一种具备环境感知的数字式次声传感器
阅读说明：本技术 一种具备环境感知的数字式次声传感器 (Digital infrasound sensor with environment perception function ) 是由 滕鹏晓 吕君 姬培锋 杨军 于 2020-04-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种具备环境感知的数字式次声传感器,包括北斗/GPS天线、卫星导航授时模块、大气压检测模块、电容传感器、次声信号转电压C/V模块、模拟信号调理采集模块、温度检测模块和信号处理模块；卫星导航授时模块用于通过北斗/GPS天线获取时间信息；所述大气压检测模块用于检测周围环境的气压；电容传感器,用于采集次声信号,发送至次声信号转电压C/V模块；次声信号转电压C/V模块,用于将所测量的电容传感器的电容转换成线性的电压,输出至模拟信号采集模块；模拟信号调理采集模块,用于接收模拟电压信号并转化为数字电压信号,输出至信号处理模块；温度检测模块,用于检测周围环境的温度；信号处理模块,用于对接收的各类数据进行处理和存储。(The invention discloses a digital infrasound sensor with environment perception, which comprises a Beidou/GPS antenna, a satellite navigation time service module, an atmospheric pressure detection module, a capacitance sensor, an infrasound signal-to-voltage C/V module, an analog signal conditioning and collecting module, a temperature detection module and a signal processing module; the satellite navigation time service module is used for acquiring time information through a Beidou/GPS antenna; the atmospheric pressure detection module is used for detecting the atmospheric pressure of the surrounding environment; the capacitive sensor is used for acquiring infrasound signals and sending the infrasound signals to the infrasound signal voltage conversion C/V module; the infrasound signal-to-voltage C/V module is used for converting the measured capacitance of the capacitance sensor into linear voltage and outputting the linear voltage to the analog signal acquisition module; the analog signal conditioning and collecting module is used for receiving an analog voltage signal, converting the analog voltage signal into a digital voltage signal and outputting the digital voltage signal to the signal processing module; the temperature detection module is used for detecting the temperature of the surrounding environment; and the signal processing module is used for processing and storing various received data.)
技术领域
本发明涉及次声传感器及次声源探测领域，尤其涉及一种具备环境感知的数字式次声传感器。
背景技术
次声传感器及次声阵列监测网络被广泛应用于自然灾害监测如火山爆发、飓风、雪崩、流星雨、海啸等事件。瑞士联邦理工学院的声学与电磁学实验室通过建立次声传感器阵列网络来监测雪崩、火流星等自然事件。加拿大西安大略大学建立了次声传感器阵列网络，成功监测到火流星轨迹。美国夏威夷大学的次声实验室(ISLA)，分别在夏威夷、迪戈加西亚岛、西太平洋帕劳群岛建立广域次声阵列监测网，用于火山，火流星，台风的监测。2003年，美国的科罗拉多国家海洋大气与环境科学实验室与科罗拉多大学环境实验室联合建立了广域次声传感器网络(ISNET)，主要用于监测飓风，在飓风到达前一个半小时接收到明显的次声波，各个监测点接收信号的相关性明显增强，建立了次声波频率与飓风直径关系，实现对飓风预警。美国加利福尼亚大学的斯克里普斯研究所(IGPP)建立次声传感器阵列网络来研究圣海伦斯火山产生的次声波信号，数据表明火山爆发之前接到了明显的次声信号，可以用于对火山的监测。国内中科院声学研究所、成都山地所、重庆绿色智能研究院，以及成都理工大学等单位采用次声传感器对泥石流、滑坡等自然灾害进行了监测预警。地震局地壳应力研究所在川滇地区布设了次声监测网络，用于对地震自然灾害进行监测。
次声传感器还可以用于对爆炸源进行监测，国际禁核试组织CTBTO在全球建立了次声监测网络，对次声事件进行监测。在次声事件监测中，最为重要的是次声传感器敏感器件。目前电容式次声传感器受环境影响较大，包括温度和气压，影响传感器的稳定性，并且通常输出为模拟信号，不能独立进行数据采集。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种可测量温度和气压、输出为数字化的电容式次声传感器，提高次声事件的监测能力。
为实现上述目的，本发明提出了一种具备环境感知的数字式次声传感器,，所述数字式次声传感器包括北斗/GPS天线、卫星导航授时模块、大气压检测模块、电容传感器、次声信号转电压C/V模块、模拟信号调理采集模块、温度检测模块和信号处理模块；
所述卫星导航授时模块，用于通过北斗/GPS天线获取时间信息，并发送至信号处理模块；
所述大气压检测模块，用于检测周围环境的气压，并发送给信号处理模块；
所述电容传感器，用于采集次声信号，发送至次声信号转电压C/V模块；
所述次声信号转电压C/V模块，用于将所测量的电容传感器的电容转换成线性的电压，输出至模拟信号采集模块；
所述模拟信号调理采集模块，用于接收模拟电压信号并转化为数字电压信号，输出至信号处理模块；
所述温度检测模块，用于检测周围环境的温度，并发送给信号处理模块；
所述信号处理模块，用于对接收的各类数据进行处理和存储。
作为上述装置的一种改进，所述数字式次声传感器还包括电源，用于为整个次声传感器供电。
作为上述装置的一种改进，所述数字式次声传感器还包括：采用RS232/422串口的串口通信模块。
作为上述装置的一种改进，所述数字式次声传感器还包括通信天线和TCP/IP网络通信模块，用于将多功能次声传感器接入以太网；所述TCP/IP网络通信模块包括10M/100M的以太网接口，能够同时传送TCP/UDP包给多个数据接收设备。
作为上述装置的一种改进，所述卫星导航授时模块采用导航定位授时接收机，该接收机具备位置测量与单卫星授时功能。
作为上述装置的一种改进，所述次声信号转电压C/V模块为一块芯片；该芯片外接的多个电阻能够调整输出电压的零点和放大系数；其中芯片对地的输出电压为：
Vout＝GN*V2.25*(T2-T1)/Cf+Vref
其中：Vout为输出电压；GN为增益系数；为2或者4V/V；V2.25为参考电压，为2.25VDC；T2＝CS2IN+CS2，T1＝CS1IN+CS1；CS1IN和CS2IN为外部输入电容，CS1和CS2为芯片内置的可编程平衡电容器；Cf为电荷积分电路的积分电容；Vref设置成0.5VDC或2.25VDC，在单变量输入时为0.5VDC，在差分变量输入时为2.25VDC。
作为上述装置的一种改进，所述温度检测模块包括以菊花链方式连接的32台数字温度传感器，每个传感器具有唯一的5位地址，存储于电可擦除可编程只读存储器中，能够以0.02℃的分辨率读取温度。
作为上述装置的一种改进，所述数字温度传感器的额定工作温度范围为-55℃至+125℃。
作为上述装置的一种改进，所述信号处理模块包括主控芯片、DSP+FPGA处理器和DDR；所述主控芯片的电源端连接电源；所述主控芯片的输入端分别连接卫星导航授时模块、温度检测模块、大气压检测模块和模拟信号调理采集模块；
所述主控芯片，用于采集授时信息、次声数字信号、大气压数据和温度数据，并发送至DSP+FPGA处理器；
所述DSP+FPGA处理器，用于对接收的数据进行处理；
所述DDR，用于存储DSP+FPGA处理器处理后的数据。
作为上述装置的一种改进，所述主控芯片的输出端分别连接TCP/IP网络通信模块和串口通信模块。
本发明的优势在于：
1、本发明的次声传感器可测量温度和气压，检测大气中的次声波信号，并对信号直接进行采集、处理和存储，提高次声事件的监测能力；
2、本发明采用多个单独接口模块的设计，大大提高数据通信时的抗干扰能力，进而提高次声传感器的整体的稳定性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的具备环境感知的数字式次声传感器的组成框图；
图2为本发明的RM8T卫星导航授时模块的电路图；
图3为本发明的模拟信号调理采集模块的电路图；
图4为本发明的温度检测模块的电路图；
图5为本发明的大气压检测模块的电路图；
图6为本发明的TCP/IP网络通信模块的电路图。
具体实施方式
下面结合如图对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所述，本发明的一种具备环境感知的数字式次声传感器，包括北斗/GPS天线、卫星导航授时模块、大气压检测模块、串口通信模块、电容传感器、次声信号转电压C/V模块、模拟信号调理采集模块、通信天线、TCP/IP网络通信模块、温度检测模块、信号处理模块和电源模块；
如图2所示，卫星导航授时模块采用RM8T型号的精密导航定位授时接收机，通过北斗/GPS天线，支持北斗、GPS和GLONASS全球导航卫星系统。该接收机具有高灵敏度，配合辅助GNSS功能，可提供-157dBm的信号采集，即使在视野受限的建筑物内也能够快速启动。该接收机具备位置测量(Survey-in)与单卫星授时的特性，在只有一颗卫星提供信号的情况下也可增加授时精确度与授时可用性。卫星导航授时模块为信号处理模块提供时间信息。
电容传感器，用于采集次声信号，发送至次声信号转电压C/V模块；
次声信号转电压C/V模块，可以将所测量的电容传感器的电容转换成线性的电压输出，既可以单独使用也可以作为前级电容信号采集模块，从而可使系统进行数字化的处理。该模块是应用于电容式传感器测试系统中的电容式信号处理，其输出电压是与所测量的电容CM呈线性关系，与工作电压是比例输出关系。该模块是完全的模拟电路，因此它有一个较快的测试响应时间和较高的由模拟电路的信噪比决定的分辨率。该芯片外接的几个电阻可以调整输出电压的零点和放大系数，使系统进行数字化的处理。
其中芯片对地的电压输出遵循以下式子：
Vout＝GN*V2.25*(T2-T1)/Cf+Vref
其中：Vout输出电压；GN为增益系数,一般为2或者4V/V；V2.25为参考电压，为2.25VDC；T2＝CS2IN+CS2，T1＝CS1IN+CS1(CS1IN，CS2IN为外部输入电容，CS1，CS2为芯片内置的可编程平衡电容器)；Cf为电荷积分电路的积分电容，Cf的大小决定芯片测量范围的大小；Vref可以被设置成0.5VDC或2.25VDC，一般在单变量输入时为0.5VDC，在差分变量输入时为2.25VDC。
如图3所示，模拟信号调理采集模块，采用一款超高性能的单芯片模数转换器ADC8C24B(ADC)，其它有集成式低噪声可编程增益放大器(PGA)该器件适用于能量勘探和地震监测等应用的苛刻环境。针对低频应用的高分辨率ADC能够提供更大的可用带宽，偏移与漂移规范远低于工业ADC，实现最佳DC与AC规范的高精度工业测量。
工作时调制器以高速采样输入信号(典型值输出数据率的64倍)，调制器产生的量化噪声被移入高频带，由其内部的数字滤波器滤除，调制器的过采样倍率与工作模式有关，分别可取64(高速、低速、低功耗模式)或128(高精度模式)，数字滤波器可对截止频率外的信号衰减达100dB，使信号导通带宽在90％的奈奎斯特频率时，纹波低于0.005dB。
如图4所示，温度检测模块，数字输出温度传感器支持以菊花链方式连接共32台设备。每个传感器具有唯一的5位地址，存储于电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)中，能够0.015625℃的分辨率读取温度，存储于EEPROM中的5位唯一地址在自动地址分配操作期间确定，并且基于每个传感器相对于SMAART线主机的位置。该模块件有多种工作模式可供选择，最大程度提高了自身灵活性，不仅可针对电池操作降低功耗，还能够为实时控制应用提供高更新速率。适合于各种工业、仪表、通信和环境应用中的扩展温度测量。额定工作温度范围为-55℃至+125℃。
如图5所示，大气压检测模块具有精度高、采样频率高、功耗低、抗干扰能力强等特点，能对气压进行检测帕斯卡(Pa)为单位的数据输出。大气压检测模块具有较强的抗干扰能力，补偿运算可给出最大、最小测量值及设定测量阈值和窗口，内部FIFO数据缓存区允许DSP处于低功耗的睡眠模式，直至FIFO数据存满后再唤醒DSP。
信号处理模块包括主控芯片、DSP+FPGA处理器和DDR；主控芯片的电源端连接电源模块；其输入端连接存北斗卫星导航授时模块、温度检测模块、大气压检测模块和模拟信号调理采集模块；输出端连接TCP/IP网络通信模块和串口通信模块。
主控芯片，用于采集授时信息、次声数字信号、大气压数据和温度数据，并发送至DSP+FPGA处理器；
所述DSP+FPGA处理器，用于对接收的数据进行处理；该处理都是对数据的一些常规处理，例如滤波和归一化，采用的都是现有技术的算法。
所述DDR，用于存储DSP+FPGA处理器处理后的数据。
该模块是一款以TMS320C6747+EP2C5T144为核心的浮点DSP+FPGA处理模块，该模块具有高性能、低功耗等特点。该模块采用军工标准设计，八层无铅沉金工艺。使得该具有良好的抗振、抗冲击和高低温特性，在EMC性能及稳定性方面均有良好的表现。
如图6所示，TCP/IP网络通信模块采用一款高性能的嵌入式设备联网服务器的RJ45产品，它以小巧的体积为客户的产品提供一套简洁、高性能且低成本的网络连接方式，可以轻松连入以太网。TCP/IP网络通信模块拥有10M/100M的以太网接口，并可同时传送TCP/UDP包给多个数据接收设备。
串口通信模块采用RS232/422串口。
电源模块，用于为整个次声传感器供电。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。