CN110010754A - 降低杂信比和提高信噪比的阵列式压电薄膜传感器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种降低杂信比和提高信噪比的阵列式压电薄膜传感器及方法。阵列式压电薄膜传感器包括从上到下依次布置的PVDF压电薄膜层、缓冲层和基底，PVDF压电薄膜层是由多片PVDF压电薄膜在同一平面阵列排布而成，阵列式压电薄膜传感器中的缓冲层沿垂直于PVDF压电薄膜的阵列排布方向将缓冲层分为多条缓冲条，每条缓冲条平行于PVDF压电薄膜布置，每条缓冲条尺寸为与PVDF压电薄膜等宽。本发明改善阵列式压电薄膜传感器特性的方法，应用于颗粒碰撞传感器，可有效降低阵列式颗粒碰撞传感器杂信比，同时也提高了传感器的信噪比，为开发性能更优良的颗粒碰撞传感器提供了新的设计思路。
Description
技术领域
本发明属于颗粒碰撞传感器降噪领域，涉及一种降低杂信比和提高信噪比的阵列式压电薄膜传感器及方法。
背景技术
颗粒碰撞传感器主要应用于农业收获机械比如联合收割机等进行收获作业时来检测谷物损失情况，其主要工作部件为压电薄膜，可根据颗粒碰撞传感器所产生电信号的幅值和频率不同区分谷粒和其他杂质。目前颗粒碰撞传感器设计均为阵列式压电薄膜传感器，其基本结构从下至上依次为：用于承受碰撞力的基底层，辅助振动的缓冲层和PVDF压电薄膜。碰撞在不同片PVDF压电薄膜上的颗粒信号分别进行处理和识别，再相加为传感器的碰撞数目，此结构可大大提高谷物损失的检测效率，但其同时也存在着弊端，即多片PVDF压电薄膜公用同一块缓冲层，导致当振动发生在一片压电薄膜时，其他压电薄膜也会产生杂波信号，较为明显的杂波信号对此传感器无论是颗粒的计数还是颗粒区分都是不利的。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是为提高阵列式压电薄膜传感器对碰撞颗粒的计数和识别精度，提出了一种降低杂信比和提高信噪比的阵列式压电薄膜传感器及方法。本发明通过分割缓冲层来削弱振动在压电薄膜间的相互传递，可有效降低传感器杂信比，同时也提高了传感器的信噪比，为开发性能更优良的颗粒碰撞传感器提供了新的设计构思和设计结构。
本发明为解决上述问题所采取的技术方案是：
所述的阵列式压电薄膜传感器包括从上到下依次布置的PVDF压电薄膜层、缓冲层和基底，PVDF压电薄膜层用于感知压力并输出压力电信号，缓冲层用于减少谐振和增强信号强度，基底用于增强传感单元的静力强度和冲击强度，PVDF压电薄膜层是由多片PVDF压电薄膜在同一平面阵列排布而成，阵列式压电薄膜传感器中的缓冲层沿垂直于PVDF压电薄膜的阵列排布方向将缓冲层分为多条缓冲条，每条缓冲条平行于PVDF压电薄膜布置，每条缓冲条尺寸为与PVDF压电薄膜等宽，这样分割后的缓冲层能够削弱多片压电薄膜间的振动传递和干涉，即提高阵列式压电薄膜传感器的信噪比和降低杂信比。
所述的PVDF压电薄膜为条形，多片PVDF压电薄膜在同一平面沿垂直于条形的方向阵列排布，。
所述的缓冲层采用橡胶、硅橡胶、发泡硅胶等材料。
所述的基底采用具有较高冲击韧性和强度极限的材料，如各种铝、铜、铁等金属，ABS、POM、尼龙等高强度塑料等材料。
阵列式压电薄膜传感器中的缓冲层沿垂直于阵列式压电薄膜传感器的PVDF压电薄膜的阵列排布方向将缓冲层分为多条缓冲条，每条缓冲条平行于PVDF压电薄膜布置，每条缓冲条尺寸为与PVDF压电薄膜等宽，这样分割后的缓冲层能够削弱多片压电薄膜间的振动传递和干涉，即提高阵列式压电薄膜传感器的信噪比和降低杂信比，利用分割后缓冲层的阵列式压电薄膜传感器进行颗粒碰撞的压电检测进行处理，能够降低检测的杂信比和提高信噪比。
所述的阵列式压电薄膜传感器包括从上到下依次布置的PVDF压电薄膜层、缓冲层和基底，PVDF压电薄膜层是由多片PVDF压电薄膜在同一平面阵列排布而成。
本发明在传统阵列式压电薄膜传感器缓冲层为整块的前提下，对缓冲层进行了适应PVDF压电薄膜尺寸的分割，使振动自碰撞位置向其他位置的传递减弱，进而降低其他PVDF压电薄膜的输出杂波，提高了传感器的杂信比。
且对缓冲层进行分割后，辅助振动的缓冲层厚度不变而体积减小，同等碰撞下变形量增大，对PVDF压电薄膜振动的辅助作用增强，相应的也使同样碰撞条件下PVDF压电薄膜产生的形变变大，压电信号增强，进而在碰撞条件相同的条件下，系统基底噪声不变，PVDF压电薄膜的压电信号增强，即响应信噪比提高。
本发明的有益效果为：
本发明通过对传统阵列式压电薄膜传感器的缓冲层进行分割，可以阻隔振动在缓冲层中的传递，提高传感器的杂信比，也可提高缓冲层对PVDF压电薄膜振动的辅助作用，提高传感器的信噪比，这可以增大传感器对碰撞颗粒的计数和识别精度，当此传感器用于农业谷粒损失检测提高了准确性。
附图说明
图1(a)为传统阵列式压电薄膜传感器去掉外壳后的结构示意图；
图1(b)为分割缓冲层后的阵列式压电薄膜传感器去掉外壳后的结构示意图；
图2(a)为传统阵列式压电薄膜传感器杂信比柱状图；
图2(b)为分割缓冲层后的阵列式压电薄膜传感器杂信比柱状图；
表1为分割缓冲层前、后的阵列式压电薄膜传感器杂信比数据；
图3(a)为传统阵列式压电薄膜传感器信噪比柱状图；
图3(b)为分割缓冲层后的阵列式压电薄膜传感器信噪比柱状图；
表2为分割缓冲层前、后的阵列式压电薄膜传感器信噪比数据。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明实施的阵列式压电薄膜传感器包括从上到下依次布置的PVDF压电薄膜层、缓冲层和基底，缓冲层置于所述阵列式压电薄膜下方，PVDF压电薄膜层是由多片PVDF压电薄膜在同一平面阵列排布而成，阵列式压电薄膜传感器中的缓冲层沿垂直于PVDF压电薄膜的阵列排布方向将缓冲层分为多条缓冲条，每条缓冲条平行于PVDF压电薄膜布置，每条缓冲条尺寸为与PVDF压电薄膜等宽。
本实施例降低阵列式压电薄膜传感器杂信比和提高其信噪比方法，应用于阵列式PVDF压电薄膜颗粒碰撞传感器，其主要应用在收获机械的谷物损失检测中。当颗粒碰撞压电薄膜传感器表面时，PVDF压电薄膜受到应力作用产生压电信号，对压电信号进行处理和分析之后，可对碰撞颗粒进行计数，也可对碰撞产生不同应力强度的不同颗粒进行识别和区分。
应用多个阵列式的PVDF压电薄膜制成的阵列式压电薄膜传感器，可以显著提高传感器的检测频率，图1(a)为传统阵列式压电薄膜传感器去掉外壳后的结构示意图，即多片阵列式的PVDF压电薄膜粘贴于缓冲层上，缓冲层下方为基底层，PVDF压电薄膜阵列上方为保护层，其整体封装于传感器外壳中。
本发明通过探索性实验发现阵列式压电薄膜传感器噪声主要有两个来源：一是颗粒对某一单片PVDF压电薄膜碰撞时，除碰撞压电薄膜产生压电信号外，其他压电薄膜也有压电信号产生，在此情况下，其他压电薄膜在未发生碰撞时产生的压电信号为杂波信号(Clutter)，杂波信号的最大振幅与导致其产生碰撞信号的最大振幅之比，为此传感器的杂信比(Clutter-to-Signal Ratio,C/R)；二是传感器系统内部的背景噪声信号(Noise)，发生碰撞的PVDF压电薄膜产生的压电信号最大振幅与系统背景噪声之比为传感器的信噪比(Signal-to-NoiseRatio,S/N)。较高的杂信比对此传感器无论是颗粒的计数还是颗粒区分都是不利的。
本实施例阵列式压电薄膜传感器降噪方法，将缓冲层按PVDF压电薄膜尺寸进行分割，图1(b)为分割缓冲层后的阵列式压电薄膜传感器去掉外壳后的结构示意图。
本发明方法的原理为：PVDF压电薄膜产生压电信号依靠本身振动形变产生，缓冲层一般为阻尼材料，如橡胶、硅橡胶、发泡硅胶等等，其目的是辅助PVDF压电薄膜振动，增大压电信号，减少振动传递，抑制其他非碰撞薄膜的杂波产生。当碰撞发生在传感器表面时，除PVDF压电薄膜振动外，缓冲层也发生振动。传统一整块的缓冲层在一处振动时，振动传递给其他PVDF压电薄膜也会有压电信号产生；对缓冲层进行PVDF压电薄膜尺寸适应的分割，就是减少了缓冲层从振动发生位置向其他位置传递，减少单片PVDF压电薄膜的振动干涉，进而削弱其他PVDF压电薄膜的杂波产生，提高了传感器的杂信比。
另外，对缓冲层进行分割后，辅助振动的缓冲层厚度不变而体积减小，同等碰撞下变形量增大，对PVDF压电薄膜振动的辅助作用增强，相应的也使同样碰撞条件下PVDF压电薄膜产生的形变变大，压电信号增强，进而在碰撞条件相同的条件下，系统基底噪声不变，PVDF压电薄膜的压电信号增强，即响应信噪比提高。
本发明具体实施例如下：
为验证本发明方法的有效性，本发明进行了试验验证。实验用装置采用专利CH201710330243.5中所示的谷物损失传感器性能标定装置，碰撞颗粒采用直径为4mm的ABS材料小球，碰撞高度为400mm，对两块传感器分别进行碰撞试验，每块传感器均由阵列的6条PVDF压电薄膜、发泡硅胶缓冲层、基底和树脂外壳组成，缓冲层采用发泡硅胶，基底采用高韧性树脂，分别对每条PVDF压电薄膜上均匀分布的6个位置进行碰撞，同时对6条压电薄膜进行信号采集，分析每个传感器的杂信比和信噪比。
对于杂信比，传统阵列式压电薄膜传感器杂信比结果如图2(a)所示，分割缓冲层后的阵列式压电薄膜传感器杂信比结果如图2(b)所示。其中：杂信比等于1的位置是发生碰撞的压电薄膜位置，其他位置的柱状图高度反应了杂波信号与碰撞信号之间的关系。如下表1所示，分割缓冲层前、后的阵列式压电薄膜传感器杂信比数据，分割后传感器的相邻杂信比降低了38.8％，相隔杂信比降低了8.59％。
表1
| 未分割 | 分割 | 降低百分比 | |
| 相邻杂信比 | 0.252978 | 0.154862 | 38.8％ |
| 相隔杂信比 | 0.070249 | 0.064215 | 8.59％ |
对于信噪比，传统阵列式压电薄膜传感器信噪比结果如图3(a)所示，分割缓冲层后的阵列式压电薄膜传感器信噪比结果如图3(b)所示。如下表2所示，分割缓冲层前、后的阵列式压电薄膜传感器信噪比数据，分割后的传感器六个通道信噪比最高提高21.0％。
表2
| X1 | X2 | X3 | X4 | X5 | X6 | |
| 未分割 | 35.853 | 34.423 | 35.515 | 34.375 | 36.692 | 37.049 |
| 分割 | 40.410 | 41.659 | 40.916 | 41.461 | 38.692 | 37.118 |
| 提升百分比 | 12.7％ | 21.0％ | 15.2％ | 20.6％ | 5.5％ | 0.02％ |
综合上述实施可见，在对缓冲层进行分割后，阵列式压电薄膜传感器的杂信比降低，信噪比提高。
应当指出，对于本技术领域和普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种降低杂信比和提高信噪比的阵列式压电薄膜传感器，其特征在于：所述的阵列式压电薄膜传感器包括从上到下依次布置的PVDF压电薄膜层、缓冲层和基底，PVDF压电薄膜层是由多片PVDF压电薄膜在同一平面阵列排布而成，阵列式压电薄膜传感器中的缓冲层沿垂直于PVDF压电薄膜的阵列排布方向将缓冲层分为多条缓冲条，每条缓冲条平行于PVDF压电薄膜布置，每条缓冲条尺寸为与PVDF压电薄膜等宽。
2.根据权利要求1所述的一种降低杂信比和提高信噪比的阵列式压电薄膜传感器，其特征在于：所述的PVDF压电薄膜为条形，多片PVDF压电薄膜在同一平面沿垂直于条形的方向阵列排布。
3.根据权利要求1所述的一种降低杂信比和提高信噪比的阵列式压电薄膜传感器，其特征在于：所述的缓冲层采用橡胶、硅橡胶、发泡硅胶等材料。
4.根据权利要求1所述的一种降低杂信比和提高信噪比的阵列式压电薄膜传感器，其特征在于：所述的基底采用具有较高冲击韧性和强度极限的材料。
5.一种降低阵列式压电薄膜传感器杂信比和提高其信噪比方法，其特征在于：阵列式压电薄膜传感器中的缓冲层沿垂直于阵列式压电薄膜传感器的PVDF压电薄膜的阵列排布方向将缓冲层分为多条缓冲条，每条缓冲条平行于PVDF压电薄膜布置，每条缓冲条尺寸为与PVDF压电薄膜等宽，利用分割后缓冲层的阵列式压电薄膜传感器进行颗粒碰撞的压电检测进行处理，能够降低检测的杂信比和提高信噪比。
6.根据权利要求5所述的一种降低阵列式压电薄膜传感器杂信比和提高其信噪比方法，其特征在于：所述的阵列式压电薄膜传感器包括从上到下依次布置的PVDF压电薄膜层、缓冲层和基底，PVDF压电薄膜层是由多片PVDF压电薄膜在同一平面阵列排布而成。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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