一種深度測(cè)量電路在吊放聲吶中的應(yīng)用

袁青裕 汪雪蓮

（第七一五研究所，杭州，310023）

1 引言

壓力傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、船舶等眾多行業(yè)?；趬毫鞲衅鞯纳疃葴y(cè)量電路是水下分機(jī)傳感器單元的重要組成部分，主要用于測(cè)量吊放聲吶水下分機(jī)基陣的入水深度，輸出的深度信號(hào)不僅為聲吶發(fā)射功率大小及溫深剖面圖繪制給出依據(jù)，還為飛控確定飛機(jī)高度提供參考，是關(guān)系到飛機(jī)安全和聲吶工作性能的重要輔助信號(hào)。

本文介紹的深度測(cè)量電路用于替代引俄吊放聲吶中深度測(cè)量模塊。俄制深度測(cè)量模塊采用上世紀(jì)六、七十年代的電子技術(shù)，該模塊以壓力感應(yīng)薄膜的形變指示壓力。最早引進(jìn)的俄制吊放聲吶深度測(cè)量模塊已基本接近或超過穩(wěn)定工作壽命，進(jìn)入了器件失效故障高發(fā)期。隨著俄制吊放聲吶使用時(shí)間的加長(zhǎng)，發(fā)生故障的數(shù)量會(huì)成倍增長(zhǎng)，研制國產(chǎn)深度測(cè)量電路已成為目前的迫切需要。

設(shè)計(jì)的深度測(cè)量電路研制原則是整體性能與原型部件保持一致，結(jié)構(gòu)、外部接口（包括電路接口和機(jī)械接口）與原型部件相同。原型部件共設(shè)七個(gè)接線端子，接口定義見表1。

表1 原型深度測(cè)量部件接口定義

深度測(cè)量電路與原型部件的工作環(huán)境一致，且輸入、輸出信號(hào)相同，供電電源使用水下分機(jī)提供的36 V、400 Hz交流電，為保證干端設(shè)備對(duì)深度信號(hào)的正確分析，深度測(cè)量電路輸出信號(hào)的角度值與深度值成正比，比例系數(shù)為1°/m，與原型部件一致。采用新型半導(dǎo)體壓電阻型傳感器探頭，不僅實(shí)現(xiàn)了小型化、模塊化，其精度和可靠性也得到了顯著提高。通過將深度信號(hào)由常用的直流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槁晠人璧膬陕方涣餍盘?hào)，實(shí)現(xiàn)深度信息在吊放電纜中的長(zhǎng)線傳輸。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 組成及原理

深度測(cè)量電路包括電源模塊、壓力傳感器探頭、信號(hào)調(diào)理電路、旋轉(zhuǎn)變壓器等部分。原理框圖如圖1所示。

圖1 深度傳感器電路原理框圖

深度測(cè)量電路工作原理如下：壓力傳感器探頭利用壓電轉(zhuǎn)換原理產(chǎn)生包含深度信息的直流信號(hào)至信號(hào)調(diào)理電路，信號(hào)調(diào)理電路將傳感器探頭所感應(yīng)的微弱信號(hào)放大，并通過A/D轉(zhuǎn)換將直流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成含有深度信息的數(shù)字信號(hào)，旋轉(zhuǎn)變壓器電路將攜帶深度信息的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲吶所需的兩路相互正交的正余弦400 Hz的交流信號(hào)，通過公式α=arctg(X1/X2)（式中X1、X2分別表示兩路輸出信號(hào)）計(jì)算出角度，再按1°/m的比例換算成壓力，并實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的隔離驅(qū)動(dòng)。電源轉(zhuǎn)換模塊將水下分機(jī)提供的36 V、400 Hz交流電轉(zhuǎn)換成各部件所需的直流電。

2.2 電源模塊電路設(shè)計(jì)

電源模塊由整流濾波電路、DC/DC模塊和二次穩(wěn)壓模塊構(gòu)成。深度測(cè)量電路供電電源為36 V、400 Hz交流電，整流濾波電路將交流電壓整流成直流電壓，再由DC/DC模塊變換為±15 V的電壓供傳感器信號(hào)調(diào)理電路和旋轉(zhuǎn)變壓器所用。

電源噪聲是電路噪聲的主要來源，而傳感器感應(yīng)的是微弱信號(hào)，電路的噪聲需要降到微伏級(jí)以下。為降低電路噪聲，我們?cè)谶x用高效率、低噪聲DC/DC模塊的基礎(chǔ)上，還采用紋波極低的二次穩(wěn)壓模塊為前級(jí)傳感器和傳感器調(diào)理電路供電。

旋轉(zhuǎn)變壓器參考電壓直接由36 V、400 Hz交流電提供，保證與接收部分的400 Hz的載波同頻同相。

2.3 深度傳感器電路設(shè)計(jì)

深度傳感器探頭采用 NPI系列壓力傳感器探頭，壓敏電阻、傳感器芯片被封裝在能隔離測(cè)量介質(zhì)且充滿液體的腔體內(nèi)，腔體由不銹鋼膜片和不銹鋼腔體組成。該傳感器探頭在惡劣環(huán)境中使用時(shí)，仍能保證卓越的靈敏度、線性度以及硅傳感器的遲滯效應(yīng)。

圖2 深度傳感器探頭原理圖

壓力傳感器探頭具有以下優(yōu)良特性：固態(tài)傳感器的高可靠性；1.0 mA激勵(lì)電流下200 mV FSO的高靈敏度；采用316不銹鋼，強(qiáng)度高；典型線性度，0.1%FSO；典型溫度準(zhǔn)確度，0.2%FSO[1]。

2.4 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路將傳感器探頭所感應(yīng)的微弱信號(hào)放大，并通過單片機(jī)完成A/D轉(zhuǎn)換，將直流模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成含有深度信息的數(shù)字信號(hào)。

直流前置放大電路負(fù)責(zé)對(duì)微弱感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大，是傳感器信號(hào)調(diào)理電路的主要組成部分，該電路必須具有低噪聲、高線性度等特性。為保證深度傳感器的性能，直流前置放大器采用 TI公司的精密儀表放大器實(shí)現(xiàn)。

2.5 旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)變壓器電路是輸出級(jí)電路，不僅要將攜帶深度信息的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成兩路正交的400 Hz角度信號(hào)，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的隔離驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)擬選用專用數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器 14SXZ34A（7.8V）3L-5，能提供5 VA的驅(qū)動(dòng)能力，能較好地適應(yīng)各種負(fù)載。

旋轉(zhuǎn)變壓器可將二進(jìn)制數(shù)字角度量轉(zhuǎn)成含有該數(shù)字角度量的電信號(hào)輸出。二進(jìn)制數(shù)字角度量采用了 LS/CMOS 數(shù)字鎖存，輸入和輸出交流信號(hào)采用輸入、輸出變壓器隔離，這樣使得轉(zhuǎn)換器在使用中不用外加數(shù)字鎖存器，旋轉(zhuǎn)變壓器的原理框圖如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)變壓器原理框圖

輸入?yún)⒖夹盘?hào)RH、RL經(jīng)隔離變壓后，給正余弦乘法器提供參考電壓V0，V0＝E0sinωt。數(shù)字角度量輸入后，經(jīng)數(shù)字鎖存器把低 12 位連接到正余弦乘法器，高2位連接到象限選擇開關(guān)，以形成全象限的正、余弦信號(hào)，經(jīng)過功率放大器進(jìn)行放大，最后由輸出變壓器升壓隔離形成四線二相的旋轉(zhuǎn)變壓器信號(hào)輸出。

該模塊除具有較強(qiáng)的負(fù)載能力外還具有以下優(yōu)良特性：高精度，14位分辨率，精度±6′；輸出變壓器隔離 500 Vdc；寬溫度范圍：?55℃～+85℃；完善的保護(hù)功能，具有過流、過熱保護(hù)功能[2]。

3 試驗(yàn)結(jié)果

在適當(dāng)?shù)臏y(cè)量條件下，通過壓力計(jì)對(duì)深度傳感器探頭打壓，調(diào)整壓力計(jì)使壓力由0 ～1.5 MPa輸出，每隔0.5 MPa記下壓力計(jì)實(shí)際壓力P01和深度測(cè)量電路兩路輸出電壓表1和電壓表2 的電壓值X1（sin值）、X2（cos值）。根據(jù)公式α=arctg(X1/X2)逐次求出方位角α，并按 1°/m 每米的比例求出實(shí)測(cè)壓力P02，將實(shí)測(cè)壓力P02與實(shí)際壓力測(cè)出的壓力P01相減，兩者之差的絕對(duì)值即為深度傳感器誤差。試驗(yàn)結(jié)果見表2。滿足深度0～150 m、誤差不大于 ±1 m的技術(shù)要求。

表2 深度測(cè)量電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 性能參數(shù)對(duì)照表

由于采用新型半導(dǎo)體壓電阻型傳感器探頭替代了傳統(tǒng)的機(jī)械式壓力傳感器，加上電子電路和旋轉(zhuǎn)變壓器的應(yīng)用，使得文章中設(shè)計(jì)的深度測(cè)量電路在測(cè)量精度、輸出負(fù)載能力及抗電子干擾能力均優(yōu)于俄制同類產(chǎn)品，技術(shù)指標(biāo)對(duì)照表見表3。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種深度測(cè)量電路的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)分析了電路各部分的工作過程和設(shè)計(jì)思路。目前，該深度測(cè)量電路裝置已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室及湖試中進(jìn)行了多次驗(yàn)證，并完成裝機(jī)驗(yàn)證試飛。深度測(cè)量電路的國產(chǎn)化有利于軍備保障的及時(shí)性和高效性，實(shí)現(xiàn)引進(jìn)裝備的國內(nèi)自主維修保障，具有重要的軍事和經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 連云港杰瑞電子公司.產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊(cè)[M].2003.[2] GE公司.傳感與測(cè)量[M].出版時(shí)間不詳.