CN107421630A

CN107421630A - 振动传感器和检测装置

Info

Publication number: CN107421630A
Application number: CN201710641108.2A
Authority: CN
Inventors: 徐阳
Original assignee: Huatian Engineering and Technology Corp MCC
Current assignee: Zhongye Northwest Engineering Technology Co., Ltd.
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2017-12-01

Abstract

本发明涉及安防领域，公开了一种振动传感器和检测装置。振动传感器包括壳体，与壳体相连且在壳体内相对设置的第一电极板和第二电极板，以及位于第一电极板与第二电极板之间的活动电极，活动电极的第一端与壳体相连用于输出电信号，且活动电极的第一端处于自由运动状态，活动电极的第二端与壳体外部的固定基础绝缘连接。其中，在振动传感器的未工作状态下，第一电极板与活动电极之间的第一间隔、第二电极板与活动电极之间的第二间隔均为定值；在振动传感器的工作状态下，当活动电极的第二端接收外部的振动信号时能够带动活动电极振动，从而使得第一间隔与第二间隔发生变化，引起两间隔电容量的变化，从而将外部的振动信号转化为电信号。

Description

振动传感器和检测装置

技术领域

本发明涉及安防领域，具体涉及一种振动传感器和检测装置。

背景技术

目前，在一些较为重要的区域例如重要的设施、工厂和居民区等处，需要对其进行安全布防，以防止各种破坏活动和非法入侵等行为。随着科技的进步，安全布防已由原始的围墙和人员巡查的防范方式逐步发展为通过采用周界入侵检测装置来实现区域周界安全的防范方式。

现有的周界入侵检测装置主要利用微波、超声波、红外、电子、磁开关和振动等技术在防范区域周边构成可见或不可见的“围墙”。但这些检测装置中的检测传感器大部分通常功耗高，并多设置在地面以上，日晒雨淋很容易损坏。

为了降低检测装置的功耗并减少检测装置的使用及维护成本，本领域的技术人员希望寻求一种能够应用于检测装置的传感器，以弥补现有技术的不足之处。

发明内容

为了降低检测装置的功耗并减少检测装置的使用及维护成本，本发明提出了一种振动传感器。

根据本发明的振动传感器，包括壳体，与壳体相连且在壳体内相对设置的第一电极板和第二电极板，以及位于第一电极板与第二电极板之间的活动电极，活动电极的外表面覆盖有绝缘层，活动电极的第一端与壳体相连并用于输出电信号，且活动电极的第一端处于自由运动状态，活动电极的与第一端相对的第二端与壳体外部的固定基础绝缘连接。其中，在振动传感器的未工作状态下，第一电极板与活动电极之间的第一间隔、第二电极板与活动电极之间的第二间隔均为定值；在振动传感器的工作状态下，当活动电极的第二端接收外部的振动信号时能够带动活动电极振动，使得第一间隔与第二间隔距离发生变化，即引起两间隔现成电容量的变化，从而将外部的振动信号转化为电信号。

进一步地，第一电极板与第二电极板均形成为弧形板，活动电极形成为柱状，其中，弧形板的圆心与活动电极的圆心重合。

进一步地，第一电极板与第二电极板相同。

进一步地，第一间隔与第二间隔相等。

进一步地，第一电极板、第二电极板和活动电极沿壳体的纵向长度相等。

进一步地，活动电极的第二端通过延伸出壳体的绝缘弹性杆与位于壳体外部的固定基础相连。

进一步地，壳体包括用于容纳第一电极板、第二电极板和活动电极的第一壳体和用于容纳部分弹性杆的第二壳体，第一壳体与第二壳体为同轴设置的筒状体，且第一壳体的内径大于第二壳体的内径，活动电极的轴线与第一壳体的轴线重合。

本发明还提出了一种检测装置，包括警告装置，与警告装置相连的至少一个上述振动传感器，以及分别与振动传感器和警告装置相连的控制器，其中，控制器接收来自振动传感器的电信号后控制警告装置开启。

进一步地，振动传感器埋设于地表面以下，警告装置设置在地表面以上。

进一步地，检测装置包括多个振动传感器，各振动传感器串联在一起以形成封闭或半封闭的防护区。

进一步地，警告装置的个数与振动传感器的个数相等。

本发明的振动传感器在使用时，可首先将活动电极的第二端通过连接部件(例如连接杆等)与位于壳体外部的固定基础(例如地面等)绝缘连接，然后将第一电极板与第二电极板分别接入直流电源的正、负极，活动电极的第一端作为电信号输出端经引出端与相应地信号处理器相连。其中，活动电极设置在第一电极板与第二电极板之间，使得第一电极板与活动电极、第二电极板与活动电极形成了两个电容结构，即使得振动传感器形成了由两个串联的电容结构组成的检测元件，该设置可有效感知外界振动引起的振动传感器内的两个电容的大小的变化，同时可有效降低振动传感器的损耗。当活动电极的第二端接收外部的振动信号时会带动活动电极在第一电极板板与第二电极板之间振动，从而使得第一间隔与第二间隔发生变化以将外部的振动信号转化为电信号。本发明的振动传感器结构简单、坚固耐用、故障率低，功耗只有微弱的漏电流，有利于广泛推广和使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为根据本发明的振动传感器的结构的主视图；

图2为图1所示的振动传感器沿A-A方向的剖视图；

图3为图1所示的振动传感器沿B-B方向的剖视图；

图4为根据本发明的振动传感器的电路图；

图5为根据本发明的检测装置的第一实施例的结构示意图；

图6为根据本发明的检测装置的第二实施例的结构示意图；

图7为应用本发明的检测装置对侵入物体进行定位的原理图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1至3示出了根据本发明的振动传感器100的结构示意图。如图1所示，振动传感器100包括壳体1，与壳体1相连且在壳体1内相对设置的第一电极板2和第二电极板3，以及位于第一电极板2与第二电极板3之间的活动电极4，活动电极4的外表面设置有绝缘层，活动电极4的第一端41与壳体1相连并用于输出电信号(如图1所示，电信号通过引出端43引出)，且活动电极4的第一端处于自由运动状态，活动电极4的与第一端41相对的第二端42与位于壳体1外部的固定基础绝缘连接。其中，在振动传感器100的未工作状态下，第一电极板2与活动电极4之间的第一间隔d1、第二电极板3与活动电极4之间的第二间隔d2均为定值；在振动传感器100的工作状态下，当活动电极4的第二端42接收外部的振动信号时能够带动活动电极4在第一电极板2与第二电极板3之间振动，从而使得第一间隔d1与第二间隔d2发生变化以将外部的振动信号转化为电信号。

本发明的振动传感器100在使用时，可首先将活动电极4的第二端42通过连接部件(例如连接杆等)与位于壳体1外部的固定基础(例如地面等)绝缘连接，然后将第一电极板2与第二电极板3分别接入直流电源的正、负极，活动电极4的第一端41作为电信号输出端经引出端43与相应地信号处理器相连。其中，活动电极4设置在第一电极板2与第二电极板3之间，使得第一电极板2与活动电极4、第二电极板3与活动电极4形成了两个电容结构C1、C2，即，使得振动传感器100形成了由两个串联的电容结构C1、C2组成的检测元件，该设置可有效感知外界振动引起的振动传感器100内的两个电容的大小的变化，同时可有效降低振动传感器100的损耗。当活动电极4的第二端42接收外部的振动信号时会带动活动电极4在第一电极板板2与第二电极板3之间振动，从而使得第一间隔d1与第二间隔d2发生变化以将外部的振动信号转化为电信号。

具体地，根据串联电容的分压原理可分别得出两个电容结构C1、C2的端电压。例如，由第一电极板2与活动电极4形成的电容的端电压u为：其中c₁为第一电极板2与活动电极4形成的电容结构C1的电容值，c₂为第二电极板3与活动电极4形成的电容结构C2的电容值，E为直流电源电压。而c₁、c₂可根据电容公式：得出，其中，ε为介电常数，s为电容极板的面积，d为极板间距。

优选地，如图4所示，为了保证由活动电极4的第一端41输出的检测信号的灵敏度，可在活动电极4的第二端42设置相应地放大电路401，并加装滤波装置402后与控制器300相连，以避免因电磁干扰引起检测信号的误判。

在如图2所示的优选地实施例中，第一电极板2与第二电极板3均形成为弧形板，活动电极4形成为柱状，其中，弧形板的圆心与活动电极4的圆心重合。该设置使得柱状的活动电极4被第一电极板2和第二电极板3环绕起来，从而使得活动电极4在不同的方向上发生振动时，来自不同方向上的振动信号能够更好、更快地被转换成电信号，从而有助于提高振动传感器100的检测效率和准确度。

优选地，如图2所示，为了便于生产制造，可将第一电极板2与第二电极板3制作成完全相同。进一步地，还可将第一间隔d1与第二间隔d2设置成相等，使得第一电极板2与第二电极板3相对于活动电极4完全对称。

还优选地，如图1所示，第一电极板2、第二电极板3和活动电极4沿壳体1的纵向长度相等。该设置更合理地利用了电极材料，从而避免了第一电极板2或第二电极板3与活动电极4之间产生的无效的极板面积。

根据本发明，如图1所示，活动电极4的第二端42可通过延伸出壳体1的绝缘弹性杆5与位于壳体1外部的固定基础(例如地面)相连。绝缘弹性杆5在接收外部的振动能量后发生振动，该振动可带动活动电极4的振动，而弹性杆5延伸出壳体1一定的长度有利于振动传感器100与固定基础的固定。优选地，位于壳体1外的绝缘弹性杆5的外周壁上覆盖有锥状绝缘层51，该锥状绝缘层51可进一步有助于绝缘弹性杆5与固定基础的固定。

如图1所示，壳体1包括用于容纳第一电极板2、第二电极板3和活动电极4的第一壳体11和用于容纳部分绝缘弹性杆5的第二壳体12，第一壳体11与第二壳体12为同轴设置的筒状体，且第一壳体11的内径大于第二壳体12的内径，活动电极4的轴线与第一壳体11的轴线重合。该壳体1的设置一方面使得其内部的部件布置更为紧凑合理，另一方面还使得壳体1形成为具有“T”字型截面的圆台状，从而在提高了壳体1自身结构的稳定性的同时有助于插入固定基础并与之固定。

优选地，第二壳体12上设置有用于穿过绝缘弹性杆5的通孔121，且通孔121的直径大于绝缘弹性杆5的直径。该设置可防止第二壳体12对绝缘弹性杆5在振动时的限制，从而有效确保绝缘弹性杆5在接收到振动能量后其自身能够准确感知并有效传递振动的能力。

此外，如图5所示，本发明还提出了一种检测装置1000，包括警告装置200，与警告装置200相连的至少一个上述振动传感器100，以及分别与振动传感器100和警告装置200相连的控制器300，其中，控制器300接收来自振动传感器100的电信号后控制警告装置200开启。

在本发明的检测装置1000中，由于控制器300在接收到来自振动传感器100的电信号后才控制警告装置200开启，也就是说本发明的检测装置1000实际上是一个逐级唤醒的装置，即在感知到侵入物体的振动后才触发装置200开启，同时，振动传感器100也具有更低的功耗，因此本发明的检测装置1000的功耗更低，有利于节能环保。

优选地，如图5所示，该警告装置200可包括警告灯201和扩音器202，以及用于控制警告灯201和扩音器202启闭的控制盒203，控制盒203与控制器300相连。进一步优选地，当检测装置1000判断有侵入物体白天闯入时，可控制扩音器202开启，以驱离侵入物体。当检测装置1000判断有物体夜晚闯入时，可控制警告灯201开启，这样既可以警告震慑侵入物体及时离开，又可以在夜间不扰民。

根据本发明，振动传感器100优选埋设于地表面以下，警告装置200设置在地表面以上。该设置一方面可以使检测装置1000更准确地感知外界的振动，另一方面由于振动传感器100无需长期暴露在外部环境中，因此还可有效保护振动传感器100的自身结构，从而节约了振动传感器100的维护成本。优选地，振动传感器100可埋在距地坪700mm以下，振动传感器100的电源和信号全部由控制盒203控制。

在一个优选地实施例中，检测装置1000可包括多个振动传感器100，各振动传感器100通过电线串联在一起以形成封闭或半封闭的防护区D1。该多个振动传感器100用于对侵入防护区D1的物体进行定位。

具体地，在如图5所示的实施例中，检测装置1000包括四个振动传感器101、102、103和104，各振动传感器100通过电线串联在一起形成了半封闭的防护区D1，该方案可用于将检测装置1000安装在重要部门建筑物的卡口位置。而在如图6所示的实施例中，检测装置1000包括六个振动传感器100，各振动传感器100串联在一起形成了封闭的防护区D2，该方案可用于将检测装置1000安装在空旷的室外作为周界监控。当侵入物体靠近防护区D1或D2时，可通过各个传感器采集到的振动信号到达的时间差来计算推出侵入物体P唯一的振动点坐标，以在平面上对侵入物体P进行准确定位。

下面以四个传感器为例，具体描述其定位方法。如图7所示，设振动传感器101的位置坐标为(-a，0)；振动传感器102的位置坐标为(0，-b)；振动传感器103的位置坐标为(a，0)；振动传感器104的位置坐标为(0，b)；入侵物体位置P(x，y)。入侵物体P产生的振动波传递至振动传感器101、102、103、104的时间分别为t1、t2、t3、t4，则振动传感器101、103相对于入侵物体位置P在x轴方向的时差为Δtx＝t1-t3，振动传感器102、104相对于入侵物体位置P在y轴方向的时差为Δty＝t2-t4，v是振动波的传播速度。当平面上侵物体位置P(x，y)发出振动波时，在平面上分布的四个传感器101、102、103和104将先后接收到信号，实际检测时，各传感器可测出振动点至它们的时间差Δtx、Δty，可以得到：

即

而警告装置与入侵物体位置P的位置关系还可通过极坐标表示，其中极角为θ，极轴为r，则极坐标方程：

在另一个优选地实施例中，如图6所示，警告装置200的个数与振动传感器100的个数相等，即每个振动传感器100配设有一个警告装置200，以用于实现检测装置1000对侵入物体的多方位报警。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims

1.一种振动传感器，其特征在于，包括壳体，与所述壳体相连且在所述壳体内相对设置的第一电极板和第二电极板，以及位于所述第一电极板与所述第二电极板之间的活动电极，所述活动电极的外表面覆盖有绝缘层，所述活动电极的第一端与所述壳体相连并用于输出电信号，且所述活动电极的第一端处于自由运动状态，所述活动电极的与所述第一端相对的第二端与壳体外部的固定基础绝缘连接，

其中，在所述振动传感器的未工作状态下，所述第一电极板与所述活动电极之间的第一间隔、所述第二电极板与所述活动电极之间的第二间隔均为定值；在所述振动传感器的工作状态下，当所述活动电极的第二端接收外部的振动信号时能够带动所述活动电极振动，从而使得第一间隔与第二间隔发生变化以用于将外部的振动信号转化为电信号。

2.根据权利要求1所述的振动传感器，其特征在于，所述第一电极板与所述第二电极板均形成为弧形板，所述活动电极形成为柱状，其中，所述弧形板的圆心与所述活动电极的圆心重合。

3.根据权利要求2所述的振动传感器，其特征在于，所述第一电极板与所述第二电极板相同。

4.根据权利要求3所述的振动传感器，其特征在于，所述第一间隔与所述第二间隔相等。

5.根据权利要求4所述的振动传感器，其特征在于，所述第一电极板、所述第二电极板和所述活动电极沿所述壳体的纵向长度相等。

6.根据权利要求5所述的振动传感器，其特征在于，所述活动电极的第二端通过延伸出所述壳体的绝缘弹性杆与位于壳体外部的固定基础相连。

7.根据权利要求6所述的振动传感器，其特征在于，所述壳体包括用于容纳所述第一电极板、第二电极板和活动电极的第一壳体和用于容纳部分所述绝缘弹性杆的第二壳体，所述第一壳体与所述第二壳体为同轴设置的筒状体，且所述第一壳体的内径大于所述第二壳体的内径，所述活动电极的轴线与所述第一壳体的轴线重合。

8.一种检测装置，其特征在于，包括警告装置，与所述警告装置相连的至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的振动传感器，以及分别与所述振动传感器和所述警告装置相连的控制器，其中，所述控制器接收来自所述振动传感器的电信号后控制所述警告装置开启。

9.根据权利要求8所述的检测装置，其特征在于，所述振动传感器埋设于地表面以下，所述警告装置设置在地表面以上。

10.根据权利要求9所述的检测装置，其特征在于，所述检测装置包括多个振动传感器，各所述振动传感器串联在一起以形成封闭或半封闭的防护区。

11.根据权利要求10所述的检测装置，其特征在于，所述警告装置的个数与所述振动传感器的个数相等。