光纤水听器传感技术及应用

光纤水听器是在传统的水听器的基础上,从一个全新的光纤技术出发,实现传统的水声传感和声纳数据传输一体化,从而改善声纳系统的可靠性,并且降低其制造、使用和维护的总成本的新型水听器.文章简要介绍了光纤水听器的工作原理和结构,包括干涉型光纤水听器、强度型光纤水听器、光纤光栅水听器等三种.详细地对它们在国内外的发展以及应用方面进行了介绍.     

MEMS矢量水听器及其方位估计研究

水下目标被动侦测对高灵敏、低频检测矢量水听器提出了越来越高的要求,传统的矢量水听器已不能满足需求。基于新原理的矢量水听器的大量研究,提出了一种新的MEMS矢量水听器,介绍了该水听器方位检测原理;设计了方位估计实验方案,完成了实际的方位估计实验。测试结果表明：该水听器角度测试值与真实值基本相符,误差约为2°。     

浅海水听器的研究

浅海水听器是一种利用压电敏感元件接受地质信号将机械震动转换为电信号的机电装置,是应用于海洋地震勘探以及工程测量领域的专用传感器.浅海水听器作为海洋地震勘探的关键设备之一,其性能直接关系到地震数据采集的质量.因此,浅海水听器的技术和应用一直倍受广大物探工作者的关注.目前.勘探市场上的水听器灵敏度普遍偏低,在某种程度上制约着勘探中微弱地震信号的数据采集.介绍了一种采用四块圃片状压电陶瓷敏感元件配接变压器的浅海水听器,研究了该浅海水听器的结构和等效电路.在相同条件下,通过与圆筒状水听器和配接前置放大器的水听器的比较分析,表明了采用此种结构的水听器在灵敏度上的优越性,提高了地震数据采集质量,以满足现代海洋勘探技术要求.     

MEMS矢量水听器减振结构的设计与研究

在MEMS矢量水听器现有结构的基础上,设计出一种新型减振结构,期望利用该封装结构衰减水听器工作时安装平台的振动噪声,削弱安装平台振动对水听器测量精度的影响,提高水听器的抗噪能力。结合理论分析确定减振材料并采用有限元软件进行仿真,对矢量水听器先后采用原有封装结构和减振封装结构进行封装,并通过振动台实验和驻波桶灵敏度测试。测试结果表明：该结构可有效实现对MEMS矢量水听器干扰信号的衰减,同时基本不影响水听器的接收灵敏度。     

光纤Bragg光栅水听器的实验研究

根据光纤Bragg光栅的传感原理,提出了一种新型水听器———膜片式光纤Bragg光栅水听器,并对其可行性进行了研究。实验表明:膜片型光纤光栅水听器可准确检测水声信号。     

纤毛—硅柱结构MEMS二维矢量水听器设计与制备方法

微机电系统(MEMS)矢量水听器在使用中会受到平台运动、海浪、洋流等冲击的干扰从而影响对目标声源的探测.为实现水听器的精准探测,提出了一种纤毛—硅柱结构的可抑制振动噪声的矢量水听器.设计了一种力矩平衡结构,利用COMSOL软件对矢量水听器的参数构建有限元分析模型,并对其静态分析、模态分析以及谐响应分析仿真.结果表明:矢...     

纤毛式MEMS矢量水听器的优化设计与测试

针对目前MEMS仿生矢量水听器灵敏度偏低和现有封装结构的固有机械特性对芯片拾振特性影响很大的问题,对该结构水听器从两个方面进行优化设计,一是提出一种新型纤毛材料碳棒代替光纤,二是提出嵌入式透声帽封装结构.首先理论分析纤毛和封装对水听器灵敏度和频带的影响,并用ANSYS软件对其进行仿真,最后对加工的水听器样机进行频响和指向性测试.测试结果表明:在25 ～300 Hz,优化后的水听器灵敏度提高了5 dB;在300～ 1000 Hz,优化后水听器灵敏度提高10 dB,优化后水听器的共振峰明显后移,拓宽了水听器的工作频带,且具有良好的指向性,为水听器进一步的发展和工程应用奠定了基础.     

阵列式MEMS矢量水听器的信息采集系统设计

设计了一种应用于阵列式MEMS矢量水听器的水下信息采集系统,用于采集水声信号和水听器姿态信息;采集信息经编码后通过RS422接口输出。设计了一种低噪声前置放大电路来对模拟信号进行调理;对于时统信号和姿态信号,采用抽样判决进行消抖,保证了信号接收的准确性。将采集系统与水听器封装一体后进行了测试,结果表明,系统工作稳定,可准确采集水听器的水下信息。     

一种平面型透声水听器的建模与特性研究

为提高水听器的透声性能和接收性能,提出了一种基于穿孔金属骨架与柔性胶填充相结合的新型PVDF水听器背衬结构。具体分析了平面型PVDF水听器的工作机理,利用有限元法从水听器的透声性能和接收性能两个方面进行理论预报和优化设计。在此基础上,研制了平面型透声水听器样品并开展了性能测试。理论分析和实验结果表明,该背衬结构不仅可以有效抑制平面型PVDF水听器横向效应,起到提升低频灵敏度和降低频带内灵敏度起伏的作用,而且在改善水听器透声性能方面有较好的效果。     

一种MEMS同振柱型仿生矢量水听器的研制

提出了一种结合MEMS技术、仿生原理和压阻原理的同振柱型矢量水听器,即由二维仿生水听器和声压水听器组合而成的柱体。在声学理论基础上详细介绍了该水听器的封装设计及制作过程,在国防水声一级计量站对该矢量水听器进行校准实验,实验结果表明:该同振型矢量水听器的工作频带范围为0～3 kHz;X通道灵敏度-177.9 dB(2 kHz),Y通道灵敏度-175.4 dB(2 kHz),声压通道灵敏度-175.8 dB(2 kHz);具有很好的"8"字指向性;可承受3 MPa压力。此新型MEMS同振矢量水听器适用于民用船只避障,渔业捕捞,海洋勘探等领域。     

基于压电加速度计的同振型矢量水听器的设计

介绍一种压电加速度计在新型水声接收换能器———同振型矢量水听器设计中的应用方法。叙述了采用压电加速度计设计同振型矢量水听器的理论依据,并给出根据此方法设计制作的同振型矢量水听器的自由场开路电压灵敏度和指向性图测试结果:自由场电压灵敏度为-190～-200dB(0dB=1V/μPa,测试频率1000Hz),指向性图分辨力kd>20dB。     

基于共振隧穿二极管的矢量水声传感器设计

提出了一种基于共振隧穿二极管(RTD)的矢量水声传感器,传感器采用共振隧穿二极管作为敏感元件,共振隧穿二极管布置在传感器结构中柱体的四周边缘.两个反方向变化的基于共振隧穿二极管的振荡器的输出信号通过信号处理电路预处理后输入微处理器,计算出声源水平方位角和声压.分析并设计了基于共振隧穿二极管的振荡电路、矢量水声传感器物理结构以及制作工艺,讨论了传感器信号处理方法.     

法布里—珀罗干涉型光纤水听器的特性

说明了如何利用法布里—珀罗干涉仪构成光纤水听器，并讨论在何种工作状态下使其能有最佳的工作特性，即，最高的接收灵敏度。     

纳机电矢量水听器耐压结构设计

纳机电矢量水听器具有低频性能好,灵敏度高等性能优点,在深海探测领域具有巨大的应用潜力,为满足超深水工作的要求提出了绝缘托盘式新型封装结构,解决了纳机电矢量水听器的耐高静水压技术难题。首先,进行聚氨酯透声帽外围封装承压分析,理论论证聚氨酯基体树脂材料的极限耐静水压强度为42.3 MPa。然后,对MEMS芯片输出电压进行理论计算以及对其进行模态仿真,得出在高达20 MPa的静水压作用下,传感器的输出灵敏度基本无变化,而且工作频带有所拓宽。测试结果表明:改进封装的纳机电矢量水听器在高压20 MPa时,可以实时获得敲击信号;加压前后,该水听器在20 Hz~1 000 Hz工作频带内水听器的灵敏度和指向性基本一致。     

一体化标量水听器的设计

针对水下目标探测的问题,提出一种低频、小体积、灵敏度高、抗干扰能力强的水听器,该水听器采用一体化设计,通过取2个变量的最佳平衡点和在电路部分增大增益的方法,解决了传感器尺寸与频响之间的矛盾;同时针对如何降低传感器的干扰问题,本标量水听器采用高输入阻抗的阻抗变换电路,并通过吸声结构加阻尼的方法限制部分干扰,采用静电屏蔽技术,同芯电缆传输信号,很大程度上降低了传感器的干扰。结果表明:提出的一体化标量水听器灵敏度高于-158 dB,具有低频、小体积、高灵敏度、抗干扰能力强的特点,可用来在水下探测目标的声音信号。     

流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响

由中北大学研制的MEMS仿生矢量水听器具有低频、灵敏度高等性能特点,但是由于流体的影响,水听器微结构在空气中的共振频率与液体中不同,为此研究了流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响。首先,理论上分析了流体对共振频率的影响。然后,采用ANSYS对空气中和液体中MEMS矢量水听器的共振频率进行仿真。最后分别采用振动台和矢量水听器校准系统进行了测试。结果表明MEMS矢量水听器在水中的共振频率较空气中下降了约31.2%。