钻蛀振动传感器系统

本发明涉及机械振动测量技术领域，特别涉及一种钻蛀振动传感器系统。

背景技术：

钻蛀性害虫的危害具有隐蔽性和滞后性。蛀干害虫隐蔽生活，除成虫在树体外裸露活动外，其余虫态均在寄主树木的韧皮部或木质部内隐蔽生活。幼虫取食可到达根部，有的向侧根取食，有的沿主根向下，将韧皮部食尽，切断形成层，破坏疏导组织，从而使树木死亡。林木受害后逐渐停止生长，老叶先失绿、变黄，最后整株干枯死亡。由于宿主症状表现出滞后性，期间历时2～3年，故很难对其进行早期监测和防治，一旦发现，已处于危害晚期，对林木的破坏呈毁灭性。

声音侦听技术具有早期预警、准确率高、破坏性小等特点，在隐蔽性强、滞后性长、毁灭性大的钻蛀害虫监测领域具有较为明显的应用前景。利用声音侦听技术，对木材检疫害虫、仓储害虫、林业蛀干害虫等各类隐蔽性害虫开展了广泛的研究，为探测害虫活动的位置、强度及数量等提供了有效的技术支持，为有针对性防治害虫提供良好的数据支撑。

对于有发声器官的成虫或仓储货物中的幼虫，通常采用麦克风作为传感器，侦听传导至空气振动。尽管麦克风价格低廉，灵敏度高，频率响应范围宽，但易受环境噪声干扰，无法直接传感固体中的振动。木段中的钻蛀声在固气界面衰减极大，需使用以压电换能器为传感元件的拾音器侦听，典型仪器为美国aec公司便携式声音探测仪aed-2000/2010(含sp-1l探头)。sp-1l探头为低频压电传感器，可通过金属探针直接耦合蛀干振动，压电元件谐振频率为40khz，前置放大器增益倍数为40db、增益带宽为1～50khz带宽、输出阻抗为50ω。aed-2010主机提供二级增益(最大60db)、滤波降噪、脉冲计数、数模转换等功能，最终输出音频信号供人工监听或录音分析。

钻蛀声采集相对简便高效，且对寄主破坏极小，作为一种新兴的方法十分适用于早期监测预警。但目前仍存在以下问题：一是垄断仪器昂贵，尽管便携式声音探测仪aed-2010可有效侦听钻蛀害虫，但此仪器为美国进口，垄断售价高达七万元/套，制约了国内的大范围应用；二是aed-2000/2010探测仪体积较大，且必须通过有线连接探头，在工作中二者必须放置于被测林木附近，不利于长期无人值守自动监测；三是自动化程度低，普遍采用人工侦听或实验室离线分析，难以满足广阔林区的监测需求；四是aed-2000/2010采用的振动换能元件为四只柱形压电陶瓷体通过导电胶水粘接而成，四个粘接面成为低强度介面，在传感头内部缺乏有效的抗震支撑，在使用中跌落或强烈碰撞即造成压电陶瓷体断裂，传感头损坏无法工作；五是aed-2000/2010并未针对钻蛀振动信号频段做优化设计，特别受限于两线制馈电/信号传输体制，低频段的信号受到较大衰减，无法有效监测；六是aed-2000/2010的传感头采用纵向排列压电陶瓷堆和放大器电路板，传感头较长，在林木监测使用时，除了端点需要固定外，后端还需通过辅助支架进行支撑，否则传感头难以长期固定于林木上，造成结构复杂。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种钻蛀振动传感器系统，该系统体积小，灵敏度高，防水抗震，功耗低、信号可直接输出。

为达到上述目的，本发明实施例提出了一种钻蛀振动传感器系统，包括：振动信号换能模块、带通放大器、功率放大器、接口电路、稳压电路和密封模块；

所述振动信号换能模块包括振动传导杆、传感器密封前盖和压电陶瓷柱，所述振动传导杆插入待测位置内部，用于传导钻蛀振动信号以及为所述系统提供支撑；所述振动传导杆固定于所述传感器密封前盖的中心孔内，所述压电陶瓷柱固定于所述传感器密封前盖后部的沉孔内，所述压电陶瓷柱和所述振动传导杆共轴安装，所述压电陶瓷柱用于将轴向振动信号转换为电信号；

所述带通放大器与所述压电陶瓷柱输出端连接，用于将所述振动信号换能模块输出的电信号进行放大；

所述功率放大器与所述带通放大器输出端连接，用于将所述带通放大器输出的信号进行功率放大；

所述接口电路与所述功率放大器的输出端连接，用于提供传感器信号的输出路径和外部馈电的输入路径；

所述稳压电路与所述带通放大器、所述功率放大器和所述接口电路连接，用于通过所述接口电路接入传感器外的馈电，并将馈电稳压后供给所述带通放大器和所述功率放大器；

所述密封模块用于封装所述压电陶瓷柱、所述带通放大器、所述功率放大器、所述接口电路和所述稳压电路，所述密封模块前部连接所述传感器密封前盖，所述密封模块后部连接传感器密封后盖，通过所述传感器密封后盖引出所述接口电路的线路。

本发明实施例的钻蛀振动传感器系统，具有以下优点：

1)采用整体压电陶瓷体作为钻蛀害虫振动信号的换能器件，通过合理选择陶瓷体的尺寸和材料，对比同类产品采用的压电陶瓷粘接堆或小体积压电陶瓷体，在适配钻蛀振动信号的频段内具有较高的灵敏度，同时提高了传感器的抗震性能，不容易在意外碰撞中由于陶瓷堆断裂损坏。

2)根据钻蛀振动信号的频谱特点和压电陶瓷堆的响应范围，设置带通滤波器的工作频段为200hz至10khz，增益为20倍，更好的适配钻蛀振动信号的检测和放大需求。

3)通过功率放大电路、双模式接口电路、低压差线性稳压电路和低电压运算放大器的组合设计，支持传感器独立工作，可以直接连接智能手机等声音采集设备进行监测；同时支持馈电和振动信号分离/混合输送方式，支持各种后端处理设备；具有较好的馈电适应性，对于5v供电，可达±350mv的供电跌落/噪声容限，对移动电源和太阳能电池电源具有广泛的适应性。

4)机械结构采用电路板截面放置、前后盖双密封圈和填充发泡支撑材料等方式，使传感器长度有效缩短，较广泛应用的aed公司同类设备长度缩小40％，且采用振动传导杆直接固定于传感器的联系方式，去掉铁质转接环，减轻重量和固定力矩，利于无后支架支撑的固定于林木树干上，更利于实际使用。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的钻蛀振动传感器系统结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的振动信号换能模块结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的带通放大器电路原理图；

图4为根据本发明一个实施例的功率放大器电路原理图；

图5为根据本发明一个实施例的接口电路原理图；

图6为根据本发明一个实施例的稳压电路原理图；

图7为根据本发明一个实施例的密封模块结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

钻蛀振动信号是由钻蛀型害虫在林木树干内由口器啃食树木发生的振动信号，信号在林木内部通过树干进行传播，由于木段中的钻蛀声在固气界面衰减极大，传导至空气振动的幅度极小，难以侦听，只能采用振动传感器直接检测固体中的振动。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的钻蛀振动传感器系。

图1为根据本发明一个实施例的钻蛀振动传感器系统结构示意图。

如图1所示，该钻蛀振动传感器系统包括：振动信号换能模块、带通放大器、功率放大器、接口电路、稳压电路和密封模块。

振动信号换能模块包括振动传导杆、传感器密封前盖和压电陶瓷柱，整体结构如图2所示。振动传导杆为直径2mm的硬质金属杆，前端为针头状，用于插入林木枝干内，用于传导钻蛀振动信号以及为系统提供支撑。

振动传导杆通过螺丝固定于传感器密封前盖的中心孔内，保证连接稳固。压电陶瓷柱为一直径12.7mm，长度为25.4mm的pb(zr·ti)o3材料压电陶瓷体，极化方向为轴向，可将轴向振动信号转换为电信号，其g33达32.1x10^-3v·m/n，具有较高的灵敏度，压电陶瓷柱通过导电胶水固定于传感器密封前盖后部的沉孔内，通过机械结构保证压电陶瓷柱和振动传导杆的共轴安装。

带通放大器与压电陶瓷柱输出端连接，用于将压电陶瓷堆产生的电信号进行带通放大，滤除有效频带外的噪声信号。带通放大器放大振动信号换能模块输出的微弱电信号，由于钻蛀振动信号的主要频段集中在10khz以下，选择带通放大器的通带为200hz-10khz，增益设置为20倍，带外噪声信号不进行放大，提高有用信号的信噪比，图3为带通放大器的电路原理图。

功率放大器与带通放大器输出端连接，用于将带通放大器输出的信号进行功率放大，使输出信号具有较低的输出阻抗。功率放大器将带通放大器输出的信号进行功率放大，幅度不变，提高输出信号的电流驱动能力，降低输出阻抗；同时在功率放大器的输出端串接阻抗匹配电阻，和输出电缆的特征阻抗进行匹配，图4为功率放大器的电路原理图。

接口电路与功率放大器的输出端连接，用于提供传感器信号的输出路径和外部馈电的输入路径，接口电路可兼容信号/馈电融合的两线同轴电缆传输模式，也可以支持馈电、信号独立传输的三线电缆模式；在信号输出端，为了支持智能手机终端的mic输入检测功能，在信号输出端加入负载电阻，提供智能手机端app正确获取传感头的插入状态，图5为接口电路的电路原理图。

稳压电路与带通放大器、功率放大器和接口电路连接，用于通过接口电路接入传感器外的馈电，并将馈电稳压后供给带通放大器和功率放大器。传统传感器系统将稳压部分设置于传感器之外，当接线较长时，馈电线路感应的噪声和线路电压损耗，对传感器内电路的信噪比有不利影响，本传感器利用微压差低静态功耗稳压器，将线路馈电稳压后供给传感器内各电路器件，保证传感器内电路具有较高的电源供电质量。

低压差稳压电路为传感器内电路提供稳定低噪声的供电，选用低静态电流的低压差线性稳压芯片，其静态电流仅为0.6ma，在50ma输出情况下压降仅为0.15v，设定稳压器输出为4.5v，采用该稳压电路后，对输出5v供电的噪声容忍度为vpp＝±350mv，有效减小了输入馈电的噪声。图6为稳压电路的电路原理图。

密封模块用于封装压电陶瓷柱、带通放大器、功率放大器、接口电路和稳压电路，密封模块前部连接传感器密封前盖，密封模块后部连接传感器密封后盖，通过传感器密封后盖引出接口电路的线路。密封模块为压电陶瓷柱、带通放大器、功率放大器、接口电路和稳压电路提供机械支撑，将压电陶瓷体和电路板封闭在外径38mm，长为79mm的铝制金属圆筒内，铝筒内填充发泡保护材料，铝筒两侧为铝制顶盖和后盖；顶盖即振动信号换能模块，前部安装振动传导杆，后部安装压电陶瓷体；后盖主要作用为引出传感器馈线。顶盖和后盖中部具有防水槽，槽内安装硅胶密封圈，提供筒内模块的防水隔离。

图7为密封模块机械结构图。密封模块两端分别安装钻蛀振动传导部分和输出接口部分，内部设置抗震材料填充，支撑压电陶瓷和电路板结构，保证整体传感器成为一个完整的金属屏蔽体，具有良好的抵抗电磁干扰作用，同时在两端设置防水环，将内部环境和外部环境气密隔离，使本传感器适合野外长期免维护工作。

上述系统的工作频段为200hz至10khz，较好匹配了钻蛀害虫信号的频谱特点；传感器具有较高的灵敏度，体积较小，可以独立工作；同时传感器具有抗震、防水和全金属屏蔽的特点，可以在野外无人值守工作，有效解决了当前钻蛀振动传感器产品带宽不匹配、在害虫振动信号频段灵敏度较低、产品需人工值守监测、体积较大、功耗较高、价格昂贵等问题。

进一步地，采用一体柱状压电陶瓷元件，减少了纵向长度，并提高了抗震指标；将带通放大器低频段延伸到200hz，对钻蛀信号具有更佳的匹配带宽；在放大器后端加入一跟随放大器，提供功率放大，降低输出阻抗；接口电路提供信号的融合和馈电的分离功能，并支持馈电/信号独立输出；馈电通过低压差线性稳压器进行稳压后，供给传感器内放大器工作，隔离外部馈电的跌落和噪声，提高信噪比；传感器外壳提供防水密封和金属屏蔽，并为整个传感器提供机械支撑。

进一步地，本发明中的振动信号换能模块、带通放大器、功率放大器、接口电路、稳压电路和密封模块可以分为电路子系统和机械子系统。

机械子系统分为传感器前盖、传感器密封筒和传感器后盖。机械子系统为整个传感器提供支撑和密封，并对电路部分提供电磁屏蔽。传感器前盖即振动信号换能模块，其采用直径2mm的硬质金属杆固定于传感器前盖，用于从固定的树干中传导钻蛀振动信号至传感器；传感器前盖后端用导电胶水固定一直径12.7mm，长度为25.4mm的轴向极化压电陶瓷体柱，该压电陶瓷柱对轴向振动具有较高的灵敏度，可将轴向机械振动转化为电信号，通过导线输出给电路子系统进行滤波和放大，并通过电路接口部分由馈线输出到传感器外部。

电路子系统由带通放大器、功率放大器、接口电路和低压差稳压电路组成。振动信号换能模块输出的振动电信号通过带通放大器，对200hz至10khz范围内的信号进行20倍放大，后输出到功率放大器进行电流放大；经过功率放大的信号进一步提高了输出带载能力，降低输出阻抗，并输出到接口电路；接口电路用于将放大的振动信号输出到传感器外，并将传感器外的馈电信号接入传感器内的低压差稳压电路；低压差稳压电路将输入的馈电稳压成4.5v低噪声的直流供给带通放大器和功率放大器。

根据本发明实施例提出的钻蛀振动传感器系统，采用整体压电陶瓷体作为换能器件、设置匹配钻蛀振动信号频带的带通放大器、增加多模式接口电路和低压差稳压电路，具有防水、抗震、低功耗的特点，在信号检测灵敏度，传感器体积、长期独立工作特性上均优于同类产品。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。