CN111829646A - 一种宽响应频带的质点振速传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种宽响应频带的质点振速传感器，包括敏感单元，所述敏感单元由多个敏感子单元组成，每个敏感子单元用于采集相应频段的声音信号；包括信号调理单元，所述信号调理单元用于对敏感单元输出的电信号进行放大，并对各敏感子单元输出的电信号进行合成。本发明能够在保证信噪比和灵敏度的前提下，实现宽频带响应。

Description

一种宽响应频带的质点振速传感器
技术领域
本发明涉及一种宽响应频带的质点振速传感器。
背景技术
声信号包含标量声压信号和矢量质点振速信号两个参量值，二者分别反应了声场的不同特性，其中，矢量质点振速信号同时包含声信号强度和声音传播方向信息，能够用于声源定位追踪，声场成像等多个方面，在空气声学、水声学等多种领域之中有广泛的应用前景。对于标量声压信号，可以通过驻极体电容式传声器等多种传感器进行测量。对于声矢量信号，传统的测量方法一般是基于声压梯度原理进行间接测量，即通过一定间距上的两个传声器所探测到的声压进行梯度计算，从而得到质点振速信号。
与本发明最相关的现有技术为，基于微机电(MEMS)工艺的热温差式质点振速传感器，可以直接测量声波的质点振速信号。当声信号作用于这种传感器时，该传感器可以通过热阻丝(测温梁)的温度的变化来实现对质点振速信号的直接测量。基于这种结构的传感器具有工艺简单，阵列孔径小、测量精度高等多种优势，同时具有良好的指向性。现有热温差式质点振速传感器主要有两种结构：一种为平行并列，具有一定间距的三根热阻丝，即位于中间位置的加热丝以及对称分布在加热丝两端的两个敏感丝；另一种为两根平行并列，具有一定间距的热阻丝，它们既是敏感丝也是加热丝。当声音信号作用于这种结构的质点振速传感器时，两个敏感丝的温度会受声音信号的影响出现扰动，从而使两个敏感丝的阻值出现差异，从而实现对声音信号质点振速的探测。然而，这一类型的质点振速传感器，其响应频带、灵敏度、信噪比等性能特性受限于热阻丝结构尺寸、热阻丝间距、传感器选用材料等多种影响因素。因此，当前的质点振速传感器难以在保证频带内信噪比和灵敏度的前提下，实现较宽的响应频带。这将导致传感器在探测宽频声音信号时出现信号失真，频带内噪声大等一系列问题。这一缺陷直接影响到了质点振速传感器对宽频声音信号的探测，限制了质点振速传感器的应用场景和适用范围。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种宽响应频带的质点振速传感器，能够在保证信噪比和灵敏度的前提下，实现宽频带响应。
实现本发明目的的技术方案：
一种宽响应频带的质点振速传感器，包括敏感单元，所述敏感单元由多个敏感子单元组成，每个敏感子单元用于采集相应频段的声音信号；包括信号调理单元，所述信号调理单元用于对敏感单元输出的电信号进行放大，并对各敏感子单元输出的电信号进行合成。
进一步地，所述每个敏感子单元由2个平行设置的敏感丝组成，所述敏感丝悬置于衬底上。
进一步地，所述敏感单元包括1个中心敏感子单元和1个或多个外敏感子单元，所述外敏感子单元位于中心敏感子单元的外侧，所述外敏感子单元的2个敏感丝相对中心敏感子单元对称设置。
进一步地，所述中心敏感子单元的2个敏感丝中间设有加热丝。
进一步地，所述敏感子单元的个数根据采集声音信号的频带宽度确定。
进一步地，所述信号调理单元由信号放大电路、频率选择电路和信号合成电路构成，每个敏感子单元对应设有一组信号放大电路、频率选择电路，所述信号放大电路用于对敏感子单元采集的信号进行放大，所述频率选择电路用于对信号放大电路输出的信号进行频率选择。
进一步地，所述信号合成电路用于对各敏感子单元频率选择电路输出的信号进行合成。
进一步地，各敏感子单元选择的频段相互连续。
进一步地，信号合成电路输出信号的频带宽度覆盖采集信号的频带宽度。
本发明具有的有益效果：
本发明敏感单元由多个敏感子单元组成，每个敏感子单元用于采集相应频段的声音信号；包括信号调理单元，所述信号调理单元用于对敏感单元输出的电信号进行放大，并对各敏感子单元输出的电信号进行合成。本发明通过多个敏感子单元分别对相应频段进行响应，然后再将各敏感子单元进行探测，从而在保证信噪比和灵敏度的前提下，实现宽频带响应，对宽频声音信号质点振速进行感知与测量。
本发明每个敏感子单元由2个平行设置的敏感丝组成，所述敏感丝悬置于衬底上；所述敏感单元包括1个中心敏感子单元和1个或多个外敏感子单元，所述外敏感子单元位于中心敏感子单元的外侧，所述外敏感子单元的2个敏感丝相对中心敏感子单元对称设置。本发明对敏感子单元的结构设计和对各敏感子单元的布置方式，有效保证各敏感子单元对相应频段的响应效果，保证响应的信噪比和灵敏度。本发明所述中心敏感子单元的2个敏感丝中间设有加热丝，进一步提高敏感单元的响应效果。
本发明所述信号调理单元由信号放大电路、频率选择电路和信号合成电路构成，每个敏感子单元对应设有一组信号放大电路、频率选择电路，所述信号放大电路用于对敏感子单元采集的信号进行放大，所述频率选择电路用于对信号放大电路输出的信号进行频率选择。本发明通过对各敏感子单元探测的信号进行信号放大、频率选择、信号合成，在保证每个频段(敏感子单元)信噪比、灵敏度响应下，最终将各频段(敏感子单元)信号合成，有效实现在保证信噪比和灵敏度的前提下，进行宽频带响应。
附图说明
图1是本发明的整体结构框图；
图2是本发明实施例一的各敏感子单元分布示意图；
图3是本发明实施例二的各敏感子单元分布示意图；
图4是本发明敏感单元的结构示意图；
图5是图4的侧视图；
图6是本发明调理单元的原理框图；
图7是本发明的工作原理示意图；
图8是本发明信号调理过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例一：
如图1所示，传感器包括敏感单元和信号调理单元。所述敏感单元由多个敏感子单元组成，每个敏感子单元用于采集相应频段的声音信号；包括信号调理单元，所述信号调理单元用于对敏感单元输出的电信号进行放大，并对各敏感子单元输出的电信号进行合成。
如图2所示，所述每个敏感子单元由2个平行设置的敏感丝组成，所述敏感单元包括1个中心敏感子单元和1个或多个外敏感子单元，本实施例中，中心敏感子单元由敏感丝S11、S12组成，还包括由敏感丝S21、S22组成的外敏感子单元、由敏感丝S31、S32组成的外敏感子单元，由敏感丝S41、S42组成的外敏感子单元等，(外)敏感子单元的个数根据采集声音信号的频带宽度确定。外敏感子单元位于中心敏感子单元的外侧，所述外敏感子单元的2个敏感丝相对中心敏感子单元对称设置。如图4、图5所示，敏感丝悬置于衬底上。
如图6、图7所示，信号调理单元由信号放大电路、频率选择电路和信号合成电路构成，每个敏感子单元对应设有一组信号放大电路、频率选择电路，所述信号放大电路用于对敏感子单元采集的信号进行放大，所述频率选择电路用于对信号放大电路输出的信号进行频率选择。所述信号合成电路用于对各敏感子单元频率选择电路输出的信号进行合成。各敏感子单元选择的频段相互连续。信号合成电路输出信号的频带宽度覆盖采集信号的频带宽度。
当敏感丝被施加驱动电压后，其会产生相应的温度场分布。当声音信号作用于传感器敏感结构时，传感器的空间温度场分布会发生变化，此时，敏感丝的电阻值会随空间温度场的变化出现差异，从而实现对声音信号的测量。对于不同的敏感丝，敏感丝物理尺寸、材料、工艺等影响因素的不同将导致敏感丝在面对声音信号的激励时产生不同的响应，即敏感丝温度场分布，响应频带等多种特性出现差异，这将影响传感器的信噪比及响应频带；对于同一敏感子单元的两个敏感丝，当两个敏感丝的间距处于能够正常工作的范围内时，两个敏感丝由于声音信号作用所引起的响应受两个敏感丝间距影响，从而影响到传感器灵敏度与响应频带，其中，敏感结构信噪比与敏感丝间距成正比，敏感结构的响应频带与敏感丝间距成反比。因此，当声音信号作用于传感器时，每个敏感子单元都将对声音信号进行响应，但每个敏感子单元的输出信号存在信噪比、灵敏度、响应频带等特性上的差异，不同敏感子单元的敏感丝具有不同的响应特性。
如图8所示，当宽频带的声音信号作用于传感器时，根据每个敏感子单元的响应特性，在保证灵敏度与信噪比的条件下，通过信号放大电路对各敏感子单元的输出信号进行调理，再通过频率选择电路对调理放大后的输出信号进行选频处理，并通过信号合成电路将经过选频处理的各路信号进行合成，得到所需要的输出信号。图8中，曲线1和曲线2分别代表第一组和第二敏感子单元的频响特性。当有频带为f1-f3的声音信号作用于传感器时，对第一组敏感丝结构的输出信号，依据其灵敏度对信号进行放大处理得到曲线1’，再依据其频响，截取f1-f2这一频段内的信号s1；对第二组敏感丝结构，同样依据其灵敏度对输出信号进行放大处理，再依据第二敏感子单元的频响特性，截取f2-f3这一频段内的输出信号s2。将信号s1和信号s2进行合成，从而实现传感器对宽频声音信号不失真的响应。
实施例二：
如图3所示，在中心敏感子单元敏感丝S11、S12之间的中间位置，设有加热丝S0，通过加热丝S0能够进一步提高敏感单元的响应效果。
实施例二的其余结构和工作原理同实施例一。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (9)

1.一种宽响应频带的质点振速传感器，包括敏感单元，其特征在于：所述敏感单元由多个敏感子单元组成，每个敏感子单元用于采集相应频段的声音信号；包括信号调理单元，所述信号调理单元用于对敏感单元输出的电信号进行放大，并对各敏感子单元输出的电信号进行合成。
2.根据权利要求1所述的宽响应频带的质点振速传感器，其特征在于：所述每个敏感子单元由2个平行设置的敏感丝组成，所述敏感丝悬置于衬底上。
3.根据权利要求2所述的宽响应频带的质点振速传感器，其特征在于：所述敏感单元包括1个中心敏感子单元和1个或多个外敏感子单元，所述外敏感子单元位于中心敏感子单元的外侧，所述外敏感子单元的2个敏感丝相对中心敏感子单元对称设置。
4.根据权利要求3所述的宽响应频带的质点振速传感器，其特征在于：所述中心敏感子单元的2个敏感丝中间设有加热丝。
5.根据权利要求1所述的宽响应频带的质点振速传感器，其特征在于：所述敏感子单元的个数根据采集声音信号的频带宽度确定。
6.根据权利要求1所述的宽响应频带的质点振速传感器，其特征在于：所述信号调理单元由信号放大电路、频率选择电路和信号合成电路构成，每个敏感子单元对应设有一组信号放大电路、频率选择电路，所述信号放大电路用于对敏感子单元采集的信号进行放大，所述频率选择电路用于对信号放大电路输出的信号进行频率选择。
7.根据权利要求6所述的宽响应频带的质点振速传感器，其特征在于：所述信号合成电路用于对各敏感子单元频率选择电路输出的信号进行合成。
8.根据权利要求6所述的宽响应频带的质点振速传感器，其特征在于：各敏感子单元选择的频段相互连续。
9.根据权利要求8所述的宽响应频带的质点振速传感器，其特征在于：信号合成电路输出信号的频带宽度覆盖采集信号的频带宽度。
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