艦艇聲速梯度儀檢測(cè)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛成明，席 偉，唐鎖夫

(702廠， 上海 200434)

艦艇聲速梯度儀是用來(lái)測(cè)量水介質(zhì)中聲波傳播速度的一種儀器。在海水中，聲速是隨著溫度、鹽度和靜壓力的變化而變化的，測(cè)量不同海區(qū)、不同深度的聲速，可為聲吶提供聲速值和聲速—深度分布曲線，用來(lái)修正其作用距離。一旦聲速梯度儀出現(xiàn)較大的測(cè)量誤差，將對(duì)水下航行安全尤其是水下?tīng)顩r復(fù)雜的情況下的目標(biāo)判斷產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1]。因此艦艇出航前及儀器修理后，都需要對(duì)聲速梯度儀進(jìn)行檢測(cè)校準(zhǔn)。

由于缺乏專用檢測(cè)校準(zhǔn)裝置，溫度、鹽度控制均采用人工調(diào)節(jié)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且檢測(cè)校準(zhǔn)過(guò)程中存在較大的誤差，無(wú)法滿足實(shí)際需求。因此對(duì)現(xiàn)有的檢測(cè)校準(zhǔn)方法加以改進(jìn)和優(yōu)化，利用成熟技術(shù)研制一套檢測(cè)校準(zhǔn)裝置，不但解決了目前檢測(cè)校準(zhǔn)過(guò)程中存的難題，而且可以提高對(duì)儀器的維修保障能力，滿足設(shè)備日常使用的需求。

1 聲速計(jì)算方法

檢測(cè)校準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)思路是采用測(cè)量聲速梯度儀換能器的工作環(huán)境參數(shù)(溫度、鹽度、壓力)，經(jīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算處理的方法，得出不同環(huán)境條件下的聲速值，作為聲速梯度儀的校準(zhǔn)依據(jù)。

為此需確定聲速的計(jì)算方法。聲速計(jì)算公式如公式(1)所示[2]，計(jì)算方法給出了聲速與溫度、壓強(qiáng)和鹽度的關(guān)系式：

c(S，T，P)=Cw+AS+BS1.5+DS2，

(1)

式中：c為聲速，m/s；T為海水溫度，℃；P為海水壓強(qiáng)，MPa；S為海水鹽度，‰，Cw、A、B和D是溫度和壓強(qiáng)的函數(shù)，如公式(2)、(3)、(4)、(5)所示。

Cw=P1C1T1，

(2)

A=P1A1T2，

(3)

B=P2B1T3，

(4)

D=P2D1，

(5)

式中：C1、A1、B1和D1均為已知的系數(shù)矩陣，變量矩陣P1、P2、T1、T2和T3分別如下：

P1=(1PP2P3)、P2=(1P)，T1=(1TT2T3T4T5)T、T2=(1TT2T3T4)T、T3=(1T)T。

關(guān)系式的適用范圍：0 ‰≤S≤40‰；0 ℃≤T≤40 ℃；0 MPa≤P≤101.325 MPa。

從聲速計(jì)算公式可知，在海水中，聲速的大小主要受到海水的溫度、鹽度和深度(壓強(qiáng))等因素的影響。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，海水中的聲速值一般在1 400～1 550 m/s，采用此計(jì)算方法獲得的聲速值能很好的穩(wěn)定在1 500 m/s 附近，獲得的聲速值始終包含于參考范圍之內(nèi)，與實(shí)際變化趨勢(shì)相符合[3]，而且隨著深度(壓強(qiáng))的增大聲速基本保持不變，也就是說(shuō)深度對(duì)于聲速的影響不顯著。因此，在實(shí)際計(jì)算中將不考慮深度(壓強(qiáng))影響，而根據(jù)實(shí)際需要作為定值處理或者忽略不計(jì)[4]。

2 檢測(cè)校準(zhǔn)裝置組成

本裝置主要由檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)和顯示控制分機(jī)兩部分組成[5]，其實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)校準(zhǔn)裝置實(shí)現(xiàn)框圖

檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)實(shí)現(xiàn)聲速梯度儀換能器的工作環(huán)境參數(shù)溫度、鹽度的測(cè)量與調(diào)節(jié)、相關(guān)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)通訊，顯示控制分機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、數(shù)據(jù)處理、控制參數(shù)設(shè)定及顯示。

2.1 檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)

檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)原理框圖如圖2所示，實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量與調(diào)節(jié)、鹽度測(cè)量、電源、數(shù)據(jù)通訊等功能。

圖2 檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)原理框圖

1) 溫度測(cè)量。溫度傳感器采用鉑電阻傳感器。鉑電阻傳感器是傳感器中最穩(wěn)定的一種，其線性度非常好。為克服溫度傳感器導(dǎo)線電阻對(duì)測(cè)量精度的影響，采用4線制A級(jí)Pt100傳感器。傳感器標(biāo)稱精度0.15 ℃，可通過(guò)傳感器篩選及分段校準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)0.1 ℃精度。傳感器采用恒流激勵(lì)，為不使傳感器自身發(fā)熱引起測(cè)量誤差，采用1 mA恒流源。

當(dāng)被測(cè)介質(zhì)溫度發(fā)生變化時(shí)，Pt100溫度傳感器電阻阻值發(fā)生相應(yīng)線性變化，通過(guò)通道控制器，高精度A/D變換器檢測(cè)到相應(yīng)輸入電壓的變化，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)轿⑻幚砥鳌Ｎ⑻幚砥靼匆欢ㄋ惴ㄓ?jì)算出被測(cè)介質(zhì)的溫度。同時(shí)，溫度測(cè)量單元能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)校準(zhǔn)及檢測(cè)功能。

檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)通電后，自動(dòng)執(zhí)行校準(zhǔn)檢測(cè)程序?qū)δM信號(hào)通道進(jìn)行校準(zhǔn)和對(duì)測(cè)溫程序運(yùn)行進(jìn)行檢驗(yàn)。校準(zhǔn)程序控制通道控制器，切換輸入端短接及1.25 V高精度基準(zhǔn)到測(cè)量回路，用以校準(zhǔn)模數(shù)轉(zhuǎn)換信號(hào)通道的誤差。通道控制器切換100 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻代替Pt100溫度傳感器接入溫度測(cè)量線路實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的檢驗(yàn)。一方面檢測(cè)1 mA恒流源是否準(zhǔn)確，及具體數(shù)值為多少，用以溫度轉(zhuǎn)換程序的計(jì)算使用。另一方面可以直接顯示標(biāo)準(zhǔn)0 ℃的溫度值及給定鹽度下聲速值，用以判斷程序運(yùn)行是否正常。

2) 溫度調(diào)節(jié)。微處理器根據(jù)設(shè)定溫度及溫度傳感器檢測(cè)到的溫度，使用PID溫度控制算法，輸出溫度控制信號(hào)至加熱器功率控制電路，控制加熱器工作，以實(shí)現(xiàn)溫度控制。

3)鹽度測(cè)量。使用鹽度傳感器對(duì)被測(cè)介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)鹽度傳感器檢測(cè)到被測(cè)介質(zhì)鹽度發(fā)生變化，轉(zhuǎn)換出對(duì)應(yīng)鹽度值的4～20 mA輸出信號(hào)，輸出信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，經(jīng)由通道控制器送A/D變換器進(jìn)行模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后數(shù)字信號(hào)送微處理器進(jìn)行鹽度值的計(jì)算、處理。

4)電源。電源單元使用通用輸入電壓、隔離、穩(wěn)壓輸出、小體積AC-DC模塊電源。模塊輸出經(jīng)LC濾波處理，為電路部分提供干凈、可靠電源。輸入電源經(jīng)過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路后，通過(guò)電源控制繼電器為加熱器供電。

5)數(shù)據(jù)通訊。檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)接收RS-485通訊總線傳送來(lái)的顯示控制分機(jī)發(fā)送的溫度控制、溫度、鹽度測(cè)量等操作指令，并將溫度、鹽度等測(cè)量到的參數(shù)通過(guò)485通訊總線回傳到顯示控制分機(jī)。

微處理器接收經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路處理的顯示控制分機(jī)傳送來(lái)的打包數(shù)據(jù)，解包后執(zhí)行相應(yīng)的操作，并將執(zhí)行結(jié)果打包后通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路傳送到顯示控制分機(jī)，實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

2.2 顯示控制分機(jī)

顯示控制分機(jī)原理示意圖如圖3如示，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)顯示、聲速計(jì)算及顯示、數(shù)據(jù)通訊等功能。

圖3 顯示控制分機(jī)原理示意圖

1)環(huán)境參數(shù)顯示。檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)通訊功能把檢測(cè)的溫度、鹽度等環(huán)境參數(shù)傳送至顯示控制分機(jī)，供運(yùn)算處理使用。

微處理器通過(guò)傳輸模塊接收的數(shù)據(jù)包解包后，經(jīng)運(yùn)算在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)溫度、鹽度數(shù)值。

2)聲速計(jì)算顯示。選用公式(1)計(jì)算公式，微處理器使用檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)測(cè)量、傳送來(lái)的溫度、鹽度環(huán)境參數(shù)，代入計(jì)算公式，計(jì)算聲速值。將計(jì)算值顯示在液晶顯示屏上。

3)數(shù)據(jù)通訊。顯示控制分機(jī)接收檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)傳送的溫度、鹽度等環(huán)境參數(shù)的信號(hào)。同時(shí)通過(guò)RS-485通訊總線向檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)傳送溫度等控制參數(shù)。

微處理器將溫度控制參數(shù)等數(shù)據(jù)打包后通過(guò)串行口發(fā)送至信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路，將通訊信號(hào)傳送至檢測(cè)控制分機(jī)，同時(shí)接收檢測(cè)控制分機(jī)傳送的溫度、鹽度等環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙向通訊。

4)控制參數(shù)設(shè)定。顯示控制分機(jī)是整個(gè)校準(zhǔn)裝置的控制核心。通過(guò)顯示控制分機(jī)執(zhí)行測(cè)量、校準(zhǔn)等操作，顯示控制分機(jī)根據(jù)操作人員的操作指令，向檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)發(fā)出相應(yīng)控制指令。檢測(cè)校準(zhǔn)分機(jī)根據(jù)顯示控制分機(jī)的控制指令執(zhí)行操作，并將操作結(jié)果回傳至顯示控制分機(jī)，顯示控制分機(jī)顯示信息供操作人員分析處理。

5)電源。電源單元采用輸入12 V直流電壓，通過(guò)線性三端穩(wěn)壓?jiǎn)卧敵? V、500 mA為顯示控制分機(jī)各單元提供工作電源。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的采用間接測(cè)量聲速的方法研制的檢測(cè)校準(zhǔn)裝置，為了保證其測(cè)量的精度，減小測(cè)量誤差，采用了高精度4線制溫度傳感器，配合檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)調(diào)零，并且在程序中采用查表法實(shí)現(xiàn)非線性的校正，結(jié)合對(duì)其內(nèi)部的溫度場(chǎng)分析補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)溫度的高精度測(cè)量，從而保證了聲速值的測(cè)量精度，滿足了設(shè)備檢測(cè)校準(zhǔn)的需要。檢測(cè)校準(zhǔn)裝置實(shí)用性強(qiáng)、操作簡(jiǎn)單，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，設(shè)計(jì)方案合理，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能有效解決目前檢測(cè)校準(zhǔn)時(shí)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，檢測(cè)效果較差的實(shí)際困難和存在的突出問(wèn)題，對(duì)于保障裝備的完好性具有重要意義。