计程仪电磁传感器水下检测方法研究

尹伟伟，董文庆

(1.海军902厂，上海 200083;2.海装舰技部，北京 100841)

计程仪电磁传感器水下检测方法研究

尹伟伟1，董文庆2

(1.海军902厂，上海 200083;2.海装舰技部，北京 100841)

计程仪电磁传感器安装于舰艇底部，当传感器处于水下状态时，电极导线腐蚀受损等故障难以通过正常方法进行检测。采用双极性脉冲法实现电导测量，同时进行阻抗测量、模拟传感器信号与测量传感器信号相结合的方法，达到了检测传感器的目的。

计程仪;传感器;电导;检测

0 前言

计程仪是舰艇重要的航海装备，向用户发送舰艇的航速、航程信息，对于安装惯性导航系统的水下舰艇其地位尤显突出，如果计程仪损坏将严重影响惯性导航系统的定位精度。电磁传感器是计程仪常见的传感器，基本安装于舰艇底部。计程仪传感器大部分可以随时进行性能检测，但由于舰艇的计程仪电磁传感器，固定安装于舰艇底部，一旦出现电极腐蚀、感应线路损伤等导致感应信号失常故障时，无法通过常用方法直接检测其状态，潜艇必须进坞或上排才能确定故障。这种方法耗资巨大，而且万一不是传感器出现故障，将会造成极大的浪费。为解决这一难题，采取利用电导测量、阻抗测量、模拟传感器信号与测量传感器信号相结合的方法，达到检测传感器的目的。

1 背景分析

电磁传感器主要由敏感头、不锈钢外壳、玻璃钢护罩、水密连接器等组成。图1是某型计程仪的平面传感器。

图1 平面传感器外形图 (两组电极)

平面传感器工作原理是利用激磁电流在传感器敏感头周围形成磁场，当舰船行驶时传感器相对海水移动，海水作为导体切割磁力线产生的感应电势被安装于敏感头的感应电极获取，形成交流电压经电缆传输至前置放大器，计程仪通过一系列解算获得舰船目前相对海水的速度。根据保障的经验，该类传感器最容易出现的故障就是电极与密封材料之间产生缝隙，海水渗透后腐蚀电极引出线导致线路中断或阻值增大，从而微伏级的感应电压在传输过程中将衰减或湮没造成计程仪无法正常工作。正常的检测方法就是测量电极至前放的阻值，但由于传感器固定安装于艇底，两个电极裸露于海水中，无法直接检查电极至前放的阻值。曾经试验采用连同海水阻值一起测量的方法，位于前放的电极两根引出线用万用表直接测量电阻，测量值变化相差数百欧姆，而电极至前放的正常阻值小于2 Ω，所以测量根本无法判断线路的好坏，除非上排或进坞。

2 方法的提出

舰艇上排或进坞是按照既定计划进行的，一般不可能改变计划，但由于计程仪故障将导致舰艇无法正常航行，所以必须研究在水下状态检测传感器的方法。

前面提到传感器最常见的故障是电极引线故障，但故障远不止这一种，只是其它故障相对容易判断，如绝缘下降、激磁线圈故障等。在研究传感器检测方式时必须将所有因素一并考虑，确定传感器的测试直接需求，即:①激磁、信号线路的绝缘值;②信号线路的电阻值;③激磁线路的阻抗值;④感应信号的测量值。这几项测量值如果正常则传感器正常，但测量方法的选择关系到测量结果的有效性。

首先，线路绝缘值通过普通兆欧表可以准确判断;其次，阻抗值需要阻抗测试仪测量，而阻抗测试仪由于测量范围较大一般比较笨重，难以携带，不利于舰艇码头修理使用，感应信号属于微伏级信号，普通示波器和万用表无法测量，必须使用6位半以上精度的仪表;再次，信号线路的电阻值无法直接测量。

为了更加准确地判断传感器故障，利用故障诊断排除法的原理，设计传感器信号模拟器，产生设定航速相应的传感器输出信号，直接发送至前置放大器，与计程仪解算的航速进行比对，如果正常则说明计程仪除传感器以外部分工作正常，增加对传感器故障判断的证据。

从方便维修的角度出发，设计一种能融合上述功能的专用检测设备将提高维修人员的效率。

2.1 通过电导测量解决电阻无法直接测量的难题

由于传感器电极处于海水中，海水是电解质溶液，具备导电能力，属于第二类导体，通常电解质溶液的导电能力用电导来衡量，电导即溶液电阻的倒数，把电导作为测量对象就可以有效解决无法通过电阻测量进行判断的难题，但必须解决测量电导过程中体现电极部分腐蚀或电极至前放的线路受损产生的影响。

电极在溶液中会产生极化效应和电容效应，电极在溶液测量中表现为复杂的电化学系统［1］，为防止电导电极的极化，产生严重的测量误差，必须对传感器工作状态的电化学进行分析，找出其数学模型，进而用对应的测量方法进行测量。

传感器安装在艇上时，电缆、电极与海水构成测量回路，其等效电路如图2。

图2 传感器在海水中的等效电路图

Zf，Z'f分别表示两个电极的交流阻抗，通常称为法拉第阻抗，Cd和C'd分别表示两个电极的双电层电容［2］，R1为溶液电阻。

通过一系列等效变换和简化，测量电极间的电导为:

由于我们采用1 kHz的交流脉冲进行测量，Zf可以通过变换忽略，则:

电极处于海水中，它们间的电阻需根据稳恒电流场来计算。为此，我们可以先考虑处于静电场中的电极间的电阻计算情况，如图3有一对处于均匀介质中的两个金属电极，半径为r，球心相距l，分别带电为q和－q，若两球电势差为U，则此静电场和稳恒电流场具有完全相同的解［3］。

图3 一对处于海水中的两个金属电极示意图

我们测量的电极r=0.3 cm，l=2.4 cm。l较r大出许多，所以，可以对这一模型作如下简化:忽略球A与球B之间的静电感应，认为球A与球B上的电荷是均匀分布的，这样，可以简单算出离A球心距离为l1的C点的电场强:

方向由A指向B，ε为电势能。

于是两球电势差为:

根据对偶关系，作变换:ε→σ，U→U，q→I。

σ为海水的电导率，U为电压，I为电流。

可得对于海水中稳恒电流场有:

通过一系列模型变换、简化和推导，就可以将复杂的因素忽略，通过建立的数学模型和固定参数得到传感器电极间电导的理论值，再通过电导的测量实现对传感器的判断。

2.2 设计感应信号检测电路解决微弱信号测量难题

为排除外界干扰，检测设备将提供传感器激磁电源，传感器信号幅值很小，仅200 μV/kn，这对信号检测电路的设计提出很大的挑战，如何把放大器增益设计到60 dB以上以便识别，又能够去掉环境噪声，是必须解决的难题。由于微弱信号幅度很小，因此电路必须具有很高的共模抑制比，抑制共频干扰以及其它可能的干扰。另外，为有效地减小信号源内阻的影响，需设计较大的电路输入阻抗。

2.3 设计阻抗测量电路解决阻抗测试仪笨重的问题

传感器的电阻、电容和电感也是重要的测试参数，在该传感器测量特定的条件下，我们舍弃了通用阻抗测试仪的其它功能，如宽幅测量范围，采用成熟的阻抗测量技术，设计阻抗测量模块实现对传感器的测量判断。

2.4 设计传感器信号模拟电路用于验证传感器以外部分正常

根据对计程仪传感器信号的分析，设计频率相同、波形和幅值相似的信号发生电路，模拟传感器工作，并可设定模拟舰艇不同的航速，可以准确判断计程仪解算电路工作是否正常。

3 技术实现

3.1 电导测量的实现

电导测量是重点研究的内容。电极电导测试电路采用双极性脉冲测量法，具体如下。

1)传感器感应电极的回路，如图4所示。

图4 感应电极的回路电路图

2)电压激励信号电路，如图5所示。

双极性脉冲电压源的输出为幅值相同，极性相反，波形类似于方波的信号Vi。由于在激励信号的前半个周期和后半个周期，激励电流同值反向，被测系统中介质极化现象就得以削弱，通过系统软件的控制，经放大器放大输出的电压信号Vo在被采样时己经稳定。

图5 电压激励信号电路图

3)等效电阻测量原理，如图6所示。

图6 测量工作原理图

图6是基于双极性脉冲电压激励的电阻测量电路的原理图，该模型是建立在以正负脉冲电压作为电导信号测量系统激励源的基础上的，在消除了极化因素与寄生电容的影响下，可以将被测的两个电极之间的电导看作纯电阻。激励电压源通过对该电极对的输入端施加激励而在被测介质内建立电流场，在测量的某一时间间隔内，等效电阻将受到直流信号的激励，与电压、电流间遵循欧姆定律，被测介质的电导与反向放大器的输出电压成线性关系［4］。这样我们就可以通过电导测量的方法检测出等效电阻的变化，判断电极与引出导线之间电阻是否变化，从而达到检测传感器电极回路是否正常的目的。

4)检测电路。

检测电路框图如图7所示。主要由反相放大电路、程控放大器、AD/转换器和单片机等电路组成。

图7 电导测量电路框图

3.2 其它电路的实现

由于其它电路设计主要参考国内外较为成熟的技术，加以改进和重组，此文不再赘述。

3.3 验证效果

专用测试设备研制后，为检验电导测量数学模型的正确性，将传感器放入配置好的海水中测量得到以下数据，溶液电导率39.6 mS/cm，电极间电导 74.7 mS。

将溶液电导率带入推出的电导计算公式，可得到:

理论计算值与实验数据相比，电导值比较接近，误差主要在于忽略了法拉第阻抗和双电层容抗的影响。但其误差不到15%，相比电阻率测量数百倍的误差，测量置信度得到了大幅提升。

利用经过计量的高精度数字多用表、阻抗测试仪的测量结果与设计的感应信号检测电路和阻抗测量电路测量结果进行比对，误差在5%以内，符合测试要求。

在专用旋转水槽中利用完好的传感器输出信号与设计的传感器信号模拟器设定输出信号进行比对，频率一致，波形误差小于10%，幅值误差小于5%;模拟器接入计程仪并给定航速后，计程仪显示航速与设定航速误差小于5%，满足验证要求。

4 结论

通过反复论证、研究和试验，提出了采取利用电导测量、阻抗测量、模拟传感器信号与测量传感器信号相结合的方法，达到了在水下状态检测并判断传感器好坏的目的。解决了目前该装备保障中的难题。

［1］胡宗定，王一平.工程电导测试技术 ［M］.天津:天津大学出版社，1990.

［2］甄宝贵.一种特殊类型的工业电导仪 ［J］.化工自动化及仪表，1998(4)，53－55.

［3］杨孙楷，张潞群，曹澄，等.电导率基本测量方法［M］.北京:机械工业出版社，1983.

［4］顾敏杰.ddg－5205型工业电导率仪的研制 ［J］.分析仪器 ，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

尹伟伟 (1974-)，男，江苏金坛人，高级工程师，工程硕士，主要从事舰船装备技术保障工作。

2012－06－21