尹偉偉，董文慶

(1.海軍902廠，上海 200083;2.海裝艦技部，北京 100841)

計(jì)程儀電磁傳感器水下檢測方法研究

尹偉偉1，董文慶2

(1.海軍902廠，上海 200083;2.海裝艦技部，北京 100841)

計(jì)程儀電磁傳感器安裝于艦艇底部，當(dāng)傳感器處于水下狀態(tài)時(shí)，電極導(dǎo)線腐蝕受損等故障難以通過正常方法進(jìn)行檢測。采用雙極性脈沖法實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)測量，同時(shí)進(jìn)行阻抗測量、模擬傳感器信號(hào)與測量傳感器信號(hào)相結(jié)合的方法，達(dá)到了檢測傳感器的目的。

計(jì)程儀;傳感器;電導(dǎo);檢測

0 前言

計(jì)程儀是艦艇重要的航海裝備，向用戶發(fā)送艦艇的航速、航程信息，對(duì)于安裝慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的水下艦艇其地位尤顯突出，如果計(jì)程儀損壞將嚴(yán)重影響慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。電磁傳感器是計(jì)程儀常見的傳感器，基本安裝于艦艇底部。計(jì)程儀傳感器大部分可以隨時(shí)進(jìn)行性能檢測，但由于艦艇的計(jì)程儀電磁傳感器，固定安裝于艦艇底部，一旦出現(xiàn)電極腐蝕、感應(yīng)線路損傷等導(dǎo)致感應(yīng)信號(hào)失常故障時(shí)，無法通過常用方法直接檢測其狀態(tài)，潛艇必須進(jìn)塢或上排才能確定故障。這種方法耗資巨大，而且萬一不是傳感器出現(xiàn)故障，將會(huì)造成極大的浪費(fèi)。為解決這一難題，采取利用電導(dǎo)測量、阻抗測量、模擬傳感器信號(hào)與測量傳感器信號(hào)相結(jié)合的方法，達(dá)到檢測傳感器的目的。

1 背景分析

電磁傳感器主要由敏感頭、不銹鋼外殼、玻璃鋼護(hù)罩、水密連接器等組成。圖1是某型計(jì)程儀的平面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

圖1 平面?zhèn)鞲衅魍庑螆D (兩組電極)

平面?zhèn)鞲衅鞴ぷ髟硎抢眉ご烹娏髟趥鞲衅髅舾蓄^周圍形成磁場，當(dāng)艦船行駛時(shí)傳感器相對(duì)海水移動(dòng)，海水作為導(dǎo)體切割磁力線產(chǎn)生的感應(yīng)電勢被安裝于敏感頭的感應(yīng)電極獲取，形成交流電壓經(jīng)電纜傳輸至前置放大器，計(jì)程儀通過一系列解算獲得艦船目前相對(duì)海水的速度。根據(jù)保障的經(jīng)驗(yàn)，該類傳感器最容易出現(xiàn)的故障就是電極與密封材料之間產(chǎn)生縫隙，海水滲透后腐蝕電極引出線導(dǎo)致線路中斷或阻值增大，從而微伏級(jí)的感應(yīng)電壓在傳輸過程中將衰減或湮沒造成計(jì)程儀無法正常工作。正常的檢測方法就是測量電極至前放的阻值，但由于傳感器固定安裝于艇底，兩個(gè)電極裸露于海水中，無法直接檢查電極至前放的阻值。曾經(jīng)試驗(yàn)采用連同海水阻值一起測量的方法，位于前放的電極兩根引出線用萬用表直接測量電阻，測量值變化相差數(shù)百歐姆，而電極至前放的正常阻值小于2 Ω，所以測量根本無法判斷線路的好壞，除非上排或進(jìn)塢。

2 方法的提出

艦艇上排或進(jìn)塢是按照既定計(jì)劃進(jìn)行的，一般不可能改變計(jì)劃，但由于計(jì)程儀故障將導(dǎo)致艦艇無法正常航行，所以必須研究在水下狀態(tài)檢測傳感器的方法。

前面提到傳感器最常見的故障是電極引線故障，但故障遠(yuǎn)不止這一種，只是其它故障相對(duì)容易判斷，如絕緣下降、激磁線圈故障等。在研究傳感器檢測方式時(shí)必須將所有因素一并考慮，確定傳感器的測試直接需求，即:①激磁、信號(hào)線路的絕緣值;②信號(hào)線路的電阻值;③激磁線路的阻抗值;④感應(yīng)信號(hào)的測量值。這幾項(xiàng)測量值如果正常則傳感器正常，但測量方法的選擇關(guān)系到測量結(jié)果的有效性。

首先，線路絕緣值通過普通兆歐表可以準(zhǔn)確判斷;其次，阻抗值需要阻抗測試儀測量，而阻抗測試儀由于測量范圍較大一般比較笨重，難以攜帶，不利于艦艇碼頭修理使用，感應(yīng)信號(hào)屬于微伏級(jí)信號(hào)，普通示波器和萬用表無法測量，必須使用6位半以上精度的儀表;再次，信號(hào)線路的電阻值無法直接測量。

為了更加準(zhǔn)確地判斷傳感器故障，利用故障診斷排除法的原理，設(shè)計(jì)傳感器信號(hào)模擬器，產(chǎn)生設(shè)定航速相應(yīng)的傳感器輸出信號(hào)，直接發(fā)送至前置放大器，與計(jì)程儀解算的航速進(jìn)行比對(duì)，如果正常則說明計(jì)程儀除傳感器以外部分工作正常，增加對(duì)傳感器故障判斷的證據(jù)。

從方便維修的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種能融合上述功能的專用檢測設(shè)備將提高維修人員的效率。

2.1 通過電導(dǎo)測量解決電阻無法直接測量的難題

由于傳感器電極處于海水中，海水是電解質(zhì)溶液，具備導(dǎo)電能力，屬于第二類導(dǎo)體，通常電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電能力用電導(dǎo)來衡量，電導(dǎo)即溶液電阻的倒數(shù)，把電導(dǎo)作為測量對(duì)象就可以有效解決無法通過電阻測量進(jìn)行判斷的難題，但必須解決測量電導(dǎo)過程中體現(xiàn)電極部分腐蝕或電極至前放的線路受損產(chǎn)生的影響。

電極在溶液中會(huì)產(chǎn)生極化效應(yīng)和電容效應(yīng)，電極在溶液測量中表現(xiàn)為復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)［1］，為防止電導(dǎo)電極的極化，產(chǎn)生嚴(yán)重的測量誤差，必須對(duì)傳感器工作狀態(tài)的電化學(xué)進(jìn)行分析，找出其數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而用對(duì)應(yīng)的測量方法進(jìn)行測量。

傳感器安裝在艇上時(shí)，電纜、電極與海水構(gòu)成測量回路，其等效電路如圖2。

圖2 傳感器在海水中的等效電路圖

Zf，Z'f分別表示兩個(gè)電極的交流阻抗，通常稱為法拉第阻抗，Cd和C'd分別表示兩個(gè)電極的雙電層電容［2］，R1為溶液電阻。

通過一系列等效變換和簡化，測量電極間的電導(dǎo)為:

由于我們采用1 kHz的交流脈沖進(jìn)行測量，Zf可以通過變換忽略，則:

電極處于海水中，它們間的電阻需根據(jù)穩(wěn)恒電流場來計(jì)算。為此，我們可以先考慮處于靜電場中的電極間的電阻計(jì)算情況，如圖3有一對(duì)處于均勻介質(zhì)中的兩個(gè)金屬電極，半徑為r，球心相距l(xiāng)，分別帶電為q和－q，若兩球電勢差為U，則此靜電場和穩(wěn)恒電流場具有完全相同的解［3］。

圖3 一對(duì)處于海水中的兩個(gè)金屬電極示意圖

我們測量的電極r=0.3 cm，l=2.4 cm。l較r大出許多，所以，可以對(duì)這一模型作如下簡化:忽略球A與球B之間的靜電感應(yīng)，認(rèn)為球A與球B上的電荷是均勻分布的，這樣，可以簡單算出離A球心距離為l1的C點(diǎn)的電場強(qiáng):

方向由A指向B，ε為電勢能。

于是兩球電勢差為:

根據(jù)對(duì)偶關(guān)系，作變換:ε→σ，U→U，q→I。

σ為海水的電導(dǎo)率，U為電壓，I為電流。

可得對(duì)于海水中穩(wěn)恒電流場有:

通過一系列模型變換、簡化和推導(dǎo)，就可以將復(fù)雜的因素忽略，通過建立的數(shù)學(xué)模型和固定參數(shù)得到傳感器電極間電導(dǎo)的理論值，再通過電導(dǎo)的測量實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的判斷。

2.2 設(shè)計(jì)感應(yīng)信號(hào)檢測電路解決微弱信號(hào)測量難題

為排除外界干擾，檢測設(shè)備將提供傳感器激磁電源，傳感器信號(hào)幅值很小，僅200 μV/kn，這對(duì)信號(hào)檢測電路的設(shè)計(jì)提出很大的挑戰(zhàn)，如何把放大器增益設(shè)計(jì)到60 dB以上以便識(shí)別，又能夠去掉環(huán)境噪聲，是必須解決的難題。由于微弱信號(hào)幅度很小，因此電路必須具有很高的共模抑制比，抑制共頻干擾以及其它可能的干擾。另外，為有效地減小信號(hào)源內(nèi)阻的影響，需設(shè)計(jì)較大的電路輸入阻抗。

2.3 設(shè)計(jì)阻抗測量電路解決阻抗測試儀笨重的問題

傳感器的電阻、電容和電感也是重要的測試參數(shù)，在該傳感器測量特定的條件下，我們舍棄了通用阻抗測試儀的其它功能，如寬幅測量范圍，采用成熟的阻抗測量技術(shù)，設(shè)計(jì)阻抗測量模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的測量判斷。

2.4 設(shè)計(jì)傳感器信號(hào)模擬電路用于驗(yàn)證傳感器以外部分正常

根據(jù)對(duì)計(jì)程儀傳感器信號(hào)的分析，設(shè)計(jì)頻率相同、波形和幅值相似的信號(hào)發(fā)生電路，模擬傳感器工作，并可設(shè)定模擬艦艇不同的航速，可以準(zhǔn)確判斷計(jì)程儀解算電路工作是否正常。

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 電導(dǎo)測量的實(shí)現(xiàn)

電導(dǎo)測量是重點(diǎn)研究的內(nèi)容。電極電導(dǎo)測試電路采用雙極性脈沖測量法，具體如下。

1)傳感器感應(yīng)電極的回路，如圖4所示。

圖4 感應(yīng)電極的回路電路圖

2)電壓激勵(lì)信號(hào)電路，如圖5所示。

雙極性脈沖電壓源的輸出為幅值相同，極性相反，波形類似于方波的信號(hào)Vi。由于在激勵(lì)信號(hào)的前半個(gè)周期和后半個(gè)周期，激勵(lì)電流同值反向，被測系統(tǒng)中介質(zhì)極化現(xiàn)象就得以削弱，通過系統(tǒng)軟件的控制，經(jīng)放大器放大輸出的電壓信號(hào)Vo在被采樣時(shí)己經(jīng)穩(wěn)定。

圖5 電壓激勵(lì)信號(hào)電路圖

3)等效電阻測量原理，如圖6所示。

圖6 測量工作原理圖

圖6是基于雙極性脈沖電壓激勵(lì)的電阻測量電路的原理圖，該模型是建立在以正負(fù)脈沖電壓作為電導(dǎo)信號(hào)測量系統(tǒng)激勵(lì)源的基礎(chǔ)上的，在消除了極化因素與寄生電容的影響下，可以將被測的兩個(gè)電極之間的電導(dǎo)看作純電阻。激勵(lì)電壓源通過對(duì)該電極對(duì)的輸入端施加激勵(lì)而在被測介質(zhì)內(nèi)建立電流場，在測量的某一時(shí)間間隔內(nèi)，等效電阻將受到直流信號(hào)的激勵(lì)，與電壓、電流間遵循歐姆定律，被測介質(zhì)的電導(dǎo)與反向放大器的輸出電壓成線性關(guān)系［4］。這樣我們就可以通過電導(dǎo)測量的方法檢測出等效電阻的變化，判斷電極與引出導(dǎo)線之間電阻是否變化，從而達(dá)到檢測傳感器電極回路是否正常的目的。

4)檢測電路。

檢測電路框圖如圖7所示。主要由反相放大電路、程控放大器、AD/轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)等電路組成。

圖7 電導(dǎo)測量電路框圖

3.2 其它電路的實(shí)現(xiàn)

由于其它電路設(shè)計(jì)主要參考國內(nèi)外較為成熟的技術(shù)，加以改進(jìn)和重組，此文不再贅述。

3.3 驗(yàn)證效果

專用測試設(shè)備研制后，為檢驗(yàn)電導(dǎo)測量數(shù)學(xué)模型的正確性，將傳感器放入配置好的海水中測量得到以下數(shù)據(jù)，溶液電導(dǎo)率39.6 mS/cm，電極間電導(dǎo) 74.7 mS。

將溶液電導(dǎo)率帶入推出的電導(dǎo)計(jì)算公式，可得到:

理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，電導(dǎo)值比較接近，誤差主要在于忽略了法拉第阻抗和雙電層容抗的影響。但其誤差不到15%，相比電阻率測量數(shù)百倍的誤差，測量置信度得到了大幅提升。

利用經(jīng)過計(jì)量的高精度數(shù)字多用表、阻抗測試儀的測量結(jié)果與設(shè)計(jì)的感應(yīng)信號(hào)檢測電路和阻抗測量電路測量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，誤差在5%以內(nèi)，符合測試要求。

在專用旋轉(zhuǎn)水槽中利用完好的傳感器輸出信號(hào)與設(shè)計(jì)的傳感器信號(hào)模擬器設(shè)定輸出信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，頻率一致，波形誤差小于10%，幅值誤差小于5%;模擬器接入計(jì)程儀并給定航速后，計(jì)程儀顯示航速與設(shè)定航速誤差小于5%，滿足驗(yàn)證要求。

4 結(jié)論

通過反復(fù)論證、研究和試驗(yàn)，提出了采取利用電導(dǎo)測量、阻抗測量、模擬傳感器信號(hào)與測量傳感器信號(hào)相結(jié)合的方法，達(dá)到了在水下狀態(tài)檢測并判斷傳感器好壞的目的。解決了目前該裝備保障中的難題。

［1］胡宗定，王一平.工程電導(dǎo)測試技術(shù) ［M］.天津:天津大學(xué)出版社，1990.

［2］甄寶貴.一種特殊類型的工業(yè)電導(dǎo)儀 ［J］.化工自動(dòng)化及儀表，1998(4)，53－55.

［3］楊孫楷，張潞群，曹澄，等.電導(dǎo)率基本測量方法［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［4］顧敏杰.ddg－5205型工業(yè)電導(dǎo)率儀的研制 ［J］.分析儀器 ，1998(1)，10－12.

Electromagnetic sensors of log are fixed to the bottom of the warship.If the sensor submerges，the electrode＇s wire was eroded，we can＇t detect the failure by normal device.We＇ve conquered the difficulty by adopting the method of gauging the electrical conductance based on bi-directional pulsed voltage technique，combining gauge the impedance and signal of sensor and simulating the signal of sensor.

log;sensor;electrical conductance;detect

U672

C

1001－8328(2012)05－0024－04

尹偉偉 (1974-)，男，江蘇金壇人，高級(jí)工程師，工程碩士，主要從事艦船裝備技術(shù)保障工作。

2012－06－21