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淺談MEMS傳感器技術在海洋浮標中的應用

作者:深圳銘之光 發布時間:2019-01-16 15:13:37
  海洋浮標是一種投放在相關海域中兼具觀測和測量作用的信息采集設備。它主要是利用自身所攜帶的各類傳感器,來獲取周圍海洋環境中的相關數據的。而在大多數的海洋浮標中,還都安裝有太陽能電池板以自行供電,從而實現全天候、不間斷的測量。海洋浮標的測量數據能夠幫助研究和認識海洋的“習性”,對人類開發和利用大洋具有重要的意義。
 


海洋浮標
 
  目前,由于浮標本身體積較大,因此海洋觀測浮標通常是多傳感器系統,往往可以根據實際需要集成多種傳感器。例如,采用MEMS慣性傳感器和地磁傳感器設計的測波浮標,它的MEMS傳感器具有極低的功耗和極小的體積,其中MEMS慣性傳感器的功耗只有不到400μW,包括封裝和PCB板在也只有幾厘米大小。
 
  在海洋浮標中,傳感器的種類決定了其功能和用途。不同的海洋浮標中,搭載的傳感器也是千差萬別。這些傳感可分為水上和水下兩部分,水上主要有溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風速測量計,而水下則復雜的多,主要是對洋流、潮位、鹽度等海水信息進行測量。除了測量和定位外,在浮標上還都安裝有無線通信???。傳感器的測量數據和位置信息均是由此發送出去的,而通過無線網絡的方式,海洋浮標還能向遠程發送狀態信息或接受遠程指令,從而極大方便進行管理。
 
  舉例來說,作為一種技術比較成熟應用比較廣泛的MEMS傳感器,慣性傳感器可應用于波浪觀測。目前,國內外波浪測量浮標通常采用傳統的加速度傳感器,這些傳感器體積大、重量重、價格昂貴,從而使浮標的制作成本增加。
 

應變式加速度傳感器原理示意圖
 
  簡單來說,慣性傳感器的基本原理與壓力傳感器相似,是利用壓電效應或壓阻效應或電容位移檢測的原理,不同的是。它不是感應外力引發的形變,而是在彈性結構上增加一個懸空的質量塊,當傳感器處于加速或減速運動時,由于慣性作用,質量塊的運動相對于基底的運動存在一定滯后,使得連接質量塊和基底的彈性隔膜產生形變,從而感應加速度。根據結構的不同,單一的慣性傳感器也可以檢測多個方向的加速度變化。由于波浪測量的原理與之前一致,從而促進了國外波浪測量浮標的更新換代。
 
  除了應用于波浪觀測,海洋浮標還可同時采集其他所需的數據,如溫度和鹽度等。因為MEMS傳感器的功耗低,體積小,海洋浮標觀測系統一般都具有充足的空間和電源供應,可靈活自由的配置所需的傳感器。同時,配置在距離較近的范圍內的浮標還可以彼此進行無線通信,組成無線傳感網絡。
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