CN104897215B - 一种可同时处理压力信号和声波信号的传感器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可同时处理压力信号和声波信号的传感器及其方法。该方法包括：获取由流体介质压力作用时产生的原始电信号；从所述原始电信号中并行提取流体的静压强信号和声压信号；对提取出的流体的静压强信号和声压信号分别进行信号处理以得到压力信号和声波信号；分别输出所述压力信号和声波信号。本发明通过压力敏感器件获取原始信号，通过并行滤波器从原始信号中提取出静压强信号和声压信号，再分别对静压强信号和声压信号进行不同的信号处理，实现了由同一传感器进行声波信号和压力信号的同时处理，既能降低成本，又能减少工作量，可广泛应用于油气管道、水处理、化工生产等领域。

Description

一种可同时处理压力信号和声波信号的传感器及其方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种可同时处理压力信号和声波信号的传感器及其方法。

背景技术

传感器（英文名称：transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。

传感器的特点包括：微型化、数字化、智能化、多功能化、系统化、网络化。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的存在和发展，让物体有了触觉、味觉和嗅觉等感官，让物体慢慢变得活了起来。通常根据其基本感知功能分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。

然而上述传感器都具备同一个共性，就是只能检测和处理一种数据，如压力传感器只能检测和处理压力信号，声波传感器只能检测和处理声波信号，在流体介质作用于传感器时，不仅仅会产生流体的静压强信号，还会有流体声波传输引起的微小声压变化，如果用两种传感器分别取检测和处理，还会成本会提高，还会增加工作量。

基于上述问题，如何设计和研发出一种能同时处理压力信号和声波信号的传感器，是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的旨在解决现有传感器不能同时处理压力信号和声波信号的问题，从而提供一种可同时处理压力信号和声波信号的传感器及其方法。

在第一方面，本发明提供了一种传感器同时处理压力信号和声波信号的方法。该方法包括以下步骤：获取由流体介质压力作用时产生的原始电信号；从所述原始电信号中并行提取流体的静压强信号和声压信号；对提取出的流体的静压强信号和声压信号分别进行信号处理以得到压力信号和声波信号；分别输出所述压力信号和声波信号。

优选地，所述原始电信号的获取由所述传感器内的压力敏感器件来实现。

优选地，所述静压强信号的提取由所述传感器内的低通滤波器来实现，所述声压信号的提取由所述传感器内的带通滤波器来实现。

优选地，所述压力信号的输出由所述传感器内的压力传感器来实现，所述声波信号的输出由所述传感器内的声波传感器来实现。

优选地，所述对提取出的静压强信号和声压信号分别进行信号处理以得到压力信号和声波信号具体包括：

将提取出的静压强信号进行前置放大、低通滤波、后置放大和驱动处理后得到压力信号；

将提取出的声波信号进行前置放大、增益控制、后置放大和带通滤波处理后得到声波信号。

在第二方面，本发明提供了一种可同时处理压力信号和声波信号的传感器。该传感器包括：用于获取由流体介质压力作用时产生的原始电信号的信号获取单元；与所述信号获取单元相连接，用于从所述原始电信号中提取流体的静压强信号的静压强信号提取单元和提取声压信号的声压信号提取单元；与所述静压强信号提取单元相连接，用于对提取出的流体的静压强信号进行信号处理以得到压力信号的压力信号处理单元，和与所述声压信号提取单元相连接，用于对提取出的流体的声压信号进行信号处理以得出声波信号的声波信号处理单元；与所述压力信号处理单元相连接，用于输出所述压力信号的压力信号输出单元，和与所述声波信号处理单元相连接，用于输出所述声波信号的声波信号输出单元。

优选地，所述信号获取单元为下列敏感器件中的一种:

应变式压力敏感器件、压电式压力敏感器件或压阻式压力敏感器件。

优选地，所述静压强信号提取单元为低通滤波器，所述声压信号提取单元为带通滤波器。

优选地，所述压力信号处理单元包括前置放大器、低通滤波器、后置放大器和驱动电路；所述声波信号处理单元包括前置放大器、增益控制器、后置放大器和带通滤波器。

优选地，所述压力信号输出单元为压力传感器，所述声波信号输出单元为声波传感器。

本发明的有益效果：本发明通过压力敏感器件获取原始信号，通过并行滤波器从原始信号中提取出静压强信号和声压信号，再分别对静压强信号和声压信号进行不同的信号处理，实现了由同一传感器进行声波信号和压力信号的同时处理，既能降低成本，又能减少工作量，可广泛应用于油气管道、水处理、化工生产等领域。

附图说明

图1是根据本发明实施例的可同时处理压力信号和声波信号的传感器的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的传感器同时处理压力信号和声波信号的方法流程图；

图3是由本发明传感器内压力敏感器件获取的原始电信号示意图；

图3A是对图3中的原始电信号进行低通滤波后的压力信号示意图；

图3B是对图3A中的低通滤波信号进行前置放大后的压力信号示意图；

图3C是对图3B中的前置放大波形进行低通滤波处理后的信号示意图；

图3D是对图3C中的前置放大滤波处理后的压力信号进行后置放大后的压力信号示意图；

图3E是对图3D中的后置放大后的压力信号进行驱动后的压力信号示意图；

图3F是对图3中的原始电信号进行带通滤波后的声波信号示意图；

图3G是对图3F中的带通滤波处理后的声波信号进行前置放大后的声波信号示意图；

图3H是对图3G中的前置放大后的声波信号进行增益控制后的声波信号示意图；

图3I是对图3H中的增益控制后的声波信号进行后置放大后的声波信号示意图；以及

图3J是对图3I中的后置放大后的声波信号进行带通滤波处理后的声波信号示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好的理解本发明实施例中的技术方案，并使本发明实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是根据本发明实施例的可同时采集压力数据和声波数据的传感器的结构示意图。

如图1所示，该实施例的传感器包括：信号获取单元、静压强信号提取单元、声压信号提取单元、压力信号处理单元、声波信号处理单元、压力信号输出单元和声波信号输出单元。

信号获取单元负责获取由流体介质压力作用时产生的原始电信号。本发明选择灵敏度高，工作带宽大的压力敏感器件。根据实际情况需要，压力敏感材料可以选择：应变式压力敏感器件、压电式压力敏感器件或者压阻式压力敏感器件。流体介质压力作用于压力敏感器件时，将产生原始电信号。压力敏感器件获得的原始电信号既包括了流体的静压强信号，也包括了流体声波传输引起的微小声压变化。压力敏感器件获取的原始电信号可见图3所示。

静压强信号提取单元从上述原始电信号中提取流体的静压强信号，声压信号提取单元从上述原始电信号中提取流体的声压信号。本发明实施例中静压强信号提取单元选取低通滤波器来实现流体介质压强的提取（低通滤波后的压力信号可见图3A所示），声压信号提取单元选取带通滤波器来实现流体介质声压的提取（带通滤波后的声波信号可见图3F所示）。

压力信号处理单元对提取出的流体的静压强信号进行信号处理以得到压力信号。声波信号处理单元对提取出的流体的声压信号进行信号处理以得到声波信号。

具体地，压力信号处理单元包括前置放大器、低通滤波器、后置放大器和驱动电路。压力敏感器件输出的原始电信号非常微弱，并且内阻很高，经过低通滤波器后必须选择合适的前置放大器。前置放大器主要作用是：放大低通滤波器输出的微弱电压信号；把高阻抗输出变换为低阻抗输出(经前置放大处理后的压力信号见图3B所示)。经过前置放大后的电压信号反映了压力的变化情况，为提高信噪比，减小电路干扰影响，再次使用低通滤波器滤除信号的高频部分，留下的低频部分体现了流体介质的压力(经低通滤波处理后的压力信号见图3C所示)。滤波输出的电压信号需要进行后置放大，从而使输出电平与后续电路保持良好的匹配。后置放大器将信号放大到足够大，且同时将峰值限制在一定的范围(经后置放大处理后的压力信号见图3D所示)。标准压力传感器通常具有0～5V， -5～+5V， 0～10V，-10V～+10V，0～20mA，4～20mA等标准形式输出。因此，需要利用驱动电路将后置放大器的输出驱动到标准形式输出（驱动后的压力信号可见图3E所示）。驱动电路输出的电信号经过标定后即得到压力信号。

具体地，声波信号处理单元包括前置放大器、增益控制器、后置放大器和带通滤波器。当声波在流体介质中传播时，由于流体介质的振动，介质的瞬时压力与静压会产生一定的差值，该差值称为声压。声压的单位为Pa。声压值是时间的函数。一般使用时，声压是有效声压的简称。声压在声场中具有一定空间分布。压力敏感器件在介质中受压产生原始电信号。原始电信号的动态部分反映了流体介质的声压变化。根据振动频率不同，声波可分为：可听声波，人们把能引起听觉的机械波称为声波（音频）。频率在20～20000Hz之间。次声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波。超声波，频率高于20000Hz的机械波称为超声波。

由于压力敏感器件工作带宽限制，通过选择不同的滤波器，本发明可输出可听声波和次声波信号。当带通滤波器的通带为0～20Hz以下时，系统输出次声波信号；当带通滤波器的通带为20～20000Hz时，系统输出可听声波信号。

压力敏感器件输出的原始电信号（如图3所示）非常微弱，并且内阻很高，经过带通滤波器进行滤波后的声波信号(带通滤波后的声波信号图可见图3F所示)必须选择合适的前置放大器，声压信号处理单元的前置放大器主要作用是：放大带通滤波器输出的微弱电压信号；把高阻抗输出变换为低阻抗输出（前置放大后的声波信号见图3G所示）。带通滤波器输出的声波信号强度比压力信号还要微弱，通常为微伏级别。为更好获取声波信号，需要选择噪声水平低，增益较大的前置放大器。

声波信号的动态范围较大，为更好的控制信号幅度，在前置放大器输出后，需要对信号进行增益控制。增益控制（gain control）使放大电路的增益随信号强度而调整。增益控制利用线性放大和压缩放大的有效组合对前置放大器的输出信号进行调整。当弱信号输入时，线性放大电路工作，保证输出信号的强度；当输入信号达到一定强度时，启动压缩放大电路，使输出幅度降低（增益控制后的声波信号见图3H所示）。

增益控制器输出的电压信号需要进行后置放大，从而使输出电平与后续电路（如AD采样电路等）保持良好的匹配。后置放大器将信号放大到足够大，且同时将峰值限制在一定的范围（后置放大后的声波信号见图3I所示）。

经过后置放大后的声波信号强度得到增强，较好的反映声压变化，为提高信噪比，减小电路噪声影响，再次使用带通滤波器滤除通带之外的噪声信号，留下的信号就是信噪比较高的声波信号(带通滤波后的声波信号见图3J所示）。

压力信号输出单元输出上述经前置放大、低通滤波、后置放大和驱动之后得到的压力信号；声波信号输出单元输出上述声压信号经前置放大、增益控制、后置放大和滤波之后得到连续声波信号。在本发明实施例中，压力信号输出单元为压力传感器，声波信号输出单元为声波传感器。

图2是根据本发明实施例的传感器同时采集压力数据和声波数据的方法流程图。

在步骤201，由传感器内的压力敏感器件获取由流体介质压力作用时产生的原始电信号。

在步骤202，从步骤201中的原始电信号中通过传感器内的低通滤波器来提取流体的静压强信号，通过传感器内的带通滤波器来提取声压信号。

在步骤203，分别对步骤202中提取出的流体的静压强信号和声压信号进行信号处理以得到压力信号和声波信号。

分别对提取出的静压强信号和声压信号进行信号处理以得到压力信号和声波信号具体包括：

将提取出的静压强信号进行前置放大、低通滤波、后置放大和驱动处理后得到压力信号；

将提取出的声压信号进行前置放大、增益控制、后置放大和带通滤波处理后得到声波信号。

在步骤204，由传感器内压力传感器输出经步骤203处理得到的压力信号，由声波传感器输出经步骤203处理得到的声波信号。

如上所述，本发明传感器可用来解决压力信号和声波信号不能用同一传感器处理的问题。使用一种传感器可以处理两种数据，这样既能降低成本，又减少工作量。且本发明的传感器还具有结构紧凑，精度较高的优点，可广泛应用于油气管道、水处理、化工生产等行业。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种传感器同时处理压力信号和声波信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：

由所述传感器内的压力敏感器件获取由流体介质压力作用时产生的原始电信号；

由所述传感器内的低通滤波器和带通滤波器分别从所述原始电信号中并行提取流体的静压强信号和声压信号；

对提取出的流体的静压强信号和声压信号分别进行信号处理以得到压力信号和声波信号,具体包括:将提取出的静压强信号进行前置放大、低通滤波、后置放大和驱动处理后得到压力信号；将提取出的静压强信号进行阻抗匹配、前置放大、增益控制、后置放大和带通滤波处理后得到声波信号；

由所述传感器内的压力传感器和声波传感器分别输出所述压力信号和声波信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压力信号的输出由所述传感器内的压力传感器来实现，所述声波信号的输出由所述传感器内的声波传感器来实现。

3.一种可同时处理压力信号和声波信号的传感器，其特征在于，包括：

获取由流体介质压力作用时产生的原始电信号的信号获取单元，所述信号获取单元为压力敏感器件；

与所述信号获取单元连接，用于从所述原始电信号中提取流体的静压强信号的静压强信号提取单元和提取声压信号的声压信号提取单元；所述静压强信号提取单元为低通滤波器，所述声压信号提取单元为带通滤波器；

与所述静压强信号提取单元相连接，用于对提取出的流体的静压强信号进行信号处理以得到压力信号的压力信号处理单元，和与所述声压信号提取单元相连接，用于对提取出的流体的声压信号进行信号处理以得出声波信号的声波信号处理单元,所述压力信号处理单元包括前置放大器、低通滤波器、后置放大器和驱动电路；所述声波信号处理单元包括前置放大器、增益控制器、后置放大器和带通滤波器；

与所述压力信号处理单元相连接，用于输出所述压力信号的压力信号输出单元，和与所述声波信号处理单元相连接，用于输出所述声波信号的声波信号输出单元。

4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述信号获取单元为下列敏感器件中的一种:

应变式压力敏感器件、压电式压力敏感器件或压阻式压力敏感器件。

5.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述压力信号输出单元为压力传感器，所述声波信号输出单元为声波传感器。