基于壓力應變的可升降水速測量儀研制與試驗驗證

俞賓　龔征華

摘 要： 設計了一種基于壓力應變原理的可升降式水速測量儀。首先基于壓力應變原理實現了水速-壓力-電壓的測量與轉換;其次采用電動升降機構，實現水速測量儀的便捷實用。水速測量儀包括壓力應變儀、升降機構、控制器、以及數據采集處理系統。最后通過水池拖曳試驗和開放海域實船測試，表明水速測量儀設計具有較高的測量精度，在整個工作范圍內性能均能夠滿足使用要求。

關鍵詞： 水速測量儀; 壓力應變傳感器; 電動升降機構;? 拖曳試驗

中圖分類號： TP 393文獻標志碼： A

Development and Experimental Verification of Elevating and Subsidable

Water Velocity Measuring Meter Based on Pressure Strain

YU Bin1，? GONG Zhenghua1，2

（1.Marine Design & Research Institute of China， Shanghai 200011， China;

2.Laboratory of Science and Technology on Wateriet Propulsion， Shanghai 200011， China）

Abstract： In this paper， a liftable water velocity measuring instrument is designed based on the principle of pressure and strain. Firstly， the measurement and conversion of water velocity， pressure and electrical signal are carried out on the basis of the pressure and strain theory. To improve the efficiency of water velocity measurement， a liftable electric mechanism is developed using manual and automatic control. The water velocity measuring instrument is composed of a pressure strain gauge， a lifting device， a controller and a data acquisition and processing system. The results of the towing test and the full scale trials in the sea demonstrate that the designed water velocity measuring instrument has high measuring accuracy over its full operating range.

Key words： water velocity measuring instrument; pressure strain gauge; electric lifting device; towing test

0 引言

我國海岸線漫長，流域眾多，在沿海及河灘附近工作的特種工作船必不可少，該類工作船具有較大的轉速工作范圍（從怠速600 r/min到全速2 500 r/min（n-max）），能夠在從灘頭淺水到遠海深水的各種深度水域開展工作。根據某特種工作船任務載荷的工作性質，有時需要實時獲取船艏相對于水的航行速度，傳統的GPS[1]、羅經[2]等測速方法，只能獲得船體相對于地面的速度，因此，有必要研究適用于工作船工況的水速測量儀，便于船員迅速得到水速數值，同時易于操控。

水壓傳感器可將檢測到的壓力值按一定規律轉化為電信號[3]，廣泛于各種工業自動化環境、水力水電工程及船舶與海洋工程領域[4-6]，本文設計了一種基于壓力應變原理的可升降水速測量儀，考慮沿海工況的水流速度范圍和船體在不同的航速狀態下前進時，使用水壓傳感器采集與速度成比例關系變化的壓力信號，經變換處理可較為便捷地獲得相船體對于水流的速度，同時，充分考慮到工程實用性，為了便于維護保養，所設計的水速測量儀具有電動升降功能，工作狀態下自動從船底甲板伸入水中，在使用結束后自動縮回船體艙室進行保護。

2 工作原理

當船舶航行時，船艏平面會受到與速度有關的動水壓，而船尾平面則會受到與水深有關的靜水壓[4]，這兩個壓力之間會產生壓差，可由流體力學[7]中經典的伯努利方程（1）得到式（1）。

上式中：

pρg—壓頭;

h1—水頭，m;

P1—前傳感器壓力，Pa;

P2—后傳感器壓力，Pa;

ρ—水的密度，kg/m3;

g—重力加速度，m/s2;

V1—船初速度，m/s;

V2—船速，m/s;

V22g—速度頭;

若兩個壓力傳感器安裝高度相同，即h1=h2;

則相應來流速度分別為V1=0，V2=V0（2）式可簡化為式（3）。

由（3）式可見，壓差ΔP遵循船速V平方函數關系ΔP=f（V2），通過測試兩個壓力應變片之間的壓差就可以計算出船艏相對于水流的速度。

水速測量儀的設計主要包括機械與傳動機構設計以及電氣部分設計[8]。前者完成了設備的水動力線形、機械結構以及傳動機構的設計，而后者則完成了水速測量儀信號轉換、采集與處理等工作。

3 壓力應變原理及設計

本設計采用了雙壓力應變[9]布置，在船首、尾分別布置壓力應變傳感器，位于前進方向的壓力傳感器受力面指向前進方向，與之相背的壓力傳感器受力面指向船尾。水速測量儀伸入水中工作時，壓力傳感器受到船體前進方向的水流沖壓，輸出對應的電壓信號，后端的控制器便可以采集到此電壓信號，當航行速度變化時，水壓的變化會引起應變儀輸出電壓信號的變化。

為了避免水深靜壓條件造成的傳感器零點信號的偏差，使壓力傳感器布置在傳感器的同一高度且方向相反的位置。當水速測量儀被放置在水面下任意高度時，兩個壓力傳感器所受靜壓相同、方向相反。如果船處于靜止狀態，則此時兩個壓力傳感器的壓差為零，水速測量儀可以不受所處水深靜壓的影響。

考慮到信號增益，設計了放大電路，確保信號有效傳輸。壓力傳感器則采用體積小，結構堅固，可與苛刻介質兼容壓阻式壓力傳感器[10-11]。原理圖如圖1所示。

壓力傳感器封裝在不銹鋼外殼內，隨著航行速度的變化，壓力傳感器感受到不同的水壓，通過放大器線路將壓阻變化信號轉換為相應的與航速成比例的電壓信號。壓力傳感器及性能參數如表1所示。

4 升降機構設計

船舶在岸灘、淺水等水域行駛時，要保證水速測量儀的正常使用，需要設計保護裝置，保護水速測量儀的關鍵元件壓力傳感器。為此設計了一種升降機構[12]，水速測量儀不工作時，為了避免傳感器觸底或者受到水下異物的碰撞、纏繞等造成傳感器損壞，傳感器座收縮于底座中;水速測量儀工作時，傳感器座脫離底座，被放入水中。水速測量儀的機械結構由手柄、傳動電機、傳感器座、底座和升降機構等組成，如圖2所示。

4.1 底座設計

底座為水速測量儀與車體連接裝置，用于保護傳感器座。

傳感器設計采用了流線形外形。

流線形傳感器底座，通過機械精密加工成型，既可以與底座良好配合，又保證了壓力傳感器不受干擾和損壞。

通過前期模型摸底試驗，流線形傳感器底座在模型試驗過程中，在整個0～8 m/s的拖車速度范圍內，測試精度均很好。故最終選用流線形傳感器底座，材料為不銹鋼。

4.2 升降機構

升降機構采用手控電動操縱方案。

操縱系統由導向桿、升縮桿、底座、電機等組成，采用開關控制、電動操縱、電氣限位，操作方便，可靠實用。

水速測量儀的升降機構采用船上+24 V電源供電，通過升降啟動開關（AN1、AN2）控制電源接通使電機轉動工作并通過絲杠驅動機構上下運動;通過繼電器（J1、J2）工作選擇控制電機電源極性，控制電機轉向實現傳動機構的升降，通過機構上下兩端的收、放到位接近開關（K1、K2）控制到位后的電機斷電停止工作，使水速測量儀收放到位。傳動機構電機驅動原理圖如圖3所示。

上述水速測量儀體積小，重量輕，可靠性好，且使用、維護方便。

5 數據采集處理系統開發

水速測量儀的數據采集處理系統[13-14]主要由以下幾部分組成：信號變送單元、計算機單元、串行LCD顯示單元、數據通信單元和電源單元。數據采集處理原理圖[15]如圖4所示。

各功能如下：

信號變送單元采用運算放大器組成，將動、靜壓兩個傳感器的輸出電壓組成差分輸入信號，并轉換為標準的DC0～3 V信號，經過R-C濾波消除毛刺等干擾信號以提高信噪比，并傳送到主控計算機單元的A/D采樣端口進行進一步處理[16]。

主控計算機單元是水速測量儀的數據采集處理系統中樞，其對模擬量輸入信號進行A/D采樣轉換為數字量，再經換算得到速度值。主控計算機單元主要采用C8051F020單片機和外部接口電路組成。

C8051F020單片機是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，其內核與MCS-51指令集完全兼容[17]。單片機采用3.3 V工作電源，在單芯片內集成了構成一個單片機數據采集與控制系統所需要的幾乎所有的模擬和數字外設及其它功能部件，包括數字I/O接口、12位ADC、看門狗定時器、內部振蕩器以及兩個獨立的全雙工串行通信接口（UART0/1）等。

單片機利用自帶的UART串行通信接口，與外部SN65C1168E雙差分驅動接收器進行數據傳輸，實現水速信號的發送。

主控軟件控制流程圖如圖5所示。

計算機單元對采樣得到的數字電壓信號，經過數字濾波處理[17]，得到準確穩定的平均值，以此作為水速測量儀測量結果。

軟件AD采樣值數字濾波流程圖如圖6所示。

電源單元為整個測量儀提供穩定的工作電源。船上提供的+24 V直流電源具有一定干擾，通過DC-DC模塊得到隔離輸出的+5 V電壓，并通過L-C濾波后得到相對穩定的工作電源。

計算機單元處理得到的水速數據，一方面通過RS422串行通訊接口傳送至船用導航儀使用，同時在本地測量儀本地利用LCD顯示器進行顯示。水速測量儀的本地顯示器采用串口顯示屏實現。主控制器通過UART串口發送數據至顯示屏，顯示內容包括水深（靜壓）、水速（差壓變換結果）等內容，顯示屏分辨率設置為800*600。

6 測試結果及其分析

根據任務載荷的穩定性需求，水速測量儀的測試精度要求±0.1 m/s，完成了產品研制后，先后在兩個拖曳水池和開放海域進行了水池拖曳試驗和實船測試試驗。在試驗室測試過程中通過控制拖車的速度，測試水速測量儀的系統精度，水速測量儀在0～8 m/s速度范圍內的測試精度達到0.1 m/s設計指標要求。在拖曳水池模型試驗船上安裝水速測量儀進行測試，實驗結果如表2所示。

在交通部某水池模型試驗船上安裝水速測量儀進行測試，實驗結果如表3所示。

根據水池試驗結果，除了計算單點的數據偏差/率，還采用最小二乘逼近法進行了試驗區間的線性趨勢預估，兩次水池試驗的線性回歸曲線如圖7、圖8所示。

從兩次水池試驗數據回歸曲線結果可以看到，在整個試驗數據區間的線性回歸系數分別達到了0.999和1。表明水速測量儀在水池試驗中對水池拖車速度的測試結果，不但在單點數據上偏差較小，同時在整個測試區間范圍內，對于拖車實際速度的跟蹤性能都很穩定。

在拖曳水池試驗中，當船模在水中以不同速度穩定行駛時，由水速測量儀測得運動速度的時歷曲線如圖9所示。

從中可以看出，水速測量儀實測數據不但比較準確，而且在各工作點均沒有毛刺點出現，系統工作比較穩定，這也為后期的開放水域環境實際使用奠定了良好的基礎。

完成試驗室測試后，水速測量儀裝船到開放水域進行了實船試驗，根據試驗大綱的要求，在2級以下的海況條件，對包括水速測量儀在內的裝船任務載荷進行了相關性能試驗，水速測量儀在2級以下海況的實際工作情況如表4所示。

分析上述測試結果可以發現：

（1） 水速測量儀在拖曳水池測試結果得到，最大偏差均在0.1m/s范圍內，滿足設計指標要求;可以證明水速測量儀的工作性能是穩定可靠的;

（2） 從開放水域的試驗結果可以看出，部分測點的偏差超出了設計指標值，但是考慮到海面流速的影響，以及GPS測速原理的不同，同時結合任務載荷工作性能滿足設計指標要求的實際情況，表明水速測量儀的工作性能能夠滿足工程使用要求。

7 總結

本文所述水速測量儀的設計，通過采用相應量程的壓力傳感器，通過對兩個傳感器信號的差分處理，有效地解決了不同水深及使用環境下的靜水壓頭引起的零點偏差及離散問題，通過壓力變換使之輸出與航速成線性關系的電壓信號;且充分考慮了使用環境，設計了電動升降機構，保護了裝置，方便使用。經過試驗室條件和開放水域環境的性能測試，達到設計指標要求，為特種工作船及其它類似平臺的水速測量提供了新的技術手段。

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（收稿日期： 2019.04.01）

基金項目：中國船舶工業集團公司噴水推進技術重點實驗室基金項目資助（614222303021703）

作者簡介：俞賓（1971），男，本科，工程師，研究方向：船舶機電控制技術。

通訊作者：龔征華（1974），男，本科，高級工程師，研究方向：自動控制技術。