基于压力应变的可升降水速测量仪研制与试验验证

俞宾　龚征华

摘 要： 设计了一种基于压力应变原理的可升降式水速测量仪。首先基于压力应变原理实现了水速-压力-电压的测量与转换;其次采用电动升降机构，实现水速测量仪的便捷实用。水速测量仪包括压力应变仪、升降机构、控制器、以及数据采集处理系统。最后通过水池拖曳试验和开放海域实船测试，表明水速测量仪设计具有较高的测量精度，在整个工作范围内性能均能够满足使用要求。

关键词： 水速测量仪; 压力应变传感器; 电动升降机构;  拖曳试验

中图分类号： TP 393文献标志码： 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

我國海岸线漫长，流域众多，在沿海及河滩附近工作的特种工作船必不可少，该类工作船具有较大的转速工作范围（从怠速600 r/min到全速2 500 r/min（n-max）），能够在从滩头浅水到远海深水的各种深度水域开展工作。根据某特种工作船任务载荷的工作性质，有时需要实时获取船艏相对于水的航行速度，传统的GPS[1]、罗经[2]等测速方法，只能获得船体相对于地面的速度，因此，有必要研究适用于工作船工况的水速测量仪，便于船员迅速得到水速数值，同时易于操控。

水压传感器可将检测到的压力值按一定规律转化为电信号[3]，广泛于各种工业自动化环境、水力水电工程及船舶与海洋工程领域[4-6]，本文设计了一种基于压力应变原理的可升降水速测量仪，考虑沿海工况的水流速度范围和船体在不同的航速状态下前进时，使用水压传感器采集与速度成比例关系变化的压力信号，经变换处理可较为便捷地获得相船体对于水流的速度，同时，充分考虑到工程实用性，为了便于维护保养，所设计的水速测量仪具有电动升降功能，工作状态下自动从船底甲板伸入水中，在使用结束后自动缩回船体舱室进行保护。

2 工作原理

当船舶航行时，船艏平面会受到与速度有关的动水压，而船尾平面则会受到与水深有关的静水压[4]，这两个压力之间会产生压差，可由流体力学[7]中经典的伯努利方程（1）得到式（1）。

上式中：

pρg—压头;

h1—水头，m;

P1—前传感器压力，Pa;

P2—后传感器压力，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—速度头;

若两个压力传感器安装高度相同，即h1=h2;

则相应来流速度分别为V1=0，V2=V0（2）式可简化为式（3）。

由（3）式可见，压差ΔP遵循船速V平方函数关系ΔP=f（V2），通过测试两个压力应变片之间的压差就可以计算出船艏相对于水流的速度。

水速测量仪的设计主要包括机械与传动机构设计以及电气部分设计[8]。前者完成了设备的水动力线形、机械结构以及传动机构的设计，而后者则完成了水速测量仪信号转换、采集与处理等工作。

3 压力应变原理及设计

本设计采用了双压力应变[9]布置，在船首、尾分别布置压力应变传感器，位于前进方向的压力传感器受力面指向前进方向，与之相背的压力传感器受力面指向船尾。水速测量仪伸入水中工作时，压力传感器受到船体前进方向的水流冲压，输出对应的电压信号，后端的控制器便可以采集到此电压信号，当航行速度变化时，水压的变化会引起应变仪输出电压信号的变化。

为了避免水深静压条件造成的传感器零点信号的偏差，使压力传感器布置在传感器的同一高度且方向相反的位置。当水速测量仪被放置在水面下任意高度时，两个压力传感器所受静压相同、方向相反。如果船处于静止状态，则此时两个压力传感器的压差为零，水速测量仪可以不受所处水深静压的影响。

考虑到信号增益，设计了放大电路，确保信号有效传输。压力传感器则采用体积小，结构坚固，可与苛刻介质兼容压阻式压力传感器[10-11]。原理图如图1所示。

压力传感器封装在不锈钢外壳内，随着航行速度的变化，压力传感器感受到不同的水压，通过放大器线路将压阻变化信号转换为相应的与航速成比例的电压信号。压力传感器及性能参数如表1所示。

4 升降机构设计

船舶在岸滩、浅水等水域行驶时，要保证水速测量仪的正常使用，需要设计保护装置，保护水速测量仪的关键元件压力传感器。为此设计了一种升降机构[12]，水速测量仪不工作时，为了避免传感器触底或者受到水下异物的碰撞、缠绕等造成传感器损坏，传感器座收缩于底座中;水速测量仪工作时，传感器座脱离底座，被放入水中。水速测量仪的機械结构由手柄、传动电机、传感器座、底座和升降机构等组成，如图2所示。

4.1 底座设计

底座为水速测量仪与车体连接装置，用于保护传感器座。

传感器设计采用了流线形外形。

流线形传感器底座，通过机械精密加工成型，既可以与底座良好配合，又保证了压力传感器不受干扰和损坏。

通过前期模型摸底试验，流线形传感器底座在模型试验过程中，在整个0～8 m/s的拖车速度范围内，测试精度均很好。故最终选用流线形传感器底座，材料为不锈钢。

4.2 升降机构

升降机构采用手控电动操纵方案。

操纵系统由导向杆、升缩杆、底座、电机等组成，采用开关控制、电动操纵、电气限位，操作方便，可靠实用。

水速测量仪的升降机构采用船上+24 V电源供电，通过升降启动开关（AN1、AN2）控制电源接通使电机转动工作并通过丝杠驱动机构上下运动;通过继电器（J1、J2）工作选择控制电机电源极性，控制电机转向实现传动机构的升降，通过机构上下两端的收、放到位接近开关（K1、K2）控制到位后的电机断电停止工作，使水速测量仪收放到位。传动机构电机驱动原理图如图3所示。

上述水速测量仪体积小，重量轻，可靠性好，且使用、维护方便。

5 数据采集处理系统开发

水速测量仪的数据采集处理系统[13-14]主要由以下几部分组成：信号变送单元、计算机单元、串行LCD显示单元、数据通信单元和电源单元。数据采集处理原理图[15]如图4所示。

各功能如下：

信号变送单元采用运算放大器组成，将动、静压两个传感器的输出电压组成差分输入信号，并转换为标准的DC0～3 V信号，经过R-C滤波消除毛刺等干扰信号以提高信噪比，并传送到主控计算机单元的A/D采样端口进行进一步处理[16]。

主控计算机单元是水速测量仪的数据采集处理系统中枢，其对模拟量输入信号进行A/D采样转换为数字量，再经换算得到速度值。主控计算机单元主要采用C8051F020单片机和外部接口电路组成。

C8051F020单片机是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，其内核与MCS-51指令集完全兼容[17]。单片机采用3.3 V工作电源，在单芯片内集成了构成一个单片机数据采集与控制系统所需要的几乎所有的模拟和数字外设及其它功能部件，包括数字I/O接口、12位ADC、看门狗定时器、内部振荡器以及两个独立的全双工串行通信接口（UART0/1）等。

单片机利用自带的UART串行通信接口，与外部SN65C1168E双差分驱动接收器进行数据传输，实现水速信号的发送。

主控软件控制流程图如图5所示。

计算机单元对采样得到的数字电压信号，经过数字滤波处理[17]，得到准确稳定的平均值，以此作为水速测量仪测量结果。

软件AD采样值数字滤波流程图如图6所示。

电源单元为整个测量仪提供稳定的工作电源。船上提供的+24 V直流电源具有一定干扰，通过DC-DC模块得到隔离输出的+5 V电压，并通过L-C滤波后得到相对稳定的工作电源。

计算机单元处理得到的水速数据，一方面通过RS422串行通讯接口传送至船用导航仪使用，同时在本地测量仪本地利用LCD显示器进行显示。水速测量仪的本地显示器采用串口显示屏实现。主控制器通过UART串口发送数据至显示屏，显示内容包括水深（静压）、水速（差压变换结果）等内容，显示屏分辨率设置为800*600。

6 测试结果及其分析

根据任务载荷的稳定性需求，水速测量仪的测试精度要求±0.1 m/s，完成了产品研制后，先后在两个拖曳水池和开放海域进行了水池拖曳试验和实船测试试验。在试验室测试过程中通过控制拖车的速度，测试水速测量仪的系统精度，水速测量仪在0～8 m/s速度范围内的测试精度达到0.1 m/s设计指标要求。在拖曳水池模型试验船上安装水速测量仪进行测试，实验结果如表2所示。

在交通部某水池模型试验船上安装水速测量仪进行测试，实验结果如表3所示。

根据水池试验结果，除了计算单点的数据偏差/率，还采用最小二乘逼近法进行了试验区间的线性趋势预估，两次水池试验的线性回归曲线如图7、图8所示。

从两次水池试验数据回归曲线结果可以看到，在整个试验数据区间的线性回归系数分别达到了0.999和1。表明水速测量仪在水池试验中对水池拖车速度的测试结果，不但在单点数据上偏差较小，同时在整个测试区间范围内，对于拖车实际速度的跟踪性能都很稳定。

在拖曳水池试验中，当船模在水中以不同速度稳定行驶时，由水速测量仪测得运动速度的时历曲线如圖9所示。

从中可以看出，水速测量仪实测数据不但比较准确，而且在各工作点均没有毛刺点出现，系统工作比较稳定，这也为后期的开放水域环境实际使用奠定了良好的基础。

完成试验室测试后，水速测量仪装船到开放水域进行了实船试验，根据试验大纲的要求，在2级以下的海况条件，对包括水速测量仪在内的装船任务载荷进行了相关性能试验，水速测量仪在2级以下海况的实际工作情况如表4所示。

分析上述测试结果可以发现：

（1） 水速测量仪在拖曳水池测试结果得到，最大偏差均在0.1m/s范围内，满足设计指标要求;可以证明水速测量仪的工作性能是稳定可靠的;

（2） 从开放水域的试验结果可以看出，部分测点的偏差超出了设计指标值，但是考虑到海面流速的影响，以及GPS测速原理的不同，同时结合任务载荷工作性能满足设计指标要求的实际情况，表明水速测量仪的工作性能能够满足工程使用要求。

7 总结

本文所述水速测量仪的设计，通过采用相应量程的压力传感器，通过对两个传感器信号的差分处理，有效地解决了不同水深及使用环境下的静水压头引起的零点偏差及离散问题，通过压力变换使之输出与航速成线性关系的电压信号;且充分考虑了使用环境，设计了电动升降机构，保护了装置，方便使用。经过试验室条件和开放水域环境的性能测试，达到设计指标要求，为特种工作船及其它类似平台的水速测量提供了新的技术手段。

参考文献

[1] 李帆. 船用GPS定位误差及其改进措施的研究[D]. 武汉：武汉理工大学， 2007.

[2] 杨鹏翔， 秦永元， 宋丽君， 等. 基于水平罗经的捷联惯导系统自动零速修正[J]. 中国惯性技术学报， 2010，18（1）：52-57.

[3] 张鑫， 郭清南， 李学磊. 压力传感器研究现状及发展趋势[J]. 电机电器技术， 2004（4）： 28-29.

[4] 陈舟疌， 朱蕴璞， 王昌明. 水下压力测量传压管道动态特性分析[J]. 传感器与微系统， 2004，23（11）： 24-26.

[5] 陈静. 水下压力与速度测试研究[J]. 探测与控制学报， 2006，28（2）： 13-15.

[6] 王子延， 蒋德明. 应变式微型测速探针及其在内燃机上的应用[J]. 内燃机工程， 1982（1）：47-55.

[7] 许维德. 流体力学[M]. 北京：国防工业出版社，1979.

[8] 雷钢， 王长虹， 齐虹， 等. 压力传感器电磁兼容优化设计[J]. 电子世界，201（8）：89-90.

[9] 朱骏，王淮阳，王勇.一种新型深海压力传感器的设计与系统仿真研究[J]，合肥工业大学学报（自然科学版），2017，40（2）：150-153.

[10] 崔永俊，李康康，杨卫鹏.基于FPGA的高精度液体密度测量仪设计[J]，中国测试，2018，44（1）：80-84.

[11] 齐娜，付士民，王世宁，等. 基于MEMS压力传感器阵列的浪涌检测技术研究[J]. 传感器与微系统，2017，36（6）：57-62.

[12] 杨晓慧. 常见插销式液压升降机构组成及其原理[J]. 船舶工程，2016，38（S2）：110-116.

[13] 李慧， 郭涛， 邸丽霞， 等. 水压传感器数据采集系统设计[J]. 电子器件，2018，41（1）：115-119.

[14] 李欣. 基于DSP技术的船舶数据采集系统设计[J]. 舰船科学技术，2018，41（2A）：148-150.

[15] 汝福兴，崔益烽，苏生，等. C8051F020单片机及其在双主机转速同步控制系统中的应用[J]. 船舶，2016（6）：66-75.

[16] 侍洁，袁红兵，陈永进.基于FPGA的振动信号采集卡的研究与设计[J].电气与自动化，201（3）：196-199.

[17] 潘琢金，施国君.C8051Fxxx高速SOC单片机原理及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.

（收稿日期： 2019.04.01）

基金项目：中国船舶工业集团公司喷水推进技术重点实验室基金项目资助（614222303021703）

作者简介：俞宾（1971），男，本科，工程师，研究方向：船舶机电控制技术。

通讯作者：龚征华（1974），男，本科，高级工程师，研究方向：自动控制技术。