超低噪声甚低频压电传感器的设计及应用

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在自然界中存在诸多低频振动现象,比如陆地上地震、泥石流山体滑坡等现象中的低频振动;在海洋中除了风和海浪等引起的中、高频声波外,也存在由海啸、潮汐等引起的一些低频、甚低频波,其波动频率能达到0.1Hz以下。这些波动蕴含着丰富的海洋信息,探测这些低频甚低频声波对海上环境预测和海上试验有很大帮助。但是,普通压电传感器在测量甚低频信号时有灵敏度低、信噪比差等缺陷。为了探测潮汐现象中出现的低频信号,本课题设计研制了一种低噪声甚低频压电传感器,它具有良好的低频响应特性以及较低的低频噪声,能够测量低至0.01Hz频率的振动信号。(1)设计了低噪声甚低频压电传感器的放大电路。根据所选择的压电元件阻抗特性以及传感器下限截止频率,设计了基于分立JFET放大器的前置放大电路,并依据经典En-In噪声模型重点分析计算了放大器噪声,详细分析了主要噪声源以及压电元件对放大器噪声的影响,对电路中的关键器件做了选型,利用电路仿真软件以及噪声计算结果分析了放大电路的理论性能。(2)测试了研制的放大电路和甚低频压电传感器的性能。经测试,放大电路工作频率范围为0.008Hz~100Hz;对比了放大电路短接和输入端接等效电容的测量噪声和理论噪声,得出压电陶瓷元件会使电压放大器在低频段的噪声增加的结论;在消声水池中根据静水压力法测得压电传感器的工作频率范围为0.01Hz~10Hz,灵敏度达到了-168d B@0.1Hz,等效噪声声压谱级为150d B@0.1Hz。将压电传感器噪声与频率在10Hz以下的低频海洋环境噪声Holu谱对比,低于同频段的海洋环境噪声。(3)利用甚低频压电传感器对钱塘江瞬时涌潮潮位进行了测量,时频分析结果表明,钱江潮大部分能量分布在10Hz以下,利用该传感器的低频特性,可测到涌潮到达前约3分钟甚低频部分的能量变化,且潮位测量时差在30s以内,能较好的对钱江潮类似的低频波动实现动态测量。对潮涌的潮位和瞬时流量进行了动态测量,测量结果与钱江潮预报结果趋势吻合。
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