計程儀電磁傳感器水下檢測方法研究

尹偉偉，董文慶

(1.海軍902廠，上海 200083;2.海裝艦技部，北京 100841)

計程儀電磁傳感器水下檢測方法研究

尹偉偉1，董文慶2

(1.海軍902廠，上海 200083;2.海裝艦技部，北京 100841)

計程儀電磁傳感器安裝于艦艇底部，當傳感器處于水下狀態(tài)時，電極導線腐蝕受損等故障難以通過正常方法進行檢測。采用雙極性脈沖法實現(xiàn)電導測量，同時進行阻抗測量、模擬傳感器信號與測量傳感器信號相結合的方法，達到了檢測傳感器的目的。

計程儀;傳感器;電導;檢測

0 前言

計程儀是艦艇重要的航海裝備，向用戶發(fā)送艦艇的航速、航程信息，對于安裝慣性導航系統(tǒng)的水下艦艇其地位尤顯突出，如果計程儀損壞將嚴重影響慣性導航系統(tǒng)的定位精度。電磁傳感器是計程儀常見的傳感器，基本安裝于艦艇底部。計程儀傳感器大部分可以隨時進行性能檢測，但由于艦艇的計程儀電磁傳感器，固定安裝于艦艇底部，一旦出現(xiàn)電極腐蝕、感應線路損傷等導致感應信號失常故障時，無法通過常用方法直接檢測其狀態(tài)，潛艇必須進塢或上排才能確定故障。這種方法耗資巨大，而且萬一不是傳感器出現(xiàn)故障，將會造成極大的浪費。為解決這一難題，采取利用電導測量、阻抗測量、模擬傳感器信號與測量傳感器信號相結合的方法，達到檢測傳感器的目的。

1 背景分析

電磁傳感器主要由敏感頭、不銹鋼外殼、玻璃鋼護罩、水密連接器等組成。圖1是某型計程儀的平面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

圖1 平面?zhèn)鞲衅魍庑螆D (兩組電極)

平面?zhèn)鞲衅鞴ぷ髟硎抢眉ご烹娏髟趥鞲衅髅舾蓄^周圍形成磁場，當艦船行駛時傳感器相對海水移動，海水作為導體切割磁力線產(chǎn)生的感應電勢被安裝于敏感頭的感應電極獲取，形成交流電壓經(jīng)電纜傳輸至前置放大器，計程儀通過一系列解算獲得艦船目前相對海水的速度。根據(jù)保障的經(jīng)驗，該類傳感器最容易出現(xiàn)的故障就是電極與密封材料之間產(chǎn)生縫隙，海水滲透后腐蝕電極引出線導致線路中斷或阻值增大，從而微伏級的感應電壓在傳輸過程中將衰減或湮沒造成計程儀無法正常工作。正常的檢測方法就是測量電極至前放的阻值，但由于傳感器固定安裝于艇底，兩個電極裸露于海水中，無法直接檢查電極至前放的阻值。曾經(jīng)試驗采用連同海水阻值一起測量的方法，位于前放的電極兩根引出線用萬用表直接測量電阻，測量值變化相差數(shù)百歐姆，而電極至前放的正常阻值小于2 Ω，所以測量根本無法判斷線路的好壞，除非上排或進塢。

2 方法的提出

艦艇上排或進塢是按照既定計劃進行的，一般不可能改變計劃，但由于計程儀故障將導致艦艇無法正常航行，所以必須研究在水下狀態(tài)檢測傳感器的方法。

前面提到傳感器最常見的故障是電極引線故障，但故障遠不止這一種，只是其它故障相對容易判斷，如絕緣下降、激磁線圈故障等。在研究傳感器檢測方式時必須將所有因素一并考慮，確定傳感器的測試直接需求，即:①激磁、信號線路的絕緣值;②信號線路的電阻值;③激磁線路的阻抗值;④感應信號的測量值。這幾項測量值如果正常則傳感器正常，但測量方法的選擇關系到測量結果的有效性。

首先，線路絕緣值通過普通兆歐表可以準確判斷;其次，阻抗值需要阻抗測試儀測量，而阻抗測試儀由于測量范圍較大一般比較笨重，難以攜帶，不利于艦艇碼頭修理使用，感應信號屬于微伏級信號，普通示波器和萬用表無法測量，必須使用6位半以上精度的儀表;再次，信號線路的電阻值無法直接測量。

為了更加準確地判斷傳感器故障，利用故障診斷排除法的原理，設計傳感器信號模擬器，產(chǎn)生設定航速相應的傳感器輸出信號，直接發(fā)送至前置放大器，與計程儀解算的航速進行比對，如果正常則說明計程儀除傳感器以外部分工作正常，增加對傳感器故障判斷的證據(jù)。

從方便維修的角度出發(fā)，設計一種能融合上述功能的專用檢測設備將提高維修人員的效率。

2.1 通過電導測量解決電阻無法直接測量的難題

由于傳感器電極處于海水中，海水是電解質溶液，具備導電能力，屬于第二類導體，通常電解質溶液的導電能力用電導來衡量，電導即溶液電阻的倒數(shù)，把電導作為測量對象就可以有效解決無法通過電阻測量進行判斷的難題，但必須解決測量電導過程中體現(xiàn)電極部分腐蝕或電極至前放的線路受損產(chǎn)生的影響。

電極在溶液中會產(chǎn)生極化效應和電容效應，電極在溶液測量中表現(xiàn)為復雜的電化學系統(tǒng)［1］，為防止電導電極的極化，產(chǎn)生嚴重的測量誤差，必須對傳感器工作狀態(tài)的電化學進行分析，找出其數(shù)學模型，進而用對應的測量方法進行測量。

傳感器安裝在艇上時，電纜、電極與海水構成測量回路，其等效電路如圖2。

圖2 傳感器在海水中的等效電路圖

Zf，Z'f分別表示兩個電極的交流阻抗，通常稱為法拉第阻抗，Cd和C'd分別表示兩個電極的雙電層電容［2］，R1為溶液電阻。

通過一系列等效變換和簡化，測量電極間的電導為:

由于我們采用1 kHz的交流脈沖進行測量，Zf可以通過變換忽略，則:

電極處于海水中，它們間的電阻需根據(jù)穩(wěn)恒電流場來計算。為此，我們可以先考慮處于靜電場中的電極間的電阻計算情況，如圖3有一對處于均勻介質中的兩個金屬電極，半徑為r，球心相距l(xiāng)，分別帶電為q和－q，若兩球電勢差為U，則此靜電場和穩(wěn)恒電流場具有完全相同的解［3］。

圖3 一對處于海水中的兩個金屬電極示意圖

我們測量的電極r=0.3 cm，l=2.4 cm。l較r大出許多，所以，可以對這一模型作如下簡化:忽略球A與球B之間的靜電感應，認為球A與球B上的電荷是均勻分布的，這樣，可以簡單算出離A球心距離為l1的C點的電場強:

方向由A指向B，ε為電勢能。

于是兩球電勢差為:

根據(jù)對偶關系，作變換:ε→σ，U→U，q→I。

σ為海水的電導率，U為電壓，I為電流。

可得對于海水中穩(wěn)恒電流場有:

通過一系列模型變換、簡化和推導，就可以將復雜的因素忽略，通過建立的數(shù)學模型和固定參數(shù)得到傳感器電極間電導的理論值，再通過電導的測量實現(xiàn)對傳感器的判斷。

2.2 設計感應信號檢測電路解決微弱信號測量難題

為排除外界干擾，檢測設備將提供傳感器激磁電源，傳感器信號幅值很小，僅200 μV/kn，這對信號檢測電路的設計提出很大的挑戰(zhàn)，如何把放大器增益設計到60 dB以上以便識別，又能夠去掉環(huán)境噪聲，是必須解決的難題。由于微弱信號幅度很小，因此電路必須具有很高的共模抑制比，抑制共頻干擾以及其它可能的干擾。另外，為有效地減小信號源內阻的影響，需設計較大的電路輸入阻抗。

2.3 設計阻抗測量電路解決阻抗測試儀笨重的問題

傳感器的電阻、電容和電感也是重要的測試參數(shù)，在該傳感器測量特定的條件下，我們舍棄了通用阻抗測試儀的其它功能，如寬幅測量范圍，采用成熟的阻抗測量技術，設計阻抗測量模塊實現(xiàn)對傳感器的測量判斷。

2.4 設計傳感器信號模擬電路用于驗證傳感器以外部分正常

根據(jù)對計程儀傳感器信號的分析，設計頻率相同、波形和幅值相似的信號發(fā)生電路，模擬傳感器工作，并可設定模擬艦艇不同的航速，可以準確判斷計程儀解算電路工作是否正常。

3 技術實現(xiàn)

3.1 電導測量的實現(xiàn)

電導測量是重點研究的內容。電極電導測試電路采用雙極性脈沖測量法，具體如下。

1)傳感器感應電極的回路，如圖4所示。

圖4 感應電極的回路電路圖

2)電壓激勵信號電路，如圖5所示。

雙極性脈沖電壓源的輸出為幅值相同，極性相反，波形類似于方波的信號Vi。由于在激勵信號的前半個周期和后半個周期，激勵電流同值反向，被測系統(tǒng)中介質極化現(xiàn)象就得以削弱，通過系統(tǒng)軟件的控制，經(jīng)放大器放大輸出的電壓信號Vo在被采樣時己經(jīng)穩(wěn)定。

圖5 電壓激勵信號電路圖

3)等效電阻測量原理，如圖6所示。

圖6 測量工作原理圖

圖6是基于雙極性脈沖電壓激勵的電阻測量電路的原理圖，該模型是建立在以正負脈沖電壓作為電導信號測量系統(tǒng)激勵源的基礎上的，在消除了極化因素與寄生電容的影響下，可以將被測的兩個電極之間的電導看作純電阻。激勵電壓源通過對該電極對的輸入端施加激勵而在被測介質內建立電流場，在測量的某一時間間隔內，等效電阻將受到直流信號的激勵，與電壓、電流間遵循歐姆定律，被測介質的電導與反向放大器的輸出電壓成線性關系［4］。這樣我們就可以通過電導測量的方法檢測出等效電阻的變化，判斷電極與引出導線之間電阻是否變化，從而達到檢測傳感器電極回路是否正常的目的。

4)檢測電路。

檢測電路框圖如圖7所示。主要由反相放大電路、程控放大器、AD/轉換器和單片機等電路組成。

圖7 電導測量電路框圖

3.2 其它電路的實現(xiàn)

由于其它電路設計主要參考國內外較為成熟的技術，加以改進和重組，此文不再贅述。

3.3 驗證效果

專用測試設備研制后，為檢驗電導測量數(shù)學模型的正確性，將傳感器放入配置好的海水中測量得到以下數(shù)據(jù)，溶液電導率39.6 mS/cm，電極間電導 74.7 mS。

將溶液電導率帶入推出的電導計算公式，可得到:

理論計算值與實驗數(shù)據(jù)相比，電導值比較接近，誤差主要在于忽略了法拉第阻抗和雙電層容抗的影響。但其誤差不到15%，相比電阻率測量數(shù)百倍的誤差，測量置信度得到了大幅提升。

利用經(jīng)過計量的高精度數(shù)字多用表、阻抗測試儀的測量結果與設計的感應信號檢測電路和阻抗測量電路測量結果進行比對，誤差在5%以內，符合測試要求。

在專用旋轉水槽中利用完好的傳感器輸出信號與設計的傳感器信號模擬器設定輸出信號進行比對，頻率一致，波形誤差小于10%，幅值誤差小于5%;模擬器接入計程儀并給定航速后，計程儀顯示航速與設定航速誤差小于5%，滿足驗證要求。

4 結論

通過反復論證、研究和試驗，提出了采取利用電導測量、阻抗測量、模擬傳感器信號與測量傳感器信號相結合的方法，達到了在水下狀態(tài)檢測并判斷傳感器好壞的目的。解決了目前該裝備保障中的難題。

［1］胡宗定，王一平.工程電導測試技術 ［M］.天津:天津大學出版社，1990.

［2］甄寶貴.一種特殊類型的工業(yè)電導儀 ［J］.化工自動化及儀表，1998(4)，53－55.

［3］楊孫楷，張潞群，曹澄，等.電導率基本測量方法［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1983.

［4］顧敏杰.ddg－5205型工業(yè)電導率儀的研制 ［J］.分析儀器 ，1998(1)，10－12.

Electromagnetic sensors of log are fixed to the bottom of the warship.If the sensor submerges，the electrode＇s wire was eroded，we can＇t detect the failure by normal device.We＇ve conquered the difficulty by adopting the method of gauging the electrical conductance based on bi-directional pulsed voltage technique，combining gauge the impedance and signal of sensor and simulating the signal of sensor.

log;sensor;electrical conductance;detect

U672

C

1001－8328(2012)05－0024－04

尹偉偉 (1974-)，男，江蘇金壇人，高級工程師，工程碩士，主要從事艦船裝備技術保障工作。

2012－06－21