浅析矢量水声传感器信号处理电路

邢阳阳 李晓阳

摘 要：文章对矢量水声传感器信号处理电路的设计、矢量水声传感器的温度补偿设计以及信号处理电路的实现三个方面的内容进行了详细地分析和探析，从而详细地论述了如何做好矢量水聲传感器信号处理电路的设计工作。

关键词：矢量水声传感器；信号处理电路；温度补偿

现阶段，在世界上各个国家的海军海上军事作战中，反潜战所占有的位置都是十分关键的，随着科学技术水平的不断进步，水声对抗与反对抗也得到了快速的发展，特别是绝大部分潜艇都相继地采用了消声瓦，这就将声纳的工作频率降低到了3kHz以下，这也就加大了深弹声制导系统的难度。在水声测量系统中，矢量水声传感器已经得到了越来越广泛的应用，这在某种程度上也提高了系统的线谱检测能力和抗干扰能力，在进行能量检测工作时，因为矢量水声传感器是可以测量声场中的声能流的，并且其在噪声场中也确实具有各个方向的同性噪声相互抵消的优点，在环境较为恶劣的情况下其也可以进行目标探测工作，采用了很小的传感器便可以完成多目标、远距离并且低频率的识别工作。所以，对于矢量水声传感器来说，应充分地做好其信号处理电路的研究工作。

1 矢量水声传感器信号处理电路的设计

（1）信号处理电路的组成。通常情况下，信号处理电路都是由线性化处理电路、仪表放大电路和滤波电路等电路组成的，其是在显示器以及A/D转换器之前所必须具备的电路。

（2）测量电桥。在传感器中，我们在计算弹性梁的应变时通常都要参考应变计的阻值变化的，而要想有效的测量其电阻，通常都要通过测量电桥来确定，因此，在设计矢量水声传感器的信号处理电路时，我们采用的是四臂惠斯登全桥电路。

（3）差动输入放大电路。电桥输出的信号实际上也是很小的，那么在长距离的噪声环境下，要想保证信号稳定的传输，就必须对信号进行放大。电桥放大电路通常都分为两大类，即单端输入电路和差动输入电路，传感器所工作的环境往往都是较为复杂的，在其两条输出线路上也容易出现较大的干扰信号，要想对这些较大的干扰信号进行有效的抑制，仅仅采用单个的运放显然是不够的，所以，应引入另一种形式的仪表放大器，也就是常说的测量放大器，其在传感器的信号放大工作中得到了较为广泛的运用。

在设计矢量水声传感器的信号处理电路时，采用的为AD公司的AD620，这是一款十分常见的仪用放大器，具有成本低廉、噪声低、结构简单、操作方便以及精确度高等优点，通常情况下，其增益均为1-1000，采用一个结构较为精密的电阻便可以实现对其的实时调节，AD620的耗电量也很低，其电源的输入范围通常在2.3V-18V的范围内，在便携式的仪器中常常看到其应用，并且也可用于电池供电，其具体的差分放大电路示意图如图1。

（4）滤波电路。通常情况下，输入信号都是会叠加有不必要的频率分量和噪声的，那么在采样信号时由于这些因素的存在，噪声的分量就肯定是会产生误差的。所以，在对滤波器进行设计时，为了保证设计的最终效果，就必须采取相应的方法来尽可能地降低这些误差。在输入输出通道中，为了将叠加在所需要信号上的不必要的频率分量和噪声有效消除，我们通常采用的方法就是安装滤波器，在仪器仪表中，低通滤波器和带通滤波器是我们普遍采用的，而我们在对矢量水声传感器的信号处理电路进行设计时，所选用的滤波电路为巴特沃斯压控电压源型二阶低通滤波电路，其具体的示意图如图2。

（5）整体电路。在分别对电桥、差动输入放大电路以及滤波电路设计完成后，便得到了矢量水声传感器信号处理电路的整体电路，如图3。

2 矢量水声传感器的温度补偿设计

采用这一传感器时，发现温度对其是有很大的影响的，那么就应对这一电路进行补偿，其补偿图如图4，借助于pn结的温度特性原理，三极管Q1对传感器的供电电源会进行温度补偿。这样三极管Q1与电阻Rstc就形成了温度补偿电路，电阻Rstc可以很好的补偿因为温度而导致的灵敏度误差。电桥的输出电压灵敏度漂移是具有负温度系数的，为了将其有效的抵消，采用了晶体管基极一发射极间电压Vbe的负温度特性。另外，还应将Rstc串联到负反馈电阻上，从而取得增益正温度特性的效果。在温度不断升高的情况下，电阻Rstc的阻值会越来越大，那么电桥VCCPIN3的电压值就会越来越小，晶体管Q1此时会补偿其电压值的减小，从而实现了补偿灵敏度温度的效果。

3 矢量水声传感器信号处理电路的实现

通常情况下，为了保证信号处理电路的顺利实现，普遍应用的都是厚膜技术。与之前所采用的印刷电路板比较，厚膜技术具有多个方面的优点，其重量轻并且体积小，成本低、操作方便并且可以自动实现微调；电路路径更短，容易控制其寄生参数；同时金属件的界面很少，具有较好的抗振动能力和抗冲击能力。

通过以上的论述，对矢量水声传感器信号处理电路的设计、矢量水声传感器的温度补偿设计以及信号处理电路的实现三个方面的内容进行了详细的分析和探讨。矢量水声传感器可以有效的测量声场中的声能流，并且在极其恶劣的环境下也可以进行目标探测工作，因此，应充分的认识到其信号处理电路设计工作的重要性。我们所设计的这一矢量水声传感器的信号处理电路具有较多的优点，如调节方便、灵敏度高、稳定度高以及低频特性好，大大地改善了矢量水声传感器信号的性能，取得了较为理想的效果。

参考文献

[1]温殿忠.传感器原理及其应用[M].哈尔滨：黑龙江大学出版社，2008.

[2]孙海山.一种水声传感器信号处理电路的研究与设计[J].工业仪表与自动化，2008.

[3]姜卫东.水声传感器网络节点自适应加权定位算法[J].传感器世界，2014.