一種用于管道地面標記的陣列式MEMS矢量聲傳感器仿真研究*

劉夢然,張國軍*,簡澤明,劉　宏,宋小鵬,張文棟

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

管道是油氣資源最主要的運輸方式之一,它具有安全、平穩、經濟等優勢[1]。為了保證管道正常安全運行,需要對管道進行檢測。管道內檢測技術是目前最為廣泛和最為有效的管道檢測方法。為了提高內檢測器檢測的精確度,需要對內檢測器進行地面標記。目前已研制出渦流法、磁學方法和聲學方法等不同原理的地面標記器[2-4],并且這些標記器在管道檢測方面取得了較好的效果。然而當今管道正向著大口徑、壁厚、深埋的方向發展,基于聲檢測原理的傳感器成為了技術發展的重點[5-6]。

內檢測器借助于管道內流體介質的推動力下在管道內運行,在運行的過程中主要會產生兩種聲信號:一種是內檢測器與管道內壁摩擦產生的摩擦聲信號,另一種是內檢測器與管道焊縫的撞擊聲信號。大量實地實驗表明,摩擦聲信號的頻率集中在150 Hz～350 Hz的之間,而撞擊聲信號則集中在幾十赫茲之間[7]。當內檢測器在管道中運行時,它與管道內壁摩擦和焊縫碰撞產生的聲信號會通過土壤介質向四周傳播。聲波在土壤中的傳播隨距離呈指數衰減[8-9]。由于土壤的衰減作用,信號會變的非常微弱,傳統的利用振動聲信號檢測原理的聲傳感器不具有矢量性,利用聲傳感器陣列來檢測內檢測器方位,這樣由于聲傳感器的一致性問題,對內檢測器的方位估計精度不高;或者具有矢量性的聲傳感器在管道地面標記中也存在左右舷模糊(只能檢測范圍信號在零度到90°之間的角度位置,而無法判別90°到180°之間的角度情況)的問題,本文介紹了一種高靈敏度新型陣列式矢量聲傳感器,該陣列式矢量聲傳感器克服了現有矢量傳感器在方位估計中,特別是應用在油氣管道內檢測器地面標定中無法判斷信號方位的不足,消除了左右舷模糊的問題。

1　陣列式矢量聲傳感器結構設計與理論分析

MEMS聲矢量傳感器是MEMS技術、仿生學原理、壓阻原理等多種先進技術相融合的產物。其在水介質中的應用已經取得了突破性的進展,其工作原理與制作方法張文棟等人在相關文獻(如參考文獻[10])中已做了詳細的闡述,應用領域也從水中擴展到陸地,其前景十分廣闊。其主要應用于土壤環境。因此,針對土壤這種復雜的介質,為了克服其左右舷模糊的問題,更精確的定位土壤中的聲源,設計出了陣列式矢量聲傳感器結構。

圖1　傳感器的結構示意圖

1.1　結構設計

本文所設計的單片集成陣列式矢量聲傳感器結構如圖1,主要包括以SOI片為加工材料,采用標準壓阻式硅微機械工藝加工成的四梁臂硅微結構及固定于四梁中心的微型柱狀體(纖毛),一個四梁臂硅微結構和四梁中心的微型柱狀體組成一個敏感部件,用兩個這樣的敏感部件集成一個陣列式矢量聲傳感器結構。為了使傳感器中兩個敏感部件具有良好的一致性,兩個敏感部件所有梁的厚度為10 μm、長度為1 000 μm、寬度為120 μm,微型柱狀體的半徑為100 μm、長度為5 000 μm。兩個敏感部件的4個懸臂梁的排布方式不同,一種是“十”字型,另一種是“X”字型(“十”字型逆時針旋轉45°)。每個敏感部件的四梁臂上通過擴散工藝分別加工有八個阻值相等的應變壓敏電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8和R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16,傳感器上的應變壓敏電阻的分布連接示意圖如圖2所示,其中R1、R2、R3、R4連接成第1個惠斯通電橋,R5、R6、R7、R8連接成第2個惠斯通電橋,R9、R10、R11、R12連接成第3個惠斯通電橋,R13、R14、R15、R16連接成第4個惠斯通電橋,構成檢測電路,如圖3所示。

圖2　傳感器上的應變壓敏電阻的分布連接示意圖

圖3　傳感器上的應變壓敏電阻連接構成的惠斯通電橋電路圖

1.2　理論分析[10-11]

根據理論知識與推導,單根懸臂梁在彎矩M(x)和水平力FH共同作用下的任意一點x的應力σ(x)為:

(1)

在無應力作用下,(以第1個電橋為例)電橋的輸出電壓可表示為:

(2)

此時,電橋平衡。當有應力作用時,軸上的壓敏電阻阻值發生變化,電橋的輸出電壓表示為:

(3)

此時,R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR。

式(3)能夠近似表示為:

(4)

對于P型壓敏電阻有:

ΔR/R=71.8σ1×10-11

(5)

由式(4)和式(5)則有:

Vout=71.8×10-11×σ1×Vin

(6)

其中:L為懸臂梁的長度(μm),b為懸臂梁的寬度(μm),t為懸臂梁的厚度(μm),a為中心連接體的半寬長(μm),σ1為敏感單元上對應的X方向或Y方向上最大應力,Vin為電橋的輸入電壓。

2　傳感器結構有限元仿真分析

采用有限元分析軟件ANSYS11.0建立陣列微結構的有限元模型,然后分別進行靜態分析、模態分析以及諧響應分析。分析過程中采用三維四面體單元SOLID92。所需材料屬性如表1。

表1　材料屬性

圖5　模態分析

2.1　靜力分析及傳感器靈敏度

在陣列結構模型的邊框及背面施加全約束,即在UX,UY,UZ位移都約束為0;同時沿微柱體y1正方向加1 Pa載荷,通過定義路徑,得到陣列微結構y1軸上的應力曲線,如圖4所示。

圖4　路徑分析圖

從圖4可知梁上的應力基本上是線性分布的且梁兩端上的應力最大,但是梁的根部有跳動,在布置電阻時,應該避開該區域。因此梁上的壓敏電阻應布置在距根部兩端130 μm的中心位置處[12-14]。

傳感器敏感微結構的靈敏度可以表示為微結構的輸出電壓Vout與中心柱狀體上所受載荷F的比值,由式(6)可得敏感單元X軸和Y軸的靈敏度可表示為:

SAx=SAy=Vout/F

(7)

由圖4可知,敏感單元在1 Pa的作用力下,傳感器y1軸向最大應力為σ1=285 739.3 Pa,電橋的輸入電壓Vin=10 V,代入式(6)和式(7)可得敏感單元X軸和Y軸的靈敏度為2.05 mV/Pa。

2.2　模態分析

模態分析一般是用于確定設計中結構的振動特性,可以通過模態分析確定各個敏感部件的固有頻率,如圖5所示;陣列式矢量聲傳感器四階模態如表2所示。

表2　陣列式矢量聲傳感器結構的四階模態

2.3　諧響應分析

諧響應分析用于確定線性結構在承受隨時間按正弦規律變化的載荷時的穩態響應,諧響應分析可以預知陣列微結構的動態特性。因此,通過諧響應分析可以克服陣列微結構的共振。圖6為仿真陣列微結構的諧響應分析結果,橫坐標為頻率,縱坐標為y方向上的位移。由圖6中結果可以看出陣列結構的諧振頻率為438 Hz,這與前面的模態分析對應結果是一致的。

圖6　諧響應分析應分析結果

圖7　MEMS矢量聲傳感器的定向模型

3　陣列式矢量聲傳感器在管道地面標記中的應用

3.1　MEMS矢量聲傳感器(一個敏感部件)定向原理

MEMS矢量聲傳感器的定向測量模型如圖7所示。圖7中,s為聲源所在位置。角度φ為聲信號入射方向的俯仰角,θ為聲信號入射方向的水平角[15]。在聲矢量場中任一點的都可以分解為4個分量:介質質點振速分量(vx(r,t)、vy(r,t)、vz(r,t))及聲壓路(p(r,t))。矢量聲傳感器可以同步、共點、獨立的測量聲場中任一點得上述4個分量。以v(r,t)表示質點振速,則由圖7可得:

(7)

式中,入射聲波的水平方位角θ的范圍為[0,2π],入射聲波的俯仰角φ的范圍時[0,π]。由式(7)可知,測得質點振速vx、vy、vz,即可算出其聲源的水平角(式(8))與俯仰角(式(9))。

(8)

(9)

矢量聲傳感器的測量信號為電壓分量,而電壓分量與上述振速分量成正比,因此,只要測得聲傳感器的電壓分量及可得到其水平角與俯仰角。在管道內檢測器定位時,只需精確定位其水平角度,不涉及俯仰角的計算。

由于聲傳感器的電壓分量都大于零,所以根據式(8)計算出的聲源水平角θ的取值范圍是:0°<θ≤90°。當計算出的聲源水平角為θ時,實際上聲源的方位角為θ或180°-θ,即當聲源關于y軸對稱時,根據式(8)測得的θ值是一樣的,(本文只考慮0°到180°的定位)。則MEMS矢量聲傳感器存在左右旋模糊的問題。所以,設計出了陣列式矢量聲傳感器結構,克服左右舷模糊的問題,精確的定位聲源。

圖8　陣列結構的坐標系

3.2　基于陣列式矢量聲傳感器的管道地面標記

內檢測器在管道中運行時,會發出內檢測器與管道內壁的摩擦聲音和與管道焊縫的沖擊聲音,陣列式矢量聲傳感器能夠檢測到這兩種聲音信號,并且這兩種聲音信號經敏感部件形成電壓信號輸出,從而可對內檢測器進行方位估計。陣列結構可以建立Vx1-Vy1和Vx2-Vy2兩個坐標系,如圖8所示;由于管道內檢測器到傳感器的距離遠大于兩個敏感部件中心的距離,兩個敏感部件中心可看作在同一原點O,建立參考坐標系x-y,其中原點O與O1重合,x軸與Vx1重合,y軸與Vy1重合,參考坐標系x-y被劃分出4個區域。在布置陣列式矢量聲傳感器結構時,以地面為x-y平面建立直角坐標系,x軸平行于管道,陣列定向示意圖如圖9所示。

圖9　陣列定向示意圖

圖10　θ2的范圍

判斷過程如下:當內檢測器在y軸的右邊(右舷)運行時,如圖10(a)所示,第2個敏感部件測得的θ2范圍在0°到45°之間(理論上,當在Ⅰ區域時,0°<θ1≤45°,并且θ2=45°-θ1;當在Ⅱ區域時,45°<θ1<90°,并且θ2=θ1-45°,在這兩種情況下都有0°<θ2<45°),且此時θ=θ1;同樣地,當內檢測器在y軸的左邊(左舷)運行時,如圖10(b)所示,θ2在45°到90°之間(理論上,當在Ⅲ區域時,45°<θ1<90°,并且θ2=135°-θ1;當在Ⅳ區域時,0°<θ1≤45°,并且θ2=45°+θ1,在這兩種情況下都有45°<θ2≤90°),且此時θ=180°-θ1。則有如下結論:當0°≤θ2<45°時管道內檢測器的方位角度θ=θ1;當θ2=45°時管道內檢測器的方位角度θ=90°;當45°<θ2≤90°時管道內檢測器的方位角度θ=180°-θ1。從而得出基于陣列結構的管道內檢測器的定位角度公式,如表3所示。

表3　管道內檢測器的方位估計角度

4　結論

本文針對目前管道內檢測器所發聲信號經過土壤介質衰減嚴重,從而標記困難和不準確的問題,以及為了克服現有矢量聲傳感器在管道內檢測方位估計中存在的左右舷模糊的問題,提出了一種新型陣列式矢量聲傳感器。通過ANSYS仿真,得出該陣列式矢量聲傳感器結構的靈敏度為2.05 mV/Pa,一階模態為438 Hz,固有頻率分別為438 Hz,這與一階模態是一致的。在管道定位的過程中分別得出兩個敏感部件的角度θ1和θ2,經過分析和推論,可以準確得到內檢測器的方位,從而消除了左右舷模糊的問題,并且給出了具體的定位角度公式。

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劉夢然(1991-),女,湖北省隨州市人,中北大學碩士研究生,主要從事微納器件研究及傳感器相關信號處理,liumengran1991@163.com;

張國軍(1977-),男,副教授,2001年7月畢業于華北工學院自動控制系并留校任教,同年9月被派往清華大學微電子系進修微電子專業。2003年考取中北大學精密儀器及機械專業研究生,2004.7～2006.7在中國科學院聲學研究所做有關穿孔板結構非線性聲學方面的研究工作,2012年,在西北工業大學攻讀博士;

簡澤明(1989-),男,湖北荊州人,碩士研究生,主要從事微納器件研究及傳感器結構設計,精密儀器及機械專業,jianzemingx@163.com。