淺析矢量水聲傳感器信號處理電路

邢陽陽 李曉陽

摘 要：文章對矢量水聲傳感器信號處理電路的設計、矢量水聲傳感器的溫度補償設計以及信號處理電路的實現三個方面的內容進行了詳細地分析和探析，從而詳細地論述了如何做好矢量水聲傳感器信號處理電路的設計工作。

關鍵詞：矢量水聲傳感器；信號處理電路；溫度補償

現階段，在世界上各個國家的海軍海上軍事作戰中，反潛戰所占有的位置都是十分關鍵的，隨著科學技術水平的不斷進步，水聲對抗與反對抗也得到了快速的發展，特別是絕大部分潛艇都相繼地采用了消聲瓦，這就將聲納的工作頻率降低到了3kHz以下，這也就加大了深彈聲制導系統的難度。在水聲測量系統中，矢量水聲傳感器已經得到了越來越廣泛的應用，這在某種程度上也提高了系統的線譜檢測能力和抗干擾能力，在進行能量檢測工作時，因為矢量水聲傳感器是可以測量聲場中的聲能流的，并且其在噪聲場中也確實具有各個方向的同性噪聲相互抵消的優點，在環境較為惡劣的情況下其也可以進行目標探測工作，采用了很小的傳感器便可以完成多目標、遠距離并且低頻率的識別工作。所以，對于矢量水聲傳感器來說，應充分地做好其信號處理電路的研究工作。

1 矢量水聲傳感器信號處理電路的設計

（1）信號處理電路的組成。通常情況下，信號處理電路都是由線性化處理電路、儀表放大電路和濾波電路等電路組成的，其是在顯示器以及A/D轉換器之前所必須具備的電路。

（2）測量電橋。在傳感器中，我們在計算彈性梁的應變時通常都要參考應變計的阻值變化的，而要想有效的測量其電阻，通常都要通過測量電橋來確定，因此，在設計矢量水聲傳感器的信號處理電路時，我們采用的是四臂惠斯登全橋電路。

（3）差動輸入放大電路。電橋輸出的信號實際上也是很小的，那么在長距離的噪聲環境下，要想保證信號穩定的傳輸，就必須對信號進行放大。電橋放大電路通常都分為兩大類，即單端輸入電路和差動輸入電路，傳感器所工作的環境往往都是較為復雜的，在其兩條輸出線路上也容易出現較大的干擾信號，要想對這些較大的干擾信號進行有效的抑制，僅僅采用單個的運放顯然是不夠的，所以，應引入另一種形式的儀表放大器，也就是常說的測量放大器，其在傳感器的信號放大工作中得到了較為廣泛的運用。

在設計矢量水聲傳感器的信號處理電路時，采用的為AD公司的AD620，這是一款十分常見的儀用放大器，具有成本低廉、噪聲低、結構簡單、操作方便以及精確度高等優點，通常情況下，其增益均為1-1000，采用一個結構較為精密的電阻便可以實現對其的實時調節，AD620的耗電量也很低，其電源的輸入范圍通常在2.3V-18V的范圍內，在便攜式的儀器中常常看到其應用，并且也可用于電池供電，其具體的差分放大電路示意圖如圖1。

（4）濾波電路。通常情況下，輸入信號都是會疊加有不必要的頻率分量和噪聲的，那么在采樣信號時由于這些因素的存在，噪聲的分量就肯定是會產生誤差的。所以，在對濾波器進行設計時，為了保證設計的最終效果，就必須采取相應的方法來盡可能地降低這些誤差。在輸入輸出通道中，為了將疊加在所需要信號上的不必要的頻率分量和噪聲有效消除，我們通常采用的方法就是安裝濾波器，在儀器儀表中，低通濾波器和帶通濾波器是我們普遍采用的，而我們在對矢量水聲傳感器的信號處理電路進行設計時，所選用的濾波電路為巴特沃斯壓控電壓源型二階低通濾波電路，其具體的示意圖如圖2。

（5）整體電路。在分別對電橋、差動輸入放大電路以及濾波電路設計完成后，便得到了矢量水聲傳感器信號處理電路的整體電路，如圖3。

2 矢量水聲傳感器的溫度補償設計

采用這一傳感器時，發現溫度對其是有很大的影響的，那么就應對這一電路進行補償，其補償圖如圖4，借助于pn結的溫度特性原理，三極管Q1對傳感器的供電電源會進行溫度補償。這樣三極管Q1與電阻Rstc就形成了溫度補償電路，電阻Rstc可以很好的補償因為溫度而導致的靈敏度誤差。電橋的輸出電壓靈敏度漂移是具有負溫度系數的，為了將其有效的抵消，采用了晶體管基極一發射極間電壓Vbe的負溫度特性。另外，還應將Rstc串聯到負反饋電阻上，從而取得增益正溫度特性的效果。在溫度不斷升高的情況下，電阻Rstc的阻值會越來越大，那么電橋VCCPIN3的電壓值就會越來越小，晶體管Q1此時會補償其電壓值的減小，從而實現了補償靈敏度溫度的效果。

3 矢量水聲傳感器信號處理電路的實現

通常情況下，為了保證信號處理電路的順利實現，普遍應用的都是厚膜技術。與之前所采用的印刷電路板比較，厚膜技術具有多個方面的優點，其重量輕并且體積小，成本低、操作方便并且可以自動實現微調；電路路徑更短，容易控制其寄生參數；同時金屬件的界面很少，具有較好的抗振動能力和抗沖擊能力。

通過以上的論述，對矢量水聲傳感器信號處理電路的設計、矢量水聲傳感器的溫度補償設計以及信號處理電路的實現三個方面的內容進行了詳細的分析和探討。矢量水聲傳感器可以有效的測量聲場中的聲能流，并且在極其惡劣的環境下也可以進行目標探測工作，因此，應充分的認識到其信號處理電路設計工作的重要性。我們所設計的這一矢量水聲傳感器的信號處理電路具有較多的優點，如調節方便、靈敏度高、穩定度高以及低頻特性好，大大地改善了矢量水聲傳感器信號的性能，取得了較為理想的效果。

參考文獻

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