朱 駿, 王淮陽(yáng), 王 勇

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

一種新型深海壓力傳感器的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)仿真研究

朱 駿, 王淮陽(yáng), 王 勇

(合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)

隨著對(duì)深海探測(cè)的不斷深入,對(duì)壓力傳感器的測(cè)量性能提出了更高要求。為了實(shí)現(xiàn)在一定的大壓力下對(duì)微小水壓變化的精確測(cè)量,文章設(shè)計(jì)了一種活塞式深海壓力測(cè)量傳感器,該傳感器不僅可以主動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器的內(nèi)外壓力差,采用壓力累加的方法獲得大水深的壓力值,還有效地提升了對(duì)微小水壓變化的識(shí)別度。采用AMESim軟件對(duì)整個(gè)傳感器系統(tǒng)建立了仿真模型,分析了該活塞式壓力傳感器在深海中對(duì)不同動(dòng)作模式的響應(yīng)情況。結(jié)果表明,在6 000 m水深的情況下,出現(xiàn)10m水深波動(dòng)時(shí),該傳感器的測(cè)量誤差約為1.284 mm。

深海環(huán)境;壓力測(cè)量;活塞式;AMESim軟件;微小水壓

0 引 言

深海環(huán)境復(fù)雜極端且資源豐富多樣,海洋作為當(dāng)前科學(xué)探究和國(guó)際資源爭(zhēng)奪的新陣地,發(fā)展深海探測(cè)技術(shù)已成為提升深海開(kāi)發(fā)能力、提高深海研究水平非常重要的環(huán)節(jié)[1]。對(duì)深海環(huán)境進(jìn)行探測(cè)時(shí),微小水壓變化的測(cè)量顯得尤為重要,如在危及人類(lèi)生命安全的海嘯預(yù)警系統(tǒng)中,要求海嘯計(jì)中的壓力傳感器在5 000 m海底時(shí)能夠測(cè)量的壓力變化應(yīng)達(dá)到毫米級(jí)水柱(即靈敏度為2×10-7)[2]。

文獻(xiàn)[3]提出了一種可用于固定水深下對(duì)壓力測(cè)量的動(dòng)靜壓力傳感器方法。文獻(xiàn)[4]研制了一種用于入水深度測(cè)量的高靈敏度光纖光柵壓力傳感器,該傳感器在其最大量程25 MPa的壓力范圍內(nèi),精度達(dá)到了0.19%FS。美國(guó)CiDRA公司研制的光纖壓力傳感器在0～34.5 MPa的測(cè)量范圍內(nèi),誤差為±68.9 kPa[5]。

由于現(xiàn)有的海洋壓力傳感器對(duì)大測(cè)量范圍與高靈敏度之間的矛盾缺少有效的解決手段,本文設(shè)計(jì)的活塞式深海壓力傳感器采用壓力平衡的方式[6],通過(guò)控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞在缸體中的移動(dòng),增大了壓力傳感器內(nèi)部的油液壓力來(lái)平衡海水壓力,同時(shí)利用AMESim軟件對(duì)壓力傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明，采用小量程的傳感器不僅可以對(duì)深海下的大壓力進(jìn)行測(cè)量,還能測(cè)量出微小的壓力變化。

1 系統(tǒng)的組成及工作原理

1.1 機(jī)械系統(tǒng)

活塞式壓力傳感器的機(jī)械傳動(dòng)部分由油腔缸體、液壓缸、絲杠、聯(lián)軸器以及伺服電機(jī)組成,如圖1所示。裝設(shè)有壓力傳感器的油腔缸體通過(guò)管路和液壓缸相連通,且傳感器的內(nèi)部與油腔缸體內(nèi)部相連通。液壓缸的活塞桿固定連接于絲杠的螺母上,絲杠一端通過(guò)聯(lián)軸器與控制電機(jī)直接連接,這里不安裝減速器的伺服控制電機(jī)可以直接實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩與低轉(zhuǎn)速的運(yùn)動(dòng)[7]。電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)絲杠進(jìn)行旋轉(zhuǎn),使得活塞桿進(jìn)行前后移動(dòng),控制液壓缸容積發(fā)生改變,使得傳感器的內(nèi)部容積發(fā)生變化,從而實(shí)現(xiàn)了壓力的平衡。

1.裝有壓力傳感器的油腔缸體 2.液壓缸 3.活塞桿 4.絲杠 5.聯(lián)軸器 6.伺服電機(jī) 7.機(jī)架 圖1 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成

1.2 控制系統(tǒng)原理

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由控制器、檢測(cè)油腔缸體壓力的壓力傳感器、A/D 卡、D/A 卡、伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器等組成。當(dāng)外部的壓力增大時(shí),壓力傳感器就會(huì)將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸給控制器,控制系統(tǒng)對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行分析后發(fā)出電信號(hào),通過(guò)D/A 卡、伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制和驅(qū)動(dòng)。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠移動(dòng)從而帶動(dòng)液壓缸的活塞桿進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng), 使油腔缸體內(nèi)的壓力發(fā)生變化。內(nèi)部與油腔缸體相通的壓力傳感器再將壓力信息反饋到計(jì)算機(jī)上,這樣形成了閉環(huán)控制回路, 實(shí)現(xiàn)活塞式壓力傳感器內(nèi)外壓力的平衡。

1.3 液體的可壓縮性

液體的可壓縮性是指液體在溫度不變的情況下,由于壓力的增大液體的體積會(huì)縮小、密度會(huì)增大的特性[8]。體積為V的液體,當(dāng)壓力變化為Δp時(shí),體積的變化為ΔV,液體體積變化量的計(jì)算公式為：

(1)

其中βe為油液的彈性模量,此處取1 800 MPa。

活塞式壓力傳感器應(yīng)滿(mǎn)足實(shí)時(shí)測(cè)量的要求,液壓缸的活塞桿橫截面積A=0.000 113 m2,同時(shí)為保證壓力傳感器在60 MPa內(nèi),能模擬10 m/s以下的穩(wěn)定的下潛或者上升速度,則需要的體積V=βeΔV/Δp=0.000 25 m3。由此可見(jiàn),在水深壓力變化時(shí),通過(guò)增大壓力傳感器內(nèi)部的油液壓力來(lái)平衡外部的海水壓力方法是可以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求的。

2 系統(tǒng)仿真

2.1 建立模型

參考機(jī)械系統(tǒng)的組成,利用AMESim仿真軟件搭建該活塞式壓力傳感器的物理模型,如圖2所示。圖2中,輸出控制指令僅采用比例-積分-微分(proportion-integral-deerivative,PID)控制方法。

圖2 活塞式壓力傳感器的物理模型

2.2 動(dòng)態(tài)特性仿真

按照系統(tǒng)技術(shù)要求和各組成部分的實(shí)際參數(shù),在物理模型中輸入?yún)?shù)后運(yùn)行仿真模型,可以得到活塞式傳感器壓力平衡的控制響應(yīng)曲線(xiàn)。壓力傳感器內(nèi)輸入1 MPa的階躍信號(hào)后,得到的壓力響應(yīng)曲線(xiàn)對(duì)比圖如圖3所示。

圖3 采用PID控制器的系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)

通過(guò)圖3中壓力曲線(xiàn)可以看出,系統(tǒng)經(jīng)過(guò)約2 s后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后,在第10秒時(shí)對(duì)壓力平衡控制系統(tǒng)施加一個(gè)大小為0.1 MPa、持續(xù)時(shí)間為0.05 s的脈沖干擾,從圖3中可以看出,與施加干擾前的壓力相比較,系統(tǒng)的最大壓力偏差為0.098 477 MPa,約在第11秒時(shí)回到穩(wěn)定的狀態(tài)。通過(guò)對(duì)模擬仿真的結(jié)果分析得知,壓力控制系統(tǒng)的控制精度較高,對(duì)干擾信號(hào)的反應(yīng)較為迅速,可以滿(mǎn)足活塞式壓力傳感器的測(cè)量要求。

2.3 定深壓力過(guò)程仿真

根據(jù)技術(shù)要求,為了模擬活塞式壓力傳感器在水下對(duì)壓力的反應(yīng)情況,依據(jù)我國(guó)載人潛水器蛟龍?zhí)柡Ｔ嚨淖畲笙聺撍俣葹?5 n mile/h(約為12.86 m/s)[9],對(duì)其控制系統(tǒng)輸出如下周期性曲線(xiàn):使壓力傳感器從0開(kāi)始受壓,加壓速度為0.1 MPa/s,加壓至60 MPa后穩(wěn)定100 s,然后以10 m/s的速度減壓到0。該過(guò)程即模擬壓力傳感器以10 m/s的速度,從水面下潛至6 000 m深,保持100 s后,再以10 m/s的速度上浮至水面。調(diào)整PID控制器的參數(shù)運(yùn)行系統(tǒng)仿真模型，可以得到仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 對(duì)大壓力的系統(tǒng)控制響應(yīng)

傳感器對(duì)大壓力的系統(tǒng)響應(yīng)誤差如圖5所示，由圖5可以看出,在傳感器下潛及上浮階段,系統(tǒng)的誤差范圍在0.04 MPa之內(nèi),控制系統(tǒng)的壓力平衡控制較為準(zhǔn)確。在傳感器穩(wěn)定階段時(shí),控制曲線(xiàn)與實(shí)際的響應(yīng)曲線(xiàn)幾乎重合。最大誤差出現(xiàn)在傳感器上浮至水面及開(kāi)始下潛的0階段,誤差約為0.28 MPa,精度約為0.47%FS,通過(guò)調(diào)整模型的參數(shù)分析得出:這個(gè)階段由于油腔缸體內(nèi)的液壓油壓力較低,向液壓缸中排出或者輸入工作油液較困難造成的,該誤差對(duì)活塞式壓力傳感器的壓力測(cè)量影響較小,在可以接受的誤差范圍之內(nèi)。

圖5 傳感器對(duì)大壓力的系統(tǒng)響應(yīng)誤差

2.4 微小壓力變化仿真

為了驗(yàn)證活塞式壓力傳感器滿(mǎn)足在大水壓下測(cè)量微小水壓變化的要求,對(duì)其控制系統(tǒng)輸出如下周期性曲線(xiàn):使壓力傳感器從60MPa開(kāi)始受壓,受壓曲線(xiàn)為幅值0.1 MPa、頻率0.05 Hz的正弦曲線(xiàn)。該過(guò)程模擬傳感器在6 000 m的海水壓力下,對(duì)10 m水深變化波動(dòng)時(shí)的反應(yīng)情況。調(diào)整PID控制器的參數(shù)運(yùn)行系統(tǒng)仿真模型可以得到仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 對(duì)微小壓力變化的系統(tǒng)控制響應(yīng)

對(duì)微小壓力變化的系統(tǒng)控制響應(yīng)誤差如圖7所示，由圖7可以看出,控制系統(tǒng)響應(yīng)迅速,所得的響應(yīng)曲線(xiàn)無(wú)滯后性,實(shí)時(shí)性較好?；钊綁毫鞲衅髟?0 MPa的壓力下,出現(xiàn)0.1 MPa的壓力變化時(shí),系統(tǒng)誤差范圍在1.5×10-2MPa之內(nèi)。最大的誤差出現(xiàn)在傳感器處于波動(dòng)中值60 MPa處,誤差約為1.284×10-2MPa,即在6 000 m水深的情況下,出現(xiàn)10 m水深變化時(shí),傳感器的測(cè)量誤差約為1.284 mm。由此可知,在伺服進(jìn)給系統(tǒng)滿(mǎn)足系統(tǒng)響應(yīng)速度的條件下,活塞式壓力傳感器能夠滿(mǎn)足測(cè)量微小水壓變化的要求。

圖7 對(duì)微小壓力變化的系統(tǒng)控制響應(yīng)誤差

3 結(jié) 論

(1) 利用控制電機(jī)、聯(lián)軸器和絲杠等傳動(dòng)機(jī)構(gòu),可以更加方便且精確地控制液壓缸中活塞位移量的大小,采用PID控制方法的傳感器系統(tǒng)可以更好地平衡活塞式壓力傳感器內(nèi)外的壓力差。

(2) 在一定的壓力速度變化范圍內(nèi),活塞式壓力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部海水壓力的實(shí)時(shí)平衡,在壓力穩(wěn)定階段傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大水壓的測(cè)量,在6 000 m水深的情況下,最大測(cè)量誤差約為0.28 MPa,精度約為0.47%FS。

(3) 在一定的水深壓力下,活塞式壓力傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部海水微小水壓變化的測(cè)量,具有較高的測(cè)量精度,在6 000 m水深的情況下,出現(xiàn)10 m水深變化時(shí),傳感器的測(cè)量誤差約為1.284 mm。

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(責(zé)任編輯 馬國(guó)鋒)

Design and simulation of a new type of deep-sea pressure sensor

ZHU Jun, WANG Huaiyang, WANG Yong

(School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

With the deepening of deep-sea exploration, higher requirements for the measuring performance of the pressure sensor are raised. In order to achieve accurate measurement of the small pressure changes under a certain pressure, a kind of piston type deep-sea pressure sensor is designed. It can not only take the initiative to adjust the sensor internal and external pressure difference, to get the deep water pressure value using the method of pressure accumulation, but also effectively improve the recognition of small pressure changes. The simulation model of the whole sensor system is established based on AMESim software, and the response of the piston type pressure sensor to different action modes is analyzed. The result shows that in the case of the depth of 6 000 m, when depth of 10 m water fluctuation occurs, the measurement deviation of the sensor is about 1.284 mm.Key words:deep-sea environment; pressure measuring; piston type; AMESim software; small pressure

2016-01-28；

2016-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41076061;51279044)

朱 駿(1990-),男,浙江杭州人,合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 王 勇(1969-),男,安徽合肥人,博士, 合肥工業(yè)大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.02.002

TH76

A

1003-5060(2017)02-0150-04