艦船推力測量電路設計技術

蒼曉羽，荊元祥，劉 琦

(中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱150036)

0 引 言

艦船推力測量裝置實現了艦船動力的反饋，能夠清楚的判斷出動力系統是否運轉正常，是動力系統正常運行的可靠保障，是現代艦載儀器中不可或缺的主要裝置。

艦船推力測量的代表性方案主要有液壓測量法和電測法。

液壓測量法即主推力軸承的承力系統與推力測量裝置是一體的，即套環背面設有液壓活塞，由于每個油箱都互相聯通，可通過液壓活塞測量出軸承所受的推力。當液壓系統出現故障時，推力軸承仍可正常工作。同時該測量方法需要配置一套復雜的液壓系統，系統復雜，可靠性差，維修不方便。

電測法即把推力傳感器放置在瓦塊背面，通過應變片的變形而測得推力的大小。因而軸承的承力系統與推力測量裝置分離，當推力測量裝置出現故障時，瓦塊仍可正常工作，使瓦塊不出現偏載情況。

電測法使推力軸承省去一個液壓系統，而使結構簡化。并且具有測試系統簡單，測試精度高，安裝維修方便的特點，因此設計中采用電測法實現推力的測量。

1 系統構成

整個測量系統由3 個部分組成:6 只壓力傳感器、1 個傳感器級聯箱和1 臺推力顯示儀。

圖1 推力測量系統圖Fig.1 Thrust measures system to seek

6 只傳感器中，4 只均勻鑲嵌在正車面，用于測量正車時的推力;2 只均勻鑲嵌在倒車面，用于測量倒車時的推力。

6 只傳感器的電纜接入到傳感器級聯箱，其中的4 只正車測量傳感器并聯輸出1 路正車推力信號;2 只倒車測量傳感器并聯輸出1 路倒車推力信號。兩路信號經由一條電纜傳入推力顯示儀。

推力顯示儀安裝在儀表盤上，實時測量艦船的正車和倒車推力。

2 工作原理

2.1 薄式小體積傳感器

由于用于推力測量的推力傳感器安裝在推力軸承內部，受安裝體積的限制，因此要求推力傳感器是一種超薄式、小體積、高過載、高精度、高穩定的測力傳感器，目前國內外沒見到適用于該條件的測力傳感器。推力傳感器外形圖如圖2所示。

圖2 推力傳感器外形圖Fig.2 Thrust sensor outline drawing

根據推力測量裝置提供的性能指標及具體工作環境，該傳感器的工作方式選電阻應變式工作方式。由于電阻應變式的測力彈性元件都需要有較大的外形尺寸，給傳感器彈性元件的選擇和設計都帶來了一定的難度。選擇以輪輻式和輻板式彈性梁為彈性元件的測力傳感器，較為合理，如圖3所示。

圖3 測力傳感器結構圖Fig.3 Measure the structural picture of force transducer

經分析:輻板式彈性梁制成的測力傳感器線性差、滯后大、輸出小、抗側向載荷及偏心載荷能力差，不能滿足性能要求。而輪輻式彈性元件制成的該測力傳感器除線性差、滯后大外，其余性能指標都滿足要求，而且具有很強的抗偏心載荷和測向載荷能力，因此經分析對比之后，最終確定選用的是輪輻式彈性梁作為該傳感器的彈性元件，并深入開展輪輻式彈性元件的研究，以及以傳統的輪輻剪切梁進行改進，以解決該小體積彈性梁的過載、線性及滯后等問題，并對測力傳感器的制造工藝和防潮工藝開展深入的研究。

圖3 為彈性元件，是由輪圈、輪轱、輪輻組成。當外力P 作用于輪轱上端和輪圈的下端面時，使輻條產生平行四邊形變形，如圖4所示。式(1)與式(2)給出了兩輪輻相互垂直時最大剪應力和剪應變。

式中:γmax為最大剪應變;G 為剪切彈性模量。

圖4 輪輻剪切變形Fig.4 Spoke shear deformation

但在傳感器中實測的不是剪應變，而是測量在剪應力作用下，輪輻斜方對角線的變形。將金屬電阻應變計與輻條水平中心線成45°角方向粘貼，8 片電阻應變計分別粘貼在4 根輻條的正反面，并組成如圖5所示的全橋電路，則檢測的應變為:

圖5 輪輻式傳感器工作電橋Fig.5 Spoke type sensor bridge

由于應變計具有一定的尺寸(長lf、寬by)，而切應力呈拋物線規律分布，故平均應變為:

可得傳感器的輸出電壓:

式中k 為應變計的靈敏系數。

在設計輪輻時，還要保證輪輻承受純剪切作用，故須控制剪力和彎矩作用下的撓度，使其小于0.1 mm。

根據上述分析，在實際設計過程中可按下列步驟對彈性元件的結構進行設計:

1)根據所選用的應變計的尺寸，確定輪輻尺寸lf。lf 應盡量小，來提高輪輻的純剪切狀態。輪輻的高度可取1.2 ～1.7 lf。

2)輪輻的厚度尺寸由下式確定:

式中:B 為輪輻厚度尺寸;Γ 為剪應力，取Γ=(0.2 ～0.3)σs，σs為材料的屈服應力。

3)校核梁上最大彎曲應力σmax為:

4)控制剪力和彎矩作用下的擾度Ymax，使Ymax＜0.1，校核公式如下:

式中:Yw為彎曲擾度;Yq為剪切擾度;E 為彈性元件的彈性模量。

在性能指標及其分析中，已分析出該傳感器技術關鍵是薄式小體積、高過載、高精度和耐潮濕。

1)薄式小體積

為設計出薄式小體積輪輻式彈性元件，在設計時首先選用小尺寸的電阻應變計，然后設計梁的工作尺寸。但對量程為100 kN，過載為240 kN 的測力傳感器輪輻高度已達32 mm，超過了該傳感器的高度要求。為此設計考慮了多種影響因素進行優化設計。

2)高精度

該傳感器的體積小，給精度指標增加了許多困難。對該傳感器精度等方面加以細致的研究，通過應用光彈應力分析法對輪輻剪切梁變形應力區的應力及應變進行分析，最終確定應變計的粘貼位置。

3)過載

為提高該傳感器的線性精度，是犧牲過載來實現的，因此給過載造成很大困難，致使過載問題最終只能通過機械限位加以解決。

2.2 推力顯示儀設計要點

1)結構設計

結構設計主要考慮電磁兼容和抗振性能等。

考慮系統工作的周圍環境，考察存在的外部干擾，發現干擾途徑主要是儀器與外部連接線的耦合和外部場的滲透2 種干擾途徑。

圖6 系統中存在的外部干擾途徑Fig.6 In the system existent outside diaturbs channel

重點處理對象為:24 V 電源線、儀表與傳感器級聯裝置之間的信號線是外部電磁波耦合的途徑;顯示屏開口、鍵盤開口處是嚴重的電磁輻射途徑;裝置外殼蓋與殼體壓緊處的縫隙、螺釘孔是有效的電磁輻射路徑。

具體設計如下:

兩段式結構設計，使用鋁合金全密封;

儀表蓋與箱體連接處，使用凹凸形式搭接，并使用導電橡膠條壓合;

LED 顯示屏使用高性能屏蔽窗;

鍵盤使用薄膜開關，與儀表面板貼膜一體制做，數據線穿孔處使用導電布填充，并套磁環;

電源線、信號線連接處安裝EMI 濾波器;

電源線、信號線接頭處設置隔離艙;

信號線使用屏蔽電纜，并360°連接到接頭處，接頭與儀表殼體電氣連接，然后接入大地。

艦船的主要振源是螺旋槳產生的低頻周期振動。螺旋槳的轉速一般在每分鐘幾百轉，即幾Hz ～十幾Hz 的范圍內。

設計中，遵照倍頻法則，使得裝置的固有頻率避開了主要振源—螺旋槳產生的低頻周期振動的頻率，兩者比值應大于2.5。對系統及內部構件的固有頻率和模態進行分析，降低了共振峰值、傳遞率和相關耦合率，優化了結構。

為提高推力測量裝置的抗振性能，首先保證所選擇的儀表設備本身具有抗振動，抗沖擊性能，另外對自行研制的信號調理采集模塊進行抗振設計，為提高電路的工作可靠性及抗振性能，在電路設計方面堅持多級抗振設計原則如下，即在保證該模塊電路功能及精度的情況下，使電路盡可能簡化。盡可能選用集成電路少用分立元件，調整元件，在電路板加工、安裝過程中采用下列措施，增加電路板厚度，增加電路走線寬度，增加焊盤直徑，集成電路直接焊接到電路板上，分立元件高度盡可能降低，電路部分整體灌封工藝，保持所有元件相對電路板完全同步振動，消除元件與電路板之間的機械位移。信號調理及采集模塊外殼不采用焊接結構，利用整塊鋁合金材料進行整體加工。

消除振動的主要措施是振動的吸收減震。

電路整體灌封，能夠消除元件的機械斷裂;電路與機箱之間采取彈簧減震器降振，調整機箱的重量，避開機械諧振頻率;機箱與儀表盤之間采取橡膠減震器固定。

2)數據采集

①有源屏蔽驅動電路

推力傳感器的輸出為壓阻式電橋輸出，電壓非常小，0 ～十幾mV，進行較長距離的傳送后，首先應進入有源屏蔽驅動電路，實現屏蔽、高阻抗輸入、高抑制共模噪聲、零點補償、放大等處理。

圖7 有源屏蔽驅動電路Fig.7 Active shield driving circuit

雙電源供電，供電電壓最高可達18 V。它具有低的增益誤差和高的共模抑制比，當增益為1時，共模抑制比大于90 dB，增益誤差最大為0.05%;當增益為1 000 時，共模抑制比可達120 dB，且增益誤差最大為2 前端放大器我們選用美國AD 公司的精密儀表放大器AD524，AD524 采用%。AD524 的非線性誤差在0.01%之內(增益為1 000);輸入失調電壓50 V，輸入失調電壓漂移0.5 V/℃。AD524 兩個差動輸入端的阻抗完全匹配，而且數值很高，典型值為109，既可以差動輸入也可以單端輸入。AD524內置輸入電源保護電路，適應上電和掉電時各種惡劣的工作環境。同時，它還提供較寬的增益帶寬、高的輸出轉換速率和低的階躍響應建立時間等優越的動態特性。

②防混濾波器

推力傳感器輸出的信號分布在非常低的頻率段上，一般認為在0 ～幾十Hz 的范圍內，而在之外的頻率段上的信號就被認為是噪聲了。假設有用信號在0 ～10 Hz 范圍內，最高頻率為10 Hz，那么AD的采樣頻率必須高于2 倍的10 Hz，低于2 倍則無法還原信號，采樣速率太低，會帶來數據量不足，數據運算困難的問題;采樣速率太高，則數據冗余，增加成本。一般采用5 倍到10 倍的采樣速率。假設AD 設置在采樣速率為100 Hz，則高于100 Hz 的信號必須在進入AD 之前濾除掉，否則會產生混疊現象。即此時需要防混濾波器。防混濾波器也是一種低通濾波器，然而它具有非常陡峭的截至頻率，幾乎可以將頻率高于數據采集板輸入帶寬的信號全部除去。

電容濾波由于其自身電路和結構特點其精度和穩定度遠高于其他濾波方式。

基于以上對信號調理重要性方面的分析，推力測量裝置中將采用Linear Technology LTD 的LTC1043 開關電容濾波器，共模干擾抑制達120 dB，專用高精度儀表放大器。LTC1043 是在一個芯片上制造了2 組電荷平衡型電容器開關。每組開關由2 個雙刀雙擲開關組成。這一對雙刀雙擲開關輪流將外部的電容器與輸入電壓接通，讓它充電;然后斷開輸入電壓與放電電容器的連接，讓它放電。開關的頻率可由內部的時鐘控制(時鐘頻率與外接電容器容量有關)，也可以由外部的CMOS 時鐘來驅動。

圖8 防混濾波器電路Fig.8 Anti alias filter circuit

③多路A/D 轉換

A/D 轉換使用AD 公司的16 位∑－△模數轉換器AD7705，可用于測量低頻模擬信號。這種器件帶有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測量傳感器輸出的各種微小信號。具有2 個全差分輸入通道，具有分辨率高、動態范圍廣、自校準等特點，因而非常適合于工業控制、儀表測量等領域。

圖9 多路A/D 轉換電路Fig.9 A A/D conversion circuit

AD7705 是一個完整的16 位A/D 轉換器。在應用時只需接晶體振蕩器、精密基準源和少量去耦電容即可連續進行A/D 轉換。AD7705 帶有外部SPI接口，直接與單片機進行接口。用到的數據線有片選串行時鐘輸入SCLK、指令或數據輸入DIN 以及轉換結果輸出DOUT 等。只有在狀態信號指示輸出數據寄存器的數據準備就緒時，單片機才可以讀取轉換結果。

④傳感器電源的四線制連接

傳感器的激勵電源由儀表端提供，采用四線制傳輸方式傳遞10 V 電源，使傳感器的激勵電源獲得精準的電壓，提高了系統的測量精度，簡化系統的維護工作。其原則是:要測量的其實是電壓，不取電流。4 條線分別為:10 V 驅動線、10 V 檢測線、地驅動線、地檢測線。

圖10 傳感器電源的四線制連接圖Fig.10 Four wire connection diagaram of sensor power supply

“開爾文”連接法定義如下:在模擬量測控線路的導線連接工藝中，對于每個被測或被控點都可視為“開接點”。從任何一個“開接點”的根部分別引出2 條導線，1 條導線是施加大電流的驅動線F線，導線的截面積要足夠大;另1 條是測量(取樣)該“開接點”電位的檢測線S 線。這2 條導線統稱為“雙連線”。被測控的“開接點”經“雙連線”可遠距離連接到與之相對應的具有“雙連線”的測控部件上。對于任何一個被測控對象，測量檢測的取樣點是2 個“開接點”間的電位差，舍棄驅動線上的數據不用(因誤差較大)，僅以檢測線上的數據作為取樣值，則必然提高測量精度。以此種理論為基礎而產生的連接工藝方法就是“開爾文”連接法。

使用“開爾文”連接工藝方法，檢測線和驅動線是直接從被測、被控點上分別引出的，導線電阻壓降不再影響測控精度。

在近距離20 ～30 m 模擬量的集中測控中，采用“開爾文”連接法克服導線電阻壓降、接插件接觸電阻和繼電器觸點電阻的壓降給測控帶來的誤差，提高了測試精度。

對于遠距離測試，適合采用模擬部件的分散控制，但每個具體測控部件仍可采用“開爾文”連接法，將測控值轉換為數據，通過數據通信口傳到計算機，由計算機進行遠距離數據測控。

⑤電源設計

電源部分，使用2 個隔離電源模塊，一個為24V 轉±12V，供給傳感器電源電壓生成電路、放大 器 AD524、A/D 芯 片 AD7705、電 壓 參 考ADR381;另一個為 24V 轉 5V，供給單片機ATmega128、LED 數碼管顯示電路。模擬地和數字地分開，使用零歐姆電阻連接。

圖11 電源連接圖Fig.11 The power supply connection diagram

電源部分實現多路電源隔離、涌浪保護功能，并在電源接口處安裝EMI 濾波器。

24 V 電源輸入，使用in4007 二極管防止電源插反，R32 為金屬氧化物可變電阻(MOV)，其會將輸入浪涌電壓鉗位在一個電平上，保護后繼元器件正常工作。C47、C48、C49、C50 為輸入濾波電容，C41 ～C46 為電源模塊輸出電容。

⑥單片機控制

單片機采用ATmega128，外部連接6 個外設:AD7705、實時時鐘電路、LED 顯示電路、鍵盤掃描電路、JTAG 接口，RS232 接口(預留)。

圖12 單片機控制電路Fig.12 SCM control circuit

ATmega128 具有豐富的內部資源和外部接口，省去了很多的外部擴展芯片。ATmega128 存儲器分為3 個獨立的部分:數據寄存器、程序存儲器、EEPROM 存儲區。內部提供4 K 字節的SRAM，128 K 字節的可編程 FLASH，4 K 字節的EEPROM，其中4 K 的數據寄存器SRAM 可進行外部擴展到64 K。ATmega128 具有的兩線串行接口(兼容I2C)，具有可工作于主機/從機模式的SPI接口，具有同步和異步串行接收器和轉發器(USART)等。ATmega128 具有JTAG 接口，通過JTAG 接口實現對Flash，EEPROM，熔絲位和鎖定位的編程，能夠方便的進行在線片上調試、修改。

⑦噪聲的消除

系統噪聲主要有傳感器、傳輸線路和測量電路等引起的隨機白噪聲;海浪對測量的干擾噪聲。首先使用數字濾波進行消燥，獲得傳感器上真實的壓力，然后使用海浪濾波器消除海浪作用力的干擾。

從傳感器傳送過來的信號中，會摻雜一些噪聲和干擾。模擬系統中，一般采取在信號輸入端加裝RC 低通濾波器的方法，來抑制某些干擾信號，但其對高頻干擾信號有較好的抑制，而對低頻干擾信號濾波效果欠佳。所謂數字濾波器，就是通過一定的計算和判斷程序減少干擾信號在有用信號中的比重，故數字濾波器就是一種程序濾波。數字濾波器可以對極低頻率的干擾信號進行濾波，以彌補RC 濾波器的不足，并且可以根據信號的不同，采用不同的濾波方法或濾波參數，使用上極其靈活、方便，而且減少了硬件成本。

船舶在海上航行時，海浪干擾很大，隨機性較強。一階海浪擾動引起的振蕩通常在0.1 Hz 左右。運用海浪濾波器，可以有效地消除測量信號中由一階海浪擾動引起的噪聲，提高測量品質。

3)零點調整

根據艦船推力測量的實際應用特點，在系統運行一段時間后要進行零點的調整。零點調整的含義是:在正車達到最大推力時，正車傳感器處于滿載狀態，倒車傳感器處于真正的空載狀態，此時倒車測量通道的測量數據應為0;當倒車達到最大推力時，倒車傳感器處于滿載狀態，正車傳感器處于真正的空載狀態，此時正車測量通道的測量數據應為0。在運行一段時間后，由于傳感器安裝位置的微小變化等問題，會使得系統零點產生微小變化，此時需要進行調零。

系統設置2 種調零方式:手動調零和自動調零。

在傳感器、儀表等單獨標定完畢后，將傳感器安裝在推力瓦上，進行系統聯調時，使用手動調零方式調整幾個回程后，系統的零點趨于穩定下來。

零點的手動調整需要專業人士進行，在上船之后，此時可以設定系統自動調零。當艦船的某一方向的推力達到滿載荷時，系統自動進入調零狀態，自動判斷進行正車調零還是倒車調零，并以用戶透明的方式進行零點調整。

3 結 語

艦船推力測量裝置填補了國內多項空白，滿足艦船的需求，并穩定可靠地運行于某系列的艦船上。

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