王云鵬，徐 望，吳永明

（海軍九〇二廠(chǎng)，上海 200083）

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新型測(cè)深儀專(zhuān)用換能器模擬裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王云鵬，徐 望，吳永明

（海軍九〇二廠(chǎng)，上海 200083）

摘 要：換能器是測(cè)深儀的傳感器，研制換能器模擬裝置可以在內(nèi)場(chǎng)中修和臨搶修時(shí)替代換能器對(duì)測(cè)深儀進(jìn)行調(diào)試和修理。本文從測(cè)深儀的工作原理分析出發(fā)，介紹了某新型測(cè)深儀專(zhuān)用換能器模擬裝置的技術(shù)設(shè)計(jì)方法，技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程和應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：換能器 回波 模擬裝置

0 引言

某新型測(cè)深儀近幾年在艦船上裝備較多，它由主機(jī)、接線(xiàn)盒和換能器組成，是艦艇中一個(gè)非常重要的航海設(shè)備，用于測(cè)量、指示和記錄船底龍骨以下的海水深度，它對(duì)于保障艦艇的正常航行起著不可替代的作用。換能器作為測(cè)深儀的傳感器，是其最主要的功率部件，起著將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲波信號(hào)，并接收轉(zhuǎn)換來(lái)自海底回波信號(hào)的作用。由于換能器安裝在船底，其價(jià)格昂貴，位置特殊，又具有難拆卸性，難維修性的特點(diǎn)，艦艇進(jìn)塢后若技術(shù)指標(biāo)正常一般不進(jìn)行拆卸更換。塢排期間換能器暴露在空氣中，測(cè)深儀嚴(yán)禁通電調(diào)試，中修內(nèi)場(chǎng)調(diào)試時(shí)沒(méi)有換能器的接入測(cè)深儀系統(tǒng)就無(wú)法構(gòu)成一個(gè)完整的回路，測(cè)深儀的各種性能測(cè)試及調(diào)試都無(wú)法進(jìn)行，若為該型測(cè)深儀中修調(diào)試而建造換能器水池成本高，需配備的換能器也是一筆巨大費(fèi)用，而且水深為固定值，無(wú)法進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)試。[1]艦艇航行或錨泊時(shí)出現(xiàn)測(cè)深儀無(wú)水深信號(hào)情況下，若有換能器模擬裝置幫助則可以判定測(cè)深儀主機(jī)性能好壞及進(jìn)行必要的動(dòng)態(tài)性能調(diào)試。綜上所述，研制符合該型測(cè)深儀特點(diǎn)，既簡(jiǎn)易便攜又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的換能器模擬裝置，對(duì)于該型測(cè)深儀內(nèi)場(chǎng)中修動(dòng)態(tài)調(diào)試和日常臨搶修保障具有重要的意義。

1 技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1技術(shù)策略

開(kāi)展該型測(cè)深儀換能器模擬裝置設(shè)計(jì)首先要根據(jù)該新型回聲測(cè)深儀技術(shù)資料來(lái)分析、掌握測(cè)深儀干端與濕端換能器之間的信號(hào)交互特點(diǎn)和要求，尤其是測(cè)深儀回波信號(hào)產(chǎn)生的原理和特點(diǎn)，構(gòu)建換能器模擬裝置模型，為換能器模擬裝置的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

其次，在對(duì)該型回聲測(cè)深儀整機(jī)工作原理分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)其工作性能指標(biāo)特點(diǎn)，通過(guò)功能模擬的方法，設(shè)計(jì)搭建相關(guān)電路模塊來(lái)處理其干端的發(fā)射信號(hào)，模擬其回波電路。在實(shí)裝測(cè)試中調(diào)整選擇合適的元器件，組裝后的模擬換能器需與回聲測(cè)試儀進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，驗(yàn)證檢驗(yàn)?zāi)M換能器的有效性，確保模擬換能器的可靠、適用。

1.2原理分析

回聲測(cè)深儀工作原理源于聲波的傳播特性?；芈暅y(cè)深儀工作原理如圖1所示，在船底龍骨兩側(cè)對(duì)稱(chēng)安裝換能器各一個(gè)。一個(gè)作發(fā)射換能器，向海底發(fā)射聲波脈沖信號(hào)，信號(hào)到達(dá)海底被反射回來(lái)；另一個(gè)作接收換能器，接收經(jīng)海底反射回來(lái)的聲波脈沖信號(hào)。[2]因?yàn)槁暡ㄔ诤Ｋ袀鞑サ乃俣仁且欢ǖ模虼?，只要測(cè)定聲波脈沖從發(fā)射至接收到回波的時(shí)間間隔t，即可求得它在海水中往返一次的路程2d，進(jìn)而計(jì)算出換能器到海底的水深h。

該新型回聲測(cè)深儀由干端和濕端兩個(gè)部分組成。干端部分通常由發(fā)射、接收、解算、顯示器、電源五個(gè)部分所組成，如圖2所示。其回波檢測(cè)原理如圖3 所示。濕端部分由安裝于船底的換能器組成。

1）發(fā)射部分：由發(fā)射觸發(fā)器、激發(fā)器和發(fā)射換能器等組成。發(fā)射觸發(fā)器周期性地產(chǎn)生發(fā)射控制脈沖（如圖3a），t0時(shí)刻產(chǎn)生一個(gè)發(fā)射控制脈沖，間隔(t2- t0)時(shí)間，到t2時(shí)刻后再產(chǎn)生一個(gè)發(fā)射控制脈沖。測(cè)深儀在時(shí)間(t2- t0)內(nèi)完成一個(gè)測(cè)深過(guò)程，從t2時(shí)刻起反復(fù)循環(huán)，激發(fā)器在該控制脈沖的觸發(fā)下，激發(fā)換能器向海底發(fā)射具有一定脈沖寬度、頻率和輸出功率的聲振蕩脈沖（如圖3b）。聲振蕩脈沖的工作頻率通常選為10～200 kHz。

2）接收部分：由接收換能器和放大器等組成。接收換能器從干擾背景中取出真正的超聲波回波信號(hào)，并經(jīng)放大器加以適當(dāng)?shù)胤糯蠛吞幚砗?，向解算部分輸出，（如圖3c）。在發(fā)射瞬間，由于換能器間的直接傳遞或線(xiàn)路間的電磁感應(yīng)作用，接收部分也有一個(gè)信號(hào)輸出。因?yàn)樵撔盘?hào)的顯示位置處于水深刻度的零刻度處，故稱(chēng)為零信號(hào)，也稱(chēng)發(fā)射信號(hào) 。

3）解算部分：完成超聲波在海水中傳播時(shí)間（t1-t0）的測(cè)量（如圖3d），并依據(jù)計(jì)算公式轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)深度值后送顯示器。

4）顯示器：顯示水深解算結(jié)果。

5）電源部分：將艦船電源轉(zhuǎn)換為回聲測(cè)深儀所需的各種規(guī)格電源，保證儀器的正常工作。

6）換能器：回聲測(cè)深儀換能器是進(jìn)行電能和聲能轉(zhuǎn)換的器件，是感知水深信息的核心部件。

1.3換能器模擬裝置設(shè)計(jì)

由回聲測(cè)深儀工作原理可知，測(cè)深儀t0時(shí)刻發(fā)射時(shí)產(chǎn)生一個(gè)發(fā)射脈沖，發(fā)射脈沖同時(shí)也是測(cè)深儀的零位信號(hào)，換能器接收到發(fā)射信號(hào)后把電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)向海底發(fā)射，在t1時(shí)間后聲波反射回?fù)Q能器，測(cè)深儀干端部分對(duì)超聲波在海水中傳播時(shí)間（t1-t0）進(jìn)行計(jì)算就可以得到水深信息。因此設(shè)計(jì)的模擬換能器電路要響應(yīng)發(fā)射信號(hào)，產(chǎn)生測(cè)深儀零位信號(hào)，之后在t1時(shí)間后產(chǎn)生的回波信號(hào)反饋至測(cè)深儀干端部分，回波信號(hào)的載波需要和測(cè)深儀工作頻率一致，且具備一定的脈寬能被測(cè)深儀識(shí)別，回波通過(guò)接口返回測(cè)深儀干端，被測(cè)深儀解算并顯示水深值。

1）發(fā)射信號(hào)設(shè)計(jì)

由于發(fā)射信號(hào)具有一定的頻率、功率，先設(shè)計(jì)采用RC電路濾波，電阻分壓來(lái)對(duì)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行限幅，使模擬換能器的工作所需功率較小，采用氖燈（LED1）來(lái)顯示發(fā)射信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后的發(fā)射脈沖通過(guò)施密特電路進(jìn)行整形，使發(fā)射信號(hào)為規(guī)則的方波信號(hào)，發(fā)射信號(hào)通過(guò)電容耦合至三極管進(jìn)行倒相，便于后續(xù)電路識(shí)別。

2）回波信號(hào)設(shè)計(jì)

發(fā)射信號(hào)可通過(guò)RC電路和單穩(wěn)態(tài)電路配合進(jìn)行延遲，延遲t1時(shí)間后產(chǎn)生的脈沖信號(hào)可以視為回波脈沖，這時(shí)產(chǎn)生的回波脈沖比較窄，小于1 ms，難以被測(cè)深儀識(shí)別，因此需在此基礎(chǔ)上再采用一組RC電路和單穩(wěn)態(tài)電路進(jìn)行脈沖的脈寬延遲，產(chǎn)生的回波脈寬必須低于該型號(hào)測(cè)深儀所承受的最大脈寬（15 ms）。電阻R可以用可調(diào)電阻（電位器）串聯(lián)固定電阻，電容C值固定，通過(guò)調(diào)整可調(diào)電阻來(lái)改變RC值，可調(diào)電阻R值可根據(jù)量程范圍進(jìn)行選擇?？紤]到設(shè)計(jì)的測(cè)深量程范圍大，可通過(guò)波段開(kāi)關(guān)來(lái)選擇不同阻值的固定電阻，實(shí)現(xiàn)工作量程切換。

3）載波信號(hào)設(shè)計(jì)

該回聲測(cè)深儀的工作頻率是25 kHz，因此設(shè)計(jì)的載波頻率需與其一致，該電路設(shè)計(jì)采用RC與振蕩器組成振蕩電路來(lái)產(chǎn)生25 kHz載波信號(hào)，為了便于適合其他相近工作頻率的測(cè)深儀工作所需，電阻R可采用可調(diào)電阻（電位器），使其工作頻率能以25 kHz為中點(diǎn)上下可調(diào)。載波信號(hào)與回波脈沖調(diào)制后送回測(cè)深儀干端，可采用一個(gè)發(fā)光二極管對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行跟蹤顯示。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1器件選擇

電路設(shè)計(jì)采用兩組單穩(wěn)態(tài)電路，可采用J210雙單穩(wěn)態(tài)電路芯片與RC電路相組合；載波電路可采用U7555振蕩器與RC電路相組合，根據(jù)芯片工作電壓選擇的電路電源為12 V，可選擇12 V的電源模塊進(jìn)行整流濾波，所有元器件都采用性能穩(wěn)定的軍品級(jí)器件，確保電路穩(wěn)定可靠。

2.2實(shí)現(xiàn)及驗(yàn)證

設(shè)計(jì)后的電路圖如圖4所示。

圖4 電路板原理圖

根據(jù)設(shè)計(jì)好的原理圖采購(gòu)元器件，在萬(wàn)用板上先搭建電路，實(shí)裝調(diào)試中進(jìn)行元器件參數(shù)選擇，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)采用脈寬1 ms至5 ms寬度脈寬能方便被測(cè)深儀識(shí)別，可調(diào)電阻阻值采用1M 值能使量程在1 m到300 m內(nèi)連續(xù)可調(diào)。把參數(shù)選定的元器件焊接在定制加工的PCB板上，外殼采用小型化的定制箱體，指示燈、波段開(kāi)關(guān)、電位器等安裝于箱體上。電路板及箱體組裝完成后，與該型回聲測(cè)深儀實(shí)裝長(zhǎng)時(shí)間調(diào)試，試驗(yàn)中模擬換能器與該型測(cè)深儀測(cè)深工作配合良好，模擬換能器水深調(diào)節(jié)與該型回聲測(cè)深儀顯示保持一致，同時(shí)模擬換能器上的氖燈和LED指示燈能正常閃爍，反應(yīng)出發(fā)射信號(hào)及回波信號(hào)，測(cè)深儀干端部分上的報(bào)警功能、移相功能、工作切換等功能都能進(jìn)行檢測(cè)調(diào)試，完全具備實(shí)裝換能器功能。研制出的換能器模擬裝置具備維修調(diào)試功能強(qiáng)、操縱使用簡(jiǎn)單、體積小，重量輕，攜帶方便等特點(diǎn)，研制所需器材費(fèi)用小，經(jīng)濟(jì)適用，便于推廣使用。換能器模擬內(nèi)部構(gòu)造如圖5所示，實(shí)物如圖6所示。

圖5 內(nèi)部構(gòu)造圖

圖6 實(shí)物圖

2.3技術(shù)指標(biāo)

1）工作電壓：交流220 V/50 Hz；

2）工作頻率范圍：25 kHz±20%；

3）功率：≤0.5 W；

4）模擬深度范圍：1-300 m；

5）回波脈寬：1-5 ms;

6）連續(xù)工作時(shí)間:＞24 h。

3 應(yīng)用情況

該專(zhuān)用型測(cè)深儀換能器模擬裝置的成功研制為該型測(cè)深儀主機(jī)排故提供了便捷的檢測(cè)手段，擺脫了依賴(lài)實(shí)裝換能器才能進(jìn)行整機(jī)調(diào)試的被動(dòng)局面，與傳統(tǒng)維修方法相比，采用換能器模擬裝置進(jìn)行維修在檢測(cè)方式、平均故障定位時(shí)間等方面具有一定的獨(dú)創(chuàng)性，拓展了保障效能，如表1所示。

該專(zhuān)用型測(cè)深儀換能器模擬裝置具有較大的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景，通過(guò)開(kāi)展該項(xiàng)目能夠?yàn)檩爡^(qū)內(nèi)二十多艘水面艦艇同型測(cè)深儀提供高效率的保障能力，此外該模擬換能器還能適用于工作頻率相近的測(cè)深儀的維修保障?？蓱?yīng)用于基地級(jí)維修及中繼級(jí)臨搶修，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)場(chǎng)及碼頭系泊條件下閉環(huán)維修的檢測(cè)、測(cè)試和驗(yàn)證；應(yīng)用于艦員級(jí)維修，可以實(shí)現(xiàn)艦艇在航，艦員自主定性判別故障點(diǎn)，縮短維修時(shí)間，提高預(yù)先維修的效率。該換能器模擬裝置與實(shí)裝連接調(diào)試如圖7所示。

表1 實(shí)用測(cè)深儀模擬換能器應(yīng)用前后保障效能對(duì)比

圖7 實(shí)裝連接調(diào)試圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從某新型測(cè)深儀維修保障需求出發(fā)，在對(duì)測(cè)深儀工作原理和該型測(cè)深儀技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款某新型測(cè)深儀專(zhuān)用換能器模擬裝置，取得了良好的應(yīng)用效果，能滿(mǎn)足該新型測(cè)深儀內(nèi)場(chǎng)中修調(diào)試和臨搶修的需求，具有較高的軍事經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳永明.便攜式測(cè)深儀換能器模擬裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].船電技術(shù),2012,(5):29 -32.

[2]宛寧.回聲測(cè)深儀的原理及其應(yīng)用[J].導(dǎo)航,2010,(3):69-71.

Designing and Realization of Special Simulative Instrument for a New Sounding Transducer

Wang Yunpeng,Xu Wang,Wu Yongming
（No.902 Factory of Navy,Shanghai 200083,China）

Abstract：The sounding transducer is the sensor of the sounding instrument.The transducer special simulative instrument is developed for debugging and repairing of the sounding transducer in the workshop or occasional repairing.This paper introduces technological design procedure,development process and application of a new sounding transducer special simulative instrument based on the principle of sounding instrument.

Keywords:sounding transducer; echo; simulative instrument

作者簡(jiǎn)介：王云鵬（1974-）， 男，高級(jí)工程師。研究方向：艦船技術(shù)保障。

收稿日期：2015-11-19

中圖分類(lèi)號(hào)：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）02-0045-04