唐　彪　孫琎燁　郝學超　李耀波

(92956部隊　大連　116041)

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聲納換能器等效電容自動測量電路設(shè)計*

唐彪孫琎燁郝學超李耀波

(92956部隊大連116041)

摘要采用傳統(tǒng)的測量手段對聲納換能器進行檢測需要利用常規(guī)電子儀器，操作復(fù)雜，效率低下。為了提高效率，利用現(xiàn)代電子測量技術(shù)設(shè)計了一種換能器等效電容自動測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全面、快速、準確地完成等效電容的檢測。較之傳統(tǒng)測量方式，整個系統(tǒng)操作過程簡單、界面友好，實現(xiàn)了測量自動化，提高了裝備維修保障效率。

關(guān)鍵詞換能器; 等效電容; 測量; 維修保障

Class NumberTB52

1引言

聲納換能器是聲納設(shè)備進行水下目標搜索、定位和類型判別的傳感器件，通常利用壓電材料的壓電效應(yīng)[1～2]，實現(xiàn)機-電能量的相互轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)代大型聲納設(shè)備均由數(shù)百個換能器基元組成換能器陣列，以提高目標的探測距離和定位精度[3]，由于聲納換能器長時間受環(huán)境溫度和環(huán)境濕度的影響[2]，引起聲納換能器的絕緣電阻和等效電容量指標下降，因此，使用人員必須定期對換能器進行指標測量和維護保養(yǎng)。傳統(tǒng)的測量和維護保養(yǎng)工作采用人工邊測量邊記錄的方式進行，即耗時又耗力，鑒于此，本文介紹一種基于MCU的智能化、便攜式的多路換能器等效電容測量電路，主要包括電容測量電路設(shè)計思路及組成、測量數(shù)據(jù)存儲程序設(shè)計等。

2電容測試系統(tǒng)組成

電容測試系統(tǒng)組成如圖1所示。該測試系統(tǒng)是基于STC12C5A60S2單片機為主控芯片的自動測量系統(tǒng)，STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍，應(yīng)用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)[4]，能夠滿足用戶應(yīng)用程序存儲空間和測量速度的需求。

圖1　靜態(tài)參數(shù)測試儀電容測量原理圖

3電容測量電路

目前，常用的電容量測量方法包括脈沖計數(shù)法、阻抗法和恒壓充電法等。

3.1脈沖計數(shù)法原理

由被測電容組成振蕩電路產(chǎn)生持續(xù)脈沖信號，單片機在規(guī)定時間內(nèi)對脈沖計數(shù)(即測頻)，從而反演出被測電容容量[5]。本測試儀在設(shè)計之初采用此方法對電容進行測量，但在實際測量中發(fā)現(xiàn)此方法存在兩個缺陷，一是當切換被測電容時振蕩電路有時不起振，必須重新上電后振蕩電路才開始工作；二是振蕩頻率存在溫漂，被測電容前后測量數(shù)值相差較大。

3.2阻抗法原理

利用DDS器件產(chǎn)生一定頻率的正弦波作為待測電容的輸入信號，通過電容-電壓轉(zhuǎn)換模塊將待測電容值轉(zhuǎn)換為電壓有效值[6]。為了提高電容測量的精度，該方法必須具備兩個條件:一是正弦信號發(fā)生器必須產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的正弦波，二是要盡可能地減小電容-電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電噪聲，因此該方法硬件電路設(shè)計要求較高，成本偏高。

3.3恒壓充電法

采用一個電阻和電容串聯(lián)，用恒壓源對電容充電[7～8]，同時MCU內(nèi)部定時器/計數(shù)器T0開始計數(shù)，當充電電壓達到某一基準電壓時產(chǎn)生中斷，計數(shù)器停止計數(shù)，測量程序根據(jù)電容電壓充電時間函數(shù)計算出被測電容量。該方法硬件電路簡單，且電容測量值相對穩(wěn)定，因此，本測試儀采用恒壓充電法對電容進行測量。為了彌補測量精度低的缺陷，本測試儀從兩方面入手提高測量精度，一是設(shè)計溫度補償電路減少硬件電路產(chǎn)生的溫漂，使產(chǎn)生電容中斷計數(shù)信號的基準電壓恒定，二是電容測量軟件程序優(yōu)化。具體電容測量電路如圖2所示。

圖2　電容測量電路

其中Q1、Q3、Q4、Q6與R4、R7、R10、R13組成四量程選擇電路，選擇與被測電容串聯(lián)充電電阻；Q2和Q5及其外圍電路組成電容放電電路，為了使被測電容迅速放電，電路中R5選擇大功率小阻值電阻，并且在測量程序中設(shè)置有充分延時，確保被測電容在下一次開始充電之前充分放電；Q7、Q8及其外圍器件組成溫度補償電路，以減少硬件電路產(chǎn)生溫漂對測量精度的影響[9]。

3.4電容測量精度分析

(1)

用Matlab仿真10nf～100nf電容充電過程如圖3所示。

圖3　電容充電過程

其中U=5V，R=10K，由圖3和式(1)可以看出，當充電中斷電壓Uc恒定時，電容值與充電時間呈線性關(guān)系，將式(1)轉(zhuǎn)換為C=K×count/f，其中f為單片機定時器計數(shù)頻率，count為電容充電電壓從0～Uc時間內(nèi)定時器計數(shù)值，可見K值的大小決定了電容測量值的分辨率，K值越小，電容測量值分辨率越高。但是，K值不能無限制地減小，因為當測量某一容量電容，且計數(shù)頻率f一定時，K值減小必然要求計數(shù)器計數(shù)值count增大，而單片機定時器/計數(shù)器為16bit定時器，最大計數(shù)值為65536，再則，考慮測量程序浮點運算因素，最大計數(shù)值應(yīng)限制在幾千以內(nèi)；同時，K值的減小也會導(dǎo)致量程的測量范圍減小。

綜合以上分析，本測試儀將充電中斷電壓Uc設(shè)置為3.5V，串聯(lián)充電電阻分別為1KΩ、10KΩ、100KΩ和1MΩ，定時器計數(shù)頻率f為921.6KHz，則各量程理論電容測量分辨率和測量范圍如表1所示。

表1　電容測量范圍及分辨率統(tǒng)計表

表2列出本測試儀2uF～200nF和200nF～20nF量程部分電容實測值。

表2　電容測量實測值(2μF～20nF)

4測量數(shù)據(jù)的保存與上傳

4.1測量數(shù)據(jù)的保存

根據(jù)設(shè)計要求，為保證在系統(tǒng)斷電狀態(tài)下測量數(shù)據(jù)不丟失，本測試儀采用CATALYST 公司的CAT24WCxx系列存儲芯片作為外部存儲器，該系列存儲芯片采用先進CMOS技術(shù)減少了器件的功耗，通過I2C 總線接口進行操作，并有一個專門的寫保護功能[10]。為了使用戶有效利用有限的數(shù)據(jù)存儲空間，本測試儀設(shè)計了用戶數(shù)據(jù)查看功能，即當一組數(shù)據(jù)測量結(jié)束時，用戶可現(xiàn)場調(diào)用“查看”功能，通過液晶顯示器分頁查看暫存區(qū)測量數(shù)據(jù)，用戶如果對測試數(shù)據(jù)存在疑問，可重新多路或單路測量，直至確保測量數(shù)據(jù)可靠、準確，最后通過“保存”操作，將暫存區(qū)測量數(shù)據(jù)保存到上傳數(shù)據(jù)存儲區(qū)，并可通過“上傳”功能將測量數(shù)據(jù)上傳至上位機。表3列出了本測試儀外部存儲器存儲空間分配情況(8通道測試)，這種存儲方式有效地解決了大量無效數(shù)據(jù)占用有限存儲空間的弊端，使用戶最大化地利用存儲空間。

4.2測量數(shù)據(jù)的上傳

本測試儀具有數(shù)據(jù)上傳功能，并通過上位機程序?qū)y量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，作為聲納裝備換能器維修或更換的依據(jù)。數(shù)據(jù)的上傳通過RS232串口進行傳輸，數(shù)據(jù)上傳流程如圖4所示。

表3　數(shù)據(jù)存儲空間分配

圖4　數(shù)據(jù)上傳流程

在數(shù)據(jù)上傳過程中，如果數(shù)據(jù)上傳失敗次數(shù)為5次，則退出數(shù)據(jù)上傳，用戶可檢查RS232串口通信狀態(tài)后，重新建立通信進行數(shù)據(jù)上傳；同時，為了驗證上傳數(shù)據(jù)是否正確，采用上傳數(shù)據(jù)位異或方式生成數(shù)據(jù)校驗碼，與上位機程序生成的數(shù)據(jù)校驗碼進行校驗，以此校驗方式來判斷上傳數(shù)據(jù)的正確性。

5結(jié)語

本文從提高現(xiàn)代數(shù)字聲納換能器維修保養(yǎng)效率的角度出發(fā)，利用現(xiàn)代電子技術(shù)，結(jié)合多路換能器等效電容測量的特點，設(shè)計了聲納換能器等效電容自動測量系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠快速、高效地檢測換能器等效電容參數(shù)，具有體積較小、智能化、性價比高等優(yōu)點。經(jīng)過聲納維修保障中實際使用表明，系統(tǒng)可靠性、測量精度均滿足聲納換能器等效電容參數(shù)檢測要求。

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Design of Sonar Transducer Equivalent Capacitance Automatic Testing Cirsuit

TANG BiaoSUN JinyeHAO XuechaoLI Yaobo

(No. 92956 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIt needs to adopt conventional electronic devices if the traditional measuring means are used to test sonar transducer. The traditional measuring means is complicated and inefficient. In order to improve the efficiency, a kind of sonar transducer equivalent capacitance automatic test system is designed by use of modern electronic measurement technology. The equivalent capacitance can be comprehensively, rapidly and accurately tested by using of the system. Compared with traditional measuring method, the system has the advantages of simple operation and friendly interface. At the same time, the system can achieve automatic measurement and improve the efficiency of equipment maintenance and support.

Key Wordstransducer, equivalent capacitance, measurement, maintenance support

* 收稿日期：2015年11月5日,修回日期：2015年12月17日

作者簡介：唐彪，男，工程師，研究方向：電子裝備綜合保障、電子測量。孫琎燁，男，碩士，工程師，研究方向：水聲電子技術(shù)、電子測量。郝學超，男，碩士，工程師，研究方向：電子裝備維修保障、水聲工程。李耀波，男，博士，工程師，研究方向：電子裝備綜合保障、水聲工程、水聲測控技術(shù)。

中圖分類號TB52

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.038