1 引言

接收換能器包括標(biāo)量水聽(tīng)器和矢量水聽(tīng)器[1-3]。顧名思義，標(biāo)量水聽(tīng)器只可測(cè)得聲場(chǎng)中的標(biāo)量信息，而矢量水聽(tīng)器，作為一種新興的水聽(tīng)器，可以測(cè)出聲場(chǎng)中矢量參數(shù)。在理想流體中，沒(méi)有切應(yīng)力，所以，聲壓為標(biāo)量，質(zhì)點(diǎn)振速為矢量[4]。因此，聲場(chǎng)中的基本信息既有標(biāo)量參數(shù)，又有矢量參數(shù)，單單測(cè)得聲場(chǎng)的標(biāo)量參數(shù)是不夠的，無(wú)法完整的表述聲場(chǎng)的全部信息，所以矢量水聽(tīng)器的研究越來(lái)越得到重視。

利用矢量水聽(tīng)器獲取質(zhì)點(diǎn)振速的參數(shù)，傳統(tǒng)上是直接利用矢量水聽(tīng)器中的振速傳感器（速度傳感器）獲取[5]，具有便于信號(hào)處理的特點(diǎn)，但是由于其工作頻帶較窄，不適合直接使用。本設(shè)計(jì)針對(duì)這點(diǎn)，利用加速度信號(hào)具有在高頻段有高靈敏度的特性，用加速度計(jì)獲取加速度信號(hào)，利用精密積分器進(jìn)行積分，可使改良后的速度傳感器兼具易于信號(hào)處理和工作頻帶寬的特點(diǎn)，性能更加優(yōu)越。

2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

積分芯片 ACF2101 是雙路積分器，具有很高的精確度。通過(guò)積分器，每路積分器可以利用內(nèi)部或者外部的電容器，將輸入電流轉(zhuǎn)換為輸出電壓。芯片內(nèi)部包含了高精度的 100 pF 電容、保持開(kāi)關(guān)、復(fù)位開(kāi)關(guān)以及多路輸出復(fù)用器。積分芯片 ACF2101 作為一個(gè)完整的電路，它消除了很多諸如泄漏電流引起的誤差和噪聲等在分立元件搭建的電路中經(jīng)常遇到的問(wèn)題。較于傳統(tǒng)的積分方式，ACF2101 芯片的噪聲更小，并且也省去了高性能、高阻值的反饋電阻。極低的偏置電流、低噪聲、ACF2101 的差動(dòng)放大器，以及用激光裝配的補(bǔ)償和漂移，保證了電流到電壓轉(zhuǎn)換的精度。

3 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)共有四路電路，分別是聲壓 P 路，加速度X 路，加速度 Y 路和加速度 Z 路。在聲壓 P 路的電路設(shè)計(jì)中，只需對(duì)所得到的信號(hào)進(jìn)行放大工作，不需要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換的工作，因此，此路電路只包含放大電路以及驅(qū)動(dòng)電路。

加速度電路的輸入信號(hào)為加速度信號(hào)，該電路應(yīng)有兩種狀態(tài)：進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換狀態(tài)和直接輸出狀態(tài)。積分狀態(tài)下，在對(duì)接信號(hào)發(fā)生器時(shí)，由于積分器的輸入不能很大（實(shí)測(cè)是輸入為 10 mV 以上就會(huì)有失真），而且信號(hào)發(fā)生器的工藝限制了其輸出不能太小，因此放大電路置于積分電路之后并且在積分電路之前加入了衰減電路。使用的衰減電路為π型衰減電路，為了使輸入內(nèi)阻變大，在最前端加入了電壓跟隨器，如圖 1 中虛框位置。而在對(duì)接加速度振子時(shí)，由于傳感器的輸出信號(hào)不大，此時(shí)可以去除衰減電路和電壓跟隨器直接進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換。在不積分狀態(tài)下，信號(hào)越過(guò)積分部分直接進(jìn)入放大部分，如圖 1 所示。

4 系統(tǒng)各硬件模塊的實(shí)現(xiàn)

4.1 加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊

作為整個(gè)積分電路的核心，積分電路在電路中起著至關(guān)重要的作用，積分工作主要由積分芯片ACF2101 承擔(dān)，積分電路圖以及積分芯片內(nèi)部電路圖見(jiàn)圖 2。

輸入信號(hào)與 Sw In 管腳連接，通過(guò)積分器積分，從 Out 管腳輸出，電源正電壓與13管腳連接，電源負(fù)電壓與 12 管腳連接。芯片內(nèi)部存在兩個(gè)開(kāi)關(guān)：Hold開(kāi)關(guān)和 Reset 開(kāi)關(guān)，在進(jìn)行積分時(shí)，需要保持芯片內(nèi)部 Hold 開(kāi)關(guān)閉合，Reset 開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。積分芯片內(nèi)存在 100 pF 的內(nèi)部積分電容，由于積分電容較小，所以在 In 管腳和 Out 管腳之間接入了一個(gè)外部積分電容，與內(nèi)部的積分電容并聯(lián)，增大了積分電容，保障了積分器的正常工作[6]。供電電源的兩路都放置了濾波電容，使積分效果更好。

在實(shí)際測(cè)量中，當(dāng)給積分芯片輸入電壓大于 10 mV 時(shí)，積分波形發(fā)生失真，在電路中增加了電壓跟隨器和衰減電路部分，衰減電路見(jiàn)圖 3。

4.2 放大電路模塊

在進(jìn)行積分后，在不同頻率下，由加速度信號(hào)積分出的速度信號(hào)的幅值有可能過(guò)小致使后續(xù)的芯片產(chǎn)生失真，所以在積分電路后加入放大電路，放大工作主要由放大芯片 INA620 承擔(dān)。放大電路見(jiàn)圖 4。

放大芯片的輸入為雙路輸入，一路連接傳感器信號(hào)（聲壓信號(hào)、加速度信號(hào)或者是速度信號(hào)），另一路接地，這兩個(gè)信號(hào)的輸入構(gòu)成了偽差分放大，減少電噪聲對(duì)于傳感器信號(hào)的干擾，提高設(shè)計(jì)的精確度。

4.3 驅(qū)動(dòng)電路模塊

在矢量水聽(tīng)器的實(shí)際使用中，往往需要將水聽(tīng)器放入水下較深的位置。驅(qū)動(dòng)電路增強(qiáng)了整個(gè)電路的長(zhǎng)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)工作主要由芯片 DRV135 承擔(dān)。驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)圖 5。

信號(hào)由 4 管腳流入驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)后的信號(hào)由 1 管腳和 2 管腳流出，電源正電壓從 6 管腳進(jìn)入，電源負(fù)電壓從 5 管腳流入。

4.4 撥碼開(kāi)關(guān)模塊

在實(shí)際的應(yīng)用中，在測(cè)量聲場(chǎng)時(shí)，不但需要由加速度信號(hào)積分后獲得的速度信號(hào)，還有時(shí)需要加速度信號(hào)。于是本設(shè)計(jì)中采取開(kāi)關(guān)電路來(lái)對(duì)是否積分進(jìn)行控制，主要由兩個(gè)開(kāi)關(guān)承擔(dān)此任務(wù)，電源開(kāi)關(guān)以及積分開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)電路見(jiàn)圖 6。開(kāi)關(guān) S1 控制信號(hào)是否通過(guò)積分電路，即是否進(jìn)行積分工作。開(kāi)關(guān) S2 控制電源，即是否給積分電路供電。當(dāng)不需要積分電路工作時(shí)，開(kāi)關(guān) S2 直接斷掉了積分電路的供電，大大減少了元件之間的干擾，提高了整套電路的精密性。

5 測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

從信號(hào)源分別發(fā)出一方波信號(hào)和正弦波信號(hào)，頻率為 1 kHz，幅值為 50 mV，輸入信號(hào)的波形與最終通過(guò)接插件的輸出信號(hào)波形的結(jié)合圖像如圖 7 所示。輸入信號(hào)為方波時(shí)，輸出信號(hào)為一個(gè)清晰的三角波；輸入信號(hào)為正弦波時(shí)，輸出信號(hào)為一個(gè)清晰的正弦波，與輸入信號(hào)的正弦波相差 90°。接著在固定輸入信號(hào)的幅值的情況下，在指定的頻段下（20 Hz 到 2 kHz）改變輸入信號(hào)的頻率，隨著輸入信號(hào)頻率的增大，輸出信號(hào)的幅值減小，隨著輸入信號(hào)頻率的減小，輸出信號(hào)的幅值增大。

為了說(shuō)明本設(shè)計(jì)在對(duì)接傳感器后是否會(huì)出現(xiàn)理想的靈敏度，將實(shí)測(cè)的加速度傳感器的靈敏度與本課題測(cè)得的增益相結(jié)合，如圖 8（a）所示。

通過(guò)圖 8 可發(fā)現(xiàn)：對(duì)接傳感器后，速度傳感器靈敏度近似是一條平直的直線(xiàn)，加速度傳感器的靈敏度隨頻率近似呈線(xiàn)性變化。兩種傳感器的圖像都與理論推導(dǎo)吻合。

6 結(jié)語(yǔ)

矢量水聽(tīng)器不僅能測(cè)量聲場(chǎng)中聲壓的標(biāo)量信息，還可以測(cè)量質(zhì)點(diǎn)振速的矢量信息[7]。在測(cè)量質(zhì)點(diǎn)振速過(guò)程中，有加速度傳感器和速度傳感器兩類(lèi)傳感器，加速度傳感器靈敏度隨頻率增大而增大，速度傳感器靈敏度不隨頻率變化，由于速度傳感器體型較大、不易加工，所以很少直接應(yīng)用[8]。本設(shè)計(jì)針對(duì)這點(diǎn)，利用加速度和速度之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，利用加速度傳感器構(gòu)成速度傳感器，使得其靈敏度為一恒定值，極大地方便了實(shí)驗(yàn)的使用和數(shù)據(jù)的處理。