一种内置超声压电振子阵列的安全电子密码锁的制作方法

本发明涉及防盗器材，具体是一种内置超声压电振子阵列的安全电子密码锁。
背景技术：
：防盗门和保险箱(柜)是保障公民生命健康和财产安全的重要屏障。现有的提高防盗锁的安全系数的主要方法有：增加防盗钥匙的齿的数量或改变钥匙齿的种类，例如双边钥匙、十字钥匙、平板钥匙等。但是窃贼利用万能钥匙或者针、细铁丝等其他专业开锁工具多次试探，仍然能轻易地打开。于是市场上出现了少量全新的防盗锁，如授权号为cn204571520u的实用新型专利“一种防盗锁”，该防盗锁的钥匙杆上设置有压电陶瓷电池和红外线发射管，锁芯的锁孔内设置有红外线接收管和电动推杆。钥匙插入的过程中压电陶瓷电池受到挤压产生电势能，驱动红外线发射管发射红外线，红外线接收管收到信号传给电动推杆，电动推杆将插班拉出，从而完成开锁过程。但是这种方法造价高昂，且是被动防盗，窃贼在反复试探时不能及时主动的报警。又如授权号为cn203947896u的实用新型专利“霍尔安全锁”，该防盗锁的钥匙杆上设置有磁极和突起模块，锁体上分别设有对应的霍尔元件和压电陶瓷感应装置。钥匙插入后，霍尔元件产生霍尔电压，压电陶瓷感应装置生成压电电压，霍尔电压和压电电压分别通过电压比较器转换成高低电平(即0、1数字信号)送至密码识别电路完成密码的识别，识别正确后开启门锁，错误后报警。但是这种方法不够精确，因为电压比较器只能转换成高低电平，容易造成虚警误报，导致正确钥匙却开不了门，多有不便。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种内置超声压电振子阵列的安全电子密码锁，在普通锁的弹簧下面增加超声压电振子和信号处理电路。钥匙插入的过程中，超声压电振子阵列受到弹簧的压力形变产生压电电压，压电电压经过信号处理电路后或开启门锁，或声光报警。本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种内置超声压电振子阵列的安全电子密码锁，包括钥匙和锁芯，钥匙可插入锁芯内驱动锁芯在锁体3内转动，锁体内有锁腔，锁腔内有与钥匙上的齿一一对应的弹子，弹子下连接有弹簧，弹簧下连接有超声压电振子，超声压电振子通过屏蔽导线与信号处理电路连接；钥匙插入的过程中，超声压电振子受到弹簧的压力形变产生压电电压，压电电压经过信号处理电路后或开启门锁，或声光报警。所述的超声压电振子是由一片压电陶瓷圆片和一片金属圆片经导电胶粘结起来做成弯曲圆盘式复合振子，压电陶瓷圆片的负极和金属圆片粘结起来，金属圆片的另一面与支撑金属环粘结。所述的压电陶瓷圆片选用接收型p14压电材料，金属圆片选用殷钢。信号处理电路包括功率放大电路，功率放大电路与模数转换器adc电连接，模数转换器adc13与密码检测电路电连接，密码检测电路与声光报警电路电连接，同时，功率放大电路、模数转换器adc、密码检测电路、声光报警电路均与电源电连接；超声压电振子形成的阵列产生的压电电压信号经过模数转换器adc转换为数字信号输入密码检测电路，密码检测电路检测收到的信号与已存入的密码进行比对，看是否一致，一致的话开锁，否则开启声光报警电路。本发明的有益效果为：本发明一种内置超声压电振子阵列的安全电子密码锁，使用方便、精度高，锁本身的可靠性强，可有效防止窃贼试探、防盗效果好。附图说明图1为本发明的开锁结构示意图。图2为本发明的钥匙图。图3为本发明的超声压电振子的结构示意图。图4为本发明的信号处理电路流程图。图中：1-钥匙、2-锁芯、3-锁体、4-锁腔、5-弹子、6-弹簧、7-超声压电振子、8-压电陶瓷圆片、9-金属圆片、10-支撑金属环、11-屏蔽导线、12-功率放大电路、13-模数转换器adc、14-密码检测电路、15-声光报警电路、16-电源、17-钥匙第一齿、18-钥匙第二齿、19-钥匙第三齿、20-钥匙杆、21-钥匙柄、22-钥匙孔。具体实施方式下面将结合附图对本发明做详细的介绍：本发明所述的这种内置超声压电振子阵列的安全电子密码锁，以单边齿为例，如图1所示，包括钥匙1、锁芯2、锁体3、锁腔4、弹子5、弹簧6、超声压电振子7和信号处理电路。所述钥匙1包括钥匙孔22、钥匙柄21和钥匙杆20，钥匙杆上有高低不平的钥匙齿，如图2所示，为简单起见，仅画了三个齿(17-钥匙第一齿、18-钥匙第二齿、19-钥匙第三齿)，且从前到后依次设三个齿的高度分别为h1，h2，h3。钥匙1可插入锁芯2内驱动锁芯2在锁体3内转动，锁体3内有锁腔4，锁腔4内有与钥匙1上的齿一一对应的弹子5，弹子5下连接有弹簧6，弹簧6下连接有超声压电振子7，超声压电振子7通过屏蔽导线11与信号处理电路连接；钥匙插入的过程中，超声压电振子7受到弹簧6的压力形变产生压电电压，压电电压经过信号处理电路后或开启门锁，或声光报警。所述每一个锁腔内都有一只弹子、一只弹簧和一套超声压电振子。弹子连接弹簧，弹簧连接超声压电振子。所有弹子高度一致，所有弹簧都是经过严格测试并精挑细选出来的，以保证弹簧的劲度(倔强)系数k几乎一致。所述的超声压电振子7是由一片压电陶瓷圆片8和一片金属圆片9经导电胶粘结起来做成弯曲圆盘式复合振子，压电陶瓷圆片8的负极和金属圆片9粘结起来，金属圆片9的另一面与支撑金属环10粘结，如图3所示，压电陶瓷圆片和金属圆片必须足够平整才能粘结牢靠。弯曲振动频率fr取决于振子的径厚比、材料性质以及边界支撑条件。式中a为边界支撑条件决定的常数：波节固定时a＝0.467；周边固定时a＝0.233。本发明采用周边固定法，故a取0.233。t为复合振子厚度，r1、r、r2分别为压电陶瓷圆片的半径、支撑周边圆的半径和金属圆片的半径，且r1≤r≤r2，压电陶瓷片的半径r1与金属片的半径r2之比x＝r1/r2＞0.7，才能使振子的阻抗比较低，当x＝1时最佳。y为两片材质的合成杨氏模量，ρ为两片材质的合成密度，σ为两片材质的合成泊松比。在边界条件固定的情况下，频率的变化与t/r2成正比。在可闻声域内，这类振子直径多在φ10～φ50mm，总厚度在0.4～0.5mm的范围内。本发明弯曲圆盘式复合振子的最佳直径为φ3mm，即r＝1.5mm，复合振子总厚度最佳为t＝0.45mm，其中压电陶瓷圆片的厚度t1＝0.2mm。振子频率成为超出人耳听力范围的超声波，既可以防止噪声污染，又能有效防止窃贼利用听诊器偷听。金属圆片宜选择线性膨胀系数与压电陶瓷最接近的金属为好。压电陶瓷的平均线性膨胀系数约为αl≈2.5×10-6/℃(20℃)，经查并验证，牌号为4j36的殷钢(invarsteel)在居里温度tc(230℃)以下平均线性膨胀系数约为αl≈1.5×10-6/℃(20℃)，且殷钢坚硬，导电性能好，故本发明的金属圆片9材料选用殷钢。已知压电陶瓷的密度ρ1＝7.6×103kg/m3，殷钢的密度ρ2＝8.1×103kg/m3，体积几乎相等，则合成密度ρ≈7.9×103kg/m3。本发明的压电陶瓷圆片8选用接收型p14压电材料，因为该型材料具有较高的压电应变常数d33＝6.4×10-10c/n，意味着用它制作的超声压电振子接收灵敏度较高。该型材料的自由相对介电常数为式中，ε0为真空(或自由空间)的介电常数，ε0＝8.85×10-12(f/m)，ε为绝对介电常数，其中，f表示电容ct的单位法拉。绝对介电常数ε与元件的电容ct，电极面积s和电极间距t1之间的关系为式中s为电极面积m2，t1为电极间距m，ct为谐振电容f。下面以一个齿为例分析，当钥匙插入锁芯后，依据胡克定律，在弹性限度内，弹簧弹力f1＝-k△h(n)(式4)依据牛顿力学力的相互作用，则弯曲圆盘式复合振子受到压力f＝-f1＝k△h(n)(式5)则弯曲圆盘式复合振子产生电荷q＝fd33＝k△hd33(c)(式6)对于本发明的弯曲圆盘式复合振子采用的是单片元件，则弯曲圆盘式复合振子产生电压式3代入，得式2代入，并假设本发明的弯曲圆盘式复合振子的元件是全电极，则代入已知，得u≈0.6018k△h(v)(式10)式中，△h为钥匙齿高度的变化m。假设本发明的功放电路电压放大倍数为β，则e＝βu＝0.6018β·kδh(v)(式11)令b＝0.6018β·k，则e＝b△h(v)(式12)由此可见，本发明的电压e仅与钥匙齿的高度变化△h有关。所述信号处理电路如图4所示，包括功率放大电路12，功率放大电路12与模数转换器adc13电连接，模数转换器adc13与密码检测电路14电连接，密码检测电路14与声光报警电路15电连接，同时，功率放大电路12、模数转换器adc13、密码检测电路14、声光报警电路15均与电源16电连接；超声压电振子7形成的阵列产生的压电电压信号经过模数转换器adc13转换为数字信号输入密码检测电路14，密码检测电路14检测收到的信号与已存入的密码进行比对，看是否一致，一致的话开锁，否则开启声光报警电路15。弯曲圆盘式复合振子产生的电压u非常微弱，先经过功放放大β倍为e后，再经过模数转换器adc转换为数字信号，输入密码检测电路与已存密码进行比对，匹配的话开锁，不匹配的话声光报警。整个电路需要电源供电，电源一方面接消防应急电路上，另一方面接独立直流电池上。以防断电造成无法开门，或者窃贼故意断电造成声光报警电路失效后再慢慢试探开锁。在具体实施时，如图3所示，超声压电振子7是由一片压电陶瓷圆片8和一片金属圆片9经导电胶粘结起来做成弯曲圆盘式复合振子，压电陶瓷圆片8的负极和金属圆片9粘结起来，金属圆片9的另一面与支撑金属环10粘结。压电陶瓷圆片8和金属圆片9必须足够平整才能粘结牢靠。压电陶瓷圆片8选用接收型p14压电材料，金属圆片9选用殷钢。超声压电振子7通过屏蔽导线11与信号处理电路连接。开锁时，钥匙1插入锁芯2内，如图1、图2所示，钥匙1上的钥匙第一齿17、钥匙第二齿18、钥匙第三齿19依次压下弹子5，依据公式12，超声压电振子阵列7产生的压电电压如下表1所示：表1三齿振子电压二齿振子电压一齿振子电压钥匙进一齿e31＝bh1e21＝0e11＝0钥匙进二齿e32＝b(h2-h1)e22＝bh1e12＝0钥匙进三齿e33＝b(h3-h2+h1)e23＝b(h2-h1)e13＝bh1由此表可见，开锁时，三齿振子产生的压电电压变化过程为：e31→e32→e33，同时二齿振子产生的压电电压变化过程为：0→e22→e23，一齿振子产生的压电电压变化过程为：0→0→e13。密码检测电路14就是检测收到的信号与已存入的表中数据进行比对，看是否一致，一致的话开锁，否则开启声光报警电路15。本发明超声压电振子阵列7产生的压电电压信号经过模数转换器adc13转换为数字信号输入密码检测电路14进行比对，精度高，防窃贼试探效果非常理想。同时，原装钥匙精度高，有心之人恶意配的钥匙加工相对粗糙，本发明也能及时识别并声光报警，防盗效果极佳。可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。当前第1页12