基于MEMS微气压计的差分式次声波监测仪的制作方法

本发明涉及次声波监测领域，特别涉及一种基于MEMS微气压计的差分式次声波监测仪。

背景技术：

我国是自然灾害多发国家，除了地震台站和气象台站对我国境内的地震和恶劣天气进行监测以外，大气次声波扰动与自然灾害(如地震、大气强对流、台风、泥石流、火山)有密切的关联性。目前我国多家科研单位建立次声观测系统并开展大气次声波观测研究，然而这些观测系统并没有形成一套整体系统，且布局较分散，监测站点也较少，其中重要的因素是大气次声波传感器成本较高，在获得国家重点资助支持前，难以大区域、高密度地安装布设，而且目前的传感器由于声学机械部分本身存在的频响一致性问题，将会对阵列观测精度造成一定影响，因此无法形成高分辨率观测网络。

MEMS(Micro electro mechanical Systems，微型电子机械系统)，是指可批量制作的，将微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统。MEMS传感器已在消费电子产品、汽车工业、医疗保健、机器人及自动化工业、太空卫星、运载火箭、航空航天设备等领域有着广泛的应用。采用MEMS技术实现的次声波传感器具有生产成本较低，且一致性的控制较容易等优点，能够有效地克服现有次声观测系统所存在的不足，具有在次声观测领域应用的广泛前景。

目前美国使用MEMS芯片制造次声波传感器，建立了一个名为USarray的次声监测网络系统，该次声监测网络系统负责频段为0～0.02Hz次声波的监测任务，具有较高分辨率和较高的网络密度。这与采用MEMS芯片所制造的次声波传感器的低成本优势是分不开的。该次声波监测系统能够以对USarray所在的区域的各种自然灾害(飓风、龙卷风、雷暴、大气强对流天气、地震等)进行较高精度的观测。但该系统没有应用差分式设计，无法有效地去除干扰。

近年来，美国夏威夷大学次声实验室使用基于APPLE iphone6手机内置的MEMS微气压计模块开展次声波分布式阵列观测研究，该模块能够对手机周边的微小气压/次声波进行监测，并通过该实验室开发的REDVOX软件将信号采集，并发送回实验室的综合服务器，然而该服务器位于美国，暂时无法设置传送到中国境内。且使用该软件可能面临相关信息安全问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有的次声波监测系统生产成本较高、频响一致性存在问题等缺陷，从而提供一种成本较低、频响一致性较高的次声波监测系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于MEMS微气压计的差分式次声波监测仪，包括：MEMS微气压计模块、信号输出模块、信号远程传输模块；其中，

所述MEMS微气压计模块有偶数个，这些MEMS微气压计模块成差分式结构；所述MEMS微气压计模块用于采集次声波信号，所采集的次声波信号经信号输出模块输出，并由所述信号远程传输模块传输到外部的远程服务器。

上述技术方案中，所述MEMS微气压计模块成差分式结构包括：

一个MEMS微气压计模块为密闭腔室结构，其包括前腔与后腔，前腔与后腔之间通过一前后腔隔板隔离，在所述前后腔隔板的两侧各自安装有一个MEMS模块核心感应芯片，在所述前后腔隔板上安装有一压力平衡管，在前腔与后腔上还分别向外伸出一根传声导管：入口导管和出口导管；

一个MEMS微气压计模块的入口导管作为外界大气通道，其出口导管与另一个MEMS微气压计模块的入口导管通过传声管道连接，所述另一个MEMS微气压计模块的出口导管作为外界大气通道，这两个MEMS微气压计模块形成一个子系统；同一子系统内的MEMS微气压计模块相隔至少10米；所有MEMS微气压计模块在圆周上间隔相同的角度分布且属于同一子系统的两个MEMS微气压计模块在圆周上对角分布。

上述技术方案中，所述传声导管为硬质管道。

上述技术方案中，所述MEMS微气压计模块输出模拟信号，则所述信号输出模块为模拟乘法器；各个子系统的差分输出进入模拟乘法器，以进一步放大差分输出的信号。

上述技术方案中，所述MEMS微气压计模块输出数字信号，则所述信号输出模块对所接收到的各个数字信号做差分计算；包括：

各个子系统所输出的数字信号输入到所述信号输出模块中，所述信号输出模块采用广义互相关算法对所接收到的各个数字信号做差分计算。

上述技术方案中，所述入口导管带有防尘罩。

本发明的优点在于：

1、本发明的基于MEMS微气压计的差分式次声波监测仪采用MEMS微气压计模块作为次声波传感器的感应部件，相比传统次声传感器，在成本、体积、频响一致性等多个方面有了明显的进步；

2、本发明的基于MEMS微气压计的差分式次声波监测仪采用了差分式结构，能够增强有效信号，降低噪声干扰。

附图说明

图1是在一个实施例中，本发明的基于MEMS微气压计的差分式次声波监测仪中的MEMS微气压计模块的示意图；

图2是在一个实施例中，本发明的基于MEMS微气压计的差分式次声波监测仪中的各个MEMS微气压计模块的连接示意图；

图3是当MEMS微气压计模块所输出的信号是模拟信号时，MEMS微气压计模块与信号输出模块的连接示意图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明的基于MEMS微气压计的差分式次声波监测仪包括：MEMS微气压计模块、信号输出模块、信号远程传输模块；其中，所述MEMS微气压计模块有偶数个，这些MEMS微气压计模块成差分式结构；所述MEMS微气压计模块用于采集次声波信号，所采集的次声波信号经信号输出模块输出，并由所述信号远程传输模块传输到外部的远程服务器。

下面对该差分式次声波监测仪中的各个模块做进一步说明。

MEMS微气压计模块成差分式结构是指将多个MEMS微气压计模块对同一信号或源进行感应，每个MEMS微气压计模块对这个源或信号的感应方向相反，从而能够对各向同性信号即有效信号在输出端起到放大作用，而对各向异性信号(如各种本地干扰)起到衰减作用。

MEMS微气压计模块成差分式结构包括两个方面：MEMS微气压计模块的内部结构，以及MEMS微气压计模块间的连接关系。

如图1所示，在一个实施例中，一个MEMS微气压计模块为密闭腔室结构，其包括前腔与后腔，前腔与后腔之间通过一前后腔隔板隔离，在所述前后腔隔板的两侧(即在前腔与后腔内)各自安装有一个MEMS模块核心感应芯片，在所述前后腔隔板上安装有一压力平衡管，以平衡前腔与后腔内的大气压强，在前腔与后腔上还分别向外伸出一根传声导管：入口导管和出口导管，入口导管和和出口导管作为密闭腔室的声学结构通气孔能够平衡MEMS模块核心感应芯片两侧的大气压强，并保证能够接收到空气中次声波的扰动。所述传声管道为硬质管道，该硬质管道的管壁刚性足够强，不会受到外界声波或气压的挤压作用引起的干扰。所述入口导管带有防尘罩。

在图2所示的实施例中，MEMS微气压计模块有四个，这四个MEMS微气压计模块在连接时，第一MEMS微气压计模块A的入口导管作为外界大气通道，将第一MEMS微气压计模块A的出口导管与第二MEMS微气压计模块B的入口导管连接；第二MEMS微气压计模块B的出口导管作为外界大气通道，第一MEMS微气压计模块A与第二MEMS微气压计模块B形成第一子系统；类似的，第三MEMS微气压计模块C的入口导管作为外界大气通道，将第三MEMS微气压计模块C的出口导管与第四MEMS微气压计模块D的入口导管连接；第四MEMS微气压计模块D的出口导管作为外界大气通道，第三MEMS微气压计模块C与第四MEMS微气压计模块D形成第二子系统；第一MEMS微气压计模块A与第二MEMS微气压计模块B之间的距离至少10m，第三MEMS微气压计模块C与第四MEMS微气压计模块D之间距离至少10m，四个模块呈四边形四个顶点进行分布。用于连接出口导管与入口导管的导管也是传声管道，所述传声导管为硬质管道，该硬质管道的管壁刚性足够强，不会受到外界声波或气压的挤压作用引起的干扰。

在其他的实施例中，MEMS微气压计模块可以是其他数量的偶数个，如六个。在一个实施例中，所述MEMS微气压计模块有六个，如前所述，每两个MEMS微气压计模块形成一个子系统，每个子系统内的MEMS微气压计模块之间至少间隔10m，六个MEMS微气压计模块在圆周上呈每隔60度分布一个模块且属于同一子系统的两个MEMS微气压计模块在圆周上对角分布。

以上是对差分式结构的描述。由于风噪声为各向异性，而有效信号定位各向同性，通俗的理解就是风噪声来自四面八方，产生的方式杂乱无章，而有效信号来自一个方向，指向有规律可循。因此在前述的差分式结构中，由于同一子系统中的两个MEMS微气压计模块(如第一MEMS微气压计模块A与第二MEMS微气压计模块B)之间的距离至少10m，通气孔首尾连接，同性信号将得到差分增强，而异性信号将通过差分效应被削弱。

MEMS微气压计模块所输出的信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。根据MEMS微气压计模块所输出信号类型的不同，信号输出模块有不同的实现方式。

若MEMS微气压计模块所输出的信号是模拟信号，则所述信号输出模块为模拟乘法器。在一个包含有四个MEMS微气压计模块的实施例中，如图3所示，每个子系统包括正负两个输出端子，在由第一MEMS微气压计模块A与第二MEMS微气压计模块B所形成的第一子系统中，A-与B+端子连接，A+和B-作为子系统的差分输出；在由第三MEMS微气压计模块C与第四MEMS微气压计模块D所形成的第二子系统中，C-与D+端子连接，C+和B-作为该子系统的差分输出。两个子系统的差分输出进入模拟乘法器，进一步放大上述两个差分输出的信号，从模拟乘法器中输出结果即为最后输出结果。在另一个包含有六个MEMS微气压计模块的实施例中，三个子系统的差分输出进入模拟乘法器，由该模拟乘法器放大所述差分输出的信号。

若MEMS微气压计模块所输出的信号是数字信号，则所述信号输出模块对所接收到的各个数字信号做差分计算。在一个包含有四个MEMS微气压计模块的实施例中，在由第一MEMS微气压计模块A与第二MEMS微气压计模块B所形成的第一子系统中，A和B分别输出数字信号S_A、S_B，在由第三MEMS微气压计模块C与第四MEMS微气压计模块D所形成的第二子系统中，C和D分别输出数字信号S_C、S_D；所述差分计算的具体计算方式为：

其中S_A,S_B,S_C,S_D为一系列离散数据点组成的数字信号，

S_A＝A[s₁,s₂……s_n],n为信号总长度

S_B＝B[s₁,s₂……s_n],n为信号总长度

S_C＝C[s₁,s₂……s_n],n为信号总长度

S_D＝D[s₁,s₂……s_n],n为信号总长度

S＝GCC{[S_A-S_B],[S_C-S_D]}

其中，GCC是广义互相关算法，通过该算法可以增强有效信号，减弱噪声信号，作用基本类似于前述模拟信号的乘法器；S为最终输出的经过差分增强后的数字信号。

在另一个包含有六个MEMS微气压计模块的实施例中，三个子系统将输出六种数字信号，对这六种数字信号进行差分计算，得到经过差分增强后的数字信号。

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。