（机械工程专业论文）机电一体化新型旋转式海流计设计与开发.pdf

摘要 中国是一个拥有海洋面积很大的国家，利用海洋资源和保护海洋环境离不开 可靠、性能稳定的海洋仪器，它为海洋调查和研究提供了具体的原始数据，本文 设计了一种海洋监测仪器机电一体化新型旋转式海流计。 本文旨在改进旋桨式海流计的不足，同时使所设计的机电一体化新型旋转式 海流计达到较高水平，提高所测流速、流向数据的精度，减小仪器的体积和重量， 降低数据存取、回放的难度，增强系统工作的稳定性。争取为我国的海洋事业贡 献一款高水平的海洋仪器。 本文较详细的论述了当前我国境内的一些旋桨式海流计存在的问题和不足， 并针对这些问题和不足进行选型和设计。本文所设计的海流计采用便携式设哥二理 念，它主要由水下探测器、水上接收器和上位机数据处理软件组成。 针对水下探测器体积大，对流的跟随性不强，影响大而导致测量的流速不准 的问题，本文采用新的造型技术，有效减小了流对仪器本身的影响；而对流向的 测量，则采用高精度的进口方位传感器来测量流向，通过软件的有效处理，能有 效减小测量数据的抖动问题。 对水下探测器由于流向的变化，或在布放时在传输电缆上存在扭矩的问题， 本文也采取相关技术，使探测器与拉杆分离，之间用具有自润滑功能的聚四氟乙 烯材料进行隔离，可有效释放传输电缆上存在的扭矩，增强水下探测器对流向的 跟随能力，消除因此扭矩而使所测流向不准确的问题。 对数据的采集、处理分水上、水下两部分进行，水下数据采集及预处理部分 嵌入到水下探测器中，采用微功耗单片机芯片对所测的流速、流向数据进行采集、 转化得到原始数据；而后通过传输电缆传到水上接收器中的微功耗单片机，在此 进行数据的最终处理和显示。原始数据可通过水上接收器上的通讯接口与上位机 连接进行传输，在上位机显示软件中可显示流速流向数据和相关报表，以改善传 统旋桨式海流计对数据的管理功能，不必再手工录入电脑，极大减轻工作人员的 工作量，而且对某个测量点的长期观测数据在上位机显示软件上可通过曲线的方 式来显示，为研究人员在研究某个海域的海流时提供方便，消除需要处理大量数 据的麻烦。 青岛理工大学工学硕士学位论文 关键词海流计；结构设计；旋转式；数据处理；便携式 a b s t r a c t c h i n ai sav a s to c e a n i cc o u n t r y , s oi ti sv e r yi m p o r t a n tf o ro u rc o t m t r y t ou s ea i l d p m t e c to c e a nr e s o u r c e s t h er e l i a b l ea n ds t a b l em a r i n ee q u i p m e n tc o u l dp r o v i d eu s e 如l r a wd a t af o rt h e s u r v e ya n dr e s e a r c h s ot h i sp a p e rp r o p o s e san e we q u i p m e r 忙 m e c h a t r o n i c sr o t a r yc u r r e n tm e t e r t h i ss u b j e c ta i m st oi m p r o v e s h o r t a g e so ft h ep r o p e l l e r - t y p ec u r r e n tm e t e ra ss o o n a sp o s s i b l e m e c h a t r o n i c sr o t a r yc u r r e n tm e t e rt a k e sa d v a n t a g eo fn e w m a t e r i a l sa n d n e w t e c h n o l o g i e st oa c h i e v ean e wl e v e lp e r f o r m a n c e i ti n c r e a s e st h ed a t aa c c u r a c vo f m e a s u r e dv e l o c i t ya n dt h ef l o w , a n dr e d u c e st h es i z ea n dw e i g h t i ta l s or e d u c e s 也e d i f f i c u l t yo ft h es t o r i n ga n dr e a d i n go fd a t a b e c a u s eo ft h e s ec h a n g e s ，t h es t a b i l i t yo f t h ew h o l es y s t e mi se n h a n c e d t h i sn e w e q u i p m e n ti sc o n t r i b u t e dt ot h eo c e a nm 耐n e e q u i p m e n to fc h i n a t h ep a p e rd i s c u s s e si nm o r ed e t a i la b o u td e f i c i e n c i e sa n ds h o r t c o m i n g so ft h e p r o p e l l e r 。t y p ec u r r e n tm e t e ri no u rc o u n t r y , a n dt h i si st h ef o u n d a t i o no ft h i ss u b j e c t t h en e wc u r r e n tm e t e ra r ed e s i g n e df o rp o r t a b l e ，i tm a i n l yc o m p r i s e so fu n d e n a t e r p r o b e ，s u b w a t e rr e c e i v e ra n dp cd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e b e c a u s eo fl a r g ev o l u m eo fu n d e r w a t e rp r o b e ，t h ef o l l o w i n gp e r f o r m a n c eo ft h e p r o p e l l e r 。t y p ec u r r e n tm e t e ri sn o tg o o d ，a n dt h em e a s u r e m e n to fv e l o c i t yi ss e r i o u s l v a f f e c t e d t h em e c h a t r o n i c sr o t a r yc u r r e n tm e t e ru s e san e w m o d e l i n gt e c h n o l o g y , s ot h e f o l l o w i n gp e r f o r m a n c ei sh i g h l yi m p r o v e d t h ei m p o r tf l o wd i r e c t i o ns e n s o ri su s e dt o m e a s u r et h ef l o wd i r e c t i o n ，a n d ji r e rm e a s u r e m e n td a t ai se f f e c t i v e l yr e d u c e dw i t ht h e h e l po fs o f t w a r e t h e r e f o r e ，t h ep r e c i s i o na n da c c u r a c yo fd a t aa r eg u a r a n t e e d t h es u b j e c th a st a k e nt h er e l e v a n tt e c h n o l o g yf o r s o l v i n gt h ef o l l o w i n g p e r f o r m a n c eo fu n d e r w a t e rp r o b ea n dt h et o r q u ew h e n l a y i n gc a b l e t h ep r o b ea n dt h e r o da r es e p a r a t e d ，a n dp t f e ( p o l y f o u r - f l u o r i d e ) i su s e dt os e l f - l u b r i c a t eb e t 、e e nt l l e m t h i sc a ne f f e c t i v e l yr e l e a s et h et o r q u ei nc a b l e ，e n h a n c et h ef o l l o w i n g d e r f o r m a n c e a n d e l i m i n a t et h ei n a c c u r a t eo ff l o wd i r e c t i o nc a u s e db yt h et o r q u e t h ec o l l e c t i o na n dp r o c e s so fd a t ah a v et w op a r t s 一一s u b w a t e ra n du n d e rw a t e r u n d e r w a t e rd a t aa c q u i s i t i o na n dp r e p r o c e s s i n gi se m b e d d e di nt h eu n d e r w a t e rp r o b e ， a n dm i c r o 。p o w e rs i n g l ec h i pi su s e dt oa c q u i s i t i o na n dt r a n s f o r m v e l o c i t ya n df l o wd a t a f r o mt h es e n s o r s t h e s er a wd a t aa r e p a s s e dt h r o u g ht r a n s m i s s i o nc a b l e ，a n dt h e s u b 。w a t e rm i c r o - p o w e rs i n g l ec h i pr e c e i v e s ，p r o c e s s e sa n d d i s p l a y st h e m r a wd a t ac a n i i i 青岛理工大学工程硕士学位论文 b ep a s s e dt ot h es u b - w a t e rp ct h r o u g hu s bi n t e r f a c e ，a n dp cd a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r e c o u l dd i s p l a yf l o wv e l o c i t ym a p ，f l o wd i r e c t i o nm a p ，a n do t h e rr e l a t e dr e p o r t s s o ，d a t a m a n a g e m e n to fp r o p e l l e r - t y p ec u r r e n tm e t e ri si m p r o v e d ，w i t h o u th a v i n gt om a n u a l l y i n p u td a t ai n t oc o m p u t e r , g r e a t l yr e d u c i n gt h ew o r k l o a do fs t a f f i ti se a s yt oo b s e r v ea l o n g - t e r mm e a s u r e m e n td a t aw h i c hi sa c q u i s i t i o n e da to n ep o i n t t h a ti sab i gh e l pf o r r e s e a r c h e r ss t u d y i n go c e a nc u r r e n t sa n dr e d u c i n gt h eb i gt r o u b l eo fd a t ap r o c e s s k e y w o r d sc u r r e n tm e t e r ：s t r u c t u r a ld e s i g n ：r o t a r y ：d a t ap r o c e s s ；p o r t a b l e i v 青岛理工大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 海洋约占我们地球总面积的7 0 8 ，是陆地面积的2 倍还多，她与我们的生 活息息相关【l 】。而中国是一个标准的海洋大国，所管辖的领海海域和专属经济区就 超过3 0 0 万k m 2 ，大陆海岸线长达18 0 0 0 k m ，岛屿海岸线长达1 4 0 0 0 k m t 2 。 人类社会的发展，自然界的和谐统一，无不与海洋有着密切的联系。而且海 洋是全球气候影响的主要因素之一，她对我们赖以生存的地球环境起着非常重要 的作用。海洋里资源丰富，人类也正在逐步开发。海洋还为很多行业提供了便利， 如交通运输和海水淡化等等。海洋确实值得人类探索始终。 中国拥有如此多的海洋面积，如何利用海洋资源、保护海洋环境一直是我们 国家的一件大事【3 】。利用海洋资源、保护海洋环境的前提是要对海洋系统、合理的 开发，细致深入的调查、监测和研究。从海洋监测方面来说，我国的技术水平还 在发展阶段，需要继续努力【4 】。 1 1 研究背景及其意义 人类以开发和利用海洋资源为目标，对海洋进行了漫长的观测、探索和研究。 而为了更好的观测、探索和研究海洋，必要的高水平的海洋监测调查工具是不可 或缺的1 5 j 。海流流速流向的测量为我们能更好的了解、研究海洋提供了一个重要的 参数，海洋中暗流涌动，能把握了解其规律是非常必要的，它可以为国防、海运 交通、渔业、建桥、建港、建风力发电平台等提供一个不可缺少的海流参数【6 l 。海 流的分布状况与渔业有着密切的关系，如在捕鱼期，寒流和暖流相交汇的区域往 往便是鱼群所在的位置；在建港、建桥、建风力发电平台等中根据所测海流的数 据计算海流对泥沙的搬运影响；水上运输中要考虑海流对船的影响等。另外，海 流的监测还与海洋科学其它领域的研究存在紧密的联系，比如说水团的形成，海 洋内部及海水与空气界面之间热量的交换等【_ 7 1 。 中国是一个拥有海洋面积很大的国家，大约相当于我国陆地面积的三分之一。 我国沿海地区的陆地面积约占全国陆地面积的1 4 ，而居住人口却占到全国总人 口的4 0 以上，占国内生产总值的6 0 以上，据有关数据显示，我国的有关海洋 经济情况正以每年2 0 以上的增长率快速发展。但我国目前还不是海洋方面的强 青岛理工大学工程硕士学位论文 国，还需要很长的路要走，这与我国综合国力的日益增强不相协调【8 1 。因此如何利 用海洋资源、保护海洋环境一直是我们国家的一件大事。要利用海洋资源、保护 海洋环境，对海洋系统、合理的管理，就要针对海洋展开细致深入的调查、监测 和研究 9 】o 利用海洋资源和保护海洋环境离不开可靠、性能稳定的海洋仪器，它为 海洋调查和研究提供了具体的原始数据 作为海洋监测工具之一的测流装置一般分为定点海流计和漂浮测流装置两类 d o 。而根据流速测量的工作原理，可分为旋转式海流计和非旋转式海流计两种【1 1 】。 旋转式海流计是利用海流的动能推动机械式的流速传感器桨叶旋转，再根据流速 传感器转子的旋转速度与流速呈现线性关系的原理来测定流速；其尾翼有随流定 向的左右，再配合高精度的电子磁罗盘即可测定流向。旋转式海流计关键部件为 机械结构，其工作稳定可靠，而且制造成本低，虽然测量精度方面相对不高，但 目前仍然作为常规的测流装置被广泛的使用。常见旋转式测流装置的转子类型有 旋桨、萨沃纽斯转子、螺旋推进器式转子、埃克曼海流计等几种。非旋转式海流 计的种类很多，其测量海流的原理方法也各不相同，有利用声学原理的，有利用 磁性原理的，也有利用光、电等原理的，但它们有一个共性就是其流速传感器中 没有随流旋转的部件。非旋转式海流计的结构和电路设计较为复杂，造价相对较 高，仅适用于对测量精度要求较高的场所。特别是激光多普勒海流计、应变片海 流计和热线海流计更适用于海流微结构的测量，例如对水一气交界面的表面流、近 底层流、切变流和小尺度湍流的测量。此外，声学多普勒海流计还可以应用于走 航式的测流，在航行过程中能同时监测不同水层上的流速流向参数。举例如下： 声学海流计。其工作原理是：声音在顺流时的传播速度和声音在逆流时的传播 速度不同，通过测量声波的传播速度和时间差来设计的测流仪器。其换能器可同 时向正反两个方向来发射高频声脉冲，因为海流的影响，接收换能器接收声脉冲 的时间( 或相位或频率) 会有所不同，通过一系列的处理可测出这一时间差( 或 相位差、频率差) 从而求出流速值【1 2 】。多普勒海流计。其工作原理是：海水中 基本都有一些悬浮粒子，这些悬浮粒子会随着海流而流动；利用声波打在这些随 海水流动的悬浮粒子上而散射的原理制成的声波测流仪器称为声学多普勒海流计 u 3 j ；利用激光光束打在这些随海水流动的悬浮粒子上而散射的原理制成的测流仪 器称为激光多普勒海流计。电磁海流计。其工作原理是：海流可看成是一种导 体，这种导体在磁场中运动会产生电动势，就是根据这种电动势的差异来测量流 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 速的【1 4 1 。其中在地球磁场中所测量的海流运动所产生的电动势差异而制成的地磁 场电磁海流计( g e k ) ，在测量时长电缆末端装有两个电极，此种海流计适用于走航 式测流；在人工磁场中测量海流运动所产生电动势差异的人工磁场电磁海流计， 是把海水做为电极间的导电体，通过监测固定在传感器上的电极所产生的电势差 、而制成的，此种海流计适用于定点测流。热线海流计。其工作原理是：不同的 海流流速在经过加热电阻丝时，电阻丝的热损耗会产生相应的变化，这种变换与 流速有一定的关系，通过这种相应的对应关系就可测量流速。电阻丝一般选用镀 铂钨丝，恒温式的电阻丝可测出其电流的变化，恒流式的电阻丝可测出其电压的变 化，然后再求出流速。应变片海流计。其工作原理是：当海流经过应变片时， 应变片的压力会产生变化，通过测量这种变化，再通过处理就可实现测量流速的 目的。非旋转式海流计因没有尾翼，其流向的测量是采用矢量测量的方法，后经 软件处理得出的流向。两个流速传感器呈垂直关系，其上的罗盘测值经过处理换 算成流速的东西和南北分量，从而得出合成的流速和流向【15 i 。但这些非旋转式海 流计在使用上有局限性，比如利用流动的海水切割磁力线所产生的感应电势的电 磁式海流计来测量流速，而作为介质的海水的电导率会随季节或温度有所变化， 这样就会直接影响测量的精度；再比如利用海流对加热导线的冷却效应原理而制 成的热线式海流计，在实际应用的过程中，需要经常清除热线表面附着的污垢， 这也会给使用带来很大的麻烦【l 6 | 。 漂浮测流装置是根据水上的漂浮物能随水的流动而漂移的现象，再通过对漂 浮物体在水面上漂移速度和漂移方向的测量来确定流速和流向的装置。一般测量 表面流是用漂流绳、漂流卡、漂流瓶和表面浮标等漂浮物；若测量某特定水层的 海流一般用漂流伞、漂流板或中性浮标等漂浮物【1 7 】。在特别的环境中，还可用特 殊的染料作示踪物质，用荧光计测量或彩色照相等方法来记录该物质的运动轨迹， 从而计算出所需的流速和流向。当然这是基本的方法，所测的数据仅可以做为参 考使用，因为其所测海流的精度很低。 随着电子技术和海洋科学技术的逐步发展，海流的观测方式也随之不断地完 善和提高，从原始的漂流瓶测流到现在种类繁多的先进的测流仪器，尤其是从1 9 0 5 年厄克曼海流计的问世以来1 8 。2 0 。近年来，基于电子信息技术和传感器制造技术 日新月异突飞猛进的发展，国内外多种新型的测量流速流向的海洋仪器设备也得 到非常快速的发展。例如声学多普勒海流计、a d c p ( a c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n t 3 青岛理工大学工程硕士学位论又 p r o f i l e r ) 、粒子图像测速系统、激光流速仪和超声波流速流向仪等，利用各种原 理来测定海流，但由于上述仪器的价格昂贵，使用条件比较苛刻，操作复杂，使 其推广应用受到了很大的局限口1 1 。并且近年来也出现过综合自返式的测流装置， 此装置是利用电磁原理或声学原理而设计的，既在自动升降过程中测量不同深度 层海流的瞬时值，又根据探头漂移的距离测量海流的平均水平流速，可以快速测 流【2 2 】。 旋转式海流计由于其关键结构为机械结构，工作稳定可靠，而且制造成本低， 虽然测量精度相对不高，但目前仍然是用途最广的常规测流仪器。非旋转式海流 计的电路和结构较复杂，造价高，适用于对测量精度要求较高的场合。特别是激 光多普勒海流计、热线海流计和应变片海流计更适用于海流微结构的测量，例如近 底层流、水一气交界处的表面流、小尺度湍流和切变流的测量 2 3 , 2 4 】。 1 2 国内外的研究动态 1 2 1 国外动态 国外现在有很多测量流速的仪器，他们研究测流仪器的历史比我们长，底子 厚，技术比我们也先进，所研制的海流计的功能也很齐全。据我所知，世界上现 有的海流测量仪器当中比较有代表性的有如下几种：声学多普勒海流剖面仪 ( a d c p ) 、r c m 系列海流计、s 4 系列人工磁场海流计、声学多普勒流速仪( a d v ) 竺 2 5 - 2 7 1 可 o a d c p 是英文a c o u s t i cd o p p l e rc u r r e n tp r o f i l e r s 的简称，中文通常译为声学多普 勒流速剖面仪。它是利用声学多普勒原理研制的，是目前世界上最为先进的河流 流速、流量实时测量设备。它利用超声波多普勒频移的物理原理，以很高的分辨 率测量垂直方向或水平方向水流的瞬时流速。a d c p 的普通安装方式有坐底式的， 即从下往向上发射声波；有漂浮式的，即从上往下发射声波；并且为了保证a d c p 能正常的工作，必须使a d c p 台g 保持水平的状态，所以一般都把它装配到专用的常 平架上，这样就可快速测得海水中各个层面的流速剖面数据。由于是声学的原理， 所以应用不同频率的换能器，就可实现水层的不同量程。除了可获得水体空间的 三维流场数据外，还可以依据所测的数据通过软件计算出流量、悬沙浓度和波浪 的有关数据等资料。随着社会的发展a d c p 的应用越来越广泛，比如应用在涉及水 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 流特性的科学研究、工业技术开发等行业，国家海洋局也为了得到海洋中的流速、 流向和波浪等有关数据而大量采用a d c p 来观测。a d c p 可测量方向波谱、流速、 潮汐、温度、压力等参数，若配备有外围电路，电源系统等，即可通过电缆、无 线电台、卫星通讯机或移动g p r s 等通讯方式实时进行数据传输。在黄河小浪底工 程、三峡电站工程的测速等方面应用的大多都是多普勒剖面仪 2 8 , 2 9 】。 s 4 系列人工磁场海流计可测海洋中的多种参数，如流速、流向、波浪、潮汐、 导电性、温度、水深、浊度和水质等，而且不受深度和纬度的影响，在船上或锚 定状态下都可以进行水下的测型3 0 1 。 声学多普勒流速仪( a d v ) 最初是由s o n t e k 公司为美国陆军工程兵团水道实 验室而设计制造的。它是利用声学多普勒效应的原理，采用遥距测量的方式，对 距离探头有一定距离的采样点来进行测量。a d v 系列包括：实验室声学多普勒流 速仪、现场型声学多普勒流速仪、海洋声学多普勒流速仪。其特点：操作简单， 安装方便；三维流速的测量精度高；遥距测量，对流场没有不干扰；可以应用于 对极慢流速的测量；启动时无需启动数据；对所测数据中包含的声学逆向散射强 度经过标定，通过软件计算后即可确定水体中的悬沙浓度【3 1 | 。 1 2 2 国内动态 国内对海流计的研究起步相对较晚，加上电子信息技术、传感技术及制造技 术等方面存在的差距，造成了国内研制的海流计功能单一、工作性能不稳定等情 况，先进的测流装置大多靠进口。近年来，我国加大了海洋技术方面的投入，促 进了海流计的发展，到目前为止，已研制出多种海流计，但真正实际应用的并不 多见，大部分产品还是以进口的为主1 3 2 ，3 引。 纵观我国在海洋测流技术方面的发展，基本可以划分为三个阶段：二十世纪 7 0 年代的印刷海流测量技术阶段；二十世纪8 0 年代的声学测流技术和数字转子式 测流技术阶段；n - 十世纪9 0 年代国内有多个企事业单位逐步向a d c p 技术发展， 包括我所在内，但国内研制的a d c p 还没有非常成熟的产品问世【3 4 1 。 下面展开介绍一下我国在测流技术方面的发展情况： 在“向海洋进军”的号召下，以及本身就存在在海洋调查和科学研究方面对 海洋仪器的需求的现状，我国在六、七十年代就开始实施对流速仪的研制工作。 这个时期也就是海洋大会战的时候，海洋仪器的研制得到了国家的大力支持，国 5 青岛理工大学工程硕士学位论又 家投入了大量的人力、物力。在这期间，以天津海洋气象仪器厂为主体而仿造研 制了两种具有代表性的机械式海流计：印刷海流计和厄克曼海流计，后期又研制 成功了直读式海流计。具体使用过程中，印刷海流计和厄克曼海流计发挥了重要 的作用，并得到了推广和普及。后期研制的直读式海流计在测流方面更是得到好 评，提高了工作效率和测量的精度，比较接近当时国际上的先进水平【3 5 】。 八十年代，随着科学技术和电子技术的飞速发展，海洋测流仪器也得到了快 速的进步，所研制的部分测流装置填补了国内空白，甚至与当时国外同类产品的 指标也相差不大。比如由国家海洋技术中心研制开发的s l c 1 型电磁流速仪，它 是当时国内可以实现深海测流的唯一仪器，它可以实现在1 0 0 0 米水深的环境中使 用；还有由中国科学院海洋研究所研制开发的多普勒流速仪；国家海洋局第三海 洋研究所研制开发的电子测流装置，其测流传感器是超声波换能器【36 | 。九十年代 由青岛海洋大学研制开发的s l c 9 2 型直读式海流计在实际应用过程中的效果最 好，它是机械旋浆式海流计，卧式造型，受波浪的影响小，动态性能好，便携， 可直接读出流速、流向数据，后被广泛使用在浅海工程环境的调查中。它适用于 水深在8 0 m 以内的江河、湖泊、河口和浅海水域中，在某些方面已取代了进口产 品p7 1 。但国内研制的海流测量装置的总体质量确实不高，还需进一步提高。 进入2 1 世纪，海洋技术行业面临着前所未有的机遇，在我国对海洋技术及海 洋仪器迫切需求的情况下，国家8 6 3 计划中也设立了以海洋监测技术主体，以多 参数、多功能和立体监测为目标的海洋监测工程，这极大地促进了我国海洋观测 技术和仪器设备制造技术的发展【3 8 】。 1 3 本文研究的主要内容 由于计算机技术和电子技术的快速发展，流速测量装置正在向智能化、自动 化、大存储、走航式和便携式的方向发展。尽管国内测流仪器的发展速度很快， 且不同种类的产品百花齐放，但与当前国际上同类产品相比，还存在一定的差距， 这种差距包括技术上的和质量上的。主要表现在部分国内测流装置的系统组成复 杂、体积较大、测量方式单一，而且测量精度及准确度不高；部分测流装置本身 却不提供数据保存功能，即使有存储功能，也只能存少量数据，不能满足用户对 产品使用的要求。 基于以上原因及不足本文旨在研究一款高精度、高稳定性、体积小、便携式 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 的机电一体化新型旋转式海流计。 本文的主要研究内容有以下几个方面： 态。 第一章绪论部分，阐述了本文的研究背景及意义，并介绍了国内外了研究动 第二章系统总体设计部分，介绍机电一体化新型旋转式海流计的设计原理及 系统总体的设计思想，并对系统的动态特性进行简要的分析。 第三章系统机械结构设计部分，分别介绍系统由哪些部件构成、工作流程及 其作用等。 第四章系统硬件电路设计部分，详细阐述水下探测器和水上接收机中硬件电 路的设计方法，并给出具体的电气原理图。 第五章系统软件设计部分，介绍水下探测器和水上接收机中软件的设计思路， 并给出主要的源程序。 第六章简要介绍系统的标定方法，并对其进行对比试验验证。 7 青岛理工大学工程硕士学位论文 第2 章系统总体设计 2 1 系统设计原理分析 系统整机主要由水下探测器、水上接收器和数据处理回放软件三部分组成。 水下探测器把测到的流速和流向信号经过数据采集中枢的简单处理后，通过高强 度特制海用电缆( 可承重10 0 k g ) 传输到便携手持式水上接收器中的单片机控制中 枢里，单片机控制中枢再把测得的数据分类处理，经过计算就可把测得的数值显 示在l c d 液晶显示器上，同时数据存放在控制中枢的存储器上，待需要时可随时 调取；单片机控制中枢也配有接口电路，具体表现就是水上接收器上留有与上位 机连接的接口( r s 2 3 2 或r s 4 8 5 ) ，上位机可安装专用的上位机数据处理软件，把 水下探测器所测的数据在上位机上进行各种复杂的比较处理，以得到我们所想要 的结果【4 0 。 水下探测器是整个系统的核心部件，它的优劣程度直接决定整个系统的性能 好坏。水下探测器中的旋浆在水流的作用下会产生旋转运动，在一定范围内旋桨 的转速与流速呈直线关系，其较适用的关系为2 0 】： v ：k n + c( 2 1 ) 2 式中：嘲流速；k 为系数( 水力螺距) ；为t 时间内旋桨所转周数( 转子总数) ；t 为计测旋转周数所用时间；c 为旋桨的修正值( 仪器常数) 。 根据式( 2 1 ) 可知，只要在一定时间内，测得旋桨的旋转周数，便可以求出 旋桨所在位置的瞬时流速值，此为方法一。 若在实际的测量中所设的测量周期很小的情况下，上述方法所得数据的相对 误差比较大，因此针对此情况必须再制定- - n 量方案来适应测量周期比较长的情 况。将式( 2 1 ) 做如下推导： y ：型+ c ：x f + c ：墅+ c ( 2 2 ) ? y 式中：厂为旋桨转动的频率( 转子转率) 。 由于旋桨旋转一周会得n n 个脉冲信号，制造工艺上很难保证等流速条件下， 两个信号周期完全相等。故在实际计算中可将各个周期正、疋合而为一，因此 9 青岛理工大学工程硕士掌位论又 由公式( 2 2 ) 可得出公式( 2 3 ) ： 矿： 丝! + c ：竺+ c( 2 3 ) 正+ 正+ + 瓦 丁 以上为方法二。因此在编制下位机程序时一定要注意方法一、二的合理运用。 水上接收器具有承上启下的作用，当然它也具备存储和显示的功能，自带电 池供电，电池选用市面上常用的4 节1 5 伏5 号电池，方便更换。为方便现代数据处 理的功能，我们特意在水上接收器上留有接口，方便与上位机连接，只需要一根 数据线即可。当水上接收器通过数据线连接到上位机后，打开早已安装好的我们 所编制的上位机数据处理软件，水上接收器就可以与上位机自动连接；当连通后， 在上位机上就可以进行操作。上位机软件界面简洁大方，通过阅读说明书即可自 行操作。 本系统所研制的海流计是在静水槽中，用匀速拖拽的方式进行标定的，但在 实际应用过程中不会有如此好的环境，实际环境会是一个有着复杂的水动力系统 环境，因此对仪器的动态特性必须有一个分析。仪器的动态特性与系留装置在波 浪的作用下所产生的震荡运动有关，虽然在水面上我们不可能期望得到真正的正 弦波，但这种不规则的水面可以假定是由很多正弦波叠加组成的。因此可以把扰 动力看做是时间的周期函数，这样扰动力( 输入、输出变量) 就可以分解成一系 列不同频率和幅值的正弦信号【4 1 1 。由于海水表面波浪运动而产生的这种扰动，其 表达式如公式( 2 4 ) ： 一丝1 f 7 皇= e b o l2j 1 k z - 4 )，z 一 。- ) 式中：乞为水面下某一层面的波幅；彘为水面的波幅；z 为平均深度；五为波长。 由此可得，当z = 见时，彘彘= o 0 0 1 8 7 ；当z = 2 2 时，乞氨= o 0 0 0 0 3 5 ，即当平 均深度与波长为2 倍关系时，表面的波浪扰动影响是基本可以忽略的。 水面的震荡频率属于低频范围，因此非线性系统可以由等效线性系统来代替， 综上，系统的动态特性方程如公式( 2 5 ) ： 生掣+ 旦掣+ y o ) ：堕x o ) ( 2 - 5 2 ) a od f 。a od fa o 式中：系数口。，a 。，a ：，b 。为系统的主要参数；系统静态灵敏度为k = b o a 。；系统 1 0 青岛理工大学工程硕士学位论文 的固有频率为= 瓜= 等；系统的阻尼比为d = a 1 2 正i i 。 由上可得出通过调整系统的谐振频率和阻尼等方法可减小因波浪扰动而产生 的影响，以增强系统的稳定性，进一步减小数据的测量误差【4 2 1 。 2 2 系统功能框图及简介 系统设计的功能原理框图如图2 1 所示。 ( 水下探测器) ( 水上接收器) 流 数 上位 速据 单片机控制中枢 接 机数 采 口 据处 集 广上_ 广l 厂l 电 理软 铌 中路 件 枢 l c d l 存1i 电源【 t l - 【l l 向 l 显示l1 取ii 模块l 图2 1系统功能框图 水下探测器主要由旋桨、数据采集中枢和尾翼构成，当水下探测器放入所测 水域中后，旋桨在流体的推动下产生驱动力矩使其旋转，并带动装配有磁钢的旋 桨轴旋转，然后通过霍尔元件可产生脉冲信号，采集中枢监测到这种脉冲信号， 就会自动计数。旋桨轴的某一径向面上装有8 个磁钢，均匀分布，因此旋桨每旋转 一圈，数据采集中枢会监n n 8 个脉冲信号。流向数据的测量是通过高精度电子罗 盘来测量的，所测数据进入数据采集中枢，该电子罗盘选用p i n 公司的h m r 3 1 0 0 。 水下探测器中的数据采集中枢采到数据后，经过滤波、整形处理，通过电缆 线直接传输到水上接收器中的单片机控制中枢。在此部分可以直接显示所测的流 速、流向数据，同时保存数据，需要时可以直接从存储单元直接调取。 手持式水上接收器通过r s 4 8 5 2 3 2 转换电路来实现与上位机的连接，连接好 后，数据由上位机软件自动调取数据。所调取的数据区间需在上位机软件的界面 上事先设定。如果用户需要查询历史数据，那么只要在上位机软件界面上点击历 史数据，然后输入相应的具体时间即可，操作方便。 青岛理工大学工程硕士学位论文 第3 章系统机械结构设计 3 1 水下探测器结构设计 水下探测器部分主要由旋桨、倒流筒、尾翼和数据采集盒、拉杆、霍尔元件 等部件构成，结构示意图如图3 1 所示。 一s 佐 l 圈；搦 ， 编喇9 d 日弦止蚰 且戴 、r n l 缝一 嚼 图3 - 1 水下探测器机械结构 如图3 1 中固定在旋浆轴的磁钢和固定在数据采集盒上的霍尔元件组成流速、 脉冲转换器。其工作原理如下所述，由于旋浆与旋浆轴是刚性连接，当旋浆在流 的推动下旋转时，即旋浆轴也会跟着转动，进而带动固定在旋浆轴的磁钢旋转， 磁钢每接近霍尔元件一次，霍尔元件就输出一个脉冲，因此旋浆的这种旋转动作 在经过霍尔元件后就会转化成一个个脉冲信号，再通过组合计算这些脉冲信号就 会得到旋桨的转速。通过霍尔元件和磁钢的这种机电技术的转化后，可使传统的 旋桨式海流计的水密问题得到了有效解决。当然固定在旋浆轴上的磁钢的个数可 以是多个，磁钢个数的运用会影响到系统测量的精度和灵敏度。而本系统采用的 磁钢个数为8 个，其尺寸为直径3 毫米，高度5 毫米，其磁场强度为4 0 0 0 高斯。 旋桨和均布的磁钢都刚性的固定在旋桨轴上，旋桨轴通过巧妙的支架设计， 再配合导轨安装在导流筒的内腔中，旋浆轴可在支架上自由旋转；为减小旋桨轴 旋转时的扭矩，在旋桨轴两端都采用宝石轴承来做为旋桨轴的轴承，宝石轴承通 过螺纹连接固定在支架上，在组装时通过精密的调节螺纹件可得到更好的配合间 1 3 青岛理工大学工程硕士学位论文 隙；为进一步减小旋浆轴和宝石轴承间的摩擦，旋桨轴两端面加工成尖角状，与 宝石轴承是点接触的方式，这种方式可极大地减小了轴与轴承间的摩擦力，使旋 桨尽量能达到自由旋转的效果，以提高测量数据的精度，同时也可有效减小系统 的启动流速【4 0 1 。 旋桨为6 片叶片对称结构，以便于周期测量。为了使旋桨对流速有很好的响应， 选取了质量较轻的p c 材质叶片，叶片与旋桨轴夹角为4 5 0 。旋桨的安装调试是通过 前后两个顶紧螺栓的方法，在导流罩上配有导槽，可保证安装的精度，操作简单、 方便。 由于水下探测器自身的重量不足以克服海流的作用而使其保持水平状态，故 在实际测量时还需增加配重，以使其保持平衡状态。因此拉杆的设计如图4 1 中所 示为一体式，即所加的配重不会分布在探测器上，只集中在拉杆上；如此可减小 因探测器的变形( 尤其是旋桨轴的变形) 而导致的测量误差。 对水下探测器由于流向的变化，或在布放时在传输电缆上存在扭矩的问题， 本课题也采取的相关技术，使探测器与拉杆之间非刚性连接，其间配有聚四氟乙 烯材料的轴套进行隔离，可自由转动，如此可以有效释放传输电缆上存在的扭矩， 增强水下探测器对流向的跟随能力，消除因此扭矩而使所测流向不准确的问题。 之所以选用聚四氟乙烯材料来做为拉杆与导流罩之间的轴套，是因为这种材料具 有自润滑的特性。 导流罩的主要作用就是引流而入，可以有效避免因流体自旋而导致作用在叶 轮上的作用力不均衡，使流体平稳的经过叶轮【4 3 1 。这样可以有效消除因流体紊动 而使系统的工作特性产生影响，提高了系统总体的抗干扰能力和测量精度，同时 也可有效减小系统的启动流速。导流罩的长度与旋桨的大小、宽度有关，需要通 过计算得出，旋桨布放的位置也很重要。 旋桨与导流罩的结构示意图如图3 2 所示。 1 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 导流筒支架叶轮磁钢支架 t p | “ 1 y 涛 固 门且 庞 _ h 一叼矛 1w 纱长 y 么形钐殇疡j 丢衫钐卅髟 图3 - 2 旋桨与导流筒机械结构 数据采集盒设计的关键技术是密封的有效性。由于此仪器应用在水下几十米 甚至上百米处，水压很大，因此优良的密封性是必须要保证的。此处的设计本着 尽量减少接口处的原则，能焊接的尽量使用焊接，必须的接口都采用双密封结构 来处理，如图3 3 所示。在仪器的组装时，为进一步起到防止进水的效果，因此在 组装时电缆出口处可涂上密封硅胶，这样经过处理后就可以保证水密。 电缆出口 图3 - 3 数据采集盒机械结构 1 5 青岛理工大学工程硕士学位论文 尾翼的设计主要由3 片叶板和一骨架轴组成，每2 片之间的夹角设定为1 2 0 0 。 至于效果可在以后的试验中逐步完善。尾翼的结构示意图如图3 4 所示。此尾翼设 计完成后，经过多次海试其效果很好，对水流的跟随性很好。但具体合适的其尺 寸大小还需进一步试验来修正。 3 2 水上接收机设计 图3 4 尾翼机械结构 3 2 1 手持式机箱 水上接收机是人机交互的设备，为操作简单和携带方便，我们选用 f i b o x 公司生产的手持式机箱，见图3 5 。电源选用4 节5 号电池，直接嵌入到手持式机箱 里面，便于更换，携带方便。 图3 5 水上接收机手持式机箱 这款机箱的有关信息如下所述： 1 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 防护等级：i p 4 0 型号：t a g u a n 2 3 0 0 订货号：2 7 0 10 60 0 尺寸：9 7 7 0 * 2 2 9 * 5 2 5 3 7 5 附件：分离式电池盒4 木1 5 v 2 7 0 10 09 4 ( 0 28 0 ) 水上接收机所要实现的主要功能如下所述： 1 ) 规范显示所测流速流向数据及测量周期； 2 ) 用户可自由设定3 、1 5 、3 0 、6 0 m i n 的测量周期； 3 ) 具有3 0 s 的快测模式； 4 ) 可存储、查询一周内的测量数据； 5 ) 具有与计算机通讯的接口。 3 2 2 液晶显示模块 液晶显示器选用金鹏电子生产的o c m j l 2 2 3 c3 型号的液晶显示模块，如图3 6 所示，其尺寸大小如图3 7 所示。它可以显示字母、数字符号、中文字型及图形， 具有绘图及文字画面混合显示功能。提供三种控制接口，分别是8 位微处理器接口， 4 位微处理器接口及串行接口( o c m j 4 x 1 6 刖b 无串行接口) 。所有的功能，包含 显示r a m ，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统， 就可以方便操作模块。内置2 m 位中文字型r o m ( c g r o m ) 总共提供8 1 9 2 个中文字 型( 1 6 x 1 6 点阵) ，1 6 k 位半宽字型r o m ( h c g r o m ) 总共提供1 2 6 个符号字型( 1 6 x 8 点 阵) ，6 4 x 1 6 位字型产生r a m ( c g r a m ) ，另外绘图显示画面提供一个6 4 x 2 5 6 点的绘 图区域( g d r a m ) ，可以和文字画面混和显示。提供多功能指令：画面清除( d i s p l a y c l e a r ) 、光标归位( r e t u r nh o m e ) 、显示打开关闭( d i s p l a yo n o f f ) 、光标显示 隐藏( c u r s o ro n o f f ) 、显示字符闪烁(