[发明专利]面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构

说明书

本发明为一种面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构，解决了平台振动对海洋湍流探测干扰极大等技术瓶颈问题。本发明包括底座、湍流传感器和补偿传感器，湍流传感器由第一中空壳体、第一传感芯片、保护罩和保护柱组成；补偿传感器由第二中空壳体、第二传感芯片和密封导流罩组成，并且第一中空壳体、第一传感芯片与第二中空壳体、第二传感芯片完全相同。本发明采用具有共模抑制的振动补偿方法，在不改动湍流传感器结构的基础上，利用补偿传感器的对照效果，实现了消除平台振动信号的目的，具有较高的准确性和可行性。

技术领域

本发明涉及海洋湍流探测技术领域，具体是一种面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构。

背景技术

海洋内部运动能量传递过程一般是由大尺度到小尺度、最终以微结构湍流的形式耗散。研究湍流能量耗散过程是建立完善海洋宏观运动物理模型、了解海洋内部混合的基础。此外，微结构湍流还对海水运动速度、温盐特性及水中溶解态、颗粒态物质的分布有显著的影响，因此，海洋微结构湍流对于认识海洋内部变化规律具有重要意义，其中也包含着对海洋湍流的精准探测。

由于在测量时测量平台的振动对海洋湍流探测干扰极大，近年来，很多研究者就如何消除平台振动干扰提出了几种方法。

中国海洋大学的周芳芳在其文章《基于潜标的海洋湍流仪水下姿态与振动分析》中指出，海流引起的观测平台的振动会产生低频段的噪声干扰。因此可以通过将仪器的外壳设计的尽量光滑，如可以通过将壳体设计成流线型的方式来降低海流的干扰作用，降低低频干扰信号。潜标系统中的缆绳晃动会产生高频段的噪声干扰，通过增加壳体的重量来降低缆绳晃动引起的高频干扰。

美国Woods Hole海洋研究所在研制湍流剖面仪HRP时通过增加剖面仪的长度来提高剖面仪的恢复力矩以减小剖面仪的摆动、提高稳定性；再如加拿大BIO研制的剖面仪EPSONDE也是通过增加长度来提高其稳定性。降低平台影响的另一方法是在剖面仪尾端安装阻力毛刷，如美国HRP系列剖面、加拿大的VMP、欧洲ISW Wasser公司与Sea Sun技术公司合作研制的MSS系列剖面仪、日本的TurboMAP剖面仪等。

然而，平台减振效果有限，在没有办法完全消除平台振动的情况下，国内外现在主要是通过基于姿态传感器的补偿算法来提高湍流信号的测量精度。中国海洋大学王永芳在其文章《时、频、波数域下剪切湍流数据分析方法研究》中指出利用三轴加速度信号作为振动参考信号，剪切信号作为期望信号，根据维纳滤波最小均方误差的原理，提出了基于维纳滤波的湍流信号消噪算法，通过求解维纳霍夫方程得到最优权重系数，从最大程度上实现了湍流振动噪声信号消除。同样在中国海洋大学的周芳芳在其文章《基于潜标的海洋湍流仪水下姿态与振动分析》中介绍了通过硬件电路得到原始的湍流信号和姿态传感器信号的过程，将采集的AHRS姿态加速度信息和剪切信息从SD卡中读出，并通过MTALAB对信号进行预处理，得到真实的信号，然后从测得的加速度信息中去掉静态加速度得到振动信号，再利用振动信号特征与干扰的部分剪切信号的关系消除振动干扰的方法。Piera在其文章《Amethod based on wavelet denoising and Thorpe displacement analysis》中指出小波去噪算法在微结构温度剖面仪数据处理中的有效性，小波消噪为根据不同频带上的小波系数判断噪声信号，并将噪声强度分布特点的小波系数进行消除，然后通过对剩下的小波系数进行重构得到纯净的信号。

然而，由于加速度计的结构和湍流传感器大为不同，两者的灵敏度频率响应特性也存在较大差别，上述基于加速度信号进行振动补偿的方案不可避免会引入频响不一致带来的差模误差。

发明内容

本发明的目的是为了解决平台振动对海洋湍流探测干扰极大等技术瓶颈问题，而提供一种面向MEMS湍流探测的共模抑制振动补偿传感器结构。

本发明是通过如下技术方案实现的：