基于壓力應(yīng)變的可升降水速測(cè)量?jī)x研制與試驗(yàn)驗(yàn)證

俞賓　龔征華

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種基于壓力應(yīng)變?cè)淼目缮凳剿贉y(cè)量?jī)x。首先基于壓力應(yīng)變?cè)韺?shí)現(xiàn)了水速-壓力-電壓的測(cè)量與轉(zhuǎn)換;其次采用電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)水速測(cè)量?jī)x的便捷實(shí)用。水速測(cè)量?jī)x包括壓力應(yīng)變儀、升降機(jī)構(gòu)、控制器、以及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。最后通過(guò)水池拖曳試驗(yàn)和開(kāi)放海域?qū)嵈瑴y(cè)試，表明水速測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)具有較高的測(cè)量精度，在整個(gè)工作范圍內(nèi)性能均能夠滿(mǎn)足使用要求。

關(guān)鍵詞： 水速測(cè)量?jī)x; 壓力應(yīng)變傳感器; 電動(dòng)升降機(jī)構(gòu);? 拖曳試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP 393文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Development and Experimental Verification of Elevating and Subsidable

Water Velocity Measuring Meter Based on Pressure Strain

YU Bin1，? GONG Zhenghua1，2

（1.Marine Design & Research Institute of China， Shanghai 200011， China;

2.Laboratory of Science and Technology on Wateriet Propulsion， Shanghai 200011， China）

Abstract： In this paper， a liftable water velocity measuring instrument is designed based on the principle of pressure and strain. Firstly， the measurement and conversion of water velocity， pressure and electrical signal are carried out on the basis of the pressure and strain theory. To improve the efficiency of water velocity measurement， a liftable electric mechanism is developed using manual and automatic control. The water velocity measuring instrument is composed of a pressure strain gauge， a lifting device， a controller and a data acquisition and processing system. The results of the towing test and the full scale trials in the sea demonstrate that the designed water velocity measuring instrument has high measuring accuracy over its full operating range.

Key words： water velocity measuring instrument; pressure strain gauge; electric lifting device; towing test

0 引言

我國(guó)海岸線(xiàn)漫長(zhǎng)，流域眾多，在沿海及河灘附近工作的特種工作船必不可少，該類(lèi)工作船具有較大的轉(zhuǎn)速工作范圍（從怠速600 r/min到全速2 500 r/min（n-max）），能夠在從灘頭淺水到遠(yuǎn)海深水的各種深度水域開(kāi)展工作。根據(jù)某特種工作船任務(wù)載荷的工作性質(zhì)，有時(shí)需要實(shí)時(shí)獲取船艏相對(duì)于水的航行速度，傳統(tǒng)的GPS[1]、羅經(jīng)[2]等測(cè)速方法，只能獲得船體相對(duì)于地面的速度，因此，有必要研究適用于工作船工況的水速測(cè)量?jī)x，便于船員迅速得到水速數(shù)值，同時(shí)易于操控。

水壓傳感器可將檢測(cè)到的壓力值按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為電信號(hào)[3]，廣泛于各種工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境、水力水電工程及船舶與海洋工程領(lǐng)域[4-6]，本文設(shè)計(jì)了一種基于壓力應(yīng)變?cè)淼目缮邓贉y(cè)量?jī)x，考慮沿海工況的水流速度范圍和船體在不同的航速狀態(tài)下前進(jìn)時(shí)，使用水壓傳感器采集與速度成比例關(guān)系變化的壓力信號(hào)，經(jīng)變換處理可較為便捷地獲得相船體對(duì)于水流的速度，同時(shí)，充分考慮到工程實(shí)用性，為了便于維護(hù)保養(yǎng)，所設(shè)計(jì)的水速測(cè)量?jī)x具有電動(dòng)升降功能，工作狀態(tài)下自動(dòng)從船底甲板伸入水中，在使用結(jié)束后自動(dòng)縮回船體艙室進(jìn)行保護(hù)。

2 工作原理

當(dāng)船舶航行時(shí)，船艏平面會(huì)受到與速度有關(guān)的動(dòng)水壓，而船尾平面則會(huì)受到與水深有關(guān)的靜水壓[4]，這兩個(gè)壓力之間會(huì)產(chǎn)生壓差，可由流體力學(xué)[7]中經(jīng)典的伯努利方程（1）得到式（1）。

上式中：

pρg—壓頭;

h1—水頭，m;

P1—前傳感器壓力，Pa;

P2—后傳感器壓力，Pa;

ρ—水的密度，kg/m3;

g—重力加速度，m/s2;

V1—船初速度，m/s;

V2—船速，m/s;

V22g—速度頭;

若兩個(gè)壓力傳感器安裝高度相同，即h1=h2;

則相應(yīng)來(lái)流速度分別為V1=0，V2=V0（2）式可簡(jiǎn)化為式（3）。

由（3）式可見(jiàn)，壓差ΔP遵循船速V平方函數(shù)關(guān)系ΔP=f（V2），通過(guò)測(cè)試兩個(gè)壓力應(yīng)變片之間的壓差就可以計(jì)算出船艏相對(duì)于水流的速度。

水速測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)主要包括機(jī)械與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電氣部分設(shè)計(jì)[8]。前者完成了設(shè)備的水動(dòng)力線(xiàn)形、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，而后者則完成了水速測(cè)量?jī)x信號(hào)轉(zhuǎn)換、采集與處理等工作。

3 壓力應(yīng)變?cè)砑霸O(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了雙壓力應(yīng)變[9]布置，在船首、尾分別布置壓力應(yīng)變傳感器，位于前進(jìn)方向的壓力傳感器受力面指向前進(jìn)方向，與之相背的壓力傳感器受力面指向船尾。水速測(cè)量?jī)x伸入水中工作時(shí)，壓力傳感器受到船體前進(jìn)方向的水流沖壓，輸出對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，后端的控制器便可以采集到此電壓信號(hào)，當(dāng)航行速度變化時(shí)，水壓的變化會(huì)引起應(yīng)變儀輸出電壓信號(hào)的變化。

為了避免水深靜壓條件造成的傳感器零點(diǎn)信號(hào)的偏差，使壓力傳感器布置在傳感器的同一高度且方向相反的位置。當(dāng)水速測(cè)量?jī)x被放置在水面下任意高度時(shí)，兩個(gè)壓力傳感器所受靜壓相同、方向相反。如果船處于靜止?fàn)顟B(tài)，則此時(shí)兩個(gè)壓力傳感器的壓差為零，水速測(cè)量?jī)x可以不受所處水深靜壓的影響。

考慮到信號(hào)增益，設(shè)計(jì)了放大電路，確保信號(hào)有效傳輸。壓力傳感器則采用體積小，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，可與苛刻介質(zhì)兼容壓阻式壓力傳感器[10-11]。原理圖如圖1所示。

壓力傳感器封裝在不銹鋼外殼內(nèi)，隨著航行速度的變化，壓力傳感器感受到不同的水壓，通過(guò)放大器線(xiàn)路將壓阻變化信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的與航速成比例的電壓信號(hào)。壓力傳感器及性能參數(shù)如表1所示。

4 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

船舶在岸灘、淺水等水域行駛時(shí)，要保證水速測(cè)量?jī)x的正常使用，需要設(shè)計(jì)保護(hù)裝置，保護(hù)水速測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵元件壓力傳感器。為此設(shè)計(jì)了一種升降機(jī)構(gòu)[12]，水速測(cè)量?jī)x不工作時(shí)，為了避免傳感器觸底或者受到水下異物的碰撞、纏繞等造成傳感器損壞，傳感器座收縮于底座中;水速測(cè)量?jī)x工作時(shí)，傳感器座脫離底座，被放入水中。水速測(cè)量?jī)x的機(jī)械結(jié)構(gòu)由手柄、傳動(dòng)電機(jī)、傳感器座、底座和升降機(jī)構(gòu)等組成，如圖2所示。

4.1 底座設(shè)計(jì)

底座為水速測(cè)量?jī)x與車(chē)體連接裝置，用于保護(hù)傳感器座。

傳感器設(shè)計(jì)采用了流線(xiàn)形外形。

流線(xiàn)形傳感器底座，通過(guò)機(jī)械精密加工成型，既可以與底座良好配合，又保證了壓力傳感器不受干擾和損壞。

通過(guò)前期模型摸底試驗(yàn)，流線(xiàn)形傳感器底座在模型試驗(yàn)過(guò)程中，在整個(gè)0～8 m/s的拖車(chē)速度范圍內(nèi)，測(cè)試精度均很好。故最終選用流線(xiàn)形傳感器底座，材料為不銹鋼。

4.2 升降機(jī)構(gòu)

升降機(jī)構(gòu)采用手控電動(dòng)操縱方案。

操縱系統(tǒng)由導(dǎo)向桿、升縮桿、底座、電機(jī)等組成，采用開(kāi)關(guān)控制、電動(dòng)操縱、電氣限位，操作方便，可靠實(shí)用。

水速測(cè)量?jī)x的升降機(jī)構(gòu)采用船上+24 V電源供電，通過(guò)升降啟動(dòng)開(kāi)關(guān)（AN1、AN2）控制電源接通使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工作并通過(guò)絲杠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)上下運(yùn)動(dòng);通過(guò)繼電器（J1、J2）工作選擇控制電機(jī)電源極性，控制電機(jī)轉(zhuǎn)向?qū)崿F(xiàn)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降，通過(guò)機(jī)構(gòu)上下兩端的收、放到位接近開(kāi)關(guān)（K1、K2）控制到位后的電機(jī)斷電停止工作，使水速測(cè)量?jī)x收放到位。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3所示。

上述水速測(cè)量?jī)x體積小，重量輕，可靠性好，且使用、維護(hù)方便。

5 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

水速測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)[13-14]主要由以下幾部分組成：信號(hào)變送單元、計(jì)算機(jī)單元、串行LCD顯示單元、數(shù)據(jù)通信單元和電源單元。數(shù)據(jù)采集處理原理圖[15]如圖4所示。

各功能如下：

信號(hào)變送單元采用運(yùn)算放大器組成，將動(dòng)、靜壓兩個(gè)傳感器的輸出電壓組成差分輸入信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的DC0～3 V信號(hào)，經(jīng)過(guò)R-C濾波消除毛刺等干擾信號(hào)以提高信噪比，并傳送到主控計(jì)算機(jī)單元的A/D采樣端口進(jìn)行進(jìn)一步處理[16]。

主控計(jì)算機(jī)單元是水速測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中樞，其對(duì)模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行A/D采樣轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng)換算得到速度值。主控計(jì)算機(jī)單元主要采用C8051F020單片機(jī)和外部接口電路組成。

C8051F020單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，其內(nèi)核與MCS-51指令集完全兼容[17]。單片機(jī)采用3.3 V工作電源，在單芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有的模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件，包括數(shù)字I/O接口、12位ADC、看門(mén)狗定時(shí)器、內(nèi)部振蕩器以及兩個(gè)獨(dú)立的全雙工串行通信接口（UART0/1）等。

單片機(jī)利用自帶的UART串行通信接口，與外部SN65C1168E雙差分驅(qū)動(dòng)接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)水速信號(hào)的發(fā)送。

主控軟件控制流程圖如圖5所示。

計(jì)算機(jī)單元對(duì)采樣得到的數(shù)字電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波處理[17]，得到準(zhǔn)確穩(wěn)定的平均值，以此作為水速測(cè)量?jī)x測(cè)量結(jié)果。

軟件AD采樣值數(shù)字濾波流程圖如圖6所示。

電源單元為整個(gè)測(cè)量?jī)x提供穩(wěn)定的工作電源。船上提供的+24 V直流電源具有一定干擾，通過(guò)DC-DC模塊得到隔離輸出的+5 V電壓，并通過(guò)L-C濾波后得到相對(duì)穩(wěn)定的工作電源。

計(jì)算機(jī)單元處理得到的水速數(shù)據(jù)，一方面通過(guò)RS422串行通訊接口傳送至船用導(dǎo)航儀使用，同時(shí)在本地測(cè)量?jī)x本地利用LCD顯示器進(jìn)行顯示。水速測(cè)量?jī)x的本地顯示器采用串口顯示屏實(shí)現(xiàn)。主控制器通過(guò)UART串口發(fā)送數(shù)據(jù)至顯示屏，顯示內(nèi)容包括水深（靜壓）、水速（差壓變換結(jié)果）等內(nèi)容，顯示屏分辨率設(shè)置為800*600。

6 測(cè)試結(jié)果及其分析

根據(jù)任務(wù)載荷的穩(wěn)定性需求，水速測(cè)量?jī)x的測(cè)試精度要求±0.1 m/s，完成了產(chǎn)品研制后，先后在兩個(gè)拖曳水池和開(kāi)放海域進(jìn)行了水池拖曳試驗(yàn)和實(shí)船測(cè)試試驗(yàn)。在試驗(yàn)室測(cè)試過(guò)程中通過(guò)控制拖車(chē)的速度，測(cè)試水速測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)精度，水速測(cè)量?jī)x在0～8 m/s速度范圍內(nèi)的測(cè)試精度達(dá)到0.1 m/s設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。在拖曳水池模型試驗(yàn)船上安裝水速測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

在交通部某水池模型試驗(yàn)船上安裝水速測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)水池試驗(yàn)結(jié)果，除了計(jì)算單點(diǎn)的數(shù)據(jù)偏差/率，還采用最小二乘逼近法進(jìn)行了試驗(yàn)區(qū)間的線(xiàn)性趨勢(shì)預(yù)估，兩次水池試驗(yàn)的線(xiàn)性回歸曲線(xiàn)如圖7、圖8所示。

從兩次水池試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸曲線(xiàn)結(jié)果可以看到，在整個(gè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)區(qū)間的線(xiàn)性回歸系數(shù)分別達(dá)到了0.999和1。表明水速測(cè)量?jī)x在水池試驗(yàn)中對(duì)水池拖車(chē)速度的測(cè)試結(jié)果，不但在單點(diǎn)數(shù)據(jù)上偏差較小，同時(shí)在整個(gè)測(cè)試區(qū)間范圍內(nèi)，對(duì)于拖車(chē)實(shí)際速度的跟蹤性能都很穩(wěn)定。

在拖曳水池試驗(yàn)中，當(dāng)船模在水中以不同速度穩(wěn)定行駛時(shí)，由水速測(cè)量?jī)x測(cè)得運(yùn)動(dòng)速度的時(shí)歷曲線(xiàn)如圖9所示。

從中可以看出，水速測(cè)量?jī)x實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)不但比較準(zhǔn)確，而且在各工作點(diǎn)均沒(méi)有毛刺點(diǎn)出現(xiàn)，系統(tǒng)工作比較穩(wěn)定，這也為后期的開(kāi)放水域環(huán)境實(shí)際使用奠定了良好的基礎(chǔ)。

完成試驗(yàn)室測(cè)試后，水速測(cè)量?jī)x裝船到開(kāi)放水域進(jìn)行了實(shí)船試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)大綱的要求，在2級(jí)以下的海況條件，對(duì)包括水速測(cè)量?jī)x在內(nèi)的裝船任務(wù)載荷進(jìn)行了相關(guān)性能試驗(yàn)，水速測(cè)量?jī)x在2級(jí)以下海況的實(shí)際工作情況如表4所示。

分析上述測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：

（1） 水速測(cè)量?jī)x在拖曳水池測(cè)試結(jié)果得到，最大偏差均在0.1m/s范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求;可以證明水速測(cè)量?jī)x的工作性能是穩(wěn)定可靠的;

（2） 從開(kāi)放水域的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，部分測(cè)點(diǎn)的偏差超出了設(shè)計(jì)指標(biāo)值，但是考慮到海面流速的影響，以及GPS測(cè)速原理的不同，同時(shí)結(jié)合任務(wù)載荷工作性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的實(shí)際情況，表明水速測(cè)量?jī)x的工作性能能夠滿(mǎn)足工程使用要求。

7 總結(jié)

本文所述水速測(cè)量?jī)x的設(shè)計(jì)，通過(guò)采用相應(yīng)量程的壓力傳感器，通過(guò)對(duì)兩個(gè)傳感器信號(hào)的差分處理，有效地解決了不同水深及使用環(huán)境下的靜水壓頭引起的零點(diǎn)偏差及離散問(wèn)題，通過(guò)壓力變換使之輸出與航速成線(xiàn)性關(guān)系的電壓信號(hào);且充分考慮了使用環(huán)境，設(shè)計(jì)了電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，保護(hù)了裝置，方便使用。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)室條件和開(kāi)放水域環(huán)境的性能測(cè)試，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，為特種工作船及其它類(lèi)似平臺(tái)的水速測(cè)量提供了新的技術(shù)手段。

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（收稿日期： 2019.04.01）

基金項(xiàng)目：中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司噴水推進(jìn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目資助（614222303021703）

作者簡(jiǎn)介：俞賓（1971），男，本科，工程師，研究方向：船舶機(jī)電控制技術(shù)。

通訊作者：龔征華（1974），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：自動(dòng)控制技術(shù)。