艦艇聲速梯度儀檢測校準裝置設計與實現

盛成明，席 偉，唐鎖夫

(702廠， 上海 200434)

艦艇聲速梯度儀是用來測量水介質中聲波傳播速度的一種儀器。在海水中，聲速是隨著溫度、鹽度和靜壓力的變化而變化的，測量不同海區、不同深度的聲速，可為聲吶提供聲速值和聲速—深度分布曲線，用來修正其作用距離。一旦聲速梯度儀出現較大的測量誤差，將對水下航行安全尤其是水下狀況復雜的情況下的目標判斷產生嚴重影響[1]。因此艦艇出航前及儀器修理后，都需要對聲速梯度儀進行檢測校準。

由于缺乏專用檢測校準裝置，溫度、鹽度控制均采用人工調節，現場實施費時費力，而且檢測校準過程中存在較大的誤差，無法滿足實際需求。因此對現有的檢測校準方法加以改進和優化，利用成熟技術研制一套檢測校準裝置，不但解決了目前檢測校準過程中存的難題，而且可以提高對儀器的維修保障能力，滿足設備日常使用的需求。

1 聲速計算方法

檢測校準裝置設計思路是采用測量聲速梯度儀換能器的工作環境參數(溫度、鹽度、壓力)，經數學模型計算處理的方法，得出不同環境條件下的聲速值，作為聲速梯度儀的校準依據。

為此需確定聲速的計算方法。聲速計算公式如公式(1)所示[2]，計算方法給出了聲速與溫度、壓強和鹽度的關系式：

c(S，T，P)=Cw+AS+BS1.5+DS2，

(1)

式中：c為聲速，m/s；T為海水溫度，℃；P為海水壓強，MPa；S為海水鹽度，‰，Cw、A、B和D是溫度和壓強的函數，如公式(2)、(3)、(4)、(5)所示。

Cw=P1C1T1，

(2)

A=P1A1T2，

(3)

B=P2B1T3，

(4)

D=P2D1，

(5)

式中：C1、A1、B1和D1均為已知的系數矩陣，變量矩陣P1、P2、T1、T2和T3分別如下：

P1=(1PP2P3)、P2=(1P)，T1=(1TT2T3T4T5)T、T2=(1TT2T3T4)T、T3=(1T)T。

關系式的適用范圍：0 ‰≤S≤40‰；0 ℃≤T≤40 ℃；0 MPa≤P≤101.325 MPa。

從聲速計算公式可知，在海水中，聲速的大小主要受到海水的溫度、鹽度和深度(壓強)等因素的影響。根據研究發現，海水中的聲速值一般在1 400～1 550 m/s，采用此計算方法獲得的聲速值能很好的穩定在1 500 m/s 附近，獲得的聲速值始終包含于參考范圍之內，與實際變化趨勢相符合[3]，而且隨著深度(壓強)的增大聲速基本保持不變，也就是說深度對于聲速的影響不顯著。因此，在實際計算中將不考慮深度(壓強)影響，而根據實際需要作為定值處理或者忽略不計[4]。

2 檢測校準裝置組成

本裝置主要由檢測校準分機和顯示控制分機兩部分組成[5]，其實現框圖如圖1所示。

圖1 檢測校準裝置實現框圖

檢測校準分機實現聲速梯度儀換能器的工作環境參數溫度、鹽度的測量與調節、相關數據采集及數據通訊，顯示控制分機實現數據通訊、數據處理、控制參數設定及顯示。

2.1 檢測校準分機

檢測校準分機原理框圖如圖2所示，實現溫度測量與調節、鹽度測量、電源、數據通訊等功能。

圖2 檢測校準分機原理框圖

1) 溫度測量。溫度傳感器采用鉑電阻傳感器。鉑電阻傳感器是傳感器中最穩定的一種，其線性度非常好。為克服溫度傳感器導線電阻對測量精度的影響，采用4線制A級Pt100傳感器。傳感器標稱精度0.15 ℃，可通過傳感器篩選及分段校準方法實現0.1 ℃精度。傳感器采用恒流激勵，為不使傳感器自身發熱引起測量誤差，采用1 mA恒流源。

當被測介質溫度發生變化時，Pt100溫度傳感器電阻阻值發生相應線性變化，通過通道控制器，高精度A/D變換器檢測到相應輸入電壓的變化，轉化成數字信號傳輸到微處理器。微處理器按一定算法計算出被測介質的溫度。同時，溫度測量單元能實現自動/手動校準及檢測功能。

檢測校準分機通電后，自動執行校準檢測程序對模擬信號通道進行校準和對測溫程序運行進行檢驗。校準程序控制通道控制器，切換輸入端短接及1.25 V高精度基準到測量回路，用以校準模數轉換信號通道的誤差。通道控制器切換100 Ω標準電阻代替Pt100溫度傳感器接入溫度測量線路實現兩個方面的檢驗。一方面檢測1 mA恒流源是否準確，及具體數值為多少，用以溫度轉換程序的計算使用。另一方面可以直接顯示標準0 ℃的溫度值及給定鹽度下聲速值，用以判斷程序運行是否正常。

2) 溫度調節。微處理器根據設定溫度及溫度傳感器檢測到的溫度，使用PID溫度控制算法，輸出溫度控制信號至加熱器功率控制電路，控制加熱器工作，以實現溫度控制。

3)鹽度測量。使用鹽度傳感器對被測介質進行檢測。當鹽度傳感器檢測到被測介質鹽度發生變化，轉換出對應鹽度值的4～20 mA輸出信號，輸出信號經信號調理電路處理后，經由通道控制器送A/D變換器進行模擬數字轉換，轉換后數字信號送微處理器進行鹽度值的計算、處理。

4)電源。電源單元使用通用輸入電壓、隔離、穩壓輸出、小體積AC-DC模塊電源。模塊輸出經LC濾波處理，為電路部分提供干凈、可靠電源。輸入電源經過壓過流保護電路后，通過電源控制繼電器為加熱器供電。

5)數據通訊。檢測校準分機接收RS-485通訊總線傳送來的顯示控制分機發送的溫度控制、溫度、鹽度測量等操作指令，并將溫度、鹽度等測量到的參數通過485通訊總線回傳到顯示控制分機。

微處理器接收經過電平轉換電路處理的顯示控制分機傳送來的打包數據，解包后執行相應的操作，并將執行結果打包后通過電平轉換電路傳送到顯示控制分機，實現雙向通訊。

2.2 顯示控制分機

顯示控制分機原理示意圖如圖3如示，實現環境參數顯示、聲速計算及顯示、數據通訊等功能。

圖3 顯示控制分機原理示意圖

1)環境參數顯示。檢測校準分機通過數據通訊功能把檢測的溫度、鹽度等環境參數傳送至顯示控制分機，供運算處理使用。

微處理器通過傳輸模塊接收的數據包解包后，經運算在液晶顯示屏上顯示相應溫度、鹽度數值。

2)聲速計算顯示。選用公式(1)計算公式，微處理器使用檢測校準分機測量、傳送來的溫度、鹽度環境參數，代入計算公式，計算聲速值。將計算值顯示在液晶顯示屏上。

3)數據通訊。顯示控制分機接收檢測校準分機傳送的溫度、鹽度等環境參數的信號。同時通過RS-485通訊總線向檢測校準分機傳送溫度等控制參數。

微處理器將溫度控制參數等數據打包后通過串行口發送至信號電平轉換電路，將通訊信號傳送至檢測控制分機，同時接收檢測控制分機傳送的溫度、鹽度等環境參數，實現雙向通訊。

4)控制參數設定。顯示控制分機是整個校準裝置的控制核心。通過顯示控制分機執行測量、校準等操作，顯示控制分機根據操作人員的操作指令，向檢測校準分機發出相應控制指令。檢測校準分機根據顯示控制分機的控制指令執行操作，并將操作結果回傳至顯示控制分機，顯示控制分機顯示信息供操作人員分析處理。

5)電源。電源單元采用輸入12 V直流電壓，通過線性三端穩壓單元輸出5 V、500 mA為顯示控制分機各單元提供工作電源。

3 結束語

本文提出的采用間接測量聲速的方法研制的檢測校準裝置，為了保證其測量的精度，減小測量誤差，采用了高精度4線制溫度傳感器，配合檢測電路實現自校準調零，并且在程序中采用查表法實現非線性的校正，結合對其內部的溫度場分析補償，以實現溫度的高精度測量，從而保證了聲速值的測量精度，滿足了設備檢測校準的需要。檢測校準裝置實用性強、操作簡單，經實際應用證明，設計方案合理，運行穩定可靠，能有效解決目前檢測校準時費時、費力，檢測效果較差的實際困難和存在的突出問題，對于保障裝備的完好性具有重要意義。