蒼曉羽，荊元祥，劉 琦

(中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱150036)

0 引 言

艦船推力測量裝置實現(xiàn)了艦船動力的反饋，能夠清楚的判斷出動力系統(tǒng)是否運轉(zhuǎn)正常，是動力系統(tǒng)正常運行的可靠保障，是現(xiàn)代艦載儀器中不可或缺的主要裝置。

艦船推力測量的代表性方案主要有液壓測量法和電測法。

液壓測量法即主推力軸承的承力系統(tǒng)與推力測量裝置是一體的，即套環(huán)背面設(shè)有液壓活塞，由于每個油箱都互相聯(lián)通，可通過液壓活塞測量出軸承所受的推力。當液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，推力軸承仍可正常工作。同時該測量方法需要配置一套復(fù)雜的液壓系統(tǒng)，系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性差，維修不方便。

電測法即把推力傳感器放置在瓦塊背面，通過應(yīng)變片的變形而測得推力的大小。因而軸承的承力系統(tǒng)與推力測量裝置分離，當推力測量裝置出現(xiàn)故障時，瓦塊仍可正常工作，使瓦塊不出現(xiàn)偏載情況。

電測法使推力軸承省去一個液壓系統(tǒng)，而使結(jié)構(gòu)簡化。并且具有測試系統(tǒng)簡單，測試精度高，安裝維修方便的特點，因此設(shè)計中采用電測法實現(xiàn)推力的測量。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

整個測量系統(tǒng)由3 個部分組成:6 只壓力傳感器、1 個傳感器級聯(lián)箱和1 臺推力顯示儀。

圖1 推力測量系統(tǒng)圖Fig.1 Thrust measures system to seek

6 只傳感器中，4 只均勻鑲嵌在正車面，用于測量正車時的推力;2 只均勻鑲嵌在倒車面，用于測量倒車時的推力。

6 只傳感器的電纜接入到傳感器級聯(lián)箱，其中的4 只正車測量傳感器并聯(lián)輸出1 路正車推力信號;2 只倒車測量傳感器并聯(lián)輸出1 路倒車推力信號。兩路信號經(jīng)由一條電纜傳入推力顯示儀。

推力顯示儀安裝在儀表盤上，實時測量艦船的正車和倒車推力。

2 工作原理

2.1 薄式小體積傳感器

由于用于推力測量的推力傳感器安裝在推力軸承內(nèi)部，受安裝體積的限制，因此要求推力傳感器是一種超薄式、小體積、高過載、高精度、高穩(wěn)定的測力傳感器，目前國內(nèi)外沒見到適用于該條件的測力傳感器。推力傳感器外形圖如圖2所示。

圖2 推力傳感器外形圖Fig.2 Thrust sensor outline drawing

根據(jù)推力測量裝置提供的性能指標及具體工作環(huán)境，該傳感器的工作方式選電阻應(yīng)變式工作方式。由于電阻應(yīng)變式的測力彈性元件都需要有較大的外形尺寸，給傳感器彈性元件的選擇和設(shè)計都帶來了一定的難度。選擇以輪輻式和輻板式彈性梁為彈性元件的測力傳感器，較為合理，如圖3所示。

圖3 測力傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Measure the structural picture of force transducer

經(jīng)分析:輻板式彈性梁制成的測力傳感器線性差、滯后大、輸出小、抗側(cè)向載荷及偏心載荷能力差，不能滿足性能要求。而輪輻式彈性元件制成的該測力傳感器除線性差、滯后大外，其余性能指標都滿足要求，而且具有很強的抗偏心載荷和測向載荷能力，因此經(jīng)分析對比之后，最終確定選用的是輪輻式彈性梁作為該傳感器的彈性元件，并深入開展輪輻式彈性元件的研究，以及以傳統(tǒng)的輪輻剪切梁進行改進，以解決該小體積彈性梁的過載、線性及滯后等問題，并對測力傳感器的制造工藝和防潮工藝開展深入的研究。

圖3 為彈性元件，是由輪圈、輪轱、輪輻組成。當外力P 作用于輪轱上端和輪圈的下端面時，使輻條產(chǎn)生平行四邊形變形，如圖4所示。式(1)與式(2)給出了兩輪輻相互垂直時最大剪應(yīng)力和剪應(yīng)變。

式中:γmax為最大剪應(yīng)變;G 為剪切彈性模量。

圖4 輪輻剪切變形Fig.4 Spoke shear deformation

但在傳感器中實測的不是剪應(yīng)變，而是測量在剪應(yīng)力作用下，輪輻斜方對角線的變形。將金屬電阻應(yīng)變計與輻條水平中心線成45°角方向粘貼，8 片電阻應(yīng)變計分別粘貼在4 根輻條的正反面，并組成如圖5所示的全橋電路，則檢測的應(yīng)變?yōu)?

圖5 輪輻式傳感器工作電橋Fig.5 Spoke type sensor bridge

由于應(yīng)變計具有一定的尺寸(長lf、寬by)，而切應(yīng)力呈拋物線規(guī)律分布，故平均應(yīng)變?yōu)?

可得傳感器的輸出電壓:

式中k 為應(yīng)變計的靈敏系數(shù)。

在設(shè)計輪輻時，還要保證輪輻承受純剪切作用，故須控制剪力和彎矩作用下的撓度，使其小于0.1 mm。

根據(jù)上述分析，在實際設(shè)計過程中可按下列步驟對彈性元件的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計:

1)根據(jù)所選用的應(yīng)變計的尺寸，確定輪輻尺寸lf。lf 應(yīng)盡量小，來提高輪輻的純剪切狀態(tài)。輪輻的高度可取1.2 ～1.7 lf。

2)輪輻的厚度尺寸由下式確定:

式中:B 為輪輻厚度尺寸;Γ 為剪應(yīng)力，取Γ=(0.2 ～0.3)σs，σs為材料的屈服應(yīng)力。

3)校核梁上最大彎曲應(yīng)力σmax為:

4)控制剪力和彎矩作用下的擾度Ymax，使Ymax＜0.1，校核公式如下:

式中:Yw為彎曲擾度;Yq為剪切擾度;E 為彈性元件的彈性模量。

在性能指標及其分析中，已分析出該傳感器技術(shù)關(guān)鍵是薄式小體積、高過載、高精度和耐潮濕。

1)薄式小體積

為設(shè)計出薄式小體積輪輻式彈性元件，在設(shè)計時首先選用小尺寸的電阻應(yīng)變計，然后設(shè)計梁的工作尺寸。但對量程為100 kN，過載為240 kN 的測力傳感器輪輻高度已達32 mm，超過了該傳感器的高度要求。為此設(shè)計考慮了多種影響因素進行優(yōu)化設(shè)計。

2)高精度

該傳感器的體積小，給精度指標增加了許多困難。對該傳感器精度等方面加以細致的研究，通過應(yīng)用光彈應(yīng)力分析法對輪輻剪切梁變形應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力及應(yīng)變進行分析，最終確定應(yīng)變計的粘貼位置。

3)過載

為提高該傳感器的線性精度，是犧牲過載來實現(xiàn)的，因此給過載造成很大困難，致使過載問題最終只能通過機械限位加以解決。

2.2 推力顯示儀設(shè)計要點

1)結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計主要考慮電磁兼容和抗振性能等。

考慮系統(tǒng)工作的周圍環(huán)境，考察存在的外部干擾，發(fā)現(xiàn)干擾途徑主要是儀器與外部連接線的耦合和外部場的滲透2 種干擾途徑。

圖6 系統(tǒng)中存在的外部干擾途徑Fig.6 In the system existent outside diaturbs channel

重點處理對象為:24 V 電源線、儀表與傳感器級聯(lián)裝置之間的信號線是外部電磁波耦合的途徑;顯示屏開口、鍵盤開口處是嚴重的電磁輻射途徑;裝置外殼蓋與殼體壓緊處的縫隙、螺釘孔是有效的電磁輻射路徑。

具體設(shè)計如下:

兩段式結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用鋁合金全密封;

儀表蓋與箱體連接處，使用凹凸形式搭接，并使用導(dǎo)電橡膠條壓合;

LED 顯示屏使用高性能屏蔽窗;

鍵盤使用薄膜開關(guān)，與儀表面板貼膜一體制做，數(shù)據(jù)線穿孔處使用導(dǎo)電布填充，并套磁環(huán);

電源線、信號線連接處安裝EMI 濾波器;

電源線、信號線接頭處設(shè)置隔離艙;

信號線使用屏蔽電纜，并360°連接到接頭處，接頭與儀表殼體電氣連接，然后接入大地。

艦船的主要振源是螺旋槳產(chǎn)生的低頻周期振動。螺旋槳的轉(zhuǎn)速一般在每分鐘幾百轉(zhuǎn)，即幾Hz ～十幾Hz 的范圍內(nèi)。

設(shè)計中，遵照倍頻法則，使得裝置的固有頻率避開了主要振源—螺旋槳產(chǎn)生的低頻周期振動的頻率，兩者比值應(yīng)大于2.5。對系統(tǒng)及內(nèi)部構(gòu)件的固有頻率和模態(tài)進行分析，降低了共振峰值、傳遞率和相關(guān)耦合率，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)。

為提高推力測量裝置的抗振性能，首先保證所選擇的儀表設(shè)備本身具有抗振動，抗沖擊性能，另外對自行研制的信號調(diào)理采集模塊進行抗振設(shè)計，為提高電路的工作可靠性及抗振性能，在電路設(shè)計方面堅持多級抗振設(shè)計原則如下，即在保證該模塊電路功能及精度的情況下，使電路盡可能簡化。盡可能選用集成電路少用分立元件，調(diào)整元件，在電路板加工、安裝過程中采用下列措施，增加電路板厚度，增加電路走線寬度，增加焊盤直徑，集成電路直接焊接到電路板上，分立元件高度盡可能降低，電路部分整體灌封工藝，保持所有元件相對電路板完全同步振動，消除元件與電路板之間的機械位移。信號調(diào)理及采集模塊外殼不采用焊接結(jié)構(gòu)，利用整塊鋁合金材料進行整體加工。

消除振動的主要措施是振動的吸收減震。

電路整體灌封，能夠消除元件的機械斷裂;電路與機箱之間采取彈簧減震器降振，調(diào)整機箱的重量，避開機械諧振頻率;機箱與儀表盤之間采取橡膠減震器固定。

2)數(shù)據(jù)采集

①有源屏蔽驅(qū)動電路

推力傳感器的輸出為壓阻式電橋輸出，電壓非常小，0 ～十幾mV，進行較長距離的傳送后，首先應(yīng)進入有源屏蔽驅(qū)動電路，實現(xiàn)屏蔽、高阻抗輸入、高抑制共模噪聲、零點補償、放大等處理。

圖7 有源屏蔽驅(qū)動電路Fig.7 Active shield driving circuit

雙電源供電，供電電壓最高可達18 V。它具有低的增益誤差和高的共模抑制比，當增益為1時，共模抑制比大于90 dB，增益誤差最大為0.05%;當增益為1 000 時，共模抑制比可達120 dB，且增益誤差最大為2 前端放大器我們選用美國AD 公司的精密儀表放大器AD524，AD524 采用%。AD524 的非線性誤差在0.01%之內(nèi)(增益為1 000);輸入失調(diào)電壓50 V，輸入失調(diào)電壓漂移0.5 V/℃。AD524 兩個差動輸入端的阻抗完全匹配，而且數(shù)值很高，典型值為109，既可以差動輸入也可以單端輸入。AD524內(nèi)置輸入電源保護電路，適應(yīng)上電和掉電時各種惡劣的工作環(huán)境。同時，它還提供較寬的增益帶寬、高的輸出轉(zhuǎn)換速率和低的階躍響應(yīng)建立時間等優(yōu)越的動態(tài)特性。

②防混濾波器

推力傳感器輸出的信號分布在非常低的頻率段上，一般認為在0 ～幾十Hz 的范圍內(nèi)，而在之外的頻率段上的信號就被認為是噪聲了。假設(shè)有用信號在0 ～10 Hz 范圍內(nèi)，最高頻率為10 Hz，那么AD的采樣頻率必須高于2 倍的10 Hz，低于2 倍則無法還原信號，采樣速率太低，會帶來數(shù)據(jù)量不足，數(shù)據(jù)運算困難的問題;采樣速率太高，則數(shù)據(jù)冗余，增加成本。一般采用5 倍到10 倍的采樣速率。假設(shè)AD 設(shè)置在采樣速率為100 Hz，則高于100 Hz 的信號必須在進入AD 之前濾除掉，否則會產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。即此時需要防混濾波器。防混濾波器也是一種低通濾波器，然而它具有非常陡峭的截至頻率，幾乎可以將頻率高于數(shù)據(jù)采集板輸入帶寬的信號全部除去。

電容濾波由于其自身電路和結(jié)構(gòu)特點其精度和穩(wěn)定度遠高于其他濾波方式。

基于以上對信號調(diào)理重要性方面的分析，推力測量裝置中將采用Linear Technology LTD 的LTC1043 開關(guān)電容濾波器，共模干擾抑制達120 dB，專用高精度儀表放大器。LTC1043 是在一個芯片上制造了2 組電荷平衡型電容器開關(guān)。每組開關(guān)由2 個雙刀雙擲開關(guān)組成。這一對雙刀雙擲開關(guān)輪流將外部的電容器與輸入電壓接通，讓它充電;然后斷開輸入電壓與放電電容器的連接，讓它放電。開關(guān)的頻率可由內(nèi)部的時鐘控制(時鐘頻率與外接電容器容量有關(guān))，也可以由外部的CMOS 時鐘來驅(qū)動。

圖8 防混濾波器電路Fig.8 Anti alias filter circuit

③多路A/D 轉(zhuǎn)換

A/D 轉(zhuǎn)換使用AD 公司的16 位∑－△模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7705，可用于測量低頻模擬信號。這種器件帶有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測量傳感器輸出的各種微小信號。具有2 個全差分輸入通道，具有分辨率高、動態(tài)范圍廣、自校準等特點，因而非常適合于工業(yè)控制、儀表測量等領(lǐng)域。

圖9 多路A/D 轉(zhuǎn)換電路Fig.9 A A/D conversion circuit

AD7705 是一個完整的16 位A/D 轉(zhuǎn)換器。在應(yīng)用時只需接晶體振蕩器、精密基準源和少量去耦電容即可連續(xù)進行A/D 轉(zhuǎn)換。AD7705 帶有外部SPI接口，直接與單片機進行接口。用到的數(shù)據(jù)線有片選串行時鐘輸入SCLK、指令或數(shù)據(jù)輸入DIN 以及轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出DOUT 等。只有在狀態(tài)信號指示輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準備就緒時，單片機才可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

④傳感器電源的四線制連接

傳感器的激勵電源由儀表端提供，采用四線制傳輸方式傳遞10 V 電源，使傳感器的激勵電源獲得精準的電壓，提高了系統(tǒng)的測量精度，簡化系統(tǒng)的維護工作。其原則是:要測量的其實是電壓，不取電流。4 條線分別為:10 V 驅(qū)動線、10 V 檢測線、地驅(qū)動線、地檢測線。

圖10 傳感器電源的四線制連接圖Fig.10 Four wire connection diagaram of sensor power supply

“開爾文”連接法定義如下:在模擬量測控線路的導(dǎo)線連接工藝中，對于每個被測或被控點都可視為“開接點”。從任何一個“開接點”的根部分別引出2 條導(dǎo)線，1 條導(dǎo)線是施加大電流的驅(qū)動線F線，導(dǎo)線的截面積要足夠大;另1 條是測量(取樣)該“開接點”電位的檢測線S 線。這2 條導(dǎo)線統(tǒng)稱為“雙連線”。被測控的“開接點”經(jīng)“雙連線”可遠距離連接到與之相對應(yīng)的具有“雙連線”的測控部件上。對于任何一個被測控對象，測量檢測的取樣點是2 個“開接點”間的電位差，舍棄驅(qū)動線上的數(shù)據(jù)不用(因誤差較大)，僅以檢測線上的數(shù)據(jù)作為取樣值，則必然提高測量精度。以此種理論為基礎(chǔ)而產(chǎn)生的連接工藝方法就是“開爾文”連接法。

使用“開爾文”連接工藝方法，檢測線和驅(qū)動線是直接從被測、被控點上分別引出的，導(dǎo)線電阻壓降不再影響測控精度。

在近距離20 ～30 m 模擬量的集中測控中，采用“開爾文”連接法克服導(dǎo)線電阻壓降、接插件接觸電阻和繼電器觸點電阻的壓降給測控帶來的誤差，提高了測試精度。

對于遠距離測試，適合采用模擬部件的分散控制，但每個具體測控部件仍可采用“開爾文”連接法，將測控值轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)通信口傳到計算機，由計算機進行遠距離數(shù)據(jù)測控。

⑤電源設(shè)計

電源部分，使用2 個隔離電源模塊，一個為24V 轉(zhuǎn)±12V，供給傳感器電源電壓生成電路、放大 器 AD524、A/D 芯 片 AD7705、電 壓 參 考ADR381;另一個為 24V 轉(zhuǎn) 5V，供給單片機ATmega128、LED 數(shù)碼管顯示電路。模擬地和數(shù)字地分開，使用零歐姆電阻連接。

圖11 電源連接圖Fig.11 The power supply connection diagram

電源部分實現(xiàn)多路電源隔離、涌浪保護功能，并在電源接口處安裝EMI 濾波器。

24 V 電源輸入，使用in4007 二極管防止電源插反，R32 為金屬氧化物可變電阻(MOV)，其會將輸入浪涌電壓鉗位在一個電平上，保護后繼元器件正常工作。C47、C48、C49、C50 為輸入濾波電容，C41 ～C46 為電源模塊輸出電容。

⑥單片機控制

單片機采用ATmega128，外部連接6 個外設(shè):AD7705、實時時鐘電路、LED 顯示電路、鍵盤掃描電路、JTAG 接口，RS232 接口(預(yù)留)。

圖12 單片機控制電路Fig.12 SCM control circuit

ATmega128 具有豐富的內(nèi)部資源和外部接口，省去了很多的外部擴展芯片。ATmega128 存儲器分為3 個獨立的部分:數(shù)據(jù)寄存器、程序存儲器、EEPROM 存儲區(qū)。內(nèi)部提供4 K 字節(jié)的SRAM，128 K 字節(jié)的可編程 FLASH，4 K 字節(jié)的EEPROM，其中4 K 的數(shù)據(jù)寄存器SRAM 可進行外部擴展到64 K。ATmega128 具有的兩線串行接口(兼容I2C)，具有可工作于主機/從機模式的SPI接口，具有同步和異步串行接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器(USART)等。ATmega128 具有JTAG 接口，通過JTAG 接口實現(xiàn)對Flash，EEPROM，熔絲位和鎖定位的編程，能夠方便的進行在線片上調(diào)試、修改。

⑦噪聲的消除

系統(tǒng)噪聲主要有傳感器、傳輸線路和測量電路等引起的隨機白噪聲;海浪對測量的干擾噪聲。首先使用數(shù)字濾波進行消燥，獲得傳感器上真實的壓力，然后使用海浪濾波器消除海浪作用力的干擾。

從傳感器傳送過來的信號中，會摻雜一些噪聲和干擾。模擬系統(tǒng)中，一般采取在信號輸入端加裝RC 低通濾波器的方法，來抑制某些干擾信號，但其對高頻干擾信號有較好的抑制，而對低頻干擾信號濾波效果欠佳。所謂數(shù)字濾波器，就是通過一定的計算和判斷程序減少干擾信號在有用信號中的比重，故數(shù)字濾波器就是一種程序濾波。數(shù)字濾波器可以對極低頻率的干擾信號進行濾波，以彌補RC 濾波器的不足，并且可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數(shù)，使用上極其靈活、方便，而且減少了硬件成本。

船舶在海上航行時，海浪干擾很大，隨機性較強。一階海浪擾動引起的振蕩通常在0.1 Hz 左右。運用海浪濾波器，可以有效地消除測量信號中由一階海浪擾動引起的噪聲，提高測量品質(zhì)。

3)零點調(diào)整

根據(jù)艦船推力測量的實際應(yīng)用特點，在系統(tǒng)運行一段時間后要進行零點的調(diào)整。零點調(diào)整的含義是:在正車達到最大推力時，正車傳感器處于滿載狀態(tài)，倒車傳感器處于真正的空載狀態(tài)，此時倒車測量通道的測量數(shù)據(jù)應(yīng)為0;當?shù)管囘_到最大推力時，倒車傳感器處于滿載狀態(tài)，正車傳感器處于真正的空載狀態(tài)，此時正車測量通道的測量數(shù)據(jù)應(yīng)為0。在運行一段時間后，由于傳感器安裝位置的微小變化等問題，會使得系統(tǒng)零點產(chǎn)生微小變化，此時需要進行調(diào)零。

系統(tǒng)設(shè)置2 種調(diào)零方式:手動調(diào)零和自動調(diào)零。

在傳感器、儀表等單獨標定完畢后，將傳感器安裝在推力瓦上，進行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時，使用手動調(diào)零方式調(diào)整幾個回程后，系統(tǒng)的零點趨于穩(wěn)定下來。

零點的手動調(diào)整需要專業(yè)人士進行，在上船之后，此時可以設(shè)定系統(tǒng)自動調(diào)零。當艦船的某一方向的推力達到滿載荷時，系統(tǒng)自動進入調(diào)零狀態(tài)，自動判斷進行正車調(diào)零還是倒車調(diào)零，并以用戶透明的方式進行零點調(diào)整。

3 結(jié) 語

艦船推力測量裝置填補了國內(nèi)多項空白，滿足艦船的需求，并穩(wěn)定可靠地運行于某系列的艦船上。

［1］李皓月，周田朋，劉相新．Ansys 工程計算應(yīng)用教程［M］．北京:中國鐵道出版社，2003．

LI Hao-yue，ZHOU Tian-peng，LIU Xiang-xin．Ansys engineering computing application tutorial［M］．Beijing:China Railway Press，2003．

［2］王紹純．自動檢測技術(shù)［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，1985．

WANG Shao-chun．Automatic measurement technology［M］．Beijing:Metallurgical Industry Publishing，1985．

［3］徐同舉．新型傳感器基礎(chǔ)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1987．

XU Tong-ju．Model based sensor based［M］．Beijing:Types of Technology Press．1987．

［4］HERMANN NEUBERT K P．Instrument transducers-an［M］．Introd-uction to their Perfomance and Dcsign 2nd Ed，Oxford Clarendon Press，1975．

［5］BRIAN M B，Zigbee 與ZigBee PRO:哪個功能級最適合［J］．電子設(shè)計技術(shù)，2008(8):131－132．BRIAN M B，Zigbee 與ZigBee PRO:Which function is mostappropriate［J］．Electronic design technology，2008(8):131－132．

［6］ALLISON J A．1975 Electronic integrated Ciruritcheir thchnology and design．london:Mc Craw－Hill Reference．