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压力传感器在拖曳线列阵声纳中的应用(图文)

时间:2011-04-26  作者:秩名

论文导读:压力传感器种类繁多,广泛应用于各个行业,常用的压力传感器感知探头上的压力变化,通过电路转换并引入相关补偿,将力信号转化为电信号,从而测得所在位置处的外界压力。拖线阵是一种拖曳在舰艇远后方水域、可变深的大孔径线状声纳,通常比重与海水相当。
关键词:拖线阵,压力传感器
 

1.引言

压力传感器种类繁多,广泛应用于各个行业,常用的压力传感器感知探头上的压力变化,通过电路转换并引入相关补偿,将力信号转化为电信号,从而测得所在位置处的外界压力。

拖线阵是一种拖曳在舰艇远后方水域、可变深的大孔径线状声纳,通常比重与海水相当。拖线阵内部布置有各种声学和非声学传感器,以及相应的采集传输系统和电源系统。一般拖线阵内需要布置若干个压力传感器来获取拖线阵在水中运动时的深度信息。拖线阵内部需要填充液体或固体介质,以便使拖线阵保持一定形状并满足密度要求。

2.压力传感器的传统封装方式

在拖线阵中,传统的封装方式是将压力传感器浸没于护套内的填充介质中。拖线阵外界压力作用在护套上,通过介质传递到压力传感器探头,来测量拖线阵外部压力并转换为深度。

P= P0+Pm(1)

其中——

P:压力传感器探头测得的压力值;

P0:拖线阵外界的真实压力;

Pm:拖线阵护套、介质等因素产生的压力变化。

对于内部填充液体介质的拖线阵而言,液体可以视为不可压缩,压力可以在其内部传播,Pm主要受护套材料、初始充油压力影响。在拖线阵中制作过程中为了使护套外观更接近于圆形,或为了满足密度设计要求,会存在一个初始油压Pm(0.1~0.4MPa),由于聚氨酯护套会在一定温度和受力状态下发生蠕变,因此Pm是一个变化量,需要经常性地对传感器输出进行测量,扣除Pm的影响,来使得P接近P0。发表论文

为了测量传统方式下对Pm压力传感器输出的影响,制作了一条试验阵,内部按照传统方式布置了一个压力传感器,然后静置在空气中。发表论文。该压力传感器输出如图1所示,可以看到在长时间存放过程中,由于护套发生蠕变、膨胀,护套内部填充介质压力下降,导致压力传感器的输出值显著减小。拖线阵实际使用过程中,会受到轴向拉伸和径向压力,再加上高温等因素影响,Pm变化更加明显,需要经常性测量该输出值,来对传感器输出公式进行修正,非常不便。

图1 传统方式传感器输出随时间变化

对于固体阵而言,如果将传感器探头浸没于固体填充材料中,由于固体填充材料自身具有一定的弹性模量,会影响外界压力向传感器探头的准确传递,此时传感器测得的压力值和变化均与外界环境真实情况有较大差异。

由此可见,传统的压力传感器封装方式在液体拖线阵中由于护套蠕变等影响,需要定期校准,在固体拖线阵中则难以测得真实值,这些都影响了它的实际应用。发表论文。

本文提出一种新的压力传感器封装方式,可以准确测量拖线阵所在位置的压力,从而得到真实深度。

3.压力传感器新的封装方式

按照前文分析,导致压力传感器传统封装方式不能精确测量外界压力的根本原因在于,压力传感器探头未能与外界环境直接接触,中间存在的若干环节阻碍了压力的真实传递。针对这一根本原因,新的封装方式采用传感器探头直接与外界接触,可以准确测量外界压力。

新的封装方式如图2所示,在不改变现有传感器型号的前提下,使传感器探头直接与外界介质接触,同时解决了由此带来的密封问题。

图2 新封装方式示意图

同样制作了一条试验阵,在新的封装方式下,压力传感器在空气中的输出如图3所示,由于不再受到内部填充介质的影响,压力传感器的输出稳定,其输出可以真实反映外界介质压力。为了验证新的封装方法的密封可靠性,进行了静态加压试验,最大压力达到3MPa,如图4所示。

图3 新方式传感器输出随时间变化

图4 新方式静态压力试验

在动态拖曳过程中,护套外流体边界层的动态压力变化也会被传感器感知,由于新的封装方式需要在光滑护套上加装两道金属圆环,并在护套上开孔,会影响护套表面的压力分布,因此需要在动态拖曳试验中对此影响进行评估。将两个同型号的传感器布置在同一条拖线阵中,分别采用传统封装方式和新封装方式,以便在相同状态下进行对比。

图4和图5分别是9m/s速度下传统方式封装方式和新封装方式的的测量结果,可以看到新的封装方式由于护套不光顺引起的压力变化(波动幅值)并不明显(传统方式输出均值较小是因为没有对其进行校准)。

图4 传统封装方式动态拖曳数据

图5 新封装方式动态拖曳数据

4.结论

压力传感器对于水下运动的拖线阵而言非常重要,是操作人员了解拖线阵工作深度的重要途径,其数值直接参与信号处理,传感器数出值是否真实有效直接影响声纳性能。本文提出了拖线阵中压力传感器的一种新的封装方式,并得到了以下结论:

(1)传统封装方式下,在液体拖线阵中由于护套发生蠕变,需要经常对传感器输出进行校准来使输出接近真实值;在固体拖线阵中,由于填充材料自身弹性模量的影响,传感器的输出值与真实情况会有较大差异。而新的封装方式将传感器探头直接与外界介质接触,从根源上避免了传统封装方式的缺点。

(2)新的封装方式需要使传感器探头直接与外界介质接触,会带来密封问题,本文提出的方法对此进行了有效解决,并在静态压力试验中进行了验证。

(3)动态拖曳试验中,表面金属圆环及开孔的存在并没有明显影响压力传感器输出,本文提出的新方法在动态拖曳中也可以满足使用要求。

新的封装方式克服了传统方式的弊病,能够真实反映外界介质的压力变化,不再需要经常性的校准,密封性能可靠,满足动态拖曳的需要,可以代替传统封装方式应用到拖线阵中。

 

 

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