一種異形羅盤腔及測量電路在吊放聲吶中的應用

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動時相對磁北的方位。一般水下分機常設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，本文設計了一種新型的異形結構形式的羅盤腔，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射換能器的下放展開以及收攏，同時應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，測量當前位置的溫度，為溫深剖面圖的繪制提供數據。

本文設計的羅盤腔具有以下優點：（1）可以實現水下分機在水中轉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，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試及外場維護的便利性；（5）整個裝置結構簡單、可靠、緊湊，占用空間小，裝在聲基陣外側，不占用水下分機高度空間。

1 設計方案

1.1 結構組成及電路工作原理

本文設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部，溫度傳感器安裝在耐壓殼體側面，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生交流電流，由法拉第電磁感應原理，交變電流產生磁場。勵磁線圈產生的磁場使磁通門磁芯在“正過飽和”與“負過飽和”[2]兩種工作狀態間循環。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，感應線圈就能感應出不對稱的電流，它的大小反映了地磁場在該感應線圈軸向上分量的大小，兩組正交的感應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軸感應線圈中的分量（大小和方向）轉換成感應線圈中的電流。選頻電路能選出感應線圈中攜帶地磁信息的微弱2倍頻有用信號，經濾波、放大后送上電子艙的傳感器調理電路板放大和誤差修正，產生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至傳感器調理電路中，傳感器探測當前溫度，給出一個對應的電阻值，串聯至調理電路中經放大輸出一個壓降U，根據公式計算出溫度值為W=U/K（K=51 mV/℃）。

1.2 電路設計

1.2.1 勵磁電路

勵磁電路主要用于選頻控制信號發生及激勵信號發生，晶振產生高頻6 MHz振蕩信號，經分頻電路分頻為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生勵磁信號去激勵勵磁線圈信號發生，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，方便后續電路處理。選頻及濾波放大電路采用模擬開關實現，X、Y路電路完全相同，每路控制信號由勵磁電路產生的6 kHz對稱方波構成，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。通過調試電位器，能調整兩路零點電位，消除電路參數、安裝場合硬磁物質引起的直流偏移誤差。放大比例調整電位器能保證兩路的電壓最大值一致，實現高精度測定方位，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前位置的水溫，結合壓力傳感器探測的深度計算出該區域的溫深曲線。主要通過溫度傳感器探測當前溫度，給出一個電阻值，在溫度處理電路中經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 試驗結果

2.1 羅盤測試

在上述設計的基礎上我們制造了一個樣件。將羅盤腔樣件放在無磁轉臺上，每旋轉20°測試X、Y軸輸出值并記錄，直至旋轉360°，按照本文公式計算出羅盤零點相對于磁北的方位角φ。假設羅盤記錄數據為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。羅盤測量試驗結果如表1所示。根據以上數據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°的設計要求。

表1 羅盤測量試驗結果

2.2 溫度測試

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

表2 溫度測量試驗結果

3 結束語

本文介紹了一種安裝于水下分機聲基陣外側、集成了方位和溫度測量的異形獨立羅盤腔的設計方案和實現方法，并詳細分析了結構設計和電路設計。目前，該羅盤腔已經在實驗室聯調、湖試中得到驗證，并在實際工程設備中使用。該獨立羅盤腔結構簡單、單獨成件、調節便利、測量精度高，具有重要的工程和經濟效益。