基于MEMS压力传感器阵列的浪涌检测技术研究

齐 娜， 付士民， 王世宁， 刘兴宇， 陈丽洁

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

基于MEMS压力传感器阵列的浪涌检测技术研究

齐 娜， 付士民， 王世宁， 刘兴宇， 陈丽洁

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

提出了一种基于微机电系统(MEMS)压力传感器阵列的浪涌检测技术。通过在压力作用区域内布放MEMS压力传感器阵列,从而获取各测试点上的压力值,对这些压力值进行处理得到相应区域的压力变化趋势。经MEMS压力传感器阵列检测实验系统验证表明：此设计方案能够准确检测到浪涌信号，分辨出浪涌的方向及幅值变化。

浪涌检测； 阵列； 信号处理

0 引 言

波浪是海洋科学研究和海洋工程设计与施工中必不可少的基本要素，随着电子技术和声呐技术的发展，当前国内外已有了多种海洋波浪测量的波浪仪。然而，基于不同的工作原理设计的波浪仪对波浪的响应特点不同，其适用的测量环境也不同[1]。

目前,国内可以提供的波浪仪器已达15种左右。它们可以从海面、海底、岸边和船上对波浪进行观测,所获取的波浪资料已不仅只有波高和周期,而是可以连续地记录波浪剖面曲线,并可直接输入到计算机进行数据处理[2]。国产的波浪仪器已经在港工建设、海上采油、造船和科研等部门得到广泛地应用。同时,国内也已经建立起了波浪仪器生产和研究单位,成长起一支经验丰富的技术队伍[3]。本文采用微机电系统(MEMS)工艺设计了一种整体阵列式压力传感器,用于检测海洋浪涌的压力分布及分辨出浪涌的方向及幅值变化。经过实验验证表明，该系统能够在准确的检测到浪涌信号，分辨出浪涌的方向及幅值变化。

1 设计原理

压力式测波技术简而言之就是利用高精度压力传感器测量由波浪的波动而产生的压力变化，这是最传统的测量手段。在此基础上，近些年的技术进步主要是新的压力传感器精度的提高，以及设备采样率的提高。从而使得与波高相关参数的精度提高，能测量到的波周期更短、更精准[1]。

压力式测波技术的理论基础是根据线性波理论推导出的水面下压力传感器处的动压力随着时间t的变化的理论公式为[4]

(1)

式中 P为压力；d为水深；g为重力加速度，z轴向上为正；k为波数；ω为波浪圆频率；A为自由表面波振幅；ρw为水的密度。

2 MEMS压力波传感器阵列设计

MEMS压力波传感器阵列主要分为压力探头和信号处理电路，MEMS压力波探头放置间距为11mm，通过水密电连接器及水密电缆连接至信号处理电路，信号处理电路放置于密封罐体中，同样通过水密电连接器与水密外部电缆连接。采用中国电子科技集团公司第四十九研究所自主研发的压力传感器，该传感器具有防水功能，量程为1～10 kPa；非线性误差为±0.1 %FS。压力波传感器阵列原理框图如图1所示。

图1 压力波传感器阵列原理

3 系统调理电路设计

调理电路组成见图2。

图2 调理电路框图

3.1 差分放大滤波电路

压阻式压力传感器的输出信号在几百毫伏范围内，该电压值对于AD采样芯片而言太小，因此，需要对传感器输出电压进行放大后再进行采样和数据处理。压阻式压力传感器的输出阻抗较高，选用输入阻抗高的仪表放大器来提高性能指标。设计选用的放大器是AD623，其工作电源可以工作在+3～+12 V的单电源模式。传感器输出含噪声干扰，为满足技术要求，本设计采用二阶低通滤波器，通过调节电阻值和电容值来使电路的截止频率满足设计的要求。放大滤波电路如图3所示。

图3 放大滤波电路

3.2 温度补偿设计

将温度系数对应的热敏器件加入到电路中，转化成随温度变化的电压值，通过对环境温度的补偿处理，消除了灵敏度受环境变化带来的影响。

3.3 程控放大电路

为防止应用环境中出现大的过载信号，需要对传感器的幅值进行自适应调节，利用模拟开关作为调节端口，对放大器的放大电阻器进行选择，以有效地控制传感器的放大倍数。程控放大电路如图4所示。

图4 程控放大电路

4 实验标定测试

由于压力波传感器阵列不易在水压条件下标定，因此，实验标定采用气压标定方法，通过相对标定方法来检验传感器的适用性。本文以造波水池作为应用背景，采用5 kPa压力传感器作为压力波检测传感器。通过在分别向压力波阵列传感器的每一只传感器分别施加0～5 kPa(高纯N2)的压力，测量传感器输出电压值，给出测量结果。

通过实验测量不同已知压力值的电压值，得到对应数据。标定测试结果如表1所示。

表1 标定测试结果

实验结果表明：压力传感器精度达到1 %，对应的压力波高度精度1 cm，传感器的量程达到5 kPa，对应的压力波高度量程为0.5 m。通过实验可以看出传感器满足造波水池等较小压力波传感器应用场合。而对于湖、海等较大压力波传感器，可以选取大量程的压力传感器。

将压力传感器阵列置于浅水池中，利用造波工具模拟海洋环境中浪涌经过产生的波浪。给压力波传感器阵列供电，利用数据采集器采集每一只压力探头的输出电压，并通过LabVIEW工具在上位机软件中观察输出波形[5]。

压力传感器阵列经过2.5 s时间测量，在波形显示界面中得到的输出电压随时间变化曲线如图5所示。

图5 LabVIEW波形显示界面中得到的输出电压随时间变化曲线图

实验结果表明：本文设计的MEMS压力传感器阵列的浪涌检测到浪涌传播的方向，并且可以根据压力传感器的幅值判断出浪涌变化的幅值大小，约为2cm浪高,即随着波浪幅度的改变，压力传感器阵列输出值也相应地发生变化。在初始波到达压力传感器阵列时，输出的电压幅值最大，随着时间的推移，压力传感器阵列输出幅值逐渐变小。压力传感器阵列中各传感器变化趋势符合理论模型的分析，传感器阵列呈现出一致性变化，从而实现了浪涌信号的提取，分辨出浪涌的方向及幅值变化。

5 结 论

本文根据浪涌信号原理分析，设计了压力传感器阵列与压力传感器信号检测电路。根据仿真得到的目标特性，设计带通滤波器用以去除掉尾流场的杂波干扰，并通过采用程控放大技术使得传感器阵列具有了自适应放大能力，解决了高背景噪声下的信号提取难题。通过造波水池实验，采用波形显示界面中得到的电压输出波形与压力阵列传感器理论模型分析的时间、空间分布仿真结果一致。通过压力传感器阵列的实验结果表明：此设计能够准确的检测到浪涌信号，分辨出浪涌的方向及幅值变化。

[1] 章家保，蔡 辉，陈加银，等.当前海洋波浪测量的技术特点和实测分析[J].光学学报，2015,34(4)：33-37.

[2] 左其华.现场波浪观测技术发展和应用[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.海浪理论与计算原理[M].北京：科学出版社,1984.

[5] 程廷海.基于LabVIEW的超声电机测试系统[J].传感器与微系统，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

齐 娜(1986-)，女，硕士，工程师，主要从事通信与信息系统研究工作。