一種可同時處理壓力信號和聲波信號的傳感器及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種可同時處理壓力信號和聲波信號的傳感器及其方法。
【背景技術】
[0002]傳感器(英文名稱:transducer/sensor)是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。
[0003]傳感器的特點包括:微型化、數字化、智能化、多功能化、系統化、網絡化。它是實現自動檢測和自動控制的首要環節。傳感器的存在和發展，讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體慢慢變得活了起來。通常根據其基本感知功能分為熱敏元件、光敏元件、氣敏元件、力敏元件、磁敏元件、濕敏元件、聲敏元件、放射線敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大類。
[0004]然而上述傳感器都具備同一個共性，就是只能檢測和處理一種數據，如壓力傳感器只能檢測和處理壓力信號，聲波傳感器只能檢測和處理聲波信號，在流體介質作用于傳感器時，不僅僅會產生流體的靜壓強信號，還會有流體聲波傳輸引起的微小聲壓變化，如果用兩種傳感器分別取檢測和處理，還會成本會提高，還會增加工作量。
[0005]基于上述問題，如何設計和研發出一種能同時處理壓力信號和聲波信號的傳感器，是目前迫切需要解決的問題。
【發明內容】
[0006]本發明的目的旨在解決現有傳感器不能同時處理壓力信號和聲波信號的問題，從而提供一種可同時處理壓力信號和聲波信號的傳感器及其方法。
[0007]在第一方面，本發明提供了一種傳感器同時處理壓力信號和聲波信號的方法。該方法包括以下步驟:獲取由流體介質壓力作用時產生的原始電信號；從所述原始電信號中并行提取流體的靜壓強信號和聲壓信號；對提取出的流體的靜壓強信號和聲壓信號分別進行信號處理以得到壓力信號和聲波信號；分別輸出所述壓力信號和聲波信號。
[0008]優選地，所述原始電信號的獲取由所述傳感器內的壓力敏感器件來實現。
[0009]優選地，所述靜壓強信號的提取由所述傳感器內的低通濾波器來實現，所述聲壓信號的提取由所述傳感器內的帶通濾波器來實現。
[0010]優選地，所述壓力信號的輸出由所述傳感器內的壓力傳感器來實現，所述聲波信號的輸出由所述傳感器內的聲波傳感器來實現。
[0011]優選地，所述對提取出的靜壓強信號和聲壓信號分別進行信號處理以得到壓力信號和聲波信號具體包括:
將提取出的靜壓強信號進行前置放大、低通濾波、后置放大和驅動處理后得到壓力信號; 將提取出的聲波信號進行前置放大、增益控制、后置放大和帶通濾波處理后得到聲波信號。
[0012]在第二方面，本發明提供了一種可同時處理壓力信號和聲波信號的傳感器。該傳感器包括:用于獲取由流體介質壓力作用時產生的原始電信號的信號獲取單元；與所述信號獲取單元相連接，用于從所述原始電信號中提取流體的靜壓強信號的靜壓強信號提取單元和提取聲壓信號的聲壓信號提取單元；與所述靜壓強信號提取單元相連接，用于對提取出的流體的靜壓強信號進行信號處理以得到壓力信號的壓力信號處理單元，和與所述聲壓信號提取單元相連接，用于對提取出的流體的聲壓信號進行信號處理以得出聲波信號的聲波信號處理單元；與所述壓力信號處理單元相連接，用于輸出所述壓力信號的壓力信號輸出單元，和與所述聲波信號處理單元相連接，用于輸出所述聲波信號的聲波信號輸出單元。
[0013]優選地，所述信號獲取單元為下列敏感器件中的一種:
應變式壓力敏感器件、壓電式壓力敏感器件或壓阻式壓力敏感器件。
[0014]優選地，所述靜壓強信號提取單元為低通濾波器，所述聲壓信號提取單元為帶通濾波器。
[0015]優選地，所述壓力信號處理單元包括前置放大器、低通濾波器、后置放大器和驅動電路；所述聲波信號處理單元包括前置放大器、增益控制器、后置放大器和帶通濾波器。
[0016]優選地，所述壓力信號輸出單元為壓力傳感器，所述聲波信號輸出單元為聲波傳感器。
[0017]本發明的有益效果:本發明通過壓力敏感器件獲取原始信號，通過并行濾波器從原始信號中提取出靜壓強信號和聲壓信號，再分別對靜壓強信號和聲壓信號進行不同的信號處理，實現了由同一傳感器進行聲波信號和壓力信號的同時處理，既能降低成本，又能減少工作量，可廣泛應用于油氣管道、水處理、化工生產等領域。
【附圖說明】
[0018]圖1是根據本發明實施例的可同時處理壓力信號和聲波信號的傳感器的結構示意圖；
圖2是根據本發明實施例的傳感器同時處理壓力信號和聲波信號的方法流程圖；
圖3是由本發明傳感器內壓力敏感器件獲取的原始電信號示意圖；
圖3A是對圖3中的原始電信號進行低通濾波后的壓力信號示意圖；
圖3B是對圖3A中的低通濾波信號進行前置放大后的壓力信號示意圖；
圖3C是對圖3B中的前置放大波形進行低通濾波處理后的信號示意圖；
圖3D是對圖3C中的前置放大濾波處理后的壓力信號進行后置放大后的壓力信號示意圖；
圖3E是對圖3D中的后置放大后的壓力信號進行驅動后的壓力信號示意圖；
圖3F是對圖3中的原始電信號進行帶通濾波后的聲波信號示意圖；
圖3G是對圖3F中的帶通濾波處理后的聲波信號進行前置放大后的聲波信號示意圖； 圖3H是對圖3G中的前置放大后的聲波信號進行增益控制后的聲波信號示意圖；
圖31是對圖3H中的增益控制后的聲波信號進行后置放大后的聲波信號示意圖；以及圖3J是對圖31中的后置放大后的聲波信號進行帶通濾波處理后的聲波信號示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本技術領域的人員更好的理解本發明實施例中的技術方案，并使本發明實施例的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0020]圖1是根據本發明實施例的可同時采集壓力數據和聲波數據的傳感器的結構示意圖。
[0021]如圖1所示，該實施例的傳感器包括:信號獲取單元、靜壓強信號提取單元、聲壓信號提取單元、壓力信號處理單元、聲波信號處理單元、壓力信號輸出單元和聲波信號輸出單元。
[0022]信號獲取單元負責獲取由流體介質壓力作用時產生的原始電信號。本發明選擇靈敏度高，工作帶寬大的壓力敏感器件。根據實際情況需要，壓力敏感材料可以選擇:應變式壓力敏感器件、壓電式壓力敏感器件或者壓阻式壓力敏感器件。流體介質壓力作用于壓力敏感器件時，將產生原始電信號。壓力敏感器件獲得的原始電信號既包括了流體的靜壓強信號，也包括了流體聲波傳輸引起的微小聲壓變化。壓力敏感器件獲取的原始電信號可見圖3所示。
[0023]靜壓強信號提取單元從上述原始電信號中提取流體的靜壓強信號，聲壓信號提取單元從上述原始電信號中提取流體的聲壓信號。本發明實施例中靜壓強信號提取單元選取低通濾波器來實現流體介質壓強的提取(低通濾波后的壓力信號可見圖3A所示)，聲壓信號提取單元選取帶通濾波器來實現流體介質聲壓的提取(帶通濾波后的聲波信號可見圖3F所示)。
[0024]壓力信號處理單元對提取出的流體的靜壓強信號進行信號處理以得到壓力信號。聲波信號處理單元對提取出的流體的聲壓信號進行信號處理以得到聲波信號。
[0025]具體地，壓力信號處理單元包括前置放大器、低通濾波器、后置放大器和驅動電路。壓力敏感器件輸出的原始電信號非常微弱，并且內阻很高，經過低通濾波器后必須選擇合適的前置放大器。前置放大器主要作用是:放大低通濾波器輸出的微弱電壓信號；把高阻抗輸出變換為低阻抗輸出(經前置放大處理后的壓力信號見圖3B所示)。經過前置放大后的電壓信號反映了壓力的變化情況，為提高信噪比，減小電路干擾影響，再次使用低通濾波器濾除信號的高頻部分，留下的低頻部分體現了流體介質的壓力(經低通濾波處理后的壓力信號見圖3C所示)。濾波輸出的電壓信號需要進行后置放大，從而使輸出電平與后續電路保持良好的匹配。后置放大器將信號放大到足夠大，且同時將峰值限制在一定的范圍(經后置放大處理后的壓力信號見圖3D所示)。標準壓力傳感器通常具