CN112304414A - 一种三轴集成mems矢量水听器及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三轴集成MEMS矢量水听器及系统，包括MEMS声矢量传感器，其特征在于：还包括集成模块体，3个MEMS声矢量传感器分别设置于所述集成模块体的3个侧面，3个MEMS声矢量传感器的敏感方向相互垂直，呈三轴分布。本发明能够有效解决三轴集成时三轴性能不一致问题，提高检测准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种三轴集成MEMS矢量水听器及系统。
背景技术
能测量介质质点运动的矢量信号的装置均称为矢量传感器，用于水下声信号测量的这类传感器通称为矢量水听器。现有矢量水听器主要包括同振式矢量水听器、MEMS纤毛式矢量水听器、MEMS热丝式矢量水听器等。
同振式矢量水听器通过传感器内部的惯性质量来测量水下声场质点振速信息，该同振式矢量水听器置于水下声场中时，声波不直接作用在内部拾振元件上，而是在声波压力的作用下，矢量水听器的外壳产生运动，然后这种运动传到内部拾振元件上，实现声音信号拾取，通过安装正交运动的惯性质量实现2轴或3轴声矢量感知。
MEMS纤毛式矢量水听器基于十字悬臂梁结构，通过在十字悬臂梁中心植入刚性柱体实现水下声场质点振速信息感知，该MEMS纤毛式矢量水听器处在水下声场中时，声波透过透声外壳传输至与水相匹配的液体填充介质中，然后通过刚性柱体拾取声场质点振速信息，实现水下声场信号采集，单个MEMS纤毛式矢量水听器可实现2轴方向声矢量感知，通过水平-垂直结构进行堆叠，或单芯片放置多根刚性柱体，可实现三轴方向声矢量感知。
MEMS热丝式矢量水听器基于MEMS工艺制备的热敏电阻丝，通过感知因声场质点振速引起的温度变化，实现水下声场质点振速感知，该MEMS热丝式矢量水听器处在水下声场中时，声波透过透声外壳传输至与水相匹配的液体填充介质中，通过测量因温度变化引起的热丝端电压变化，实现水下声场信号采集。
现有矢量水听器存在的不足之处在于：同振式矢量水听器能够实现多轴声矢量感知，但存在质量重，体积大等问题；MEMS纤毛式矢量水听器单芯片植入多根刚性柱体实现3轴声矢量感知时面临三轴性能不一致的问题，多个MEMS纤毛式矢量水听器通过水平-垂直结构组成三轴矢量水听器，也同样存在水平方向与垂直方向性能存在差异的问题；MEMS热丝式矢量水听器利用水平-垂直结构进行三轴集成时也面临三轴性能不一致的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种三轴集成MEMS矢量水听器及系统，能够有效解决三轴集成时三轴性能不一致问题，提高检测准确性。
基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：
1、一种三轴集成MEMS矢量水听器，包括MEMS声矢量传感器，其特征在于：还包括集成模块体，3个MEMS声矢量传感器分别设置于所述集成模块体的3个侧面，3个MEMS声矢量传感器的敏感方向相互垂直，呈三轴分布。
进一步地，所述集成模块体为棱锥体，3个MEMS声矢量传感器分别设置于所述棱锥体的3个侧面。
进一步地，所述集成模块体为三棱锥体。
进一步地，所述集成模块体为棱台体，3个MEMS声矢量传感器分别设置于所述棱台体的3个侧面，所述棱台体的顶面设有1个MEMS声压传感器。
进一步地，所述集成模块体为三棱台体。
进一步地，所述3个MEMS声矢量传感器的敏感方向为沿斜面向上或向下，所述斜面为MEMS声矢量传感器所处的集成模块体斜面。
2、一种三轴集成MEMS矢量水听器系统，包括上述三轴集成MEMS矢量水听器，还包括
信号调理模块，所述信号调理模块用于对三轴集成MEMS矢量水听器输出的信号进行放大、滤波处理；
信号采集处理模块，所述信号采集处理模块用于对信号调理模块输出的信号进行运算处理，获得MEMS声矢量传感器的声音传感信息。
进一步地，所述信号采集处理模块通过串口、IIC或SPI方式向外部输出声音传感信息。
进一步地，所述信号采集处理模块包括A/D转换电路和微处理器，所述A/D转换电路用于将模拟信号转换成数字信号，供微处理器对信号进行运算处理。
进一步地，包括电源管理模块，所述电源管理模块用于向三轴集成MEMS矢量水听器、信号调理模块、信号采集处理模块提供稳定的电压。
本发明具有的有益效果：
本发明包括集成模块体，3个MEMS声矢量传感器分别设置于所述集成模块体的3个侧面，3个MEMS声矢量传感器的敏感方向相互垂直，呈三轴分布。本发明将3个MEMS声矢量传感器集成于集成模块体的各侧面，该结构中集成的MEMS声矢量传感器均位于相同的工作环境，有效避免了传统水平-垂直结构带来的三轴性能不一致的问题。本发明将MEMS声矢量传感器进行集成，与现有同振式矢量水听器相比，质量大幅轻，体积小。
本发明三轴集成MEMS矢量水听器系统，包括上述三轴集成MEMS矢量水听器，还包括信号调理模块，所述信号调理模块用于对三轴集成MEMS矢量水听器输出的信号进行放大、滤波处理；信号采集处理模块，所述信号采集处理模块用于对信号调理模块输出的信号进行运算处理，获得MEMS声矢量传感器的声音传感信息。本发明通过信号调理模块对输出信号进行放大、滤波，通过信号采集处理模块对信号进行运算处理，有效提高信号信噪比，保证检测信号准确性。
附图说明
图1是本发明矢量水听器实施例一的结构示意图；
图2是本发明矢量水听器实施例二的结构示意图；
图3是本发明矢量水听器系统集成图；
图4是本发明矢量水听器系统工作原理框图。
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：
三轴集成MEMS矢量水听器
如图1所示，三轴集成MEMS矢量水听器10包括集成模块体11，3个MEMS声矢量传感器12、13、14分别设置于所述集成模块体11的3个侧面，3个MEMS声矢量传感器12、13、14的敏感方向相互垂直，呈三轴分布。所述集成模块体11为三棱锥体。所述3个MEMS声矢量传感器的敏感方向121、131、141沿斜面向上或向下，所述斜面为MEMS声矢量传感器所处的集成模块体11斜面。本实施例中，3个MEMS声矢量传感器的敏感方向121、131、141为沿斜面向上。三轴集成MEMS矢量水听器通过测量质点振速值变化来感知周围环境声音变化，进而判断声源与传感器的相对运动与相对位置。
实施例二：
三轴集成MEMS矢量水听器
如图2所示，三轴集成MEMS矢量水听器20包括集成模块体21，3个MEMS声矢量传感器22、23、24分别设置于所述集成模块体21的3个侧面，3个MEMS声矢量传感器22、23、24的敏感方向相互垂直，呈三轴分布。所述集成模块体21为三棱台体，3个MEMS声矢量传感器22、23、24分别设置于所述棱台体的3个侧面，所述棱台体的顶面设有1个MEMS声压传感器25。所述3个MEMS声矢量传感器的敏感方向221、231、241沿斜面向上或向下，所述斜面为MEMS声矢量传感器所处的集成模块体21斜面。本实施例中，3个MEMS声矢量传感器的敏感方向221、231、241为沿斜面向上。三轴集成MEMS矢量水听器通过测量质点振速值变化和声压强度变化来感知周围环境声音变化，进而判断声源与传感器的相对运动与相对位置。
实施例三：
三轴集成MEMS矢量水听器系统
如图3所示，三轴集成MEMS矢量水听器系统30包括传感器集成模块32，所述传感器集成模块32为实施例一或实施例二的三轴集成MEMS矢量水听器；包括信号调理(电路)模块33，所述调理(电路)模块33用于对三轴集成MEMS矢量水听器输出的信号进行放大、滤波处理；包括信号采集处理模块34，所述信号采集处理模块34用于对信号调理模块输出的信号进行运算处理，获得MEMS声矢量传感器的声音传感信息。所述信号采集处理模块34通过串口、IIC或SPI方式向外部输出声音传感信息。所述信号采集处理模块34包括A/D转换电路和微处理器，所述A/D转换电路用于将模拟信号转换成数字信号，供微处理器对信号进行运算处理。三轴集成MEMS矢量水听器系统30还包括电源管理模块31，所述电源管理模块31用于为系统各模块提供稳定的电源。
如图4所示，首先，集成系统通过三轴集成MEMS矢量水听器将水下声场信息的质点振速信号及声压信号转换为模拟量电压信号，经信号调理模块放大、滤波，得到声压传感器的模拟电压信号Ap和三轴声矢量传感器的三轴模拟量电压信号Ax，Ay以及Az。随后，信号采集处理模块的A/D转换电路将采集到的模拟量电压信号转换为数字信号，并经信号采集处理模块的微处理器进行信号运算后，得到声压传感器的声压P以及三轴声矢量传感器的X轴质点振速vx，Y轴质点振速vy和Z轴质点振速vz。最后，将得到的声压信息和三轴质点振速信息通过串口、IIC、SPI等一种或多种可选择数字信号形式往外进行输出。
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 (10)
1.一种三轴集成MEMS矢量水听器，包括MEMS声矢量传感器，其特征在于：还包括集成模块体，3个MEMS声矢量传感器分别设置于所述集成模块体的3个侧面，3个MEMS声矢量传感器的敏感方向相互垂直，呈三轴分布。
2.根据权利要求1所述的三轴集成MEMS矢量水听器，其特征在于：所述集成模块体为棱锥体，3个MEMS声矢量传感器分别设置于所述棱锥体的3个侧面。
3.根据权利要求2所述的三轴集成MEMS矢量水听器，其特征在于：所述集成模块体为三棱锥体。
4.根据权利要求1所述的三轴集成MEMS矢量水听器，其特征在于：所述集成模块体为棱台体，3个MEMS声矢量传感器分别设置于所述棱台体的3个侧面，所述棱台体的顶面设有1个MEMS声压传感器。
5.根据权利要求4所述的三轴集成MEMS矢量水听器，其特征在于：所述集成模块体为三棱台体。
6.根据权利要求1至5任何一项所述的三轴集成MEMS矢量水听器，其特征在于：所述3个MEMS声矢量传感器的敏感方向为沿斜面向上或向下，所述斜面为MEMS声矢量传感器所处的集成模块体斜面。
7.一种三轴集成MEMS矢量水听器系统，其特征在于：包括权利要求1至6任何一项所述的三轴集成MEMS矢量水听器，还包括
信号调理模块，所述信号调理模块用于对三轴集成MEMS矢量水听器输出的信号进行放大、滤波处理；
信号采集处理模块，所述信号采集处理模块用于对信号调理模块输出的信号进行运算处理，获得MEMS声矢量传感器的声音传感信息。
8.根据权利要求7所述的三轴集成MEMS矢量水听器系统，其特征在于：所述信号采集处理模块通过串口、IIC或SPI方式向外部输出声音传感信息。
9.根据权利要求7所述的三轴集成MEMS矢量水听器，其特征在于：所述信号采集处理模块包括A/D转换电路和微处理器，所述A/D转换电路用于将模拟信号转换成数字信号，供微处理器对信号进行运算处理。
10.根据权利要求7所述的三轴集成MEMS矢量水听器，其特征在于：包括电源管理模块，所述电源管理模块用于向三轴集成MEMS矢量水听器、信号调理模块、信号采集处理模块提供稳定的电压。
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