基于矢量水听器的水下声学浮标系统设计

针对海洋安全技术发展对无人自主探测平台的迫切需求,设计了一种具有海洋目标探测功能的水下声学浮标系统,该系统声学探测单元基于姿态感知复合同振式矢量水听器,水声数据采集与实时分析单元采用FPGA+DSP的设计方案,可控制声学探测单元工作时序,并完成水声和姿态信息联合信号处理。为验证水下声学浮标系统目标探测能力,在南海某海域开展目标探测能力试验验证。结果表明,深海良好水文环境条件、浮标采用定深漂流工作模式,对600 t级、10节航速航行科考船探测距离≥10.3 km。     

基于MEMS的压阻式一体化矢量水听器

随着水下探测技术的发展,为满足水听器更精准的定位和更远距离的探测要求,提出了一种基于微电子机械系统(MEMS)的压阻式一体化矢量水听器.设计了一套能够将硅纤毛与二氧化硅悬臂梁相集成的工艺方案,以期解决长期以来由于纤毛二次集成带来的一致性误差.对水听器的性能进行有限元仿真分析,通过应力仿真得出理论上能够将其灵敏度提高约1...     

基于三元阵列式MEMS水听器的被动定位系统设计

声纳系统是水下武器装备的重要组成部分,其发展趋向隐蔽性、小型化。文章提出了一种基于小型化三元阵列式微机电系统(MEMS)水听器的被动定位系统。首先,设计了一种三元阵列式MEMS水听器,即在同一芯片上集成三个不同角度偏差的MEMS矢量敏感单元;其次,在充分分析水听器工作原理的基础上建立了阵列式水听器的定位模型,并通过仿真验证了其设计的合理性;最后,以STM32单片机为控制核心设计了阵列式MEMS水听器的信号处理与目标定位系统。这种三元阵列式MEMS水听器在仿真定位中展现了良好的定位精度,充分证明了本系统设计的正确性及实用性。     

标矢量一体化水听器的设计北大核心

MEMS仿生矢量水听器具有体积小、刚性安装和单支定位等优点,但是在单支水听器定位时,常存在双边指向性造成左右舷模糊的问题。为了解决单支矢量水听器定位的问题,设计了一种通过集成一个标量通道实现单边指向性的标矢量一体化水听器。首先,详细介绍了标矢量一体化水听器的制备过程。然后,通过ANSYS 17.0软件对标矢量敏感结构的模态进行了仿真分析,确定了标矢量敏感单元共同的可测带宽为20-1 000 Hz。经过耐压实验,该标矢量一体化水听器可经受5 MPa的静水压力。从指向性测试可以看出标量端具有较为完整的全向指向性,矢量端具有良好的8字形双边指向性,验证了本设计的可行性。通过外场实验得出,标量信息采集端与标准水听器信噪比皆在40 dB左右,证明标量信息采集端具有良好的声音接收能力。     

一种新型三维MEMS电容式矢量水听器研制

介绍了一种基于MEMS工艺设计的电容式矢量水听器.该矢量水听器的检测单元包括一个“三明治”结构敏感芯片和一个采用变送集成技术的信号调理电路.通过优化敏感芯片的结构和低噪声的信号调理电路,使矢量水听器得到很高的灵敏度、分辨率.利用MEMS微机械加工工艺制作出矢量水听器,检测单元相互正交并进行了声学灌封.矢量水听器完成了水下驻波场测试,测试结果表明:该矢量水听器的接收灵敏度在1 000Hz时达到-180 dB(0 dB re 1 V/μPa),动态范围大于120 dB.     

MEMS仿生矢量水听器封装结构的隔振研究

利用隔振原理,设计了矢量水声传感器系统中一种新型隔振封装结构模型,即加入橡胶减振器的新型封装结构。采用ANSYS软件对封装模型进行模态分析,研究模型结构和几何尺寸对其隔振性能的影响,确定最优隔振封装结构;对模型的几何尺寸及橡胶隔震材料力学参数进行优化,并对优化模型的隔振性能进行实验测试和评估。实验结果表明：所设计的新型橡胶减振结构具有一定的减振效果,隔离了一定程度的核心器件以外的外界振动干扰,提高了原有封装结构矢量水听器的探测灵敏度。再次验证了硅微MEMS仿生矢量水声传感器不但体积小、质量轻、结构简单,而且具有低频灵敏度高等优点。     

MEMS矢量水听器定位误差分析与测试

针对一种纤毛式微机械电子(MEMS)矢量水听器的工作原理进行分析,通过分析得出该矢量微传感器的定位误差主要来源于纤毛柱体的偏差.通过有限元仿真分析得出纤毛柱体的偏差对矢量水听器在两个方向上的灵敏度有较大影响,理论计算出在纤毛偏移下2个轴向灵敏度度误差为9.74％.对水听器结构进行轴向灵敏度测试,测出x向灵敏度为0.683 mV/g(其中g为重力加速度),y向灵敏度为0.755 mV/g,两个方向上灵敏度相对误差为9.5％,与仿真结果接近.     

一种新型MEMS矢量水听器的设计

针对国内对高灵敏、小体积、造价低的矢量水听器迫切应用需求的现状,提出了一种新型的双"T"型微机电系统(MEMS)矢量水听器。该敏感单元结构可一体化加工,且加工成本低,适合大批量生产,易于阵列化。采用ANSYS仿真,得出1阶共振频率为1 840Hz,压敏电阻位置距离梁根部180μm。对此结构进行声学封装与测试,测试结果表明,该水听器在1kHz的灵敏度达到-175dB,工作频段为100Hz～4kHz,具有良好的"8"指向性。     

锥形纤毛式MEMS矢量水听器的设计

微电子机械系统(MEMS)矢量水听器具有高灵敏度、低频探测能力和"8"字指向性等特点,在水下探测时表现出良好的性能。双层纤毛结构在相同悬臂梁负荷的前提下能够有效提高水听器的灵敏度,但在二次集成中仍然存在上纤毛发生偏斜的情况,并影响水听器的灵敏度和指向性。为了解决这一问题,提出了一种锥形纤毛式微结构。首先分析了双层纤毛式结构在实际操作中出现的一些问题,然后通过ANSYS仿真软件对锥形纤毛式微结构进行静力学分析、模态分析和流固耦合分析。最后,通过比较校准法对锥形纤毛式水听器进行灵敏度和指向性测试。测试结果显示,锥形纤毛式微结构不仅能避免二次集成中出现的问题,而且可以将灵敏度提高约0.9 dB,并将纤毛质量减小15%,展现出很好的工程应用前景。     

基于声呐浮标的水声信号采集系统设计

声呐浮标水声信号采集系统是采集和传输水声数据的常用设备。该文针对水声信号动态范围大、频率范围宽、海洋噪声信号的频率特征差异大等特点,基于浮标平台设计了一款多通道、高一致性和宽动态范围的水声信号采集系统。该系统以STM32为主控核心,通过对水声信号进行预处理,实现了四通道固定增益80 dB、动态增益40 dB、频带范围为100 Hz～20 kHz的水声信号同步高速采集。该系统还设计了上位机,将所有通道水声数据通过显示屏进行显示,并根据实际情况对系统状态进行控制。实验测试结果表明,该水声信号采集系统满足设计要求,在声呐浮标信号采集领域具有极大的应用价值。     

一种自主定向磁复合三维MEMS矢量水听器

设计了一种自主定向的磁复合三维MEMS矢量水听器。该矢量水听器采用三维MEMS加速度传感器与磁传感器结构复合设计,并采用与信号处理电路紧靠方式,可减小噪声干扰及抑制信号衰减。通过磁复合三维MEMS矢量水听器解决单个矢量水听器定向精度不高问题。该矢量水听器完成了水下驻波场测试和无磁转台测试,测试结果验证了利用磁传感器补偿矢量水听器定向方法的可行性。     

MEMS矢量水听器阵列方位估计的对比研究

基于新型微机电系统(MEMS)仿生矢量水听器,首先利用计算机仿真对比分析了阵列空间谱估计4种相关算法(包括MUSIC算法、Capon最小方差法、空间平滑算法和MMUSIC算法)的优劣性.其次在对比分析的基础上,考虑实际操作的可行性和信号处理的准确性,选取定向精度较高,分辨能力较强的MUSIC算法处理不相干信号源,选取MMUSIC算法处理相干信号源.通过仿真验证和实验分析,结果表明,该MEMS矢量水听器阵列定向精度均在5°以内,具有较好的定向能力.     

四元阵列MEMS矢量水听器的有限元分析

运用ANSYS Workbench12.0有限元软件对一种单片四元阵列微机电系统(MEMS)矢量水听器微结构进行了有限元分析。首先介绍了四元微结构的工作原理,然后推导了四元微结构的数学模型并建立了有限元模型,最后对该微结构进行了静、动态特性分析,得到了该四元微结构的电压灵敏度为0.6 mV/Pa,维间耦合≤1.6%,固有频率为1 982.5 Hz,满足水听器设计指标。     

MEMS压电式矢量水听器仿真与结构优化

针对微机电系统(MEMS)矢量水听器灵敏度低的问题,该文主要采用有限元频域分析法对一种新型结构的MEMS压电式矢量水听器进行了仿真与结构优化。对于一种新型具有U形槽悬臂梁结构的加速度灵敏度随压电层厚度或频率的变化进行了研究,优化了结构参数,提高了灵敏度。结果表明,当硅梁厚为16 μm,压电层厚为硅梁的51%时,可使结构的加速度灵敏度达最大。与单臂悬臂梁结构相比,双U形槽结构的加速度灵敏度及相应的矢量水听器灵敏度提高了11 dB。     

集成硅纤毛的MEMS矢量水听器的压阻特性

水听器是水下探测的主要仪器,通过对其结构的研究和改进可显著提升其性能.针对现阶段矢量水听器所采用的纤毛二次集成方式所造成的一致性误差较大的问题,以硅纳米膜作为压敏单元,设计了一种新型基于微电子机械系统(MEMS)的压阻式矢量水听器.通过理论及仿真确定最优尺寸,进行一体化工艺流程的设计,将硅纤毛直接集成在二氧化硅梁上,既...     

基于HTCC电路的MEMS复合同振型水听器设计

矢量水听器是感知水下声信息的重要设备,基于MEMS微加工工艺研制了一种复合同振型矢量水听器,将MEMS矢量水听器芯片与压电陶瓷环在结构上组合在一起,能够同时拾取水下目标信号的标量信息和矢量信息。内部集成了HTCC调理电路,能够有效降低传感器耦合噪声,提高检测信号的信噪比。通过驻波管计量,MEMS复合式水听器的工作频率范围为20～1 000 Hz,矢量振速通道灵敏度为-170.5 d B@1 k Hz,标量声压通道灵敏度为-174.7 d B@1 k Hz。通过内嵌电路,信噪比提高了15 d B。     

MEMS仿生矢量水听器的微结构优化设计

压阻式的MEMS仿生矢量水听器的固有频率和灵敏度之间是相互制约的,即随微结构的各个尺寸(悬臂梁的长、宽、高及中心连接体的边长)的变化,二者呈现相反的趋势。通过理论分析和推导,得出每个尺寸对水听器固有频率和灵敏度的影响程度不一致,可以合理地设计微结构的各个尺寸(最优解),使矢量水听器在具有相同固有频率条件下得到最大灵敏度。根据常用的微结构,通过Matlab软件计算出了微结构的一组最优解。通过ANSYS软件仿真验证,与常用的微结构相比,该微结构固有频率下降了7%,而灵敏度提高了1倍。最后,测试结果表明:两组尺寸的水听器频带范围为20~1 000 Hz,并且尺寸优化后的水听器比优化前的灵敏度平均高5 dB。     

压电式十字型MEMS矢量仿生水听器的设计和研究

设计并研究了基于压电效应的微机电系统(MEMS)仿生结构的三维矢量水声传感机理,包含基础结构的建模、定向探测分析,器件制备的基础研究及其相关测试。通过Ansys 15.0对器件进行了静态位移分布和应力分析仿真,借助扫描电镜和原子力显微镜对锆钛酸铅(PZT)压电薄膜进行了观察,对器件进行了扫频测试和指向性测试,谐振频率约为500Hz,输出电压峰-峰值为280mV。它对促进现代水声传感技术的发展和解决对液体环境中微弱信号的高精度定位、识别、探测等技术难题具有一定的科学和实用价值。     

高灵敏度扇面纤毛式MEMS矢量水听器

目前微机电系统（MEMS）矢量水听器的研究出现瓶颈。大量实验表明,水听器的灵敏度与探测带宽存在着相互制约关系。为保证水听器具有20~500 Hz的针对远距离船舶辐射噪声的可探测带宽,急需提高MEMS矢量水听器在低频探测的灵敏度。该文在普通纤毛式MEMS矢量水听器的基础上,提出在柱形纤毛上集成十字扇面,通过增大声压接收面积,来提高低频探测的灵敏度。通过ANSYS Workbanch多参优化确定十字扇面的尺寸,通过ANSYS15.0对优化后的尺寸进行验证。利用微机械加工法集成扇面与柱形纤毛,利用水听器校准系统来测试扇面纤毛式矢量水听器的灵敏度,结果表明,灵敏度满足每频程6 dB的增长趋势,在500 Hz时灵敏度达到-183.6 dB（0 dB=1 V/μPa）,比普通结构提高了近5 dB。     

复合式MEMS水听器的设计

针对微机电系统(MEMS)仿生矢量水听器工作频带窄,灵敏度低,且存在左、右舷模糊问题,设计了高灵敏宽频带复合式MEMS水听器。矢量部分选择4个不同纤毛长度的仿生矢量水听器组成阵列,各结构间采用并联方式,工作频带拓宽到4 800Hz,并分割出4个不同的频率段,在拓宽了频响带宽的同时保证了灵敏度。标量部分采用低频电容水声传感器进行优化设计,空腔注满硅油、振膜开设声学孔,提高振膜承压性的同时保证了良好的动态性能。后续对标量和矢量信息进行声能流联合算法处理,解决了左右舷模糊的难题。该文主要介绍了复合式MEMS水听器的工作原理,结合ANSYS workbench进行了仿真验证。选用玻璃片及绝缘衬底上的硅(SOI)片键合的单片集成复合结构工艺设计,在玻璃上定义空腔及下电极,在SOI片上定义十字梁和振膜,整体结构一致性好,定位精度高。