船舶通信与导航系统操作及安装

任务目标

1.了解电磁计程仪的工作原理及组成;

2.了解相关计程仪原理及组成。

任务分析

在20世纪40年代人们根据伯努利定理,利用船舶航行时水流的动压力与船舶吃水的静压力之差,求解压力差与速度平方成正比的关系而得出船舶的航行速度,使用此原理制造的计程仪称为水压式计程仪。20世纪60年代出现了利用电磁感应原理设计的电磁计程仪。水压和电磁计程仪所测定的航速均为船舶相对于水流的速度(相对速度)。20世纪70年代先后出现了利用声波在载体与接收体之间有相对运动时产生的多普勒效应而设计的多普勒计程仪,和利用相关技术处理回波信息和相关函数的声相关计程仪。这两种计程仪均可测定船舶相对于地(海底)的速度(绝对速度)。本任务中就要了解这两种计程仪的工作原理。

一、电磁计程仪的基本工作原理

电磁计程仪(Electromegnatic Log)是应用电磁感应原理测量船舶瞬时速度和累计航程的一种相对计程仪(Relative Log),一般由传感器(Electromagnetic Rodmeter)、放大器(Amplifier)和指示器(Indicator)等组成,如图8-1所示。

图8-1　电磁计程仪组成框图

1.传感器

传感器是根据电磁感应原理,将非电量的船舶速度变换为与船速成正比的电信号。常用传感器分为平面式和导杆式两种,平面式装在船底并与船底齐平。导杆式是在一根圆柱形导杆的底部安装传感器,并借助一套升降机构,使用时升出船底。传感器内部是倒“山”字形铁芯及其绕组,以产生磁场。其底部表面装有一对电极用来检测感应电势的大小,如图8-2所示。

图8-2　传感器内部结构图

当船舶在水中航行时,水流即以船速相反方向流过船底,两电极之间的海水流动就相当于无数根导线切割传感器磁场的磁力线,于是两个电极之间便产生感应电动势E g,即

式中 B～——交流磁感应强度;

L——两电极间的距离;

V——水流速度,即船相对于水的速度。

实际测速时,传感器常受到外界杂散磁场的干扰作用,使其测量精度下降。干扰信号分为两种:一种为90°干扰信号,它与激磁电流的相位相差90°,当90°干扰信号达到一定程度后,会引起计程仪放大器饱和,以致不能正常工作。为此,在计程仪放大器中专门设置90°干扰信号抑制电路,用来消除90°干扰信号的影响。另一种是0°干扰信号,它与激磁电流的相位相同,当船在静水中且船速为零时,传感器仍有微弱的电压信号输出,产生零点误差。为此需进行零点调整以消除0°干扰信号。

2.放大器

放大器的任务是将来自传感器微弱的航速信号进行放大,并经相敏整流、干扰信号抑制后,输出一个与航速成正比的直流信号,送至航速表指示相应的航速。其特点是为使放大器线性和稳定性良好,加入较深的总体负反馈,国产计程仪的负反馈电路由霍尔乘法器和航速调节器构成。另外,在放大器中还设置了自校电路,产生自校信号,用以检测计程仪的工作性能。

3.指示器

指示器是指示船速和航程的显示装置。航程显示常有数码显示和机械数字计数两种方式。另外,指示器具有200 p/n mile航速脉冲标准输出接口,可以将航速信息输至其他航海仪器。

二、多普勒计程仪的基本工作原理

图8-3　多普勒计程仪组成框图

多普勒计程仪(Doppler Log)是应用多普勒效应[波在波源移向观察者时接收频率变高,而在波源远离观察者时接收频率变低,是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的]进行测速和累计航程的一种水声导航仪器,其优点是测速精度高,测速极限达0.01 kn;浅水时,可测量船相对海底的速度,称为绝对计程仪(深水时,测量船相对水层的速度,称为相对计程仪);除可测前进、后退的速度外,还可测量船舶横移的速度。因此,多普勒计程仪在大型船舶的安全航行、安全靠离码头和锚泊中得到了广泛的应用。

多普勒计程仪一般由换能器、电子箱(Transmitting and Receiving Unit)和主显示器等组成,如图8-3所示。(www.xing528.com)

1.换能器

换能器的功能是发射和接收超声波脉冲,其材料常为锆钛酸铅压电陶瓷晶体。为了消除船舶上下颠簸和纵向摇摆引起的垂直方向运动速度所产生的测速误差,目前多普勒计程仪已普遍采用双波束系统,即发射两个前后对称的超声波波束,一个朝船首方向,另一个朝船尾方向,并以相同的发射俯角同时向海底发射和接收。双波束多普勒频移公式为

式中 f 0——换能器发射频率;

v——船速;

θ——波束发射俯角,即声波束发射方向和船舶速度方向之间的夹角,一般取60°;

C——声波在海水中的传播速度,一般取1 500 m/s,由于海水的温度、含盐量等不同,所以声波在海水中的传播速度并不是常量,这是影响多普勒测速精度的一个主要因素。

上述的双波束系统又称一元多普勒计程仪(Monogenesis Doppler Log),它能测量船舶纵向速度并累计航程。第二种类型是四波束系统,即换能器能向前后左右的四个方向发射波束,称为二元多普勒计程仪(Dual Doppler Log),它除测量纵向速度外,还能测量横向速度,如图8-4所示。第三种类型是六波束系统,即除在船首部装置四波束的换能器外,还在船尾部安装一对向左右方向发射波束的换能器,称为三元多普勒计程仪(Ternary Doppler Log)。其既能测量船舶纵向速度,又能测量船首和船尾的横向速度。

图8-4　二元多普勒计程仪

2.电子箱

电子箱内装有发射系统、接收系统和计算电路。其功能是控制发射系统,使其产生足够功率的电信号,激励换能器向海底发射超声波。接收系统接收回波信号,并确保其不受干扰。计算电路是将多普勒频移信号变换为航速信号输至主显示器。现在电子箱内电路的上述功能主要由微处理机CPU及其外围电路来完成。

3.主显示器

主显示器是用来显示船舶速度和航程及操纵控制整机工作,一般主显示器由电源板、接线板、显示微处理机和液晶显示组件板等组成。同时,备有航速输出接口,将航速信息输至其他航海仪器。也可由主显示器将航速等信息输至分显示器显示。

三、声相关计程仪的基本工作原理

图8-5　声相关计程仪组成框图

声相关计程仪(Acoustic Correlation)是应用相关技术处理水声信息来测量船舶航速并累计航程的另一种水声导航仪器。它的特点是采用垂直向发射和接收超声波信号,对回波信号的幅度包络进行相关信息处理求得航速;其测量精度不受声波在海水中传播速度变化的影响,即不受海水温度和盐度等因素变化的影响;在浅水中,可测量船相对于海底的速度,为绝对计程仪;由于是垂直发射,可兼作测深仪等。

声相关计程仪一般由换能器(Transducer)、电子柜(Electronic Unit)和显示器组成,如图8-5所示。三个换能器在船底沿纵向等间距安装,中间一个为发射换能器,前后两个为接收换能器。垂直向海底发射的超声波,经海底(浅水)或者水层(深水)反射后的回波(图8-6)经相关处理后,求得延时τ,则航速可由下式得出

式中 s——两接收换能器的间距;

v——航速;

τ——延时。

图8-6　接收换能器接收到的海底回波

由于s为定值,应用相关技术测出接收信号的延时,便可求得航速。将航速对时间求积分,可得到航程。电子柜担负发射、接收和信号处理及输出,由微处理机控制。显示器可分为两种,即数字显示和模拟显示,前者可显示航速和航程,而后者以指针指示航速值。

任务总结

通过本任务的学习,了解了各种类型计程仪的组成及工作原理。