侯春寶，吉海鵬

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基于小信號電橋法的換能器測試方法

侯春寶，吉海鵬

(中國人民解放軍92956部隊(duì)，遼寧大連，116041)

針對目前測深儀、聲吶及多普勒計(jì)程儀保障維修過程中對換能器技術(shù)狀態(tài)鑒定所面臨的困境，研制了基于小信號電橋法的換能器測量儀器，通過單片機(jī)、信號發(fā)生器、電橋電路法、電壓測量法測量換能器的動態(tài)等效電容、等效電阻、諧振頻率等技術(shù)指標(biāo)，并通過軟、硬件予以實(shí)現(xiàn)，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，有效地提高了對換能器技術(shù)狀態(tài)鑒定的效率。在日常修理中有很強(qiáng)的實(shí)用性。該方法已在回聲測深儀修理調(diào)試檢測設(shè)備中得到應(yīng)用。

換能器；電橋法；諧振頻率；等效電容；等效電阻

0 引言

艦船裝備技術(shù)保障工作中，對測深儀、聲吶及多普勒計(jì)程儀的換能器技術(shù)狀態(tài)的鑒定，無論在艦艇臨時檢修還是在廠檢修期間都非常重要。一方面，臨時檢修中若能及時確定換能器故障，便可盡早安排進(jìn)塢維修或更換，縮短修復(fù)時間；另一方面，廠修艦艇在塢期內(nèi)，若能及時確定換能器故障，就能充分利用塢期進(jìn)行器材采購及更換，否則可能會影響在航艦艇執(zhí)行任務(wù)，或者延誤艦艇廠修塢期，造成二次進(jìn)塢。

如何對換能器技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行快速、全面、準(zhǔn)確的測量，進(jìn)而確定換能器的技術(shù)狀態(tài)，在測深儀、聲吶及多普勒計(jì)程儀的維修保障過程中顯得尤為重要。

通常換能器的技術(shù)指標(biāo)構(gòu)成如下：

1、諧振頻率；2、電聲效率；3、水(空氣)中等效電阻；4、等效電容；5、絕緣電阻。

前三項(xiàng)指標(biāo)需要給換能器施加信號，進(jìn)行動態(tài)測量，后兩項(xiàng)指標(biāo)可以用萬用表、兆歐表進(jìn)行靜態(tài)測量。靜態(tài)測量容易實(shí)現(xiàn)，但動態(tài)測量需要使用信號發(fā)生器、毫伏表、電阻箱、電容箱、電橋等設(shè)備，程序繁瑣，效率不高。

本文基于小信號電橋法對換能器的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行全面的動態(tài)測量，方便快捷，極大地促進(jìn)了換能器技術(shù)狀態(tài)的快速鑒定。本系統(tǒng)主要由單片機(jī)、鍵盤輸入與顯示、信號源發(fā)生器、電橋電路、電壓測量電路幾部分組成。

1 交流電橋

1.1 交流電橋的工作原理

由此可知，相對邊的阻抗乘積相等，如式(1)所示：

(1)

(2)

1.2 電橋電路設(shè)計(jì)

依據(jù)電橋原理設(shè)計(jì)交流電橋電路如圖2所示，信號源是由直接數(shù)字頻率合成器AD9850產(chǎn)生的，其有效值電壓為5 V，頻率為0~1 MHz的交流正弦信號，最小步進(jìn)為1 Hz；變壓器起隔離作用；R6是接地電阻；電橋四臂由R1、R2、換能器與Cx或Rx組成；C1、C2、C3、R3、R4、R5組成雙T形濾波網(wǎng)絡(luò)，可通過專用的高頻交流電壓測量電路去測量電橋電壓的有效值。

圖2電路中R1、R2相等，可變電容Cx取值在0~999 nF，可變電阻Rx取值在0~9.999 kΩ。那么由式(2)可知，可測換能器的等效電容與等效電阻范圍分別為0~999 nF和0~9.999 kΩ，可滿足測深儀換能器的要求。

2 信號源與控制電路的設(shè)計(jì)

信號源與控制電路如圖3所示，本系統(tǒng)以直接頻率合成器AD9850和單片機(jī)AT89S8252為基礎(chǔ)，通過微處理器實(shí)現(xiàn)鍵盤掃描和顯示功能，控制AD9850，實(shí)現(xiàn)頻率預(yù)置、控制字的設(shè)置等功能，通過LED熒光數(shù)碼管顯示當(dāng)前頻率值和按鍵值。AD9850的控制字有40位，其中32位是頻率控制位，5位是相位控制位，1位是電源休眠控制位，2位是工作方式選擇控制位。在應(yīng)用中，工作方式選擇位設(shè)為00，即采用串行輸入，頻率控制位可通過下式計(jì)算得到：

其中：out為要輸出的頻率值；CLK為參考時鐘頻率；為相應(yīng)的十進(jìn)制頻率控制字，然后轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制即可。本系統(tǒng)輸出的正弦信號經(jīng)低通濾波器濾除掉了高頻信號，再經(jīng)過運(yùn)算放大器AD811放大，輸出頻率范圍為0 Hz~1 MHz、最小步進(jìn)為1 Hz、電壓有效值為5 V的交流正弦信號。鍵盤與顯示電路由2片八位移位寄存器74HC165和1片8位LED顯示驅(qū)動集成電路MAX7219及LED數(shù)碼管構(gòu)成，通過按鍵方便地進(jìn)行頻率、電阻和電容值的設(shè)定，并通過LED數(shù)碼管顯示正弦信號頻率、電橋電阻和電容。鍵盤與顯示電路如圖4所示。經(jīng)測試，輸出的正弦信號頻率穩(wěn)定性好，頻率準(zhǔn)確，頻譜純凈，電橋電阻和電容精準(zhǔn)。

3 可調(diào)電容電阻的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

可調(diào)電容由一組并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)，分別是1、2、4、8、10、20、40、80、100、200、400、800 nF，可實(shí)現(xiàn)0~999 nF調(diào)整范圍?？烧{(diào)電阻由一組串聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)，分別是1、2、4、8、10、20、40、80、100、200、400、800、1000、2000、4000、8000 Ω，可實(shí)現(xiàn)0~9.999 kΩ調(diào)整范圍，如圖5所示。

調(diào)整電容值時，如圖3所示，由鍵盤輸入電容或電阻值，經(jīng)單片機(jī)AT89S8253分別轉(zhuǎn)換為12位或16位BCD碼；然后，單片機(jī)將數(shù)據(jù)串行輸出至74HC595存儲寄存器，寄存器再將數(shù)據(jù)并行輸出至CD4050同相緩沖器，該電路中共有5片CD4050緩沖器，3片用于電阻調(diào)整，2片用于電容調(diào)整。經(jīng)CD4050緩沖器緩沖放大后，輸出至74F06反相緩沖器，74F06緩沖器輸出的高低電平分別控制著各電容電阻串聯(lián)或者并聯(lián)的繼電器的斷通?？刂齐娙莸母骼^電器與相應(yīng)的電容串聯(lián)，處于常開狀態(tài)；控制電阻的各繼電器與相應(yīng)的電阻并聯(lián)，處于常閉狀態(tài)。在高低電平的控制下，實(shí)現(xiàn)電容并聯(lián)進(jìn)電路或者電阻串聯(lián)進(jìn)電路，進(jìn)而改變阻容值。

比如，由鍵盤輸入的電容值是99 nF，經(jīng)AT89S8253單片機(jī)轉(zhuǎn)換為12位BCD碼“000010011001”，有四個高電平，八個低電平，74F06為集電極開路輸出，經(jīng)74F06反相六緩沖器反相輸出“111101100110”。由于繼電器線圈一端始終與+5 V電相連，另一端為低電平時，繼電器導(dǎo)通閉合，高電平時，保持?jǐn)嚅_，這樣與80、10、8、1 nF串聯(lián)的四個繼電器閉合，其余繼電器斷開，電橋電路中就并聯(lián)進(jìn)總?cè)葜禐?9 nF的電容，其余各電容值及電阻值的實(shí)現(xiàn)與此同理。

4 測量方法與舉例

4.1 測量方法

步驟一：連接220 V/50 Hz電源，將儀器中的換能器連接線與被測換能器連接，電阻通斷開關(guān)置于斷開位置，在鍵盤上設(shè)置頻率為2 kHz，選擇電容輸入，按調(diào)節(jié)按鍵(增加或減小)調(diào)節(jié)電容值，使電壓在顯示數(shù)碼管上顯示的值最小，此時電橋平衡，輸入電容值即為被測換能器動態(tài)等效電容。

表1 某測深儀接收換能器測試結(jié)果

步驟二：保持已測得的等效電容不變，將電阻通斷開關(guān)置于接通位置，在鍵盤上設(shè)置被測換能器中心頻率，選擇電阻輸入，按調(diào)節(jié)按鍵(增加或減小)調(diào)節(jié)電阻，使電壓在顯示數(shù)碼管上顯示的值最小，此時電橋平衡，輸入電阻值即為被測換能器等效電阻。

步驟三：等效電容、電阻測量結(jié)束后，可以微調(diào)頻率，若先前設(shè)置的被測換能器中心頻率與換能器實(shí)際中心頻率不符，則數(shù)碼管顯示電壓值會隨著頻率微調(diào)而進(jìn)一步縮小，當(dāng)數(shù)碼管電壓讀數(shù)最小時，鍵盤輸入頻率值即為被測換能器的諧振頻率。

發(fā)射效率按以下公式計(jì)算：

={(水-空)/水}*85% (4)

其中：水是水中等效電阻；空是水中等效電阻；

4.2 實(shí)測舉例

以某測深儀接收換能器測試為例，測試項(xiàng)目、技術(shù)指標(biāo)、測試結(jié)果見表1。從測試結(jié)果可以看出該接收換能器技術(shù)狀態(tài)完好。

4.3 電橋電路的檢查方法

有時需要確定電橋電路本身是否正常，此時，可在儀器的換能器連接線上接入一組并聯(lián)的已知電阻電容，先在2 kHz頻率下測量電容，再保持電容值，測量電阻值，若測量值與已知值相吻合，則電橋電路正常。

5 結(jié)論

基于小信號電橋法的換能器技術(shù)指標(biāo)測量方法，充分考慮了測深儀、聲吶及多普勒計(jì)程儀中各換能器的物理特性，覆蓋其全指標(biāo)測量，測量過程簡潔直觀，在日常修理中有很強(qiáng)的實(shí)用性。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，該方法可以為換能器的性能鑒定提供有效的依據(jù)，也已在回聲測深儀修理調(diào)試檢測設(shè)備中得到應(yīng)用。

[1] 桂井誠. 電工[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2001, 7.

GUI Jingcheng. Electrical engineering[M]. Beijing: Science Press, 2001, 7.

[2] 趙廣林. 常用電子元器件[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007, 4.

ZHAO Guanglin. A common electronic components[M]. Beijing: Publishing House of electronics industry, 2007, 4.

Transducer measurement based on small-signal bridge method

HOU Chun-bao, JI Hai-peng

(Army Unit 92956, PLA, Dalian 116041, Liaoning, China)

The identification of transducers’ technical conditions is difficult during the routine maintenance of echo sounder, sonar and DVL. A measurement based on small-signal bridge method is developed. By the single-chip microcomputer, signal generator, bridge circuit method and voltage measurement method, the transducer’s dynamic equivalent capacitance, equivalent resistance and resonant frequency are measured, and this measurement could improve the efficiency of identifying transducers’ technical conditions effectively.

transducer; bridge method; resonant frequency; equivalent capacitance; equivalent resistance

TB552

A

1000-3630(2015)-02-0184-04

10.16300/j.cnki.1000-3630.2015.02.017

2014-08-19;

2014-12-15

侯春寶(1967－), 男, 遼寧北鎮(zhèn)人, 滿族, 高級工程師, 研究方向?yàn)楹胶Ｑb備技術(shù)保障。

侯春寶, E-mail: houyu555666@163.com