阅读说明：本技术 基于仿生谐振毛发传感器的管道侧线阵列装置 (Pipeline side line array device based on bionic resonance hair sensor ) 是由 杨波 梁卓玥 张婷 于 2019-10-09 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于仿生谐振毛发传感器的管道侧线阵列装置,该装置由四传感器平行阵列装置和外围管道罩两部分组成,四传感器平行阵列装置由四个仿生谐振毛发传感器平行相邻排布组成,外围管道罩为顶部有五个连通孔的矩形管道罩,管道侧线阵列装置可以将谐振器微弱的频率变化提取出来,实现对简谐气流的敏感。管道侧线阵列装置具有强抗干扰能力,高灵敏度和高信噪比等优点。(The invention discloses a pipeline side line array device based on a bionic resonance hair sensor, which consists of two parts, namely a four-sensor parallel array device and a peripheral pipeline cover, wherein the four-sensor parallel array device consists of four bionic resonance hair sensors which are arranged adjacently in parallel, the peripheral pipeline cover is a rectangular pipeline cover with five communicating holes at the top, and the pipeline side line array device can extract weak frequency changes of a resonator to realize sensitivity to simple harmonic gas flow. The pipeline side line array device has the advantages of strong anti-interference capability, high sensitivity, high signal-to-noise ratio and the like.)

基于仿生谐振毛发传感器的管道侧线阵列装置

技术领域

本发明属于微电子机械系统和微惯性测量技术领域，具体涉及一种基于仿生谐振毛发传感器的管道侧线阵列装置。

背景技术

毛发传感器是一种典型多功能，小型化的仿生传感器，研究灵感来源于蟋蟀、蜘蛛、螳螂等昆虫的毛发敏感系统，它们的毛发传感系统将机械结构和神经结构结合起来，可以为昆虫的运动提供很高的灵敏度和动态范围。仿生毛发传感器利用这些生物特性，实现了流速敏感、惯性敏感、运动控制、环境识别等多种物理信号的探测功能。

鱼类利用其侧线系统来检测微小的水流运动，侧线系统包括表层神经和管道神经，其响应特性不同。表层神经主要感受水流速度和方向。管道神经可以感受流体加速度和压力差的变化，进而判断流场中的细微变化。

近年来，为更大程度地发挥仿生毛发传感器的特性，国内外多家研究机构对传感器的阵列排布进行了研究。德国波恩大学的Adrian Klein等人研究了一种人工侧线系统的实现方法，通过布置表面传感器和管道内传感器，表面传感器敏感直流流速信号，管道内传感器利用管道孔压力差可以敏感简谐气流。但是，目前大部分研究机构都只侧重于单个毛发传感器的应用，且难以实现对微弱简谐气流的测量，没有充分发挥毛发传感器的特性。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的问题和不足，本发明提供了一种基于仿生谐振毛发传感器的管道侧线阵列装置，具有强抗干扰能力，高灵敏度和高信噪比等优点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明提出了基于仿生谐振毛发传感器的管道侧线阵列装置，包括四传感器平行阵列装置和***管道罩两部分组成；四传感器平行阵列装置由第五、六、七、八仿生谐振毛发传感器依次平行相邻排布组成；

所述第五仿生谐振毛发传感器由上层第五毛发结构和下层第五硅微传感器结构组成，所述第六仿生谐振毛发传感器由上层第六毛发结构和下层第六硅微传感器结构组成，所述第七仿生谐振毛发传感器由上层第七毛发结构和下层第七硅微传感器结构组成，所述第八仿生谐振毛发传感器由上层第八毛发结构和下层第八硅微传感器结构组成；其中第五仿生谐振毛发传感器位于平行阵列装置的最左侧，第八仿生谐振毛发传感器位于平行阵列装置的最右侧；上层第五、六、七、八毛发结构均位于平行阵列装置的上端边缘，其敏感轴在一条直线上，敏感方向与传感器阵列的排布方向一致。

进一步的，所述***管道罩为顶部有五个连通孔的矩形管道罩，其中第一、二、三、四、五个连通孔平行相邻排布，其中心点在一条直线上；连通孔与仿生谐振毛发传感器间隔分布，每两个连通孔之间放置一个仿生谐振毛发传感器；第五仿生谐振毛发传感器位于第一连通孔和第二连通孔之间，第六仿生谐振毛发传感器位于第二连通孔和第三连通孔，第七仿生谐振毛发传感器位于第三连通孔和第四连通孔之间，第八仿生谐振毛发传感器位于第四连通孔和第五连通孔之间；所述***管道罩将第五、六、七、八仿生谐振毛发传感器与外部空气隔离，形成管道侧线系统。

进一步的，其中第五硅微传感器结构的旋转中心位于第五底座质量块的下端底部，第五底座质量块的内部放置左右对称的第一、二杠杆机构及第一、二双端固定音叉谐振器子结构，第十七、十八、十九、二十摆动抑制弹性结构分别布置在第五底座质量块右下，左下，左上，右上四个顶点处；第六硅微传感器结构的旋转中心位于第六底座质量块的下端底部，第六底座质量块内部放置左右对称的第三、第四杠杆机构及第三、第四双端固定音叉谐振器子结构，第二十一、二十二、二十三、二十四摆动抑制弹性结构分别布置在第六底座质量块右下，左下，左上，右上四个顶点处；第七硅微传感器结构的旋转中心位于底座质量块的下端底部，第七底座质量块内部放置左右对称的第五、六杠杆机构及第五、六双端固定音叉谐振器子结构，第二十五、二十六、二十七、二十八摆动抑制弹性结构分别布置在第七底座质量块的右下，左下，左上，右上四个顶点处；第八硅微传感器结构的旋转中心位于第八底座质量块的下端底部，第八底座质量块的内部放置左右对称的第七、八杠杆机构及第七、八双端固定音叉谐振器子结构，第二十九、三十、三十一、三十二摆动抑制弹性结构分别布置在第八底座质量块的右下，左下，左上，右上四个顶点处。

进一步的，其中第五硅微传感器结构的第十七、二十摆动抑制弹性结构与第六硅微传感器结构的第二十二、二十三摆动抑制弹性结构相邻，第六硅微传感器结构的第二十一、二十四摆动抑制弹性结构与第七硅微传感器结构的第二十六、二十七摆动抑制弹性结构相邻，第七硅微传感器结构的第二十五、二十八摆动抑制弹性结构与第八硅微传感器结构的第三十、三十一摆动抑制弹性结构相邻。

进一步的，管道侧线阵列装置对空气简谐振动敏感，可以得到简谐的输出频率差信号，经由最小均方误差算法解调，可以将微弱的谐振器频率变化提取出来。所述最小均方误差算法的求解过程由两部分组成：运算过程和迭代过程；所述运算过程为：首先控制系统输出的第一路输出信号x_i1乘以权重k₁，控制系统输出的第二路输出信号x_i2乘以权重k₂，控制系统输出的第三路输出信号x_i3乘以权重k₃，控制系统输出的第四路输出信号x_i4乘以权重k₄；接着将四路乘以权重后的信号相加得到总输出信号x_i；最后输入信号x_i减去估计信号y_i，得到估计误差信号e_i。所述迭代过程为：首先估计误差信号e_i乘上2倍的最速下降法收敛因子μ和参考信号R_i得到估计梯度值；之后再由当前的预测向量P_i加上估计梯度值得到下一个预测向量P_i+1；最后下一个预测向量P_i+1与参考信号R_i相乘得到新的估计信号y_i，以此过程循环迭代，直到最小化估计误差信号e_i，得到最优预测矩阵P；根据最优预测矩阵P与频率信号幅值A的关系，即可计算得到能反应外部简谐流流速大小的频率幅值的信号，实现对简谐流的敏感。

有益效果：本发明相对于现有技术而言具有以下优点：

(1)对于管道侧线阵列装置，管道过滤了外界低频流体信号，阵列能够接收频率较高的简谐流体带来压力差的变化，使得管道侧线装置具有较好的抗噪能力，能够敏感微弱简谐流信号，过滤低频类直流信号。

(2)管道侧线阵列装置具有强抗干扰能力，高灵敏度和高信噪比等优点。

(3)当简谐气流作用于管道侧线装置时，连通孔之间会产生压力差，压力差会引起管道内气体的简谐振动流动，仿生谐振毛发传感器上的毛发结构受到简谐振动气流的影响，使得传感器的输出频差信号也是简谐信号，通过对简谐信号进行处理，利用最小均方误差解调算法，可以将谐振器微弱的频率变化提取出来，实现对简谐气流的敏感。

附图说明

图1为本发明的基于仿生谐振毛发传感器的管道侧线阵列装置的整体结构示意图。

图2为本发明的基于仿生谐振毛发传感器的管道侧线阵列装置的底层结构示意图。

图3为最小均方误差解调算法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1-2所示，本发明提供了一种基于仿生谐振毛发传感器的管道侧线阵列装置，其特征在于:包括四传感器平行阵列装置18和***管道罩17两部分组成；四传感器平行阵列装置18由第五、六、七、八仿生谐振毛发传感器1-5、1-6、1-7、1-8依次平行相邻排布组成；

所述第五仿生谐振毛发传感器1-5由上层第五毛发结构2-5和下层第五硅微传感器结构3-5组成，所述第六仿生谐振毛发传感器1-6由上层第六毛发结构2-6和下层第六硅微传感器结构3-6组成，所述第七仿生谐振毛发传感器1-7由上层第七毛发结构2-7和下层第七硅微传感器结构3-7组成，所述第八仿生谐振毛发传感器1-8由上层第八毛发结构2-8和下层第八硅微传感器结构3-8组成；其中第五仿生谐振毛发传感器1-5位于平行阵列装置18的最左侧，第八仿生谐振毛发传感器1-8位于平行阵列装置18的最右侧；上层第五、六、七、八毛发结构2-5、2-6、2-7、2-8均位于平行阵列装置18的上端边缘，其敏感轴在一条直线上，敏感方向与传感器阵列的排布方向一致。

所述***管道罩17为顶部有五个连通孔的矩形管道罩，其中第一、二、三、四、五个连通孔16-1、16-2、16-3、16-4、16-5平行相邻排布，其中心点在一条直线上；连通孔与仿生谐振毛发传感器间隔分布，每两个连通孔之间放置一个仿生谐振毛发传感器；第五仿生谐振毛发传感器1-5位于第一连通孔16-1和第二连通孔16-2之间，第六仿生谐振毛发传感器1-6位于第二连通孔16-2和第三连通孔16-3，第七仿生谐振毛发传感器1-7位于第三连通孔16-3和第四连通孔16-4之间，第八仿生谐振毛发传感器1-8位于第四连通孔16-4和第五连通孔16-5之间；所述***管道罩17将第五、六、七、八仿生谐振毛发传感器1-5、1-6、1-7、1-8与外部空气隔离，形成管道侧线系统。

其中第五硅微传感器结构3-5的旋转中心7-5位于第五底座质量块8-5的下端底部，第五底座质量块8-5的内部放置左右对称的第一、二杠杆机构5-5a、5-6b及第一、二双端固定音叉谐振器子结构4-5a、4-6b，第十七、十八、十九、二十摆动抑制弹性结构6-5a、6-5b、6-5c、6-6d分别布置在第五底座质量块8-5右下，左下，左上，右上四个顶点处；第六硅微传感器结构3-6的旋转中心7-6位于第六底座质量块8-6的下端底部，第六底座质量块8-6内部放置左右对称的第三、第四杠杆机构5-6a、5-6b及第三、第四双端固定音叉谐振器子结构4-6a、4-6b，第二十一、二十二、二十三、二十四摆动抑制弹性结构6-6a、6-6b、6-6c、6-6d分别布置在第六底座质量块8-6右下，左下，左上，右上四个顶点处；第七硅微传感器结构3-7的旋转中心7-7位于底座质量块8-7的下端底部，第七底座质量块8-7内部放置左右对称的第五、六杠杆机构5-7a、5-7b及第五、六双端固定音叉谐振器子结构4-7a、4-7b，第二十五、二十六、二十七、二十八摆动抑制弹性结构6-7a、6-7b、6-7c、6-7d分别布置在第七底座质量块8-7的右下，左下，左上，右上四个顶点处；第八硅微传感器结构3-8的旋转中心7-8位于第八底座质量块8-8的下端底部，第八底座质量块8-8的内部放置左右对称的第七、八杠杆机构5-8a、5-8b及第七、八双端固定音叉谐振器子结构4-8a、4-8b，第二十九、三十、三十一、三十二摆动抑制弹性结构6-8a、6-8b、6-8c、6-8d分别布置在第八底座质量块8-8的右下，左下，左上，右上四个顶点处。

其中第五硅微传感器结构3-5的第十七、二十摆动抑制弹性结构6-5a、6-5d与第六硅微传感器结构3-6的第二十二、二十三摆动抑制弹性结构6-6b、6-6c相邻，第六硅微传感器结构3-6的第二十一、二十四摆动抑制弹性结构6-6a、6-6d与第七硅微传感器结构3-7的第二十六、二十七摆动抑制弹性结构6-7b、6-7c相邻，第七硅微传感器结构3-7的第二十五、二十八摆动抑制弹性结构6-7a、6-7d与第八硅微传感器结构3-8的第三十、三十一摆动抑制弹性结构6-8b、6-8c相邻。

管道侧线阵列装置对空气简谐振动敏感，可以得到简谐的输出频率差信号，经由最小均方误差算法解调，可以将微弱的谐振器频率变化提取出来。最小均方误差算法解调的原理是：利用参考信号R_i，通过预测矩阵P的迭代逼近可得到x_i的估计信号。

利用最小均方误差算法解调简谐信号的流程框图如图3。最小均方误差算法的求解过程由两部分组成：运算过程19和迭代过程20。所述运算过程19为：首先控制系统输出的第一路输出信号x_i1乘以权重k₁，控制系统输出的第二路输出信号x_i2乘以权重k₂，控制系统输出的第三路输出信号x_i3乘以权重k₃，控制系统输出的第四路输出信号x_i4乘以权重k₄；接着将四路乘以权重后的信号相加得到总输出信号x_i；最后输入信号x_i减去估计信号y_i，得到估计误差信号e_i。

最小均方误差解调算法使用最速下降迭代法得到最优的预测矩阵P，如果以误差信号每一次迭代时候的瞬时平方值代替其均方值，可以得到迭代表达式：

P_i+1＝P_i+2μe_iR_i

其中，μ为最速下降法收敛因子，P_i为当前预测向量且P＝[QI]^T，P_i+1为下一个预测向量，e_i为估计误差信号，R_i为参考信号。根据上述表达式，所述迭代过程20为：首先估计误差信号e_i乘上2倍的最速下降法收敛因子μ和参考信号R_i得到估计梯度值；之后再由当前的预测向量P_i加上估计梯度值得到下一个预测向量P_i+1；最后下一个预测向量P_i+1与参考信号R_i相乘得到新的估计信号y_i，以此过程循环迭代，直到最小化估计误差信号e_i，得到最优预测矩阵P。由最优预测矩阵P与总输入信号x_i的幅度大小的关系表达式：

其中，A为频率信号幅值。根据Q和I的值，即可计算得到能反应外部简谐流流速大小的频率幅值的信号，实现对简谐流的敏感。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。