齊 娜， 付士民， 王世寧， 劉興宇， 陳麗潔

(中國電子科技集團公司 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技術研究

齊 娜， 付士民， 王世寧， 劉興宇， 陳麗潔

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

提出了一種基于微機電系統(tǒng)(MEMS)壓力傳感器陣列的浪涌檢測技術。通過在壓力作用區(qū)域內(nèi)布放MEMS壓力傳感器陣列,從而獲取各測試點上的壓力值,對這些壓力值進行處理得到相應區(qū)域的壓力變化趨勢。經(jīng)MEMS壓力傳感器陣列檢測實驗系統(tǒng)驗證表明：此設計方案能夠準確檢測到浪涌信號，分辨出浪涌的方向及幅值變化。

浪涌檢測； 陣列； 信號處理

0 引 言

波浪是海洋科學研究和海洋工程設計與施工中必不可少的基本要素，隨著電子技術和聲吶技術的發(fā)展，當前國內(nèi)外已有了多種海洋波浪測量的波浪儀。然而，基于不同的工作原理設計的波浪儀對波浪的響應特點不同，其適用的測量環(huán)境也不同[1]。

目前,國內(nèi)可以提供的波浪儀器已達15種左右。它們可以從海面、海底、岸邊和船上對波浪進行觀測,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,并可直接輸入到計算機進行數(shù)據(jù)處理[2]。國產(chǎn)的波浪儀器已經(jīng)在港工建設、海上采油、造船和科研等部門得到廣泛地應用。同時,國內(nèi)也已經(jīng)建立起了波浪儀器生產(chǎn)和研究單位,成長起一支經(jīng)驗豐富的技術隊伍[3]。本文采用微機電系統(tǒng)(MEMS)工藝設計了一種整體陣列式壓力傳感器,用于檢測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)過實驗驗證表明，該系統(tǒng)能夠在準確的檢測到浪涌信號，分辨出浪涌的方向及幅值變化。

1 設計原理

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

壓力式測波技術的理論基礎是根據(jù)線性波理論推導出的水面下壓力傳感器處的動壓力隨著時間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計

MEMS壓力波傳感器陣列主要分為壓力探頭和信號處理電路，MEMS壓力波探頭放置間距為11mm，通過水密電連接器及水密電纜連接至信號處理電路，信號處理電路放置于密封罐體中，同樣通過水密電連接器與水密外部電纜連接。采用中國電子科技集團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)理電路設計

調(diào)理電路組成見圖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在幾百毫伏范圍內(nèi)，該電壓值對于AD采樣芯片而言太小，因此，需要對傳感器輸出電壓進行放大后再進行采樣和數(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提高性能指標。設計選用的放大器是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，為滿足技術要求，本設計采用二階低通濾波器，通過調(diào)節(jié)電阻值和電容值來使電路的截止頻率滿足設計的要求。放大濾波電路如圖3所示。

圖3 放大濾波電路

3.2 溫度補償設計

將溫度系數(shù)對應的熱敏器件加入到電路中，轉化成隨溫度變化的電壓值，通過對環(huán)境溫度的補償處理，消除了靈敏度受環(huán)境變化帶來的影響。

3.3 程控放大電路

為防止應用環(huán)境中出現(xiàn)大的過載信號，需要對傳感器的幅值進行自適應調(diào)節(jié)，利用模擬開關作為調(diào)節(jié)端口，對放大器的放大電阻器進行選擇，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 實驗標定測試

由于壓力波傳感器陣列不易在水壓條件下標定，因此，實驗標定采用氣壓標定方法，通過相對標定方法來檢驗傳感器的適用性。本文以造波水池作為應用背景，采用5 kPa壓力傳感器作為壓力波檢測傳感器。通過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，測量傳感器輸出電壓值，給出測量結果。

通過實驗測量不同已知壓力值的電壓值，得到對應數(shù)據(jù)。標定測試結果如表1所示。

表1 標定測試結果

實驗結果表明：壓力傳感器精度達到1 %，對應的壓力波高度精度1 cm，傳感器的量程達到5 kPa，對應的壓力波高度量程為0.5 m。通過實驗可以看出傳感器滿足造波水池等較小壓力波傳感器應用場合。而對于湖、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LabVIEW工具在上位機軟件中觀察輸出波形[5]。

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

圖5 LabVIEW波形顯示界面中得到的輸出電壓隨時間變化曲線圖

實驗結果表明：本文設計的MEMS壓力傳感器陣列的浪涌檢測到浪涌傳播的方向，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地發(fā)生變化。在初始波到達壓力傳感器陣列時，輸出的電壓幅值最大，隨著時間的推移，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，從而實現(xiàn)了浪涌信號的提取，分辨出浪涌的方向及幅值變化。

5 結 論

本文根據(jù)浪涌信號原理分析，設計了壓力傳感器陣列與壓力傳感器信號檢測電路。根據(jù)仿真得到的目標特性，設計帶通濾波器用以去除掉尾流場的雜波干擾，并通過采用程控放大技術使得傳感器陣列具有了自適應放大能力，解決了高背景噪聲下的信號提取難題。通過造波水池實驗，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間、空間分布仿真結果一致。通過壓力傳感器陣列的實驗結果表明：此設計能夠準確的檢測到浪涌信號，分辨出浪涌的方向及幅值變化。

[1] 章家保，蔡 輝，陳加銀，等.當前海洋波浪測量的技術特點和實測分析[J].光學學報，2015,34(4)：33-37.

[2] 左其華.現(xiàn)場波浪觀測技術發(fā)展和應用[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.海浪理論與計算原理[M].北京：科學出版社,1984.

[5] 程廷海.基于LabVIEW的超聲電機測試系統(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。