来举例说明，这种开关由一对磁铁和一个舌簧继电器组成。这个开关由于其具有相对简单的结构且是便宜的，所以用于探测房内房间的门和窗户的开/关状态。然而，这种电磁探测器当它所安装的在墙门和窗户上的中央部分破裂时不能探测它所安装在的墙、门和窗户的破裂，因而不适于例如防止以汽车中盗窃，汽车的窗子经常为此而被破坏。此外，用红外线传感器、微波传感器及紫外线传感器来举例说明的光波型、电波型及声波型探测器根据由人、动物及机器引起的破坏不管是其位置如何，可以探测破裂，但是这些探测器的束角或探测范围很窄，因此必须在一个位置安装多个探测器并必须只能用在有 限的区域。

在最近几年，对具有高灵敏度及便于使用的探测器的需要正在逐年增加，这些需要不只用于探测与外部世界定界的空间的封闭状态之破坏而且用于探测计算机管理的进出屋室的出口和进口的门的开/关状态，这些屋室里是由于防止对被称作商业秘密管理的盗窃的必要性而设置的。由于上述电磁型和声波型等探测器不能用足以满足这些需要的高灵敏度来进行探测，所以就做了改进压力传感器的研究，这个压力传感器是由一压力灵敏元件和一隔膜的结合而组成，而且能探测空气的振动。

然而，从实际应用的观点，在所说的用于探测空气振动的压力传感器中仍存在着技术问题。具体地说，在一个房间里例如用打开或关闭一平坦工作的门来产生几十到o.nHz频率空气振动，该振动引起数量级在o.n到o.on    mmHg的压力轻微变化，而且通过打开或关闭一滑动的门来产生频率在与上面所述的那些相类似数量级的引起更轻微压力变化的空气振动，但是压力传感器不能精确地探测在这样低的频率的引起这样轻微压力变化的空气振动并且压力传感器具有复杂的结构，这种结构不可避免地要求高的制造成本。此外，做了很多研究以便改进一个用于探测引起轻微压力变化的空气振动的声波传感器，它仍不能探测上面描述的在非常低的频率的听不见的声波。

从上面描述的情况来看，本发明的一个目标是提供一空气压力 变化探测器，它可以以高精度测量听不见的声波特别是极低的频率下不能听见的声波。

根据本发明的空气压力变化探测器的组成有一个带有穿孔或空腔的基板，一个在其两个表面带有电极的压敏探测器如压电元件，它是条状的，其宽度比所说基板的穿孔或空腔的内部宽度窄，薄于300μm，一个由场效应晶体管和一漏电电阻器组成的阻抗转换电路及一个电传导接纳容器，它具有一个透气孔，所说压电元件的一端被支撑在所说基板上以便所说压电元件可以在所说基板的穿孔或空腔里振动，所说压电元件的输出端被连到所说阻抗转换电路的所说场效应晶体管的栅极上且所说漏电电阻器被连在所说栅极与所说压电元件的接地端之间。

根据本发明，由于所说压电元件只在其一端被支撑在基板上且有窄条形状，它可在所说基板的穿孔中振动，由此探测器可以感应极低频率的轻微振动并探测由振动引起的压力变化。此外，通过使用所说压电元件与阻抗转换电路的结合，探测器可以防止噪音等，以便以高精度探测空气压力变化。

本发明的这个和其它目的以及特征及优点参照附图从下面的详细描述中将变得更显著。

图1是一个透视图。示出了根据本发明在其未组装状态下的空气压力变化探测器的一个实施例。

图2是一透视图，示出了图1中示出的本发明的实施例中所使 用的压电元件和基板。

图3和图4是纵向剖面图，分别示出了图2中示出的压电元件及基板。

图5，示出了根据本发明的空气压力变化探测器中的电路图;

图6是一方框图，示出了使用根据本发明的空气压力变化探测器的一个探测***;

图7是一方框图，示出了使用根据本发明的空气压力变化探测器的另一个探测***;

图8是一方框图，示出了一个用于进行试验的***，这个试验是为了确定用在根据本发明的空气压力变化探测器中的漏电阻器的电阻的。

现在，参照在图1到图8中所示出的最佳实施例更详细地描述本发明。图1示出了根据本发明的空气压力变化探测器的结构，标号1代表由刚玉、陶瓷材料或环氧树脂构成的基板，且带有一个穿孔1a，标号2表示压电元件，它由模塑一压电陶瓷材料如锆酸铅钛酸铅（PZT压电跃遇）或钛酸钡（BaTiO₃）来形成厚度薄于300μm的窄条状并在其表面如通过汽化一金属如金、银或镍形成电极3，压电元件2如图2及图3所示的被放在基板1的穿孔1a上，且压电元件的一端2a用一粘合剂4如环氧树脂被固定到基板1a上。此外，压电元件2的宽度窄于基板1的穿孔1a的宽度以便压电元件2的另一端2b在压电元件2固定到基板1上的条件下放置在穿孔1a的内 部区域。此外，可以在所说穿孔1a的位置上形成一空腔，这个空腔如图4所示具有与所说基板1内的穿孔1a的那部分同样的尺寸。图1中，标号5代表一电传导容器，它是由一底板5a和盖体5b组成的，底板5a是用于通过支撑杆6来固定基板1的，支撑杆6连到所说的基板上，盖体5b被安置在所说的底板5a上且盖体5b上具有一透气孔5b₁，该电传导容器能容纳所说基板1及所说压电元件2。在图1和图2中压电元件2的电极3的主要部分3a被连到导体7上，导体7平放在基板1上面。此外，具有1mm数量级直径的透气孔5b₁从制造观点看最好具有至少0.5mm的直径。

现在翻到第5图，它示出了所说空气压力变化探测器中整体电路的一个例子。标号8代表一个阻抗转换电路，它由一场效应晶体管（以后简写为FET）9及数量级在10⁷到10¹⁰Ω的漏电电阻器10组成。所说压电元件2的电极3之一被连到FET9的栅极9a上，而另一个电极接地，所说漏电电阻器被连在所说栅极9a与所说的电极3的接地端之间。由于压电元件2具有高电阻且不允许从该处直接取出一个输出，所以压电元件2象上述的与阻抗转换电路结合在一起。此外，阻抗转换电路8等被安置在基板1下的适当位置（见图1），压电元件2及阻抗转换电路8被接纳在容器5中以防止基板1压电元件2等的损丢并防止由于电磁感应使探测器受到外面噪音的影响。

根据本发明的如上述组成的空气压力变化探测器中，压电元件以其2a端被支撑在基板1上且具有窄条状，而其另一端2b置于形 成在基板1里的穿孔的内部区域，由此所说另一端2b可以在穿孔1a中振动。因此，另一端2b当灵敏地感应到由透气孔5b₁传进容器5a的空气压力变化时可以振动且由于这些而变形的压电元件2产生输出电压。因而，根据本发明的空气压力变化探测器能探测极微压力变化。

现在，将描述用根据本发明的空气压力变化探测器进行的实际试验的例子。图6示出了用于这些实验的探测***的配置。在这个图中，标号11代表具有上述结构的空气压力变化探测器，标号12指定为放大器，用于放大从所说空气压力变化探测器来的输出电压，标号13代表比较器，它具有约为1V的门限电压值且在由放大器12放大的输出电压高于1V时被放到ON（工作态）位置。在分别安置在混凝土建筑的屋室（170m³容积）及汽车（2.7m³容积）中的探测***的情况下，通过打开和关闭门使之达到45°开放角度以约0.2m/sec的速度在这二种场合进行探测操作试验。此外，混凝土建设的房屋的门具有1.62m²面积及汽车的门具有0.9m²面积。由如上述的所进行的试验所获得结果总结在下表1中，符号O指示比较器13在工作态（on）的场合，反之符号“×”代表比较器13不在工作态（not on），或它停留在off状态（非工作态）的场合。此外，“比较例”对应于用一空气压力变化探测器所获得的实验结果，该空气压力变化探测器用了与用在根据本发明的空气压力变化探测器的压电元件2不同厚度、形状及支撑模式的压电元件。

表1

元件条件    混凝土建筑中的房屋    汽车

厚度μm    形状    支撑模式

90    条形    一端支撑    O    O    （本发明）

条形    二端支撑    ×    ×    （比较例）

方形    一端支撑    ×    ×

方形    二端支撑    ×    ×

圆形    四点支撑    ×    ×

200    条形    一端支撑    O    O    （本发明）

300    条形    一端支撑    ×    O

400    条形    一端支撑    ×    ×    （比较例）

象以表1可清楚地看到的那样，由于根据本发明的空气压力变化探测器采用了条状压电元件2且只在其一端被支撑，以便允许压电元件2的另一端2b自由地且灵敏地振动，从而允许压电元件2在其另一端2b以比表1中所列的比较例中所用的圆形（隔膜）、方形及长方形的压电元件更大的幅度振动，因而根据本发明的空气压力变化探测器具有大大高于比较例的那些探测器的灵敏度。此外，为了从结构上确保压电元件2的另一端2b这样的振动，规定在300μm以下的压电元件2的厚度由于压电元件2容易破损且在太薄时几乎不能模制而最好选为90μm左右。

这些物质如锆酸铅钛酸铅及钛酸钡大多除了具有其压电特性还具有热电特性且可轻易地允许伪信号产生伪信号是由受环境温度变化的影响而产生的热电性所产生的。特别是在环境温度突然变化的场合，压电元件在一瞬间产生高热电性及过量电荷被积累在FET9的栅极9a里，由此，将FET9放在非工作态（称作饱和状态）。与之相反，当用在阻抗转换电路中的漏电电阻器的电阻被确定以使允许上述过量电荷适当漏泄时，本发明使压电元件完全不受由环境温度的变化而产生的热电性的影响，而且防止压电元件的压电灵敏性降低。由于漏电电阻器电阻的确定非常重要，漏电电阻器10的电阻与用在上述探测***中的空气压力变化探测器11的灵敏性之间的关系将参照图7来描述。在这个图中，空气压力变化探测器被 容纳在一封闭箱14中，封闭箱由800mm宽、400mm深、400mm高的铝铸件构成并通过放大器12与示波器15相连。在另一面，具有4Ω的电阻及4Watts的输出能量的扬声器16被紧密接触地安在封闭箱14的外表面。空气压变化探测器11的压电元件2是单片型，90μm厚，具有条状形状且只在其一端被支撑。扬声器16与容器5的透气孔5b₁相对安置，容器5容纳了上述压电元件。

当通过向图7中示出的探测***里的扬声器16提供具有脉宽0.7秒（Sec）的2.2V驱动电压，封闭箱14振动时，封闭箱14中的空气压力变化，且空气压力变化探测器11探测压力变化并产生一输出电压以使一个压力变化信号显现在示波器15的荧光屏上。漏电电阻器的电阻与空气压力变化探测器11的输出之间的关系在下列表2中列出：

表2

漏电阻器的电阻（Ω） 10⁶10⁷10⁸10⁹10¹⁰10¹¹

输出    （V峰值）    0    2.5    3    3    3    3

象表2中清楚地示出的那样，漏电电阻器必须具有至少10⁷Ω才能在实际应用范围内维持空气压力变化探测器11的灵敏度。

现在，将描述漏电电阻器的电阻与温度变化的关系如下，由上述 的热电性产生的电位差由下式（1）来表示：

V＝（dPs/dT）·（dT/dt）·A·R    （1）

在这里参考符号V代表在热电效应下产生的电压（V），参考符号（dPs/dT）代表热电元件的热电***（C/cm²·℃），参考符号（dT/dt）表示温度变化速度（度/秒），参考符号A代表电极的面积（cm²），参考符号R代表热电元件2及阻抗转换电路8的等效电路的等效电阻（Ω）。

为了防止阻抗电路8的FET9被饱和，由式（1）确定的电位差必须低于由从提供给FET9的电源电压中减去FET9工作点的电压所确定的电压，且最好应低于这个电压的1/2。为了降低热电性的电位差，减低式（1）中的热电系数、电极面积及等效电路电阻是足够的。然而，通过改变热电物质热电系数不能大大地变化。此外，由于较窄面积的电极将降低压电灵敏度所以电极面积不能窄于一定的限定以下。因此，为了降低热电性电位差来改变上述的等效电阻是有效的。由于等效电阻被确定为压电元件2、FET9及漏电电阻器10的电阻的总和，当等效电阻被确定为总电阻的最小值时，等效电阻基本等于漏电电阻器10的电阻。

通过在式（1）中用锆酸铅钛酸铅的一个典型值4×10^-8C/cm²·℃作为热电系数（dPs/dT），0.167℃/sec这个值作为温度变化速率（dT/st）是汽车中的最大变化速率，0.02cm²作为电极面积，一 个允许的热电电压为1.25V，该值是在假定当所说工作点为2.5V时提供给FET9的电源电压为5V时确定的，它作为在热电效应下产生的电压。这个估价给予漏电电阻器10的电阻值为10¹⁰Ω。

此外，为了确定漏电电阻器的电阻的估价值是否合适，要用图8中示出的***进行确定试验。为了这些试验，空气压力变化探测器11被装在-180mm宽、150mm深、80mm高的纸箱17中，这个纸箱17被二个彩色复印的灯所加热（100V，250W）。此外，用一热电偶19探测箱17中的温度，且这温度通过温度一电压转换器20输入到二笔型记录器21里，记录器21与空气压力变化探测器11相连。确定试验的结果在下列表3中总结，它清楚地表明漏电电阻器10的电阻为R＝10¹⁰Ω象由上述估计所确定的及从漏电电阻10的电阻与FET9在空气压力变化测量器11里饱和时的温度变化速度之间关系中判定的那样。

表3

漏电阻器的电阻 10¹10⁸10⁹10¹⁰10¹¹

文件FET饱和

温度变化速度    不饱和    不饱和    不饱和    10    1

（℃/分）

虽然压电元件2是被称作单片型的，在上述实施例中由一单个压电元件组成，但是使用被称作双片型压电元件是可能的，该型压电元件由二个相胶合以便其偏振方向互相对立的压电陶瓷组成。作为整体具有与单片型压电元件同样厚度的双片型压电元件可以提供高于单片型压电元件2倍的灵敏度。

象从前面描述中所理解的，根据本发明的空气压力变化探测器采用了条状且只在一端被支撑的压电元件，因而它具有简单结构且使得用所说的空气压力变化测量器简化了探测***的结构。此外，根据本发明的空气压力变化探测器能够在听不见声音的区域以高精度探测轻微的空气压力变化，而在这种区域普通探测器无效，而且本发明的空气压力变化探测器以高精度判断封闭空间如房屋的封闭状态是否被破坏。

Claims (2)

1、一种空气压力变化探测器，包括：基板；二表面带有电极并且呈一条状的压敏探测器；由场效应晶体管及漏电电阻器组成的阻抗转换电路；以及具有透气孔的电传导接纳容器，所述空气压力变化探测器适于能够探测通过所述透气孔进入所述接纳容器的空气压力变化，其特征在于：所述基板具有穿孔或空腔；所述压敏探测器为压电元件，其宽度窄于所述穿孔或空腔且厚度小于300μm；所述压电元件的一端支撑在所述基板上使所述压电元件可在所述基板的穿孔或空腔中振动；所述压电元件的输出端连接到所述阻抗转换电路的所述场效应晶体管的栅极上；所述漏电电阻器连接在所述场效应晶体管的栅极与所述压电元件的接地端之间。

2、根据权利要求1所述的空气压力变化探测，其特征在于选择所述漏电电阻器的电阻值，使积累在所述场效应晶体管的栅极的过量电荷充分漏泄。

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