T 型MEMS 矢量水聽器的聲納測距研究*

張 慧，張國軍，劉細寶，葛曉洋，劉林仙，薛晨陽

(1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051;2.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051)

0 引 言

海洋是未來人類賴以生存的資源，蘊藏著豐富的生物、礦產、化學和動力資源，因其經濟上的巨大潛力和戰略上的重要地位己經成為各國的重要戰略目標。水下運載體在海洋環境的探測與建模、海洋科學研究、海底資源的開采、海洋目標的水下探測與識別、定位與傳輸等方面的研究中發揮重要作用，已成為世界科技強國重點發展的領域。

水聲是海洋中信息傳播的主要載體，水下探測、定位與導航、目標識別、通信等水下作業都必須借助于水聲技術來完成。人們利用聲波在水中指向性強，傳播距離較遠，傳播能力非常好這一特性，研制出多種聲納探測設備，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要［1］。作為一種重要的水下探測裝置，聲納系統現在軍用［2］、民用［3］方面發揮重要的作用。

T 型MEMS 仿生矢量水聽器具有測量距離長和測量精度高、低頻信號接收好、體積小、功耗低、質量輕、成本低、環境適用性強等其他傳感器不可比擬的優點［4］，它采用低衰減、低滲水的聚氨酯橡膠作為透聲材料，具有良好的透聲性能、機械性能、低透水、耐海水浸泡等特性，可作為接收系統核心部分。

1 測距機理

1.1 聲波測距原理

本文采用回聲探測法進行距離的測試。單片機發出10 kHz 的信號，經功率放大器放大后由換能器發出，聲波以速度c 在水中傳播，在到達障礙物時反射返回，由水聽器接收，進行放大濾波處理，反饋給單片機，測得其往返時間差為ΔT，由s=cΔT/2 可以算出探測器距被測物體之間的距離，經單片機處理，送至LED 顯示。具體流程圖見圖1。

圖1 實驗測試流程圖Fig 1 Flow chart of experimental test

1.2 水聽器工作原理

根據聲學振動原理和半導體材料的壓阻效應，設計出了一種結構為雙T 型矢量水聽器敏感單元。該水聽器是利用介質質點振動引起力敏電阻器的阻值的變化并通過惠斯頓電橋進行電壓信號的檢測，其結構如圖2 所示。

圖2 雙T 型結構Fig 2 Structure of double T type

2 單片機電路控制設計

聲波測距系統的硬件電路設計主要包括聲波發射/接收電路、穩壓電路、重置電路、LED 顯示電路和單片機控制電路。整體電路的控制核心為單片機AT89S52，發射和接收電路中都需要對相應信號進行放大。采用12 MHz 高精度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差［6］。

2.1 發射電路原理

發射電路(圖3)主要由9012 和LED 指示燈D1構成，單片機P3.1 端口輸出的10 kHz 的脈沖信號一路經9012 送到換能器的另一個電極，9012 在這里起到開關作用，如果有信號發出，則D1燈亮。

圖3 發射電路Fig 3 Transmitting circuit

2.2 接收電路原理

接收電路(圖4)包括水聽器 RX，Q2，Q3和 Q4控制開關2 部分。T 型水聽器可接收到信號的頻率范圍為100 Hz～30 kHz。由于換能器TX 發射出的信號非常微弱，因此，必須經放大電路放大。當水聽器RX 接收到信號時，Q2，Q4導通，Q3不導通，則 D2燈亮。

圖4 接收電路Fig 4 Receiving circuit

2.3 單片機控制模塊

本實驗測試使用AT89S52 單片機(圖5)。晶振Y1采用12 MHz 的高精度晶振，以獲得較穩定的時鐘頻率，減少測量誤差。經單片機控制發射10 kHz 的信號由P3.1 輸出。系統板采用LCD1602 顯示模式。

圖5 單片機控制模塊Fig 5 Control module of MCU

2.4 系統軟件設計

軟件部分由主程序、聲波發射接收程序、數據處理程序、液晶顯示程序、外部中斷處理程序和定時器中斷程序組成。系統測試流程圖分為主程序(圖6)和子程序(圖7)。

圖6 主程序流程圖Fig 6 Flow chart of main program

3 實驗驗證

為了驗證上述方案，實驗人員在汾西機械集團消聲水池(水深5 m)做了多次實驗。

圖7 子程序流程圖Fig 7 Flow chart of subroutine

測試主要驗證:T 型水聽器是否具有低頻反射信號的接收檢測能力和在實際的應用環境中水聽器的性能;單片機控制能否實現水聽器與障礙物距離的準確測量。

圖8 所示為測量時各儀器擺放的位置圖。從圖可以看出:水聽器1 既能接收到換能器發出的直達波，又能接收到反射的聲音信號，水聽器2 只能接收到換能器所發直達波。

圖8 測試位置圖Fig 8 Test position

圖9 聲波傳播路線Fig 9 Propagation route of acoustic wave

實驗誤差來源主要有以下幾個方面:1)如圖9所示，發射換能器與水聽器存在一定的夾角;2)聲音在水中傳播速度受水溫、鹽度、深度等產生的影響。

表1 為多次測量統計的實驗數據，通過觀察本測試系統測量誤差小于1 %，距離分辨力高，測距精度高。

表1 實驗數據與誤差分析Tab 1 Experimental data and error analysis

4 結 論

實驗結果表明:基于MEMS 矢量水聽器的噪聲被動測距系統在水下測距系統軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性良好、性能穩定可靠易維護;本次實驗結合MEMS 技術和新型精巧的換能微結構實現了水聽器的體積微型化和結構簡單化;利用壓阻敏感機理提高了矢量水聽器的低頻特性。參考文獻:

［1］ 盛春明.超聲波測距儀［J］.電子制作，2010(5):31 －42.

［2］ Toriyama T，Sugiyama S.Analysis of piezoresistance in P－type silicon for mechanical sensors［J］.Micro－Electro－Mech Syst，2002，11(5):598 －604.

［3］ Amarasinghe R，Dao D V，Toriyama T，et al.Development of miniaturized 6－axis accelerometer utilizing piezoresistive sensing elements［J］.Sensors and Actuators A:Physical，2007，134(2):310 －320.

［4］ 張文棟，李漢清，張國軍，等.矢量水聽器的 T 形敏感體:中國，200910261830.9［P］.2009-12-30.

［5］ 許 姣.一種新型MEMS 矢量水聽器的設計［J］.壓電與聲光，2012，34(1):89 －92.

［6］ 楊自棟.簡易超聲波測距儀的軟硬件設計［J］.農業裝備與車輛工程，2005，173(4):23 －25.