cảm biến thông minh low cost underwater acoustic modem for short range sensor networks

Bộ thu phát tương tự của modem bao gồm bộ khuếch đại công suất, mạch quản lý nguồn, mạch phối hợp trở kháng và bộ tiền khuếch đại.Bộ thu phát tương tự... a Thiết kế bộ khuếch đại công su

CẢM BIẾN THÔNG MINH

Low-cost Underwater Acoustic Modem for Short-Range Sensor Networks

Nguyễn Đình Đức Huy

Giới thiệu chung

1 Giới thiệu chung

• Trong khi các hệ thống mạng cảm biến không dây đang bắt đầu được đưa vào ứng dụng trên mặt đất thì mạng cảm biến dưới nước vẫn còn khá hạn chế khi so sánh • Tuy nhiên, phần lớn nghiên cứu về đại dương được thực hiện bằng cách đặt các cảm

biến (đo tốc độ dòng điện, nhiệt độ, độ mặn, áp suất, phát quang sinh học, hóa chất, v.v.) vào đại dương và sau đó lấy chúng về mặt vật lý để tải xuống và phân tích dữ liệu đã thu thập Phương pháp này không cung cấp khả năng phân tích dữ liệu theo thời gian thực, điều này rất quan trọng đối với việc dự đoán sự kiện

1 Giới thiệu chung

a Lí do cần cảm biến k dây giá rẽ dưới nước

a Lí do cần cảm biến k dây giá rẽ dưới nước

Mạng cảm biến không dây trên mặt đất và dưới nước

Nguồn: https://solutionias.com/mang-cam-bien-khong-day-va-ung-du%CC%A3ng/

b Nguyên lí hoạt động

b Nguyên lí hoạt động

- Nguyên lý hoạt động của modem âm thanh dưới nước dành cho mạng cảm biến tầm ngắn liên quan đến việc sử dụng sóng âm làm phương tiện liên lạc dưới nước Những modem này hoạt động bằng cách chuyển đổi tín hiệu điện thành tín hiệu âm thanh có thể truyền qua nước trong khoảng cách ngắn.

2 THIẾT KẾ ĐẦU DÒ

1 Gốm áp điện

- Hiệu ứng áp điện và hiệu ứng áp điện nghịch đảo: khi chịu tác dụng của một lực cơ học, các tinh thể trở nên phân cực và khi tiếp xúc với điện trường, các tinh thể dài ra hoặc ngắn lại tùy theo cực tính và tỉ lệ với cường độ của trường

https://gomapdien.com/mua-gom-ap-dien-o-dau/ Gốm áp điện

a Phân loại

2 loại chính: gốm cứng và gốm mềm

- Gốm cứng: có tổn thất điện môi và cơ học thấp và thường tạo ra tín hiệu tốt hơn - Gốm mềm: có tổn thất điện môi lớn, hệ số chất lượng cơ học thấp và độ tuyến tính

kém nhưng nhìn chung thu tín hiệu tốt hơn

Từ trái sang phải: Gốm vòng áp điện thô, gốm sứ trong chậug ốm, bộ chuyển đổi trong hợp chất bầu được gắn vào một tấm nguyên mẫu để gắn vào vỏ modem.

nâng cao đáng kể hiệu suất của bộ chuyển đổi Dây không được che chắn có thể hoạt động như ăng-ten và thu nhiều nhiễu điện từ không mong muốn có thể chôn vùi các tín hiệu nhỏ mà đầu dò nhận được.

2 Potting

• Gốm áp điện cần được bọc trong hợp chất bầu để tránh tiếp xúc với bất kỳ chất lỏng dẫn điện

• Urethane là vật liệu phổ biến nhất được sử dụng để làm chậu vì tính chất của chúng.

b. Xây dựng đầu dò

b. Xây dựng đầu dò

Để mô tả các tính chất cơ điện của đầu dò, chúng tôi đã đo

bằng thực nghiệm đáp ứng điện áp truyền (TVR) và đáp ứng điện áp nhận (RVR) của nó

Quy trình thử nghiệm để xác

định TVR và RVR của đầu dò bao gồm đặt đầu dò của chúng tôi trong nước cách đầu dò tham được gửi từ đầu dò tham chiếu đến đầu dò của chúng tôi và ngược lại

b. Xây dựng đầu dò

b. Xây dựng đầu dò

𝑉𝑟𝑒𝑐𝑒𝑖𝑣𝑒𝑟:l à đ i ệ n á p bi ê n độ trung b ì nh c ủ a m á y thu trong kho ả ng thờ i gian đã bi ế t

là điện áp biên độ trung bình của máy phát trong khoảng thời gian đã biết A là độ suy giảm của tín hiệu do khoảng cách tách biệt

Bộ thu phát tương tự của modem bao gồm bộ khuếch đại công suất, mạch quản lý nguồn, mạch phối hợp trở kháng và bộ tiền khuếch đại.

Bộ thu phát tương tự

a) Thiết kế bộ khuếch đại công suất

 Những yêu cầu khi thiết kế bộ khuếch đại công suất

• Bộ khuếch đại phải cung cấp đầu ra tuyến tính, không bị biến dạng trên băng thông tương đối rộng(10–100 kHz) để cho phép sử dụng với nhiều loại đầu dò dưới nước.

• Bộ khuếch đại phải tiết kiệm điện (đặc biệt đối với công suất đầu ra lớn), như một thiết bị được triển khaimodem phải được cấp nguồn từ pin.

 Một bộ khuếch đại được gọi là tuyến tính nếu:

 Bộ khuếch đại được cho là hiệu quả nếu nó có thể chuyển đổi phần lớn nguồn DC của nguồn thànhcông suất tín hiệu được cung cấp tới tải

15 a) Thiết kế bộ khuếch đại công suất

Sơ đồ khối máy phát analog Máy phát sử dụng hai bộ khuếch đại hai đạt hiệu quả

b) Mạch quản lý nguồn

Mạch quản lý nguồn được cung cấp để điều chỉnh công suất đầu ra của bộ thu phát theo thời gian thực để phù hợp với khoảng cách thực tế giữa máy phát và máy thu

Mạch quản lý nguồn có đầu ra của bộ khuếch đại công suất và khuếch đại thêm đến một trong năm mức công suất tùy thuộc vào khoảng cách mà modem phải truyền tín hiệu

Điều này được kích hoạt thông qua năm đầu ra khác nhau tại các điểm nối trên cuộn thứ cấp của máy biến áp Số cuộn dây trên cuộn thứ cấp (N) chia điện trở hiệu dụng của tải cho N2 do đó làm tăng công suất Các điểm nối máy biến áp khác nhau được kết nối với mạng phối hợp trở kháng (được giải thích trong phần tiếp theo) bằng một loạt rơle Số lượng cuộn dây (N), điện áp đầu ra và mức tiêu thụ điện của bộ thu phát của từng mức công suất khi kết nối với bộ chuyển đổi tự chế và có đầu vào 1 Vpp được nêu trong Bảng 23.1

17 c) Trở kháng phù hợp

Mô hình mạch điện tương đương

của máy biến áp Công suất ước tính kết hợp với đầu dò.

Khi thiết kế bộ tiền khuếch đại cho máy thu, chúng tôi đã xem xét các yêu cầu sau:

• Bộ tiền khuếch đại phải khuếch đại tín hiệu xung quanh tần số cộng hưởng của đầu dò (40 kHz) và lọc ra tất cả các tần số khác.

• Bộ tiền khuếch đại phải cung cấp mức tăng cao để thu các tín hiệu nhỏ khoảng vài trăm microvolt.

• Thiết kế phải dễ dàng sửa đổi để phù hợp với các bộ chuyển đổi khác nhau có tần số cộng hưởng và băng thông khác nhau.

d) Thiết kế tiền khuếch đại

Kiến trúc bao gồm hai thành phần chính: (1) bộ lọc thông dải cuộn 40 dB mỗi thập kỷ (2) bộ lọc thông dải cuộn 80 dB mỗi thập kỷ

19

e) Tóm tắt

Phần này mô tả thiết kế đầy đủ của bộ thu phát tương tự bao gồm bộ khuếch đại công suất, mạch quản lý nguồn, mạch phối hợp trở kháng và bộ tiền khuếch đại

• Bộ khuếch đại công suất tuyến tính trong dải tần 10–100 kHz đối với đầu vào lớn hơn 500 mVpp và hiệu suất lên tới 95% đối với đầu ra công suất cao

• Mạch phối hợp trở kháng làm cho đầu dò có điện trở trong khoảng từ 35 đến 45 kHz, khớp với phần lớn công suất đầu ra của bộ khuếch đại tới bộ chuyển đổi trong dải tần số đó

• Bộ tiền khuếch đại cung cấp mức tăng cao, phẳng cho tần số 38–42 kHz phù hợp với tần số hoạt động của đầu dò và cho phép thu tín hiệu ở mức thấp tới 200 μV V

• Mạch quản lý nguồn cung cấp năm mức công suất đầu ra khác nhau tiêu thụ lần lượt là 1,2, 1,8, 2,7, 4,5 và 6,9 W, cho phép modem để điều chỉnh công suất đầu ra theo thời gian thực sao cho phù hợp với khoảng cách thực tế giữa máy phát và máy thu

THIẾT KẾ KỸ THUẬT SỐ

4 THIẾT KẾ KỸ THUẬT SỐ

5 KIỂM TRA HỆ THỐNG

Phần này mô tả các thử nghiệm hệ thống tích hợp được sử dụng để đánh giá chức năng và hiệu suất của thiết kế modem hoàn chỉnh

thanh dưới nước tầm ngắn modem có thể được thiết kế từ các thành phần chi phí thấp

5 KIỂM TRA HỆ THỐNG

6 KẾT LUẬN

một thiết bị âm thanh dưới nước có chức năng chi phí thấp.nguyên mẫu modem cho mạng cảm biến dưới nước tầm ngắn

vi lên tới 400 m trong môi trường có độ trễ đa đường ∼400 m trong môi trường có độ trễ đa đường trải rộng dưới 5 ms.

http://www.sah.rs/media/sah/techdocs/3hss2208h _manual.pdf

THANK FOR EXTENSION