新型測深儀專用換能器模擬裝置設計與實現(xiàn)

王云鵬，徐 望，吳永明

（海軍九〇二廠，上海 200083）

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新型測深儀專用換能器模擬裝置設計與實現(xiàn)

王云鵬，徐 望，吳永明

（海軍九〇二廠，上海 200083）

摘 要：換能器是測深儀的傳感器，研制換能器模擬裝置可以在內場中修和臨搶修時替代換能器對測深儀進行調試和修理。本文從測深儀的工作原理分析出發(fā)，介紹了某新型測深儀專用換能器模擬裝置的技術設計方法，技術設計實現(xiàn)過程和應用情況。

關鍵詞：換能器 回波 模擬裝置

0 引言

某新型測深儀近幾年在艦船上裝備較多，它由主機、接線盒和換能器組成，是艦艇中一個非常重要的航海設備，用于測量、指示和記錄船底龍骨以下的海水深度，它對于保障艦艇的正常航行起著不可替代的作用。換能器作為測深儀的傳感器，是其最主要的功率部件，起著將電信號轉換成聲波信號，并接收轉換來自海底回波信號的作用。由于換能器安裝在船底，其價格昂貴，位置特殊，又具有難拆卸性，難維修性的特點，艦艇進塢后若技術指標正常一般不進行拆卸更換。塢排期間換能器暴露在空氣中，測深儀嚴禁通電調試，中修內場調試時沒有換能器的接入測深儀系統(tǒng)就無法構成一個完整的回路，測深儀的各種性能測試及調試都無法進行，若為該型測深儀中修調試而建造換能器水池成本高，需配備的換能器也是一筆巨大費用，而且水深為固定值，無法進行動態(tài)調試。[1]艦艇航行或錨泊時出現(xiàn)測深儀無水深信號情況下，若有換能器模擬裝置幫助則可以判定測深儀主機性能好壞及進行必要的動態(tài)性能調試。綜上所述，研制符合該型測深儀特點，既簡易便攜又經濟實用的換能器模擬裝置，對于該型測深儀內場中修動態(tài)調試和日常臨搶修保障具有重要的意義。

1 技術設計

1.1技術策略

開展該型測深儀換能器模擬裝置設計首先要根據該新型回聲測深儀技術資料來分析、掌握測深儀干端與濕端換能器之間的信號交互特點和要求，尤其是測深儀回波信號產生的原理和特點，構建換能器模擬裝置模型，為換能器模擬裝置的設計奠定基礎。

其次，在對該型回聲測深儀整機工作原理分析的基礎上，根據其工作性能指標特點，通過功能模擬的方法，設計搭建相關電路模塊來處理其干端的發(fā)射信號，模擬其回波電路。在實裝測試中調整選擇合適的元器件，組裝后的模擬換能器需與回聲測試儀進行長時間測試，驗證檢驗模擬換能器的有效性，確保模擬換能器的可靠、適用。

1.2原理分析

回聲測深儀工作原理源于聲波的傳播特性?；芈暅y深儀工作原理如圖1所示，在船底龍骨兩側對稱安裝換能器各一個。一個作發(fā)射換能器，向海底發(fā)射聲波脈沖信號，信號到達海底被反射回來；另一個作接收換能器，接收經海底反射回來的聲波脈沖信號。[2]因為聲波在海水中傳播的速度是一定的，因此，只要測定聲波脈沖從發(fā)射至接收到回波的時間間隔t，即可求得它在海水中往返一次的路程2d，進而計算出換能器到海底的水深h。

該新型回聲測深儀由干端和濕端兩個部分組成。干端部分通常由發(fā)射、接收、解算、顯示器、電源五個部分所組成，如圖2所示。其回波檢測原理如圖3 所示。濕端部分由安裝于船底的換能器組成。

1）發(fā)射部分：由發(fā)射觸發(fā)器、激發(fā)器和發(fā)射換能器等組成。發(fā)射觸發(fā)器周期性地產生發(fā)射控制脈沖（如圖3a），t0時刻產生一個發(fā)射控制脈沖，間隔(t2- t0)時間，到t2時刻后再產生一個發(fā)射控制脈沖。測深儀在時間(t2- t0)內完成一個測深過程，從t2時刻起反復循環(huán)，激發(fā)器在該控制脈沖的觸發(fā)下，激發(fā)換能器向海底發(fā)射具有一定脈沖寬度、頻率和輸出功率的聲振蕩脈沖（如圖3b）。聲振蕩脈沖的工作頻率通常選為10～200 kHz。

2）接收部分：由接收換能器和放大器等組成。接收換能器從干擾背景中取出真正的超聲波回波信號，并經放大器加以適當地放大和處理后，向解算部分輸出，（如圖3c）。在發(fā)射瞬間，由于換能器間的直接傳遞或線路間的電磁感應作用，接收部分也有一個信號輸出。因為該信號的顯示位置處于水深刻度的零刻度處，故稱為零信號，也稱發(fā)射信號 。

3）解算部分：完成超聲波在海水中傳播時間（t1-t0）的測量（如圖3d），并依據計算公式轉換為對應深度值后送顯示器。

4）顯示器：顯示水深解算結果。

5）電源部分：將艦船電源轉換為回聲測深儀所需的各種規(guī)格電源，保證儀器的正常工作。

6）換能器：回聲測深儀換能器是進行電能和聲能轉換的器件，是感知水深信息的核心部件。

1.3換能器模擬裝置設計

由回聲測深儀工作原理可知，測深儀t0時刻發(fā)射時產生一個發(fā)射脈沖，發(fā)射脈沖同時也是測深儀的零位信號，換能器接收到發(fā)射信號后把電信號轉換為聲波信號向海底發(fā)射，在t1時間后聲波反射回換能器，測深儀干端部分對超聲波在海水中傳播時間（t1-t0）進行計算就可以得到水深信息。因此設計的模擬換能器電路要響應發(fā)射信號，產生測深儀零位信號，之后在t1時間后產生的回波信號反饋至測深儀干端部分，回波信號的載波需要和測深儀工作頻率一致，且具備一定的脈寬能被測深儀識別，回波通過接口返回測深儀干端，被測深儀解算并顯示水深值。

1）發(fā)射信號設計

由于發(fā)射信號具有一定的頻率、功率，先設計采用RC電路濾波，電阻分壓來對發(fā)射信號進行限幅，使模擬換能器的工作所需功率較小，采用氖燈（LED1）來顯示發(fā)射信號，經過處理后的發(fā)射脈沖通過施密特電路進行整形，使發(fā)射信號為規(guī)則的方波信號，發(fā)射信號通過電容耦合至三極管進行倒相，便于后續(xù)電路識別。

2）回波信號設計

發(fā)射信號可通過RC電路和單穩(wěn)態(tài)電路配合進行延遲，延遲t1時間后產生的脈沖信號可以視為回波脈沖，這時產生的回波脈沖比較窄，小于1 ms，難以被測深儀識別，因此需在此基礎上再采用一組RC電路和單穩(wěn)態(tài)電路進行脈沖的脈寬延遲，產生的回波脈寬必須低于該型號測深儀所承受的最大脈寬（15 ms）。電阻R可以用可調電阻（電位器）串聯(lián)固定電阻，電容C值固定，通過調整可調電阻來改變RC值，可調電阻R值可根據量程范圍進行選擇?？紤]到設計的測深量程范圍大，可通過波段開關來選擇不同阻值的固定電阻，實現(xiàn)工作量程切換。

3）載波信號設計

該回聲測深儀的工作頻率是25 kHz，因此設計的載波頻率需與其一致，該電路設計采用RC與振蕩器組成振蕩電路來產生25 kHz載波信號，為了便于適合其他相近工作頻率的測深儀工作所需，電阻R可采用可調電阻（電位器），使其工作頻率能以25 kHz為中點上下可調。載波信號與回波脈沖調制后送回測深儀干端，可采用一個發(fā)光二極管對回波信號進行跟蹤顯示。

2 技術實現(xiàn)

2.1器件選擇

電路設計采用兩組單穩(wěn)態(tài)電路，可采用J210雙單穩(wěn)態(tài)電路芯片與RC電路相組合；載波電路可采用U7555振蕩器與RC電路相組合，根據芯片工作電壓選擇的電路電源為12 V，可選擇12 V的電源模塊進行整流濾波，所有元器件都采用性能穩(wěn)定的軍品級器件，確保電路穩(wěn)定可靠。

2.2實現(xiàn)及驗證

設計后的電路圖如圖4所示。

圖4 電路板原理圖

根據設計好的原理圖采購元器件，在萬用板上先搭建電路，實裝調試中進行元器件參數選擇，試驗中發(fā)現(xiàn)采用脈寬1 ms至5 ms寬度脈寬能方便被測深儀識別，可調電阻阻值采用1M 值能使量程在1 m到300 m內連續(xù)可調。把參數選定的元器件焊接在定制加工的PCB板上，外殼采用小型化的定制箱體，指示燈、波段開關、電位器等安裝于箱體上。電路板及箱體組裝完成后，與該型回聲測深儀實裝長時間調試，試驗中模擬換能器與該型測深儀測深工作配合良好，模擬換能器水深調節(jié)與該型回聲測深儀顯示保持一致，同時模擬換能器上的氖燈和LED指示燈能正常閃爍，反應出發(fā)射信號及回波信號，測深儀干端部分上的報警功能、移相功能、工作切換等功能都能進行檢測調試，完全具備實裝換能器功能。研制出的換能器模擬裝置具備維修調試功能強、操縱使用簡單、體積小，重量輕，攜帶方便等特點，研制所需器材費用小，經濟適用，便于推廣使用。換能器模擬內部構造如圖5所示，實物如圖6所示。

圖5 內部構造圖

圖6 實物圖

2.3技術指標

1）工作電壓：交流220 V/50 Hz；

2）工作頻率范圍：25 kHz±20%；

3）功率：≤0.5 W；

4）模擬深度范圍：1-300 m；

5）回波脈寬：1-5 ms;

6）連續(xù)工作時間:＞24 h。

3 應用情況

該專用型測深儀換能器模擬裝置的成功研制為該型測深儀主機排故提供了便捷的檢測手段，擺脫了依賴實裝換能器才能進行整機調試的被動局面，與傳統(tǒng)維修方法相比，采用換能器模擬裝置進行維修在檢測方式、平均故障定位時間等方面具有一定的獨創(chuàng)性，拓展了保障效能，如表1所示。

該專用型測深儀換能器模擬裝置具有較大的應用價值和應用前景，通過開展該項目能夠為轄區(qū)內二十多艘水面艦艇同型測深儀提供高效率的保障能力，此外該模擬換能器還能適用于工作頻率相近的測深儀的維修保障?？蓱糜诨丶壘S修及中繼級臨搶修，可以實現(xiàn)內場及碼頭系泊條件下閉環(huán)維修的檢測、測試和驗證；應用于艦員級維修，可以實現(xiàn)艦艇在航，艦員自主定性判別故障點，縮短維修時間，提高預先維修的效率。該換能器模擬裝置與實裝連接調試如圖7所示。

表1 實用測深儀模擬換能器應用前后保障效能對比

圖7 實裝連接調試圖

4 結束語

本文從某新型測深儀維修保障需求出發(fā)，在對測深儀工作原理和該型測深儀技術特點進行分析研究的基礎上，設計實現(xiàn)了一款某新型測深儀專用換能器模擬裝置，取得了良好的應用效果，能滿足該新型測深儀內場中修調試和臨搶修的需求，具有較高的軍事經濟效益。

參考文獻：

[1]吳永明.便攜式測深儀換能器模擬裝置設計與實現(xiàn)[J].船電技術,2012,(5):29 -32.

[2]宛寧.回聲測深儀的原理及其應用[J].導航,2010,(3):69-71.

Designing and Realization of Special Simulative Instrument for a New Sounding Transducer

Wang Yunpeng,Xu Wang,Wu Yongming
（No.902 Factory of Navy,Shanghai 200083,China）

Abstract：The sounding transducer is the sensor of the sounding instrument.The transducer special simulative instrument is developed for debugging and repairing of the sounding transducer in the workshop or occasional repairing.This paper introduces technological design procedure,development process and application of a new sounding transducer special simulative instrument based on the principle of sounding instrument.

Keywords:sounding transducer; echo; simulative instrument

作者簡介：王云鵬（1974-）， 男，高級工程師。研究方向：艦船技術保障。

收稿日期：2015-11-19

中圖分類號：TP212

文獻標識碼：A

文章編號：1003-4862（2016）02-0045-04