聲納換能器等效電容自動(dòng)測(cè)量電路設(shè)計(jì)*

唐　彪　孫琎燁　郝學(xué)超　李耀波

(92956部隊(duì)　大連　116041)

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聲納換能器等效電容自動(dòng)測(cè)量電路設(shè)計(jì)*

唐彪孫琎燁郝學(xué)超李耀波

(92956部隊(duì)大連116041)

摘要采用傳統(tǒng)的測(cè)量手段對(duì)聲納換能器進(jìn)行檢測(cè)需要利用常規(guī)電子儀器，操作復(fù)雜，效率低下。為了提高效率，利用現(xiàn)代電子測(cè)量技術(shù)設(shè)計(jì)了一種換能器等效電容自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠全面、快速、準(zhǔn)確地完成等效電容的檢測(cè)。較之傳統(tǒng)測(cè)量方式，整個(gè)系統(tǒng)操作過(guò)程簡(jiǎn)單、界面友好，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量自動(dòng)化，提高了裝備維修保障效率。

關(guān)鍵詞換能器; 等效電容; 測(cè)量; 維修保障

Class NumberTB52

1引言

聲納換能器是聲納設(shè)備進(jìn)行水下目標(biāo)搜索、定位和類(lèi)型判別的傳感器件，通常利用壓電材料的壓電效應(yīng)[1～2]，實(shí)現(xiàn)機(jī)-電能量的相互轉(zhuǎn)換。現(xiàn)代大型聲納設(shè)備均由數(shù)百個(gè)換能器基元組成換能器陣列，以提高目標(biāo)的探測(cè)距離和定位精度[3]，由于聲納換能器長(zhǎng)時(shí)間受環(huán)境溫度和環(huán)境濕度的影響[2]，引起聲納換能器的絕緣電阻和等效電容量指標(biāo)下降，因此，使用人員必須定期對(duì)換能器進(jìn)行指標(biāo)測(cè)量和維護(hù)保養(yǎng)。傳統(tǒng)的測(cè)量和維護(hù)保養(yǎng)工作采用人工邊測(cè)量邊記錄的方式進(jìn)行，即耗時(shí)又耗力，鑒于此，本文介紹一種基于MCU的智能化、便攜式的多路換能器等效電容測(cè)量電路，主要包括電容測(cè)量電路設(shè)計(jì)思路及組成、測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)等。

2電容測(cè)試系統(tǒng)組成

電容測(cè)試系統(tǒng)組成如圖1所示。該測(cè)試系統(tǒng)是基于STC12C5A60S2單片機(jī)為主控芯片的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍，應(yīng)用程序空間8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)[4]，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)應(yīng)用程序存儲(chǔ)空間和測(cè)量速度的需求。

圖1　靜態(tài)參數(shù)測(cè)試儀電容測(cè)量原理圖

3電容測(cè)量電路

目前，常用的電容量測(cè)量方法包括脈沖計(jì)數(shù)法、阻抗法和恒壓充電法等。

3.1脈沖計(jì)數(shù)法原理

由被測(cè)電容組成振蕩電路產(chǎn)生持續(xù)脈沖信號(hào)，單片機(jī)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)(即測(cè)頻)，從而反演出被測(cè)電容容量[5]。本測(cè)試儀在設(shè)計(jì)之初采用此方法對(duì)電容進(jìn)行測(cè)量，但在實(shí)際測(cè)量中發(fā)現(xiàn)此方法存在兩個(gè)缺陷，一是當(dāng)切換被測(cè)電容時(shí)振蕩電路有時(shí)不起振，必須重新上電后振蕩電路才開(kāi)始工作；二是振蕩頻率存在溫漂，被測(cè)電容前后測(cè)量數(shù)值相差較大。

3.2阻抗法原理

利用DDS器件產(chǎn)生一定頻率的正弦波作為待測(cè)電容的輸入信號(hào)，通過(guò)電容-電壓轉(zhuǎn)換模塊將待測(cè)電容值轉(zhuǎn)換為電壓有效值[6]。為了提高電容測(cè)量的精度，該方法必須具備兩個(gè)條件:一是正弦信號(hào)發(fā)生器必須產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的正弦波，二是要盡可能地減小電容-電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電噪聲，因此該方法硬件電路設(shè)計(jì)要求較高，成本偏高。

3.3恒壓充電法

采用一個(gè)電阻和電容串聯(lián)，用恒壓源對(duì)電容充電[7～8]，同時(shí)MCU內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)充電電壓達(dá)到某一基準(zhǔn)電壓時(shí)產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，測(cè)量程序根據(jù)電容電壓充電時(shí)間函數(shù)計(jì)算出被測(cè)電容量。該方法硬件電路簡(jiǎn)單，且電容測(cè)量值相對(duì)穩(wěn)定，因此，本測(cè)試儀采用恒壓充電法對(duì)電容進(jìn)行測(cè)量。為了彌補(bǔ)測(cè)量精度低的缺陷，本測(cè)試儀從兩方面入手提高測(cè)量精度，一是設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償電路減少硬件電路產(chǎn)生的溫漂，使產(chǎn)生電容中斷計(jì)數(shù)信號(hào)的基準(zhǔn)電壓恒定，二是電容測(cè)量軟件程序優(yōu)化。具體電容測(cè)量電路如圖2所示。

圖2　電容測(cè)量電路

其中Q1、Q3、Q4、Q6與R4、R7、R10、R13組成四量程選擇電路，選擇與被測(cè)電容串聯(lián)充電電阻；Q2和Q5及其外圍電路組成電容放電電路，為了使被測(cè)電容迅速放電，電路中R5選擇大功率小阻值電阻，并且在測(cè)量程序中設(shè)置有充分延時(shí)，確保被測(cè)電容在下一次開(kāi)始充電之前充分放電；Q7、Q8及其外圍器件組成溫度補(bǔ)償電路，以減少硬件電路產(chǎn)生溫漂對(duì)測(cè)量精度的影響[9]。

3.4電容測(cè)量精度分析

(1)

用Matlab仿真10nf～100nf電容充電過(guò)程如圖3所示。

圖3　電容充電過(guò)程

其中U=5V，R=10K，由圖3和式(1)可以看出，當(dāng)充電中斷電壓Uc恒定時(shí)，電容值與充電時(shí)間呈線性關(guān)系，將式(1)轉(zhuǎn)換為C=K×count/f，其中f為單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率，count為電容充電電壓從0～Uc時(shí)間內(nèi)定時(shí)器計(jì)數(shù)值，可見(jiàn)K值的大小決定了電容測(cè)量值的分辨率，K值越小，電容測(cè)量值分辨率越高。但是，K值不能無(wú)限制地減小，因?yàn)楫?dāng)測(cè)量某一容量電容，且計(jì)數(shù)頻率f一定時(shí)，K值減小必然要求計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值count增大，而單片機(jī)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器為16bit定時(shí)器，最大計(jì)數(shù)值為65536，再則，考慮測(cè)量程序浮點(diǎn)運(yùn)算因素，最大計(jì)數(shù)值應(yīng)限制在幾千以?xún)?nèi)；同時(shí)，K值的減小也會(huì)導(dǎo)致量程的測(cè)量范圍減小。

綜合以上分析，本測(cè)試儀將充電中斷電壓Uc設(shè)置為3.5V，串聯(lián)充電電阻分別為1KΩ、10KΩ、100KΩ和1MΩ，定時(shí)器計(jì)數(shù)頻率f為921.6KHz，則各量程理論電容測(cè)量分辨率和測(cè)量范圍如表1所示。

表1　電容測(cè)量范圍及分辨率統(tǒng)計(jì)表

表2列出本測(cè)試儀2uF～200nF和200nF～20nF量程部分電容實(shí)測(cè)值。

表2　電容測(cè)量實(shí)測(cè)值(2μF～20nF)

4測(cè)量數(shù)據(jù)的保存與上傳

4.1測(cè)量數(shù)據(jù)的保存

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，為保證在系統(tǒng)斷電狀態(tài)下測(cè)量數(shù)據(jù)不丟失，本測(cè)試儀采用CATALYST 公司的CAT24WCxx系列存儲(chǔ)芯片作為外部存儲(chǔ)器，該系列存儲(chǔ)芯片采用先進(jìn)CMOS技術(shù)減少了器件的功耗，通過(guò)I2C 總線接口進(jìn)行操作，并有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的寫(xiě)保護(hù)功能[10]。為了使用戶(hù)有效利用有限的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，本測(cè)試儀設(shè)計(jì)了用戶(hù)數(shù)據(jù)查看功能，即當(dāng)一組數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)束時(shí)，用戶(hù)可現(xiàn)場(chǎng)調(diào)用“查看”功能，通過(guò)液晶顯示器分頁(yè)查看暫存區(qū)測(cè)量數(shù)據(jù)，用戶(hù)如果對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)存在疑問(wèn)，可重新多路或單路測(cè)量，直至確保測(cè)量數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確，最后通過(guò)“保存”操作，將暫存區(qū)測(cè)量數(shù)據(jù)保存到上傳數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，并可通過(guò)“上傳”功能將測(cè)量數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。表3列出了本測(cè)試儀外部存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間分配情況(8通道測(cè)試)，這種存儲(chǔ)方式有效地解決了大量無(wú)效數(shù)據(jù)占用有限存儲(chǔ)空間的弊端，使用戶(hù)最大化地利用存儲(chǔ)空間。

4.2測(cè)量數(shù)據(jù)的上傳

本測(cè)試儀具有數(shù)據(jù)上傳功能，并通過(guò)上位機(jī)程序?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，作為聲納裝備換能器維修或更換的依據(jù)。數(shù)據(jù)的上傳通過(guò)RS232串口進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)上傳流程如圖4所示。

表3　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分配

圖4　數(shù)據(jù)上傳流程

在數(shù)據(jù)上傳過(guò)程中，如果數(shù)據(jù)上傳失敗次數(shù)為5次，則退出數(shù)據(jù)上傳，用戶(hù)可檢查RS232串口通信狀態(tài)后，重新建立通信進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳；同時(shí)，為了驗(yàn)證上傳數(shù)據(jù)是否正確，采用上傳數(shù)據(jù)位異或方式生成數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼，與上位機(jī)程序生成的數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼進(jìn)行校驗(yàn)，以此校驗(yàn)方式來(lái)判斷上傳數(shù)據(jù)的正確性。

5結(jié)語(yǔ)

本文從提高現(xiàn)代數(shù)字聲納換能器維修保養(yǎng)效率的角度出發(fā)，利用現(xiàn)代電子技術(shù)，結(jié)合多路換能器等效電容測(cè)量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了聲納換能器等效電容自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠快速、高效地檢測(cè)換能器等效電容參數(shù)，具有體積較小、智能化、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)聲納維修保障中實(shí)際使用表明，系統(tǒng)可靠性、測(cè)量精度均滿(mǎn)足聲納換能器等效電容參數(shù)檢測(cè)要求。

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Design of Sonar Transducer Equivalent Capacitance Automatic Testing Cirsuit

TANG BiaoSUN JinyeHAO XuechaoLI Yaobo

(No. 92956 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIt needs to adopt conventional electronic devices if the traditional measuring means are used to test sonar transducer. The traditional measuring means is complicated and inefficient. In order to improve the efficiency, a kind of sonar transducer equivalent capacitance automatic test system is designed by use of modern electronic measurement technology. The equivalent capacitance can be comprehensively, rapidly and accurately tested by using of the system. Compared with traditional measuring method, the system has the advantages of simple operation and friendly interface. At the same time, the system can achieve automatic measurement and improve the efficiency of equipment maintenance and support.

Key Wordstransducer, equivalent capacitance, measurement, maintenance support

* 收稿日期：2015年11月5日,修回日期：2015年12月17日

作者簡(jiǎn)介：唐彪，男，工程師，研究方向：電子裝備綜合保障、電子測(cè)量。孫琎燁，男，碩士，工程師，研究方向：水聲電子技術(shù)、電子測(cè)量。郝學(xué)超，男，碩士，工程師，研究方向：電子裝備維修保障、水聲工程。李耀波，男，博士，工程師，研究方向：電子裝備綜合保障、水聲工程、水聲測(cè)控技術(shù)。

中圖分類(lèi)號(hào)TB52

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.038