專利名稱：一種微型震動(dòng)傳感器陣列及在地面目標(biāo)跟蹤中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種一種微型震動(dòng)傳感器陣列及在地面目標(biāo)跟蹤中的應(yīng)用，更確切地說本發(fā)明涉及一種由多個(gè)微型震動(dòng)傳感器組成的微型傳感器陣列，可用于對地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)施跟蹤定位測量，檢測地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離、方位以及目標(biāo)類型的震動(dòng)傳感器。
背景技術(shù)：
目前，傳統(tǒng)的用于地面目標(biāo)檢測的震動(dòng)傳感器一般采用單傳感器的方式，震動(dòng)傳感器的選用通常為動(dòng)圈式或者M(jìn)EMS結(jié)構(gòu)的速度型傳感器。使用時(shí)，將這種單體震動(dòng)傳感器埋設(shè)于地下，通過感應(yīng)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)激勵(lì)的地表震動(dòng)來獲取有關(guān)目標(biāo)的信號(hào)。通過對目標(biāo)信號(hào)的特征分析，可以進(jìn)一步確定目標(biāo)的類型。這種以單傳感器為主的探測系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于地震探測、礦產(chǎn)探查以及安防的防入侵系統(tǒng)等。隨著震動(dòng)傳感器的應(yīng)用推廣，各種應(yīng)用對基于震動(dòng)傳感器的檢測設(shè)備也提出了新的要求，其中最主要的是要求在設(shè)備的小型化的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多功能化，具備對震動(dòng)源的定位能力。對震動(dòng)源的定位可以采用分布式光纖震動(dòng)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對震動(dòng)目標(biāo)的定位，其基本原理是利用了震動(dòng)沖擊作用于光纖引起其折射率的變化，進(jìn)而引起光波相位的變化。 通過檢測這種變化定位光纖被作用點(diǎn)，從而探測震動(dòng)目標(biāo)的位置。但是，這種方式要求光纖必須布設(shè)在震動(dòng)目標(biāo)存在的位置，屬接觸型傳感器，并且布設(shè)方式復(fù)雜，維護(hù)困難，不具備移動(dòng)性，僅適用于固定區(qū)域的封邊檢測。由于僅采用了單傳感器結(jié)構(gòu)，無法滿足檢測地面目標(biāo)的距離以及方位等信息的需求，作為解決手段，因此，震動(dòng)源的定位的另一種解決手段是布設(shè)多個(gè)分離式震動(dòng)傳感器單元構(gòu)成一個(gè)陣列，然后通過多根線纜連接到一個(gè)信號(hào)處理設(shè)備，以達(dá)到多通道采集信號(hào)從而獲得目標(biāo)的距離、方向信息，如探礦用的多震動(dòng)陣列；或者采用無線網(wǎng)絡(luò)的方式將多個(gè)分離的單震動(dòng)傳感器聯(lián)合起來，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)距離及方位的檢測，如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無論是采用有線或無線的方式，這種分立組合的陣列結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，硬件成本高，體積大，占地范圍廣，另外各傳感器之間的一致性也難以保證，導(dǎo)致信號(hào)間差異明顯，對信號(hào)處理的方法以及硬件要求也提出了較高的要求。因此針對這種需求，結(jié)合震動(dòng)傳感器的最新發(fā)展，本發(fā)明擬提出了一種用于地面目標(biāo)跟蹤的微型震動(dòng)傳感器陣列。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的單體式震動(dòng)傳感器設(shè)備僅能探測地面目標(biāo)類型而無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種微型震動(dòng)傳感器陣列以及在地面目標(biāo)跟蹤中的應(yīng)用。所提供的微型傳感器陣列能同時(shí)檢測出地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的類型、距離以及方位
^fn 息。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是采用集成封裝的模式，將多個(gè)的MEMS震動(dòng)傳感器按照中心一個(gè)，其余四周等距布設(shè)的方式安裝在PCB電路板上，PCB電路板的其余空間為相應(yīng)的處理電路。處理電路部分包括多路模擬信號(hào)的放大濾波模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊以及算法處理模塊(MCU)。如圖1所示本發(fā)明所述的MEMS震動(dòng)傳感器采用集成封裝的方式安裝在PCB板上。MEMS震動(dòng)傳感器采用粘接劑固定在PCB板上，粘接劑固化后可以保證傳感器與 PCB板的良好接觸，傳感器的信號(hào)引腳與電路板上電路芯片之間采用金絲引線連接，因此傳感器的輸出信號(hào)可以直接由信號(hào)處理電路采集、放大并分析，以實(shí)現(xiàn)對震動(dòng)源的定位、識(shí)別和分類。所述的微型震動(dòng)傳感器陣列采用基于MEMS (微電子機(jī)械系統(tǒng))工藝制作的震動(dòng)傳感器組成震動(dòng)陣列，可以象制作集成電路一樣批量化生產(chǎn)，性能一致性良好，，由于采用 MEMS工藝制作的震動(dòng)傳感器器件的體積通常只有幾個(gè)毫米大小，采用硅材料制作，利用變電容結(jié)構(gòu)或壓變電阻等結(jié)構(gòu)感應(yīng)震動(dòng)信號(hào)，工作電壓可低至3-5V，與集成電路有很好的接口兼容性，因此可以方便集成制作片上芯片系統(tǒng)，目前已有集成混合封裝工藝實(shí)現(xiàn)將MEMS 傳感器與相關(guān)處理電路集成在同一電路板上的技術(shù)。采用集成混合封裝工藝可以方便地將數(shù)個(gè)MEMS震動(dòng)傳感器集成在PCB電路上，組成一個(gè)微型化的十字震動(dòng)傳感器陣列，從而實(shí)現(xiàn)對地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的定位、識(shí)別與分類功能。十字震動(dòng)傳感器陣列實(shí)現(xiàn)定位的基本原理為利用震動(dòng)源信號(hào)到達(dá)傳感器陣列中不同傳感器的時(shí)間差來確定震動(dòng)源的距離。由于該十字陣列尺寸小，因此時(shí)間差值也很小， 為保證足夠的定位精度，對信號(hào)的采樣率也必須相應(yīng)提高，而以目前的電路技術(shù)是可以滿足要求的。震動(dòng)傳感器對地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別與分類功能是通過分析震動(dòng)信號(hào)源的頻譜特征實(shí)現(xiàn)的，通過比對頻率分布特征可以識(shí)別不同的震動(dòng)目標(biāo)，該方面的技術(shù)目前已成熟，可以應(yīng)用于本發(fā)明中。所述的信號(hào)處理電路的基本模塊如圖2所示，為敘述方便，以5個(gè)傳感器為例說明之。如圖2所示，構(gòu)成十字陣列的五個(gè)傳感器將感應(yīng)到震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)輸出，使用的震動(dòng)傳感器為中科院上海微系統(tǒng)研制的MEMS震動(dòng)傳感器芯片，其頻率響應(yīng)范圍可選擇> Ο-lKHz，靈敏度為約為300mv/cm/S。信號(hào)放大與濾波模塊將震動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)放大并濾除噪聲，其參數(shù)一般為增益60-80db，帶寬不小于IOKHz。放大后的信號(hào)經(jīng)由多路高速AD芯片采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，AD芯片的通道數(shù)不少于5個(gè)，采樣率不低于10m/S，分辨率不低于12bit。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)由MCU單元接收并處理。MCU單元通常為高速單片機(jī)或DSP芯片，內(nèi)置時(shí)間差分定位算法模塊和頻譜分析及分類識(shí)別模塊。時(shí)間差分定位算法模塊用于計(jì)算多個(gè)傳感器信號(hào)之間的時(shí)間差一實(shí)現(xiàn)對震動(dòng)源的定位功能，頻譜分析及分類識(shí)別模塊則通過對震動(dòng)信號(hào)的頻譜分析及比對實(shí)現(xiàn)對震動(dòng)目標(biāo)的分類識(shí)別。由此可見，本發(fā)明是采用集成封裝的形式將多個(gè)微型化的震動(dòng)傳感器與相應(yīng)的處理電路制作在同一塊PCB板上，震動(dòng)傳感器之間的間距僅為幾個(gè)厘米的量級(jí)，既達(dá)到小型化的目的，又充分發(fā)揮陣列傳感器的優(yōu)勢，達(dá)到同時(shí)檢測目標(biāo)類型與目標(biāo)定位的功能。
本發(fā)明提供的一種用于地面目標(biāo)跟蹤的微型震動(dòng)傳感器陣列，至少包括一個(gè)PCB 電路板，以及在PCB電路板中心放置的微型震動(dòng)傳感器，在中心位置放置的微型震動(dòng)傳感器的周圍等間距放置的其他同類型微型震動(dòng)傳感器，微型震動(dòng)傳感器采用集成封裝形式安裝在PCB電路板上，震動(dòng)信號(hào)處理電路包括多通道模擬信號(hào)放大與濾波模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊以及算法處理模塊同樣包含在PCB電路板上。其中，①組成陣列的震動(dòng)傳感器的排列方式是十字陣元方式或者其它中心對稱方式；②組成陣列的震動(dòng)傳感器的數(shù)量可以是3個(gè)，5個(gè)，5個(gè)或更多數(shù)量；③組成陣列的震動(dòng)傳感器是微型化的，可以是采用MEMS工藝制作的速度型或加速度型傳感器芯片，也可以是采用其它工藝條件制作的速度型或加速度型傳感器芯片；④組成陣列的中心放置的震動(dòng)傳感器與周圍震動(dòng)傳感器的距離是厘米量級(jí)的，一般為5-6cm左右。總而言之，本發(fā)明提供的微型震動(dòng)傳感器陣列是在一個(gè)PCB電路板上集成封裝有多個(gè)微型化的相同MEMS震動(dòng)傳感器，相應(yīng)的震動(dòng)信號(hào)處理電路也集成在同一 PCB板上。多個(gè)震動(dòng)傳感器以十字陣的方式布設(shè)組成一個(gè)微型化的陣列。在測量某一地面目標(biāo)時(shí)，只需將傳感器放置于該平面內(nèi)，根據(jù)傳感器各個(gè)陣元自身的坐標(biāo)以及各自輸出信號(hào)的時(shí)間相關(guān)就可以確定目標(biāo)的距離及方向，根據(jù)各個(gè)陣元輸出信號(hào)的頻譜特征就可以確定目標(biāo)的類型，如是否為人或者車輛等，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的全面探測與定位。也即它是一種能夠同時(shí)檢測地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離、方位以及類型的微型震動(dòng)傳感器陣列。


圖1本發(fā)明提供的MEMS震動(dòng)傳感器安裝在PCB板上的示意圖。圖2本發(fā)明提供的MEMS震動(dòng)傳感器陣列的信號(hào)處理電路模塊。圖3是本發(fā)明的實(shí)施方案圖。圖3中，1為PCB電路板，2為布設(shè)于PCB板中心位置的震動(dòng)傳感器，3，4，5，6為等間距布設(shè)于四周的震動(dòng)傳感器，7為處理電路模塊。 圖4是本發(fā)明的電路原理圖。圖4中，2，3，4，5，6為布設(shè)于PCB板上的震動(dòng)傳感器，8為多路模擬信號(hào)放大與濾波模塊，9為多路AD轉(zhuǎn)換電路模塊，10為算法處理模塊(MCU)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。詳見圖3，為方便起見本實(shí)施例仍以5元震動(dòng)傳感器陣列為例作詳細(xì)描述，實(shí)際可根據(jù)需要制作能集成更多陣元的震動(dòng)傳感器陣列，其基本結(jié)構(gòu)類似。圖中1為PCB電路板，2為設(shè)置于PCB電路板中心位置的震動(dòng)傳感器，該震動(dòng)傳感器為采用MEMS工藝制作的微型化震動(dòng)傳感器芯片，面積大小一般為4 X 6mm左右，震動(dòng)感應(yīng)方向垂直于PCB電路板表面，其余4個(gè)震動(dòng)傳感器為等間距布設(shè)于PCB板四周的其他微型化震動(dòng)傳感器芯片，它們與處于中心位置的震動(dòng)傳感器為同一批次生產(chǎn)的同規(guī)格的震動(dòng)傳感器芯片，每個(gè)震動(dòng)傳感器芯片與(2)的間距相同，距離設(shè)置大約5cm左右，安裝方式、震動(dòng)感應(yīng)方向均與(2)相同。震動(dòng)傳感器芯片構(gòu)成十字陣形式，并且采用緊密貼裝的形式固封在PCB板的表面，以減少震動(dòng)信號(hào)從PCB板傳遞到震動(dòng)芯片過程中的衰減。PCB板上除了安裝震動(dòng)傳感器芯片外，在其余部分為相應(yīng)的處理電路，其基本組成如圖2所示，包括多通道的模擬信號(hào)放大與濾波模塊、多路AD轉(zhuǎn)換模塊以及算法處理模塊等。
本發(fā)明的微型震動(dòng)傳感器陣列在測量某一地面目標(biāo)時(shí)，只需將傳感器放置于該平面內(nèi)，根據(jù)傳感器各個(gè)陣元自身的坐標(biāo)以及各自輸出信號(hào)的時(shí)間相關(guān)就可以確定目標(biāo)的距離及方向，根據(jù)各個(gè)陣元輸出信號(hào)的頻譜特征就可以確定目標(biāo)的類型，如是否為人或者車輛等，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的全面探測與定位。關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的定位及分類算法，不屬于本發(fā)明的范圍，在此不作描述。
權(quán)利要求
1.一種微型振動(dòng)傳感器陣列，其特征在于采用集成封裝的形式將多個(gè)微型化的震動(dòng)傳感器與相應(yīng)的信號(hào)處理電路制作在同一塊PCB板上；其中，①所述的多個(gè)微型化的震動(dòng)傳感器采用集成封裝的模式，將多個(gè)同類型的MEMS震動(dòng)傳感器按照中心一個(gè)，其余周圍等間距布設(shè)的方式，組成十字陣元震動(dòng)傳感器陣列，安裝在 PCB電路板上；②所述的信號(hào)處理電路包括多通道模擬信號(hào)放大與濾波模塊(8)、AD轉(zhuǎn)換模塊(9)以及算法處理模塊(10)；③組成十字陣元的震動(dòng)傳感器將感應(yīng)到的震動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱電信號(hào)輸出，經(jīng)多通道模擬信號(hào)放大與濾波模塊(8)，使輸出信號(hào)放大并濾除噪聲，放大后的信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊 (9)采樣并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)由MCU單元接收并處理。
2.按權(quán)利要求1所述的陣列，其特征在于①組成陣列的震動(dòng)傳感器陣列的排列方式為其它中心對稱方式；②組成陣列的震動(dòng)傳感器的數(shù)量為3個(gè)、5個(gè)或5個(gè)以上。
3.按權(quán)利要求1所述的陣列，其特征在于所述MEMS震動(dòng)傳感器采用粘結(jié)劑固定在PCB 板上，傳感器的信號(hào)引腳與PCB電路板上電路芯片之間采用金絲引線連接。
4.按權(quán)利要求1所述的陣列，其特征在于組成陣列的中心位置震動(dòng)傳感器與周圍等間距布設(shè)的震動(dòng)傳感器之間的間距為厘米量級(jí)。
5.按權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的陣列，其特征在于所述的微型化震動(dòng)傳感器地頻率響應(yīng)范圍為> Ο-lkHz，靈敏度為300mv/cm/s。
6.按權(quán)利要求1所述的陣列，其特征在于信號(hào)處理電路中a)信號(hào)放大與濾波模塊的增益為60-80db，帶寬不小于IOkHz；b)AD轉(zhuǎn)換模塊中的通道數(shù)不少于5個(gè)，采樣率不低于lOm/s，分辨率不低于12bit；c)算法處理模塊為高速單片機(jī)或DSP芯片，內(nèi)置時(shí)間差分定位模塊和頻道分析及分類識(shí)別模塊。
7.按權(quán)利要求1、2、3或4所述的陣列，其特征在于所述的震動(dòng)傳感器面積為4X6mm， 震動(dòng)感應(yīng)方向垂直于PCB電路板表面。
8.按權(quán)利要求1所述的陣列，其特征在于組成陣列的微型化震動(dòng)傳感器芯片是采用 MEMS工藝制作的速度型或加速度型傳感器或是采用它工藝條件制作的速度型或加速度傳感器。
9.按權(quán)利要求4所述的陣列，其特征在于組成陣列的中心位置震動(dòng)傳感器與周圍等間距布設(shè)的震動(dòng)傳感器之間的間距為5-6cm。
10.按權(quán)利要求1-4或6中任一項(xiàng)所述的陣列的應(yīng)用，其特征在于能同時(shí)檢測地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離、方位以及類型；在測量某一地面目標(biāo)時(shí)，只需將傳感器放置于該平面內(nèi)，根據(jù)傳感器各個(gè)陣元自身的坐標(biāo)以及各自輸出信號(hào)的時(shí)間相關(guān)就可以確定目標(biāo)的距離及方向， 根據(jù)各個(gè)陣元輸出信號(hào)的頻譜特征就可以確定目標(biāo)為人或者車輛；從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的全面探測與定位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微型振動(dòng)傳感器陣列及其在地面目標(biāo)跟蹤中的應(yīng)用，其特征在于它是一個(gè)PCB電路板上集成封裝有多個(gè)微型化的相同MEMS震動(dòng)傳感器芯片，相應(yīng)的震動(dòng)信號(hào)處理電路也集成在同一PCB板上。多個(gè)震動(dòng)傳感器芯片以十字陣的方式布設(shè)組成一個(gè)微型化的陣列。在測量某一地面目標(biāo)時(shí)，只需將傳感器放置于該平面內(nèi)，根據(jù)傳感器各個(gè)陣元自身的坐標(biāo)以及各自輸出信號(hào)的時(shí)間相關(guān)就可以確定目標(biāo)的距離及方向，根據(jù)各個(gè)陣元輸出信號(hào)的頻譜特征就可以確定目標(biāo)的類型，如是否為人或者車輛等，從而實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的全面探測與定位。亦即本發(fā)明提供的是一種能夠同時(shí)檢測地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的距離、方位以及類型的微型震動(dòng)傳感器陣列。
文檔編號(hào)G01H17/00GK102435299SQ20111023088
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者宋勇, 李寶清, 袁曉兵 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所