基于MEMS壓力傳感器陣列的浪涌檢測(cè)技術(shù)研究

齊 娜， 付士民， 王世寧， 劉興宇， 陳麗潔

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

基于MEMS壓力傳感器陣列的浪涌檢測(cè)技術(shù)研究

齊 娜， 付士民， 王世寧， 劉興宇， 陳麗潔

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

提出了一種基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)壓力傳感器陣列的浪涌檢測(cè)技術(shù)。通過(guò)在壓力作用區(qū)域內(nèi)布放MEMS壓力傳感器陣列,從而獲取各測(cè)試點(diǎn)上的壓力值,對(duì)這些壓力值進(jìn)行處理得到相應(yīng)區(qū)域的壓力變化趨勢(shì)。經(jīng)MEMS壓力傳感器陣列檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證表明：此設(shè)計(jì)方案能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到浪涌信號(hào)，分辨出浪涌的方向及幅值變化。

浪涌檢測(cè)； 陣列； 信號(hào)處理

0 引 言

波浪是海洋科學(xué)研究和海洋工程設(shè)計(jì)與施工中必不可少的基本要素，隨著電子技術(shù)和聲吶技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外已有了多種海洋波浪測(cè)量的波浪儀。然而，基于不同的工作原理設(shè)計(jì)的波浪儀對(duì)波浪的響應(yīng)特點(diǎn)不同，其適用的測(cè)量環(huán)境也不同[1]。

目前,國(guó)內(nèi)可以提供的波浪儀器已達(dá)15種左右。它們可以從海面、海底、岸邊和船上對(duì)波浪進(jìn)行觀測(cè),所獲取的波浪資料已不僅只有波高和周期,而是可以連續(xù)地記錄波浪剖面曲線,并可直接輸入到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[2]。國(guó)產(chǎn)的波浪儀器已經(jīng)在港工建設(shè)、海上采油、造船和科研等部門(mén)得到廣泛地應(yīng)用。同時(shí),國(guó)內(nèi)也已經(jīng)建立起了波浪儀器生產(chǎn)和研究單位,成長(zhǎng)起一支經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)隊(duì)伍[3]。本文采用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)工藝設(shè)計(jì)了一種整體陣列式壓力傳感器,用于檢測(cè)海洋浪涌的壓力分布及分辨出浪涌的方向及幅值變化。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該系統(tǒng)能夠在準(zhǔn)確的檢測(cè)到浪涌信號(hào)，分辨出浪涌的方向及幅值變化。

1 設(shè)計(jì)原理

壓力式測(cè)波技術(shù)簡(jiǎn)而言之就是利用高精度壓力傳感器測(cè)量由波浪的波動(dòng)而產(chǎn)生的壓力變化，這是最傳統(tǒng)的測(cè)量手段。在此基礎(chǔ)上，近些年的技術(shù)進(jìn)步主要是新的壓力傳感器精度的提高，以及設(shè)備采樣率的提高。從而使得與波高相關(guān)參數(shù)的精度提高，能測(cè)量到的波周期更短、更精準(zhǔn)[1]。

壓力式測(cè)波技術(shù)的理論基礎(chǔ)是根據(jù)線性波理論推導(dǎo)出的水面下壓力傳感器處的動(dòng)壓力隨著時(shí)間t的變化的理論公式為[4]

(1)

式中 P為壓力；d為水深；g為重力加速度，z軸向上為正；k為波數(shù)；ω為波浪圓頻率；A為自由表面波振幅；ρw為水的密度。

2 MEMS壓力波傳感器陣列設(shè)計(jì)

MEMS壓力波傳感器陣列主要分為壓力探頭和信號(hào)處理電路，MEMS壓力波探頭放置間距為11mm，通過(guò)水密電連接器及水密電纜連接至信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路放置于密封罐體中，同樣通過(guò)水密電連接器與水密外部電纜連接。采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所自主研發(fā)的壓力傳感器，該傳感器具有防水功能，量程為1～10 kPa；非線性誤差為±0.1 %FS。壓力波傳感器陣列原理框圖如圖1所示。

圖1 壓力波傳感器陣列原理

3 系統(tǒng)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

調(diào)理電路組成見(jiàn)圖2。

圖2 調(diào)理電路框圖

3.1 差分放大濾波電路

壓阻式壓力傳感器的輸出信號(hào)在幾百毫伏范圍內(nèi)，該電壓值對(duì)于AD采樣芯片而言太小，因此，需要對(duì)傳感器輸出電壓進(jìn)行放大后再進(jìn)行采樣和數(shù)據(jù)處理。壓阻式壓力傳感器的輸出阻抗較高，選用輸入阻抗高的儀表放大器來(lái)提高性能指標(biāo)。設(shè)計(jì)選用的放大器是AD623，其工作電源可以工作在+3～+12 V的單電源模式。傳感器輸出含噪聲干擾，為滿(mǎn)足技術(shù)要求，本設(shè)計(jì)采用二階低通濾波器，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻值和電容值來(lái)使電路的截止頻率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的要求。放大濾波電路如圖3所示。

圖3 放大濾波電路

3.2 溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)

將溫度系數(shù)對(duì)應(yīng)的熱敏器件加入到電路中，轉(zhuǎn)化成隨溫度變化的電壓值，通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度的補(bǔ)償處理，消除了靈敏度受環(huán)境變化帶來(lái)的影響。

3.3 程控放大電路

為防止應(yīng)用環(huán)境中出現(xiàn)大的過(guò)載信號(hào)，需要對(duì)傳感器的幅值進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，利用模擬開(kāi)關(guān)作為調(diào)節(jié)端口，對(duì)放大器的放大電阻器進(jìn)行選擇，以有效地控制傳感器的放大倍數(shù)。程控放大電路如圖4所示。

圖4 程控放大電路

4 實(shí)驗(yàn)標(biāo)定測(cè)試

由于壓力波傳感器陣列不易在水壓條件下標(biāo)定，因此，實(shí)驗(yàn)標(biāo)定采用氣壓標(biāo)定方法，通過(guò)相對(duì)標(biāo)定方法來(lái)檢驗(yàn)傳感器的適用性。本文以造波水池作為應(yīng)用背景，采用5 kPa壓力傳感器作為壓力波檢測(cè)傳感器。通過(guò)在分別向壓力波陣列傳感器的每一只傳感器分別施加0～5 kPa(高純N2)的壓力，測(cè)量傳感器輸出電壓值，給出測(cè)量結(jié)果。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量不同已知壓力值的電壓值，得到對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)。標(biāo)定測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 標(biāo)定測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：壓力傳感器精度達(dá)到1 %，對(duì)應(yīng)的壓力波高度精度1 cm，傳感器的量程達(dá)到5 kPa，對(duì)應(yīng)的壓力波高度量程為0.5 m。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出傳感器滿(mǎn)足造波水池等較小壓力波傳感器應(yīng)用場(chǎng)合。而對(duì)于湖、海等較大壓力波傳感器，可以選取大量程的壓力傳感器。

將壓力傳感器陣列置于淺水池中，利用造波工具模擬海洋環(huán)境中浪涌經(jīng)過(guò)產(chǎn)生的波浪。給壓力波傳感器陣列供電，利用數(shù)據(jù)采集器采集每一只壓力探頭的輸出電壓，并通過(guò)LabVIEW工具在上位機(jī)軟件中觀察輸出波形[5]。

壓力傳感器陣列經(jīng)過(guò)2.5 s時(shí)間測(cè)量，在波形顯示界面中得到的輸出電壓隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。

圖5 LabVIEW波形顯示界面中得到的輸出電壓隨時(shí)間變化曲線圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：本文設(shè)計(jì)的MEMS壓力傳感器陣列的浪涌檢測(cè)到浪涌傳播的方向，并且可以根據(jù)壓力傳感器的幅值判斷出浪涌變化的幅值大小，約為2cm浪高,即隨著波浪幅度的改變，壓力傳感器陣列輸出值也相應(yīng)地發(fā)生變化。在初始波到達(dá)壓力傳感器陣列時(shí)，輸出的電壓幅值最大，隨著時(shí)間的推移，壓力傳感器陣列輸出幅值逐漸變小。壓力傳感器陣列中各傳感器變化趨勢(shì)符合理論模型的分析，傳感器陣列呈現(xiàn)出一致性變化，從而實(shí)現(xiàn)了浪涌信號(hào)的提取，分辨出浪涌的方向及幅值變化。

5 結(jié) 論

本文根據(jù)浪涌信號(hào)原理分析，設(shè)計(jì)了壓力傳感器陣列與壓力傳感器信號(hào)檢測(cè)電路。根據(jù)仿真得到的目標(biāo)特性，設(shè)計(jì)帶通濾波器用以去除掉尾流場(chǎng)的雜波干擾，并通過(guò)采用程控放大技術(shù)使得傳感器陣列具有了自適應(yīng)放大能力，解決了高背景噪聲下的信號(hào)提取難題。通過(guò)造波水池實(shí)驗(yàn)，采用波形顯示界面中得到的電壓輸出波形與壓力陣列傳感器理論模型分析的時(shí)間、空間分布仿真結(jié)果一致。通過(guò)壓力傳感器陣列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：此設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)到浪涌信號(hào)，分辨出浪涌的方向及幅值變化。

[1] 章家保，蔡 輝，陳加銀，等.當(dāng)前海洋波浪測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)測(cè)分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015,34(4)：33-37.

[2] 左其華.現(xiàn)場(chǎng)波浪觀測(cè)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用[J].海洋工程,2008,26(2):124-139.

[3]KottapalliAGP,AsadniaM,MiaoJM.AflexibleliquidcrystalpolymerMEMSpressuresensorarrayforfish-likeunderwatersensing[J].SmartMaterialsandStructures，2012,21(11):454-462.

[4] 文圣常，余宙文.海浪理論與計(jì)算原理[M].北京：科學(xué)出版社,1984.

[5] 程廷海.基于LabVIEW的超聲電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(4):114-116.

Research on surge detection technology based on MEMS pressure sensor array

QI Na, FU Shi-min, WANG Shi-ning, LIU Xing-yu, CHEN Li-jie

(The 49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation, Harbin 150001,China)

A surge detection technique based on MEMS pressure sensor array is introduced.Through placing MEMS pressure sensor array in pressure area,so as to obtain pressure value of each test point,these pressure values are processed to get the pressure change trend of the corresponding area.The MEMS pressure sensor array detection test system verify that this design scheme can accurately detect surge signal,distinguish direction and amplitude change of surge.

surge detection; array; signal processing

2016—11—01

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0057—02

TN 911.23

A

1000—9787(2017)06—0057—02

齊 娜(1986-)，女，碩士，工程師，主要從事通信與信息系統(tǒng)研究工作。