一種異形羅盤腔及測量電路在吊放聲吶中的應(yīng)用

馬利鋒

（第七一五研究所，杭州，310023）

吊放聲吶是反潛直升機主要裝備之一，而水下分機是吊放聲吶的濕端，羅盤腔又是水下分機的重要組成部件，用于測量水下分機在水中轉(zhuǎn)動時相對磁北的方位。一般水下分機常設(shè)計有固定的底部電子腔，羅盤及羅盤處理電路均布于其中，而具有可收放換能器陣的水下分機取消了底部固定電子腔，為此，本文設(shè)計了一種新型的異形結(jié)構(gòu)形式的羅盤腔，用于安裝羅盤及羅盤處理電路并對其進行水密。羅盤腔安裝位置不能阻擋發(fā)射換能器的下放展開以及收攏，同時應(yīng)盡量遠離電機等磁性零部件，并滿足易于拆卸和機械式角度微調(diào)的維修性要求。此外，我們在該羅盤上集成了溫度測量功能，測量當(dāng)前位置的溫度，為溫深剖面圖的繪制提供數(shù)據(jù)。

本文設(shè)計的羅盤腔具有以下優(yōu)點：（1）可以實現(xiàn)水下分機在水中轉(zhuǎn)動時相對磁北的方位測量，在潛艇測向時提供方位基準；（2）可以實時讀取水下分機所處位置的溫度；（3）安裝在水下分機的底部聲基陣外側(cè)，不阻擋聲基陣的上下運動；（4）羅盤艙單獨組成部件，較以往型號，極大地提高了羅盤調(diào)試及外場維護的便利性；（5）整個裝置結(jié)構(gòu)簡單、可靠、緊湊，占用空間小，裝在聲基陣外側(cè)，不占用水下分機高度空間。

1 設(shè)計方案

1.1 結(jié)構(gòu)組成及電路工作原理

本文設(shè)計的異形獨立羅盤腔主要由耐壓殼體、羅盤處理電路、羅盤、溫度傳感器、互聯(lián)電纜等零部件組成。羅盤及羅盤處理電路安裝在耐壓殼體內(nèi)部，溫度傳感器安裝在耐壓殼體側(cè)面，耐壓殼體上引出水密纜與水下分機電子腔連接。獨立羅盤腔可以通過螺釘固定在水下分機聲基陣外側(cè)框架上。異形獨立羅盤腔外形圖如圖1所示，羅盤腔安裝位置如圖2所示。

圖1 異形獨立羅盤腔外形圖

圖2 羅盤腔安裝位置示意圖

羅盤電路[1]由磁通門探頭、勵磁電路、選頻電路、濾波放大電路和后端的傳感器調(diào)理電路組成。羅盤電路組成框圖如圖 3所示。羅盤電路工作原理：交變勵磁信號在勵磁線圈中產(chǎn)生交流電流，由法拉第電磁感應(yīng)原理，交變電流產(chǎn)生磁場。勵磁線圈產(chǎn)生的磁場使磁通門磁芯在“正過飽和”與“負過飽和”[2]兩種工作狀態(tài)間循環(huán)。在外磁場（比如地磁場）的作用下，磁芯的正負飽和時間不再對稱，感應(yīng)線圈就能感應(yīng)出不對稱的電流，它的大小反映了地磁場在該感應(yīng)線圈軸向上分量的大小，兩組正交的感應(yīng)線圈分別測量出地磁在羅盤X軸向和Y軸向的分量，羅盤工作時探頭中磁感應(yīng)強度B的波形示意圖如圖4所示。

圖3 羅盤電路組成框圖

圖4 磁探頭磁感應(yīng)強度示意圖

對于某一方位，其地磁場強度的大小和方向是一定的，此時磁探頭磁感應(yīng)強度中除了勵磁磁場強度外還疊加了地磁場強度，大小和方向感應(yīng)在勵磁頻率的2倍頻上。磁探頭能將微弱的地磁場在正交的X、Y軸感應(yīng)線圈中的分量（大小和方向）轉(zhuǎn)換成感應(yīng)線圈中的電流。選頻電路能選出感應(yīng)線圈中攜帶地磁信息的微弱2倍頻有用信號，經(jīng)濾波、放大后送上電子艙的傳感器調(diào)理電路板放大和誤差修正，產(chǎn)生X、Y軸輸出電壓X1、Y1，通過以下公式，計算出相對磁北的方位φ（注：φ=0時磁探頭的X軸感應(yīng)線圈與磁北方向相同）。

溫度電路工作原理如下：溫度傳感器[3]通過羅盤腔電纜串聯(lián)至傳感器調(diào)理電路中，傳感器探測當(dāng)前溫度，給出一個對應(yīng)的電阻值，串聯(lián)至調(diào)理電路中經(jīng)放大輸出一個壓降U，根據(jù)公式計算出溫度值為W=U/K（K=51 mV/℃）。

1.2 電路設(shè)計

1.2.1 勵磁電路

勵磁電路主要用于選頻控制信號發(fā)生及激勵信號發(fā)生，晶振產(chǎn)生高頻6 MHz振蕩信號，經(jīng)分頻電路分頻為6 kHz對稱方波，用于選頻電路的控制信號；分頻電路輸出的方波信號再次經(jīng)過二分頻電路得到頻率為3 kHz的對稱方波，此頻率方波信號作為激勵電路的控制信號產(chǎn)生勵磁信號去激勵勵磁線圈信號發(fā)生，其原理圖如圖5所示。

圖5 勵磁電路原理圖

1.2.2 選頻及濾波放大電路

選頻及濾波放大電路主要是將感應(yīng)線圈中攜帶的地磁信息的2倍頻分量拾取出來，并將微弱信號放大，方便后續(xù)電路處理。選頻及濾波放大電路采用模擬開關(guān)實現(xiàn)，X、Y路電路完全相同，每路控制信號由勵磁電路產(chǎn)生的6 kHz對稱方波構(gòu)成，其原理圖如圖6所示。

圖6 選頻及濾波放大電路原理圖

1.2.3 誤差修正電路

經(jīng)過選頻及濾波放大的X、Y路信號由誤差修正電路進一步完成信號放大及誤差修正。通過調(diào)試電位器，能調(diào)整兩路零點電位，消除電路參數(shù)、安裝場合硬磁物質(zhì)引起的直流偏移誤差。放大比例調(diào)整電位器能保證兩路的電壓最大值一致，實現(xiàn)高精度測定方位，其示意圖如圖7所示。

圖7 誤差修正電路

1.2.4 溫度電路

溫度電路主要用于探測當(dāng)前位置的水溫，結(jié)合壓力傳感器探測的深度計算出該區(qū)域的溫深曲線。主要通過溫度傳感器探測當(dāng)前溫度，給出一個電阻值，在溫度處理電路中經(jīng)放大后輸出一個壓降值，其示意圖如圖8所示。

圖8 溫度電路

2 試驗結(jié)果

2.1 羅盤測試

在上述設(shè)計的基礎(chǔ)上我們制造了一個樣件。將羅盤腔樣件放在無磁轉(zhuǎn)臺上，每旋轉(zhuǎn)20°測試X、Y軸輸出值并記錄，直至旋轉(zhuǎn)360°，按照本文公式計算出羅盤零點相對于磁北的方位角φ。假設(shè)羅盤記錄數(shù)據(jù)為pi，羅盤理論值為pii，羅盤方位偏差計算見式（1），羅盤方位偏差均值見式（2），羅盤偏差均方差計算見式（3），得出最終羅盤偏差均方差的值。羅盤測量試驗結(jié)果如表1所示。根據(jù)以上數(shù)據(jù)計算得出羅盤偏差均方差為0.27°，滿足羅盤偏差測量均方根誤差不大于1°的設(shè)計要求。

表1 羅盤測量試驗結(jié)果

2.2 溫度測試

將羅盤腔樣件置于恒溫水槽中，調(diào)整恒溫水槽溫度，測量并計算出羅盤腔樣件在不同溫度點的溫度值。溫度測量試驗結(jié)果如表2所示。分析表中數(shù)據(jù)，可知最大誤差為0.5℃，滿足溫度測量誤差為±1℃的設(shè)計要求。

表2 溫度測量試驗結(jié)果

3 結(jié)束語

本文介紹了一種安裝于水下分機聲基陣外側(cè)、集成了方位和溫度測量的異形獨立羅盤腔的設(shè)計方案和實現(xiàn)方法，并詳細分析了結(jié)構(gòu)設(shè)計和電路設(shè)計。目前，該羅盤腔已經(jīng)在實驗室聯(lián)調(diào)、湖試中得到驗證，并在實際工程設(shè)備中使用。該獨立羅盤腔結(jié)構(gòu)簡單、單獨成件、調(diào)節(jié)便利、測量精度高，具有重要的工程和經(jīng)濟效益。