T型MEMS矢量水听器的声纳测距研究
0 引言
海洋是未来人类赖以生存的资源,蕴藏着丰富的生物、矿产、化学和动力资源,因其经济上的巨大潜力和战略上的重要地位己经成为各国的重要战略目标。水下运载体在海洋环境的探测与建模、海洋科学研究、海底资源的开采、海洋目标的水下探测与识别、定位与传输等方面的研究中发挥重要作用,已成为世界科技强国重点发展的领域。水声是海洋中信息传播的主要载体,水下探测、定位与导航、目标识别、通信等水下作业都必须借助于水声技术来完成。人们利用声波在水中指向性强,传播距离较远,传播能力非常好这一特性,研制出多种声纳探测设备,以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要[1]。作为一种重要的水下探测装置,声纳系统现在军用[2]、民用[3]方面发挥重要的作用。
T型MEMS仿生矢量水听器具有测量距离长和测量精度高、低频信号接收好、体积小、功耗低、质量轻、成本低、环境适用性强等其他传感器不可比拟的优点[4],它采用低衰减、低渗水的聚氨酯橡胶作为透声材料,具有良好的透声性能、机械性能、低透水、耐海水浸泡等特性,可作为接收系统核心部分。
1 测距机理
1.1 声波测距原理
本文采用回声探测法进行距离的测试。单片机发出10kHz的信号,经功率放大器放大后由换能器发出,声波以速度c在水中传播,在到达障碍物时反射返回,由水听器接收,进行放大滤波处理,反馈给单片机,测得其往返时间差为ΔT,由s=cΔT/2可以算出探测器距被测物体之间的距离,经单片机处理,送至LED显示。具体流程图见图1。
1.2 水听器工作原理
根据声学振动原理和半导体材料的压阻效应,设计出了一种结构为双T型矢量水听器敏感单元。该水听器是利用介质质点振动引起力敏电阻器的阻值的变化并通过惠斯顿电桥进行电压信号的检测,其结构如图2所示。
2 单片机电路控制设计
声波测距系统的硬件电路设计主要包括声波发射/接收电路、稳压电路、重置电路、LED显示电路和单片机控制电路。整体电路的控制核心为单片机AT89S52,发射和接收电路中都需要对相应信号进行放大。采用12MHz 高精度的晶振,以获得较稳定时钟频率,减小测量误差[6]。
2.1 发射电路原理
发射电路(图3)主要由9012和LED指示灯D1构成,单片机P3.1端口输出的10kHz的脉冲信号一路经9012送到换能器的另一个电极,9012在这里起到开关用,如果有信号发出,则D1灯亮。
2.2 接收电路原理
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