張 慧，張國(guó)軍，劉細(xì)寶，葛曉洋，劉林仙，薛晨陽(yáng)

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051;2.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

0 引 言

海洋是未來(lái)人類(lèi)賴(lài)以生存的資源，蘊(yùn)藏著豐富的生物、礦產(chǎn)、化學(xué)和動(dòng)力資源，因其經(jīng)濟(jì)上的巨大潛力和戰(zhàn)略上的重要地位己經(jīng)成為各國(guó)的重要戰(zhàn)略目標(biāo)。水下運(yùn)載體在海洋環(huán)境的探測(cè)與建模、海洋科學(xué)研究、海底資源的開(kāi)采、海洋目標(biāo)的水下探測(cè)與識(shí)別、定位與傳輸?shù)确矫娴难芯恐邪l(fā)揮重要作用，已成為世界科技強(qiáng)國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域。

水聲是海洋中信息傳播的主要載體，水下探測(cè)、定位與導(dǎo)航、目標(biāo)識(shí)別、通信等水下作業(yè)都必須借助于水聲技術(shù)來(lái)完成。人們利用聲波在水中指向性強(qiáng)，傳播距離較遠(yuǎn)，傳播能力非常好這一特性，研制出多種聲納探測(cè)設(shè)備，以滿(mǎn)足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要［1］。作為一種重要的水下探測(cè)裝置，聲納系統(tǒng)現(xiàn)在軍用［2］、民用［3］方面發(fā)揮重要的作用。

T 型MEMS 仿生矢量水聽(tīng)器具有測(cè)量距離長(zhǎng)和測(cè)量精度高、低頻信號(hào)接收好、體積小、功耗低、質(zhì)量輕、成本低、環(huán)境適用性強(qiáng)等其他傳感器不可比擬的優(yōu)點(diǎn)［4］，它采用低衰減、低滲水的聚氨酯橡膠作為透聲材料，具有良好的透聲性能、機(jī)械性能、低透水、耐海水浸泡等特性，可作為接收系統(tǒng)核心部分。

1 測(cè)距機(jī)理

1.1 聲波測(cè)距原理

本文采用回聲探測(cè)法進(jìn)行距離的測(cè)試。單片機(jī)發(fā)出10 kHz 的信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后由換能器發(fā)出，聲波以速度c 在水中傳播，在到達(dá)障礙物時(shí)反射返回，由水聽(tīng)器接收，進(jìn)行放大濾波處理，反饋給單片機(jī)，測(cè)得其往返時(shí)間差為ΔT，由s=cΔT/2 可以算出探測(cè)器距被測(cè)物體之間的距離，經(jīng)單片機(jī)處理，送至LED 顯示。具體流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試流程圖Fig 1 Flow chart of experimental test

1.2 水聽(tīng)器工作原理

根據(jù)聲學(xué)振動(dòng)原理和半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，設(shè)計(jì)出了一種結(jié)構(gòu)為雙T 型矢量水聽(tīng)器敏感單元。該水聽(tīng)器是利用介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)引起力敏電阻器的阻值的變化并通過(guò)惠斯頓電橋進(jìn)行電壓信號(hào)的檢測(cè)，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 雙T 型結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of double T type

2 單片機(jī)電路控制設(shè)計(jì)

聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括聲波發(fā)射/接收電路、穩(wěn)壓電路、重置電路、LED 顯示電路和單片機(jī)控制電路。整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52，發(fā)射和接收電路中都需要對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大。采用12 MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差［6］。

2.1 發(fā)射電路原理

發(fā)射電路(圖3)主要由9012 和LED 指示燈D1構(gòu)成，單片機(jī)P3.1 端口輸出的10 kHz 的脈沖信號(hào)一路經(jīng)9012 送到換能器的另一個(gè)電極，9012 在這里起到開(kāi)關(guān)作用，如果有信號(hào)發(fā)出，則D1燈亮。

圖3 發(fā)射電路Fig 3 Transmitting circuit

2.2 接收電路原理

接收電路(圖4)包括水聽(tīng)器 RX，Q2，Q3和 Q4控制開(kāi)關(guān)2 部分。T 型水聽(tīng)器可接收到信號(hào)的頻率范圍為100 Hz～30 kHz。由于換能器TX 發(fā)射出的信號(hào)非常微弱，因此，必須經(jīng)放大電路放大。當(dāng)水聽(tīng)器RX 接收到信號(hào)時(shí)，Q2，Q4導(dǎo)通，Q3不導(dǎo)通，則 D2燈亮。

圖4 接收電路Fig 4 Receiving circuit

2.3 單片機(jī)控制模塊

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試使用AT89S52 單片機(jī)(圖5)。晶振Y1采用12 MHz 的高精度晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減少測(cè)量誤差。經(jīng)單片機(jī)控制發(fā)射10 kHz 的信號(hào)由P3.1 輸出。系統(tǒng)板采用LCD1602 顯示模式。

圖5 單片機(jī)控制模塊Fig 5 Control module of MCU

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件部分由主程序、聲波發(fā)射接收程序、數(shù)據(jù)處理程序、液晶顯示程序、外部中斷處理程序和定時(shí)器中斷程序組成。系統(tǒng)測(cè)試流程圖分為主程序(圖6)和子程序(圖7)。

圖6 主程序流程圖Fig 6 Flow chart of main program

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述方案，實(shí)驗(yàn)人員在汾西機(jī)械集團(tuán)消聲水池(水深5 m)做了多次實(shí)驗(yàn)。

圖7 子程序流程圖Fig 7 Flow chart of subroutine

測(cè)試主要驗(yàn)證:T 型水聽(tīng)器是否具有低頻反射信號(hào)的接收檢測(cè)能力和在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中水聽(tīng)器的性能;單片機(jī)控制能否實(shí)現(xiàn)水聽(tīng)器與障礙物距離的準(zhǔn)確測(cè)量。

圖8 所示為測(cè)量時(shí)各儀器擺放的位置圖。從圖可以看出:水聽(tīng)器1 既能接收到換能器發(fā)出的直達(dá)波，又能接收到反射的聲音信號(hào)，水聽(tīng)器2 只能接收到換能器所發(fā)直達(dá)波。

圖8 測(cè)試位置圖Fig 8 Test position

圖9 聲波傳播路線(xiàn)Fig 9 Propagation route of acoustic wave

實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面:1)如圖9所示，發(fā)射換能器與水聽(tīng)器存在一定的夾角;2)聲音在水中傳播速度受水溫、鹽度、深度等產(chǎn)生的影響。

表1 為多次測(cè)量統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)觀察本測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量誤差小于1 %，距離分辨力高，測(cè)距精度高。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與誤差分析Tab 1 Experimental data and error analysis

4 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:基于MEMS 矢量水聽(tīng)器的噪聲被動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)在水下測(cè)距系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性良好、性能穩(wěn)定可靠易維護(hù);本次實(shí)驗(yàn)結(jié)合MEMS 技術(shù)和新型精巧的換能微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了水聽(tīng)器的體積微型化和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化;利用壓阻敏感機(jī)理提高了矢量水聽(tīng)器的低頻特性。參考文獻(xiàn):

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