CN107218932A - 面向mems湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构 - Google Patents

Abstract

本发明为一种面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构，解决了平台振动对海洋湍流探测干扰极大等技术瓶颈问题。本发明包括底座、湍流传感器和补偿传感器，湍流传感器由第一中空壳体、第一传感芯片、保护罩和保护柱组成；补偿传感器由第二中空壳体、第二传感芯片和密封导流罩组成，并且第一中空壳体、第一传感芯片与第二中空壳体、第二传感芯片完全相同。本发明采用具有共模抑制的振动补偿方法，在不改动湍流传感器结构的基础上，利用补偿传感器的对照效果，实现了消除平台振动信号的目的，具有较高的准确性和可行性。

Description

面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构

技术领域

本发明涉及海洋湍流探测技术领域，具体是一种面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构。

背景技术

海洋内部运动能量传递过程一般是由大尺度到小尺度、最终以微结构湍流的形式耗散。研究湍流能量耗散过程是建立完善海洋宏观运动物理模型、了解海洋内部混合的基础。此外，微结构湍流还对海水运动速度、温盐特性及水中溶解态、颗粒态物质的分布有显著的影响，因此，海洋微结构湍流对于认识海洋内部变化规律具有重要意义，其中也包含着对海洋湍流的精准探测。

由于在测量时测量平台的振动对海洋湍流探测干扰极大，近年来，很多研究者就如何消除平台振动干扰提出了几种方法。

中国海洋大学的周芳芳在其文章《基于潜标的海洋湍流仪水下姿态与振动分析》中指出，海流引起的观测平台的振动会产生低频段的噪声干扰。因此可以通过将仪器的外壳设计的尽量光滑，如可以通过将壳体设计成流线型的方式来降低海流的干扰作用，降低低频干扰信号。潜标系统中的缆绳晃动会产生高频段的噪声干扰，通过增加壳体的重量来降低缆绳晃动引起的高频干扰。

美国Woods Hole海洋研究所在研制湍流剖面仪HRP时通过增加剖面仪的长度来提高剖面仪的恢复力矩以减小剖面仪的摆动、提高稳定性；再如加拿大BIO研制的剖面仪EPSONDE也是通过增加长度来提高其稳定性。降低平台影响的另一方法是在剖面仪尾端安装阻力毛刷，如美国HRP系列剖面、加拿大的VMP、欧洲ISW Wasser公司与Sea Sun技术公司合作研制的MSS系列剖面仪、日本的TurboMAP剖面仪等。

然而，平台减振效果有限，在没有办法完全消除平台振动的情况下，国内外现在主要是通过基于姿态传感器的补偿算法来提高湍流信号的测量精度。中国海洋大学王永芳在其文章《时、频、波数域下剪切湍流数据分析方法研究》中指出利用三轴加速度信号作为振动参考信号，剪切信号作为期望信号，根据维纳滤波最小均方误差的原理，提出了基于维纳滤波的湍流信号消噪算法，通过求解维纳霍夫方程得到最优权重系数，从最大程度上实现了湍流振动噪声信号消除。同样在中国海洋大学的周芳芳在其文章《基于潜标的海洋湍流仪水下姿态与振动分析》中介绍了通过硬件电路得到原始的湍流信号和姿态传感器信号的过程，将采集的AHRS姿态加速度信息和剪切信息从SD卡中读出，并通过MTALAB对信号进行预处理，得到真实的信号，然后从测得的加速度信息中去掉静态加速度得到振动信号，再利用振动信号特征与干扰的部分剪切信号的关系消除振动干扰的方法。Piera在其文章《Amethod based on wavelet denoising and Thorpe displacement analysis》中指出小波去噪算法在微结构温度剖面仪数据处理中的有效性，小波消噪为根据不同频带上的小波系数判断噪声信号，并将噪声强度分布特点的小波系数进行消除，然后通过对剩下的小波系数进行重构得到纯净的信号。

然而，由于加速度计的结构和湍流传感器大为不同，两者的灵敏度频率响应特性也存在较大差别，上述基于加速度信号进行振动补偿的方案不可避免会引入频响不一致带来的差模误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决平台振动对海洋湍流探测干扰极大等技术瓶颈问题，而提供一种面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构，包括底座、湍流传感器和补偿传感器，湍流传感器和补偿传感器并列间隔的安置于底座上；湍流传感器包括第一中空壳体，第一中空壳体侧壁设置出水孔，第一中空壳体的顶端腔口处安装第一传感芯片，第一传感芯片外加盖保护罩，且第一传感芯片的纤毛穿出保护罩，第一中空壳体的顶端面上围绕保护罩均布设置若干保护杆；补偿传感器包括第二中空壳体，第二中空壳体的顶端腔口处安装第二传感芯片，第二中空壳体的顶端封装密封导流罩；湍流传感器的第一中空壳体、第一传感芯片与补偿传感器的第二中空壳体、第二传感芯片完全相同。

作为优选的技术方案，第一中空壳体侧壁设置4个出水孔，第一中空壳体的顶端面上围绕保护罩均布设置4根保护杆，并且保护杆和出水孔位置对应。

平台的微小振动会直接影响到湍流传感器的观测效果，需要利用振动补偿校正技术对剪切信号功率谱进行校正。本发明是在工作湍流传感器间隔一段距离安装补偿传感器，补偿传感器的传感芯片、中空壳体与湍流传感器的传感芯片、中空壳体完全一样（包括尺寸、材质等），使两者谐振频率以及对加速度的响应一致，其外部采用密封导流罩密封，内部充满水，同步感应仪器平台振动，形成振动噪声信号共模抑制，利用补偿传感器信号对剪切信号及其功率谱进行振动补偿校正。补偿传感器的密封导流罩为子弹头状的流线型设计，密封导流罩能够隔绝外部湍流对传感芯片的流体动压作用，同时流线型设计可以减少流噪声。由于密封导流罩的密封，所以能很好的隔绝水流对其的影响，只能检测平台振动信号，而湍流传感器能同时检测水流信号与平台信号，最后将所得的两组信号对消即可达到振动补偿，从而得到较为准确的水流信号。

本发明与现有技术相比的优点在于：现有的技术主要从改变结构和加速度补偿入手，对湍流传感器的测试精度还是会有明显的影响，而本发明采用具有共模抑制的振动补偿方法，在不改动湍流传感器结构的基础上，利用补偿传感器的对照效果，补偿传感器和湍流传感器同步采集数据，补偿传感器信号为振动引起的输出信号，湍流传感器的信号由湍流和振动共同作用下的输出信号，由于两者谐振频率以及对振动信号的频率响应一致，通过维纳算法，对比处理两者的信号，从而可以实现振动信号共模抑制。本发明实现了消除平台振动信号的目的，具有较高的准确性和可行性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中湍流传感器的结构示意图。

图3为本发明中补偿传感器的结构示意图。

图4为通过水声信号与振动信号对本发明装置的测试结果示意图。

图中：1-底座、2-湍流传感器、3-补偿传感器、4-第一中空壳体、5-出水孔、6-第一传感芯片、7-保护罩、8-保护杆、9-第二中空壳体、10-第二传感芯片、11-密封导流罩。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本发明，以下结合参考附图并结合实施例对本发明作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1至图3所示，一种面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构，包括底座1、湍流传感器2和补偿传感器3，湍流传感器2和补偿传感器3并列间隔的安置于底座1上；湍流传感器2包括第一中空壳体4，第一中空壳体4侧壁设置出水孔5，第一中空壳体4的顶端腔口处安装第一传感芯片6，第一传感芯片6外加盖保护罩7，且第一传感芯片6的纤毛穿出保护罩7，第一中空壳体4的顶端面上围绕保护罩7均布设置若干保护杆8；补偿传感器3包括第二中空壳体9，第二中空壳体9的顶端腔口处安装第二传感芯片10，第二中空壳体9的顶端封装密封导流罩11；湍流传感器2的第一中空壳体4、第一传感芯片6与补偿传感器3的第二中空壳体9、第二传感芯片10完全相同。

具体实施时，湍流传感器2的第一中空壳体4侧壁设置4个出水孔5，第一中空壳体4的顶端面上围绕保护罩7均布设置4根保护杆8，并且4根保护杆8和4个出水孔5位置上下对应，即4根保护杆8的轴线分别与4个出水孔5的轴线正交。

通过专业设备同时发出100Hz的水声信号与170Hz的振动信号，使用MATLAB分析处理本发明装置中湍流传感器2与补偿传感器3所接收的信号，测试结果如图4所示。图4中a代表湍流传感器2接收到的170Hz振动信号时域波形，c为对应的频域曲线；b代表湍流传感器2接收到的170Hz振动信号与100Hz水声信号的混合信号的时域波形曲线，d为对应的频域波形曲线；e代表补偿传感器3接收到的170Hz振动信号时域波形，g为对应的频域曲线；f代表补偿传感器3接收到的170Hz振动信号与100Hz水声信号的混合信号的时域波形曲线，h为对应的频域曲线：i为d与h两组曲线对消之后形成的频域曲线。从i中可以看出，经过对湍流传感器2与补偿传感器3信号的处理，170Hz的振动信号得到了明显的滤除，得到了较为纯净的100Hz水声信号，证明了本发明装置能够有效的减小振动信号，具有较高的准确性和可行性。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构，其特征在于：包括底座（1）、湍流传感器（2）和补偿传感器（3），湍流传感器（2）和补偿传感器（3）并列间隔的安置于底座（1）上；湍流传感器（2）包括第一中空壳体（4），第一中空壳体（4）侧壁设置出水孔（5），第一中空壳体（4）的顶端腔口处安装第一传感芯片（6），第一传感芯片（6）外加盖保护罩（7），且第一传感芯片（6）的纤毛穿出保护罩（7），第一中空壳体（4）的顶端面上围绕保护罩（7）均布设置若干保护杆（8）；补偿传感器（3）包括第二中空壳体（9），第二中空壳体（9）的顶端腔口处安装第二传感芯片（10），第二中空壳体（9）的顶端封装密封导流罩（11）；湍流传感器（2）的第一中空壳体（4）、第一传感芯片（6）与补偿传感器（3）的第二中空壳体（9）、第二传感芯片（10）完全相同。

2.根据权利要求1所述的面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构，其特征在于：第一中空壳体（4）侧壁设置4个出水孔（5），第一中空壳体（4）的顶端面上围绕保护罩（7）均布设置4根保护杆（8），并且保护杆（8）和出水孔（5）位置对应。