新型测深仪专用换能器模拟装置设计与实现

王云鹏，徐 望，吴永明

（海军九〇二厂，上海 200083）



新型测深仪专用换能器模拟装置设计与实现

王云鹏，徐 望，吴永明

（海军九〇二厂，上海 200083）

摘 要：换能器是测深仪的传感器，研制换能器模拟装置可以在内场中修和临抢修时替代换能器对测深仪进行调试和修理。本文从测深仪的工作原理分析出发，介绍了某新型测深仪专用换能器模拟装置的技术设计方法，技术设计实现过程和应用情况。

关键词：换能器 回波 模拟装置

0 引言

某新型测深仪近几年在舰船上装备较多，它由主机、接线盒和换能器组成，是舰艇中一个非常重要的航海设备，用于测量、指示和记录船底龙骨以下的海水深度，它对于保障舰艇的正常航行起着不可替代的作用。换能器作为测深仪的传感器，是其最主要的功率部件，起着将电信号转换成声波信号，并接收转换来自海底回波信号的作用。由于换能器安装在船底，其价格昂贵，位置特殊，又具有难拆卸性，难维修性的特点，舰艇进坞后若技术指标正常一般不进行拆卸更换。坞排期间换能器暴露在空气中，测深仪严禁通电调试，中修内场调试时没有换能器的接入测深仪系统就无法构成一个完整的回路，测深仪的各种性能测试及调试都无法进行，若为该型测深仪中修调试而建造换能器水池成本高，需配备的换能器也是一笔巨大费用，而且水深为固定值，无法进行动态调试。[1]舰艇航行或锚泊时出现测深仪无水深信号情况下，若有换能器模拟装置帮助则可以判定测深仪主机性能好坏及进行必要的动态性能调试。综上所述，研制符合该型测深仪特点，既简易便携又经济实用的换能器模拟装置，对于该型测深仪内场中修动态调试和日常临抢修保障具有重要的意义。

1 技术设计

1.1技术策略

开展该型测深仪换能器模拟装置设计首先要根据该新型回声测深仪技术资料来分析、掌握测深仪干端与湿端换能器之间的信号交互特点和要求，尤其是测深仪回波信号产生的原理和特点，构建换能器模拟装置模型，为换能器模拟装置的设计奠定基础。

其次，在对该型回声测深仪整机工作原理分析的基础上，根据其工作性能指标特点，通过功能模拟的方法，设计搭建相关电路模块来处理其干端的发射信号，模拟其回波电路。在实装测试中调整选择合适的元器件，组装后的模拟换能器需与回声测试仪进行长时间测试，验证检验模拟换能器的有效性，确保模拟换能器的可靠、适用。

1.2原理分析

回声测深仪工作原理源于声波的传播特性。回声测深仪工作原理如图1所示，在船底龙骨两侧对称安装换能器各一个。一个作发射换能器，向海底发射声波脉冲信号，信号到达海底被反射回来；另一个作接收换能器，接收经海底反射回来的声波脉冲信号。[2]因为声波在海水中传播的速度是一定的，因此，只要测定声波脉冲从发射至接收到回波的时间间隔t，即可求得它在海水中往返一次的路程2d，进而计算出换能器到海底的水深h。

该新型回声测深仪由干端和湿端两个部分组成。干端部分通常由发射、接收、解算、显示器、电源五个部分所组成，如图2所示。其回波检测原理如图3 所示。湿端部分由安装于船底的换能器组成。

1）发射部分：由发射触发器、激发器和发射换能器等组成。发射触发器周期性地产生发射控制脉冲（如图3a），t0时刻产生一个发射控制脉冲，间隔(t2- t0)时间，到t2时刻后再产生一个发射控制脉冲。测深仪在时间(t2- t0)内完成一个测深过程，从t2时刻起反复循环，激发器在该控制脉冲的触发下，激发换能器向海底发射具有一定脉冲宽度、频率和输出功率的声振荡脉冲（如图3b）。声振荡脉冲的工作频率通常选为10～200 kHz。

2）接收部分：由接收换能器和放大器等组成。接收换能器从干扰背景中取出真正的超声波回波信号，并经放大器加以适当地放大和处理后，向解算部分输出，（如图3c）。在发射瞬间，由于换能器间的直接传递或线路间的电磁感应作用，接收部分也有一个信号输出。因为该信号的显示位置处于水深刻度的零刻度处，故称为零信号，也称发射信号 。

3）解算部分：完成超声波在海水中传播时间（t1-t0）的测量（如图3d），并依据计算公式转换为对应深度值后送显示器。

4）显示器：显示水深解算结果。

5）电源部分：将舰船电源转换为回声测深仪所需的各种规格电源，保证仪器的正常工作。

6）换能器：回声测深仪换能器是进行电能和声能转换的器件，是感知水深信息的核心部件。

1.3换能器模拟装置设计

由回声测深仪工作原理可知，测深仪t0时刻发射时产生一个发射脉冲，发射脉冲同时也是测深仪的零位信号，换能器接收到发射信号后把电信号转换为声波信号向海底发射，在t1时间后声波反射回换能器，测深仪干端部分对超声波在海水中传播时间（t1-t0）进行计算就可以得到水深信息。因此设计的模拟换能器电路要响应发射信号，产生测深仪零位信号，之后在t1时间后产生的回波信号反馈至测深仪干端部分，回波信号的载波需要和测深仪工作频率一致，且具备一定的脉宽能被测深仪识别，回波通过接口返回测深仪干端，被测深仪解算并显示水深值。

1）发射信号设计

由于发射信号具有一定的频率、功率，先设计采用RC电路滤波，电阻分压来对发射信号进行限幅，使模拟换能器的工作所需功率较小，采用氖灯（LED1）来显示发射信号，经过处理后的发射脉冲通过施密特电路进行整形，使发射信号为规则的方波信号，发射信号通过电容耦合至三极管进行倒相，便于后续电路识别。

2）回波信号设计

发射信号可通过RC电路和单稳态电路配合进行延迟，延迟t1时间后产生的脉冲信号可以视为回波脉冲，这时产生的回波脉冲比较窄，小于1 ms，难以被测深仪识别，因此需在此基础上再采用一组RC电路和单稳态电路进行脉冲的脉宽延迟，产生的回波脉宽必须低于该型号测深仪所承受的最大脉宽（15 ms）。电阻R可以用可调电阻（电位器）串联固定电阻，电容C值固定，通过调整可调电阻来改变RC值，可调电阻R值可根据量程范围进行选择。考虑到设计的测深量程范围大，可通过波段开关来选择不同阻值的固定电阻，实现工作量程切换。

3）载波信号设计

该回声测深仪的工作频率是25 kHz，因此设计的载波频率需与其一致，该电路设计采用RC与振荡器组成振荡电路来产生25 kHz载波信号，为了便于适合其他相近工作频率的测深仪工作所需，电阻R可采用可调电阻（电位器），使其工作频率能以25 kHz为中点上下可调。载波信号与回波脉冲调制后送回测深仪干端，可采用一个发光二极管对回波信号进行跟踪显示。

2 技术实现

2.1器件选择

电路设计采用两组单稳态电路，可采用J210双单稳态电路芯片与RC电路相组合；载波电路可采用U7555振荡器与RC电路相组合，根据芯片工作电压选择的电路电源为12 V，可选择12 V的电源模块进行整流滤波，所有元器件都采用性能稳定的军品级器件，确保电路稳定可靠。

2.2实现及验证

设计后的电路图如图4所示。

图4 电路板原理图

根据设计好的原理图采购元器件，在万用板上先搭建电路，实装调试中进行元器件参数选择，试验中发现采用脉宽1 ms至5 ms宽度脉宽能方便被测深仪识别，可调电阻阻值采用1M 值能使量程在1 m到300 m内连续可调。把参数选定的元器件焊接在定制加工的PCB板上，外壳采用小型化的定制箱体，指示灯、波段开关、电位器等安装于箱体上。电路板及箱体组装完成后，与该型回声测深仪实装长时间调试，试验中模拟换能器与该型测深仪测深工作配合良好，模拟换能器水深调节与该型回声测深仪显示保持一致，同时模拟换能器上的氖灯和LED指示灯能正常闪烁，反应出发射信号及回波信号，测深仪干端部分上的报警功能、移相功能、工作切换等功能都能进行检测调试，完全具备实装换能器功能。研制出的换能器模拟装置具备维修调试功能强、操纵使用简单、体积小，重量轻，携带方便等特点，研制所需器材费用小，经济适用，便于推广使用。换能器模拟内部构造如图5所示，实物如图6所示。

图5 内部构造图

图6 实物图

2.3技术指标

1）工作电压：交流220 V/50 Hz；

2）工作频率范围：25 kHz±20%；

3）功率：≤0.5 W；

4）模拟深度范围：1-300 m；

5）回波脉宽：1-5 ms;

6）连续工作时间:＞24 h。

3 应用情况

该专用型测深仪换能器模拟装置的成功研制为该型测深仪主机排故提供了便捷的检测手段，摆脱了依赖实装换能器才能进行整机调试的被动局面，与传统维修方法相比，采用换能器模拟装置进行维修在检测方式、平均故障定位时间等方面具有一定的独创性，拓展了保障效能，如表1所示。

该专用型测深仪换能器模拟装置具有较大的应用价值和应用前景，通过开展该项目能够为辖区内二十多艘水面舰艇同型测深仪提供高效率的保障能力，此外该模拟换能器还能适用于工作频率相近的测深仪的维修保障。可应用于基地级维修及中继级临抢修，可以实现内场及码头系泊条件下闭环维修的检测、测试和验证；应用于舰员级维修，可以实现舰艇在航，舰员自主定性判别故障点，缩短维修时间，提高预先维修的效率。该换能器模拟装置与实装连接调试如图7所示。

表1 实用测深仪模拟换能器应用前后保障效能对比

图7 实装连接调试图

4 结束语

本文从某新型测深仪维修保障需求出发，在对测深仪工作原理和该型测深仪技术特点进行分析研究的基础上，设计实现了一款某新型测深仪专用换能器模拟装置，取得了良好的应用效果，能满足该新型测深仪内场中修调试和临抢修的需求，具有较高的军事经济效益。

参考文献：

[1]吴永明.便携式测深仪换能器模拟装置设计与实现[J].船电技术,2012,(5):29 -32.

[2]宛宁.回声测深仪的原理及其应用[J].导航,2010,(3):69-71.

Designing and Realization of Special Simulative Instrument for a New Sounding Transducer

Wang Yunpeng,Xu Wang,Wu Yongming
（No.902 Factory of Navy,Shanghai 200083,China）

Abstract：The sounding transducer is the sensor of the sounding instrument.The transducer special simulative instrument is developed for debugging and repairing of the sounding transducer in the workshop or occasional repairing.This paper introduces technological design procedure,development process and application of a new sounding transducer special simulative instrument based on the principle of sounding instrument.

Keywords:sounding transducer; echo; simulative instrument

作者简介：王云鹏（1974-）， 男，高级工程师。研究方向：舰船技术保障。

收稿日期：2015-11-19

中图分类号：TP212

文献标识码：A

文章编号：1003-4862（2016）02-0045-04