船舶耙臂指示系統原理和誤差分析

戎海榮

摘 要：介紹某輪船舶耙臂指示系統的系統組成和工作原理，分析各組成部分的誤差成因，得出修正各誤差的方法和手段。

關鍵詞：耙臂指示系統 原理 誤差分析 較準

目前的疏浚船舶使用最廣泛的耙吸式挖泥船，施工中需要把耙臂在水下的姿態顯示出來。要完成姿態顯示，必須在耙臂的某些關鍵點上安裝傳感器， 傳感器送出的標準信號通過連線與操縱臺的顯示設備相連，完成監測和顯示功能。圖示為某輪的耙管示意圖。

系統原理

由圖可知：

耙頭深度：h=hx+L1*Sin（a1）

其中：h為耙頭實際深度，hx為吸口吃水深度，L1為耙管長度，a1為耙管與水平夾角。

耙頭偏移船舷的距離：W=c+L1*Sin（b1）

其中：W為耙頭距船舷距離，c為彎管距船舷距離，L1為耙管長度，b1為耙管與船舷水平夾角。

系統的數據采集設備

由上可知需要得到耙頭實際深度與水平距離，必須安裝以下傳感裝置和有關輔助設備：

垂直角度傳感器。因只有一段耙臂，故只需要在耙臂上安裝一個，檢測角度a1的值。

水平角度傳感器。在彎管關節位置安裝一個， 檢測角度b1的值。

吸口深度傳感器。安裝于船舷的吸口邊。它的作用是實時檢測吸口離液面的距離隨船舶裝載量的變化而變化如圖中的hx值，它是整個耙臂上下浮動的基準面。假如無此傳感器的信號，就無法知道耙臂離開液面的距離。

“吸口到位”閉合：吸口到位接近開關。安裝在甲板上耙臂移動電纜架旁，當耙臂的彎管通過滑槽到達吸口位置時，移動電纜架會到達一個固定位置，在該位置布置有一傳感器開關，電纜架到位后該開關閉合；其余情況該開關斷開。只有當開關閉合時，指示耙臂已經對準吸口，所有的工作狀態有意義。

各傳感器原理

1、垂直角度傳感器的原理說明

圖中A部分為一個差分電容式傾斜角度傳感器，它是整個裝置的核心部件，檢測精度的高低、穩定性、重復一致性，主要由它決定。其精度可達0.1級（相對基本誤差1/1000）。其基本原理是：內部灌上半滿的電解液，上、下有兩組平面極板，由于液體自然狀態總是趨于水平，當整個圓盤隨垂直轉動物轉動時，電解液與上、下有兩組平面極板的有效接觸面積改變（差分改變，靈敏度大大提高），通過內部的檢測電路，輸出小信號的電壓（mV級），可檢測的角度范圍為（-60 °到 +60°）。將此信號送變送板B，輸出 4-20mA信號。

2、水平角度傳感器原理說明

上圖中A部分為一個電阻式角度傳感器，它是整個裝置的核心部件，使用的是導電塑料電位器。導電塑料電位器具有線性精密高、理論上無限的分辨力、平滑性優良、動態噪聲小、機械壽命長等優良性能。其線性精度可達0.1級（相對基本誤差1/1000）。其基本原理是：導電塑料電位器作為一個電壓分壓器，把一個機械位移轉換成電壓信號，并且該信號能夠與機械角度成正比，分壓電壓接至送變送板B，輸出 4-20mA信號，某安裝位置對應4-20mA中某值，左右轉動偏離該位置，信號電流線性增加或減小。因為采用分壓原理，阻軌上的總電阻的準確度不會影響到分壓測量結果，故溫度波動不會引起測量誤差。

3、吸口深度傳感器原理說明

吸口深度傳感器實為一只0-0.1Mpa水壓力傳感器，深度變化造成水壓力變化，采用的是半導體應變片，配以ASIS高性能放大電路及精密的數字溫度補償，輸出4-20mA信號。

系統誤差分析與修正

1、深度值誤差分析

h=hx+L1*Sin（a1）

其中hx為壓力傳感器的壓力值計算得之，所以hx產生的誤差有：水密度值誤差，傳感器誤差，傳感器零位漂移。

L1為耙管長度，為固定數值，初始化時輸入，如果耙管經過修理后長度有所變化，則造成深度計算錯誤。

a1為垂直角度傳感器數據計算得之，所以a1產生誤差有：傳感器誤差，傳感器安裝時在垂直面上感應軸與耙管軸線不一致，（此誤差影響零位值，可通過較零修正），傳感器在安裝時水平面上感應軸與耙管軸線不一致（此誤差造成傳感器角度值偏小）。

2、深度誤差修正

2.1實際計算機中的計算公式為

h=d（hx-e）+L1*Sin[f*（a1-g）]

d、f分別為吸口深度、垂直角度修正系數，e、g分別為吸口深度零位修正系數、垂直角度零位系數。

d由吸口吃水傳感器量程與水密度決定。

e通過與船舶吃水比較生成。

g通過耙臂水平位置校零時自動生成。

f通過深度較驗后，計算得出。深度較驗通過將手持式深度測量儀與耙頭一起下放至水底，與耙臂指示值比較。

2.2 系數f的計算

h=d（hx-e）+L1*Sin[f*（a1-g）] ---------（1）

手持式深度測量儀檢測值為h

h=d（hx-e）+L1*Sin[f*（a1-g）] ----（2）

由（1）得 f*（a1-g） ------（3）

由（2）得 f*（a1-g） -----（4）

將（4）除以（3）得f，故其中f為準確值，f為原系數，h為測量所得標準值，h為耙臂系統所指示值。

3、水平誤差分析

W=c+L1*Sin（b1）

其中c為固定值，取決于船舶結構，L1為耙管長度，也取決于制造，

b1為水平傳感器所得數據計算得之，產生的誤差有，傳感器誤差，傳感器零位誤差。

4、水平誤差修正

實際計算機中的計算公式為

W=c+L1*Sin（b1-m）

其中m為水平角度零位系數。由耙臂與船體位置較零時計算機自動生成。

總結

該耙臂系統運用計算機技術與現代傳感器技術，性能優異，運行可靠，系統運行在窗口操作系統下，多種船舶視圖畫面同屏顯示、提供改變常數的設置畫面，提供各傳感器校準畫面，在使用中，需要熟知其原理和特性，進行定期較準，修正各系數，才能夠保證足夠的精度和性能，保證工程船舶現代化精確施工。

（作者單位：長江南京航道工程局）