戎海榮

摘 要：介紹某輪船舶耙臂指示系統(tǒng)的系統(tǒng)組成和工作原理，分析各組成部分的誤差成因，得出修正各誤差的方法和手段。

關(guān)鍵詞：耙臂指示系統(tǒng) 原理 誤差分析 較準(zhǔn)

目前的疏浚船舶使用最廣泛的耙吸式挖泥船，施工中需要把耙臂在水下的姿態(tài)顯示出來(lái)。要完成姿態(tài)顯示，必須在耙臂的某些關(guān)鍵點(diǎn)上安裝傳感器， 傳感器送出的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)連線與操縱臺(tái)的顯示設(shè)備相連，完成監(jiān)測(cè)和顯示功能。圖示為某輪的耙管示意圖。

系統(tǒng)原理

由圖可知：

耙頭深度：h=hx+L1*Sin（a1）

其中：h為耙頭實(shí)際深度，hx為吸口吃水深度，L1為耙管長(zhǎng)度，a1為耙管與水平夾角。

耙頭偏移船舷的距離：W=c+L1*Sin（b1）

其中：W為耙頭距船舷距離，c為彎管距船舷距離，L1為耙管長(zhǎng)度，b1為耙管與船舷水平夾角。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備

由上可知需要得到耙頭實(shí)際深度與水平距離，必須安裝以下傳感裝置和有關(guān)輔助設(shè)備：

垂直角度傳感器。因只有一段耙臂，故只需要在耙臂上安裝一個(gè)，檢測(cè)角度a1的值。

水平角度傳感器。在彎管關(guān)節(jié)位置安裝一個(gè)， 檢測(cè)角度b1的值。

吸口深度傳感器。安裝于船舷的吸口邊。它的作用是實(shí)時(shí)檢測(cè)吸口離液面的距離隨船舶裝載量的變化而變化如圖中的hx值，它是整個(gè)耙臂上下浮動(dòng)的基準(zhǔn)面。假如無(wú)此傳感器的信號(hào)，就無(wú)法知道耙臂離開(kāi)液面的距離。

“吸口到位”閉合：吸口到位接近開(kāi)關(guān)。安裝在甲板上耙臂移動(dòng)電纜架旁，當(dāng)耙臂的彎管通過(guò)滑槽到達(dá)吸口位置時(shí)，移動(dòng)電纜架會(huì)到達(dá)一個(gè)固定位置，在該位置布置有一傳感器開(kāi)關(guān)，電纜架到位后該開(kāi)關(guān)閉合；其余情況該開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。只有當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，指示耙臂已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)吸口，所有的工作狀態(tài)有意義。

各傳感器原理

1、垂直角度傳感器的原理說(shuō)明

圖中A部分為一個(gè)差分電容式傾斜角度傳感器，它是整個(gè)裝置的核心部件，檢測(cè)精度的高低、穩(wěn)定性、重復(fù)一致性，主要由它決定。其精度可達(dá)0.1級(jí)（相對(duì)基本誤差1/1000）。其基本原理是：內(nèi)部灌上半滿的電解液，上、下有兩組平面極板，由于液體自然狀態(tài)總是趨于水平，當(dāng)整個(gè)圓盤隨垂直轉(zhuǎn)動(dòng)物轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電解液與上、下有兩組平面極板的有效接觸面積改變（差分改變，靈敏度大大提高），通過(guò)內(nèi)部的檢測(cè)電路，輸出小信號(hào)的電壓（mV級(jí)），可檢測(cè)的角度范圍為（-60 °到 +60°）。將此信號(hào)送變送板B，輸出 4-20mA信號(hào)。

2、水平角度傳感器原理說(shuō)明

上圖中A部分為一個(gè)電阻式角度傳感器，它是整個(gè)裝置的核心部件，使用的是導(dǎo)電塑料電位器。導(dǎo)電塑料電位器具有線性精密高、理論上無(wú)限的分辨力、平滑性優(yōu)良、動(dòng)態(tài)噪聲小、機(jī)械壽命長(zhǎng)等優(yōu)良性能。其線性精度可達(dá)0.1級(jí)（相對(duì)基本誤差1/1000）。其基本原理是：導(dǎo)電塑料電位器作為一個(gè)電壓分壓器，把一個(gè)機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，并且該信號(hào)能夠與機(jī)械角度成正比，分壓電壓接至送變送板B，輸出 4-20mA信號(hào)，某安裝位置對(duì)應(yīng)4-20mA中某值，左右轉(zhuǎn)動(dòng)偏離該位置，信號(hào)電流線性增加或減小。因?yàn)椴捎梅謮涸?，阻軌上的總電阻的?zhǔn)確度不會(huì)影響到分壓測(cè)量結(jié)果，故溫度波動(dòng)不會(huì)引起測(cè)量誤差。

3、吸口深度傳感器原理說(shuō)明

吸口深度傳感器實(shí)為一只0-0.1Mpa水壓力傳感器，深度變化造成水壓力變化，采用的是半導(dǎo)體應(yīng)變片，配以ASIS高性能放大電路及精密的數(shù)字溫度補(bǔ)償，輸出4-20mA信號(hào)。

系統(tǒng)誤差分析與修正

1、深度值誤差分析

h=hx+L1*Sin（a1）

其中hx為壓力傳感器的壓力值計(jì)算得之，所以hx產(chǎn)生的誤差有：水密度值誤差，傳感器誤差，傳感器零位漂移。

L1為耙管長(zhǎng)度，為固定數(shù)值，初始化時(shí)輸入，如果耙管經(jīng)過(guò)修理后長(zhǎng)度有所變化，則造成深度計(jì)算錯(cuò)誤。

a1為垂直角度傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算得之，所以a1產(chǎn)生誤差有：傳感器誤差，傳感器安裝時(shí)在垂直面上感應(yīng)軸與耙管軸線不一致，（此誤差影響零位值，可通過(guò)較零修正），傳感器在安裝時(shí)水平面上感應(yīng)軸與耙管軸線不一致（此誤差造成傳感器角度值偏?。?。

2、深度誤差修正

2.1實(shí)際計(jì)算機(jī)中的計(jì)算公式為

h=d（hx-e）+L1*Sin[f*（a1-g）]

d、f分別為吸口深度、垂直角度修正系數(shù)，e、g分別為吸口深度零位修正系數(shù)、垂直角度零位系數(shù)。

d由吸口吃水傳感器量程與水密度決定。

e通過(guò)與船舶吃水比較生成。

g通過(guò)耙臂水平位置校零時(shí)自動(dòng)生成。

f通過(guò)深度較驗(yàn)后，計(jì)算得出。深度較驗(yàn)通過(guò)將手持式深度測(cè)量?jī)x與耙頭一起下放至水底，與耙臂指示值比較。

2.2 系數(shù)f的計(jì)算

h=d（hx-e）+L1*Sin[f*（a1-g）] ---------（1）

手持式深度測(cè)量?jī)x檢測(cè)值為h

h=d（hx-e）+L1*Sin[f*（a1-g）] ----（2）

由（1）得 f*（a1-g） ------（3）

由（2）得 f*（a1-g） -----（4）

將（4）除以（3）得f，故其中f為準(zhǔn)確值，f為原系數(shù)，h為測(cè)量所得標(biāo)準(zhǔn)值，h為耙臂系統(tǒng)所指示值。

3、水平誤差分析

W=c+L1*Sin（b1）

其中c為固定值，取決于船舶結(jié)構(gòu)，L1為耙管長(zhǎng)度，也取決于制造，

b1為水平傳感器所得數(shù)據(jù)計(jì)算得之，產(chǎn)生的誤差有，傳感器誤差，傳感器零位誤差。

4、水平誤差修正

實(shí)際計(jì)算機(jī)中的計(jì)算公式為

W=c+L1*Sin（b1-m）

其中m為水平角度零位系數(shù)。由耙臂與船體位置較零時(shí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成。

總結(jié)

該耙臂系統(tǒng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代傳感器技術(shù)，性能優(yōu)異，運(yùn)行可靠，系統(tǒng)運(yùn)行在窗口操作系統(tǒng)下，多種船舶視圖畫(huà)面同屏顯示、提供改變常數(shù)的設(shè)置畫(huà)面，提供各傳感器校準(zhǔn)畫(huà)面，在使用中，需要熟知其原理和特性，進(jìn)行定期較準(zhǔn)，修正各系數(shù)，才能夠保證足夠的精度和性能，保證工程船舶現(xiàn)代化精確施工。

（作者單位：長(zhǎng)江南京航道工程局）