CN101008580A

CN101008580A - 电阻式浪高仪

Info

Publication number: CN101008580A
Application number: CN 200610147227
Authority: CN
Inventors: 杨建民; 顾海粟; 姚美旺; 王敏声; 李俊
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2006-12-14
Publication date: 2007-08-01

Abstract

一种电阻式浪高仪，属于船舶与海洋工程技术领域。本发明中，采样综合电路固定在仪表箱内，电源通过振荡器用导线与采样综合电路连接，电阻式传感器的探极连接到仪表箱后板的信号输入插座，再经导线与采样综合电路连接，采样综合电路输出电压经导线连接到第一直流放大器，第一直流放大器分别用导线连接到电位器与低通滤波器，其中电位器作为可调电压使用，电压模拟信号经电位器连接到仪表箱上的电压指示器；低通滤波器与第二直流放大器连接，经过低通滤波器处理得到的模拟信号经导线由第二直流放大器放大输出给记录设备进行记录。本发明满量程误差小于千分之三、最大采样频率达100Hz。

Description

电阻式浪高仪

技术领域

本发明涉及的是一种船舶与海洋工程技术领域的测量仪器，具体是一种电阻式浪高仪。

背景技术

电阻式浪高仪是船舶与海洋工程水池用来测试波浪的波形、波幅以及海洋结构物的波浪拍击和上浪的一种最基本测试仪器，就浪高仪来说，目前有多种电测型式，有电容式(又有一般电容，丝电容之分)，跟踪式、超声波式、压力传感器式等。其原理和性能各有千秋。

经对现有技术文献的检索发现，郝亚平编著由国防工业出版社(1991年出版)《船舶性能试验技术》一书，该书中(P53-54)提及：电容式浪高仪是目前国内用得最普遍的一种形式，它的传感器是张在一个弓架上的金属丝，丝的直径通常取0.1-0.5mm，表面有一层很薄的绝缘层，钽丝是以氧化膜为绝缘层，钼丝则用绝缘漆。这样的金属丝浸入水中时，与周围的水构成圆筒形电容器，其电容量的大小随着水位的升降而变化，只要测量出电容的变化，即可算出水位的变化。在浪高仪的测量电路中，振荡器、分频整形、稳压、放大等部分都是通用性的电路。如Cx是被测电容，当输入方波电源为正的瞬时，通过Cx有一个充电电流，此电流将通过二极管D1和电流表M(相当于显示或记录部分)。显然该电流的大小与Cx的大小有关。当供电方波电压为零时，由电容Cx把上述充好的电荷再经二极管D2放电，此时电流表M处无电流通过。同理，桥路的下半部分对Co充电和放电，并与Cx同步，但二者通过电流表M的电流方向恰好相反。因此，如果Cx和Co大小相等时，电流表M中无电流通过。Co称为调零电容，即安装传感器时先在静止水面条件下，金属丝浸入水中约一半的长度，调节Co之值使浪高仪输出为零，作为测量浪高的基准点。在水面有波浪时，水面升高Cx增大浪高仪输出电流为正，水面降低(低于基准水平)Cx减小浪高仪输出电流为负。连续记录浪高仪输出电流的变化，即可获得相应的水波波形。HG601型浪高仪满量程误差1％、线性度误差2％、重复性误差2％、截止频率10Hz。但是该浪高仪存在易零漂、不稳定和线性较差的技术缺陷。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种电阻式浪高仪，通过测量和变换浪高仪的水电阻随着入水深度的变化，来达到测量波浪或水位变化的目的，并克服了背景技术中存在的易零漂、不稳定和线性较差的技术缺陷。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：振荡器、第一直流放大器、第二直流放大器、电位器、低通滤波器、电阻式传感器、采样综合电路及仪表箱。连接关系为：采样综合电路固定在仪表箱内，电源通过振荡器用导线与采样综合电路连接，电阻式传感器的探极连接到仪表箱后板的信号输入插座，再经导线与采样综合电路连接。采样综合电路输出电压经导线连接到第一直流放大器，第一直流放大器分别用导线连接到电位器与低通滤波器，其中电位器作为可调电压使用，电压模拟信号经电位器连接到仪表箱上的电压指示器；低通滤波器与第二直流放大器连接，经过低通滤波器处理得到的模拟信号经导线由第二直流放大器放大输出给计算机或其他记录设备进行记录。

所述的采样综合电路包括集成运算放大器和测量电阻的电路，其中集成运算放大器由三只运算放大器F1、F2、F3组成；测量电阻的电路由导线和7个普通电阻组成。连接关系为：电源经振荡器的输入电压由第一电阻R1与第一运算放大器F1输入端连接，电阻式传感器探极的一端用导线经第二电阻R2、第三电阻R3与第一运算放大器F1输入端连接，第一运算放大器F1输出端用导线经第六电阻R6、第七电阻R7与第三运算放大器F3输入端连接；探极另一端用导线经第四电阻R4与第二运算放大器F2输入端连接，第二运算放大器F2输出端用导线经第五电阻R5与第三运算放大器F3输入端连接。其中第一运算放大器F1和第二运算放大器F2组成一个采样线路，第三运算放大器F3作为减法器输出电压信号。

所述的电阻式传感器，是用有机玻璃做成机翼形，在有机玻璃两边平行镶嵌两根不锈钢丝，钢丝的端部直接由不锈钢细管固定在有机玻璃两端。两根隔开的不锈钢丝作为探极，探极的两个导电体为同一种导电材料，并且保持平行安装，而且每个探极的上下大小形状应一致。不锈钢丝的直径通常取0.1～0.5mm。

与现有技术相比，本发明线路简单、合理、性能稳定可靠、价格低廉、使用十分灵活方便、适用范围广，满量程误差、线形度误差、重复性误差小，截止频率高。该浪高仪满量程误差小于千分之三、最大采样频率可达100Hz；现有电容式浪高仪满量程无差大于千分之五、最大采样频率通常小于30Hz。

附图说明

图1本发明结构方框示意图

图2本发明采样综合电路图

其中：Usr为电源输入电压，Usc为输出电压。

图3所示为测试波浪前该浪高仪标定曲线示意图

图中：曲线表示浪高仪输出电压随水深变化而线性变化。

图4所示为测试波浪前其他浪高仪标定曲线示意图

图5为本发明实施例结果示意图

图中：曲线为使用该浪高仪两次对一相同波浪信号采集的结果

图6所示曲线为使用其他浪高仪两次对一相同波浪信号采集的结果

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：振荡器、第一直流放大器、第二直流放大器、电位器、低通滤波器、电阻式传感器、采样综合电路及仪表箱。连接关系为：采样综合电路固定在仪表箱内，电源通过振荡器用导线与采样综合电路连接，电阻式传感器的探极连接到仪表箱后板的信号输入插座，再经导线与采样综合电路连接。采样综合电路输出电压经导线连接到第一直流放大器，第一直流放大器分别用导线连接到电位器与低通滤波器，其中电位器作为可调电压使用，电压模拟信号经电位器连接到仪表箱上的电压指示器；低通滤波器与第二直流放大器连接，经过低通滤波器处理得到的模拟信号经导线由第二直流放大器放大输出给计算机或其他记录设备进行记录。

电阻式传感器是用有机玻璃做成机翼形，在有机玻璃两边平行镶嵌两根不锈钢丝，钢丝的端部直接由不锈钢细管固定在有机玻璃两端。两根隔开的不锈钢丝作为探极，探极的两个导电体为同一种导电材料，并且保持平行安装，而且每个探极的上下大小形状应一致。不锈钢丝的直径通常取0.1～0.5mm。

如图2所示，所述的采样综合电路包括集成运算放大器和测量电阻的电路，其中集成运算放大器由三只运算放大器F1、F2、F3组成；测量电阻的电路由导线和7个普通电阻组成。连接关系为：电源经振荡器的输入电压由第一电阻R1与第一运算放大器F1输入端连接，电阻式传感器探极的一端用导线经第二电阻R2、第三电阻R3与第一运算放大器F1输入端连接，第一运算放大器F1输出端用导线经第六电阻R6、第七电阻R7与第三运算放大器F3输入端连接；探极另一端用导线经第四电阻R4与第二运算放大器F2输入端连接，第二运算放大器F2输出端用导线经第五电阻R5与第三运算放大器F3输入端连接。其中第一运算放大器F1和第二运算放大器F2组成一个采样线路，第三运算放大器F3作为减法器输出电压信号。

电源通过振荡器用导线经第一电阻与采样综合电路连接。

采样综合电路是整个电阻式浪高仪电路的关健部分，采样综合电路在探极二端施加低电平，探极所测的水电阻跨接于第一和第二运算放大器F1、F2的反馈电阻R2、R3和R4之间，而对第一和第二运算放大器F1、F2，在一个正输入端及另一个负输入端加以同一固定的交流电平。通过水电阻的变化来改变放大器F1、F2的放大倍数，从而用来调节改变输出电压的大小，再经第三只运算放大器F3作为减法器的运算放大器输出电压信号。考虑到本发明测量的是水电阻，由于水中含有多种杂质，使水中的ρ(密度)不稳定，从而会导致测量值不稳定、易漂移和本发明的输出与水位的变化为非线性的情况，采样综合电路就是为了克服上述缺点而设计的。本发明在工作中可能会受到各种干扰的影响，特别是电磁干扰、电源干扰和机械振动。为了尽可能减少各种干扰的影响，本发明还采取抗干扰措施，除采取一般的屏蔽等措施外，探极与采样综合电路连接采用双线方式，以减少共振干扰。

本实施例在水中插入二根不锈钢丝(探极)，通过测量和变换这两个极之间的水电阻随着探极入水深度的变化，来达到测量波浪或水位变化的目的。

电源经导线与振荡器连接，振荡器输出为正弦波，频率为2KHz左右，加到采样综合电路运算放大器F1、F2的输入端电平一般在1V以下(可以调节)。为扩大测量量程，振荡器输出电压为有极可调。

将浸在水中的电阻式传感器的二根不锈钢丝(探极)获得波浪幅值变化的物理信号连接到仪表箱后板的信号输入插座，经采样综合电路取样输出电压信号。测量过程中，探极入水深度与探极电阻成反比，而探极电阻与输出电压成反比，因此，输出电压与探极入水深度成正比，即线性关系。

经采样综合电路取样得到的线性电压信号经第一直流放大器F1、低通滤波器检波后经第二直流放大器F2处理得到的模拟信号由仪表箱后板上的输出插头输出给计算机或其他记录设备进行记录。第二直流放大器F2的放大倍数为可调。同时经第一直流放大器F1放大得到的线性电压信号经过电位器连接到仪表箱上的指示器用于显示电压。

仪表箱面板上有电位器与第一直流放大器F1连接，试验前标定浪高仪，在探极处于设定深度时(即设置此深度对应输出电压为零)，用于调节相应零值电压。

本实施例经校验满量程误差为0.5％、线性度误差、重复性误差均小于1％。图3所示为测试波浪前该浪高仪标定曲线示意图，其线性度高于其他浪高仪，如图4所示。

如图5所示测量结果，使用该浪高仪两次测量相同波浪时历信号，有义波高重复误差为0.3％。而用其他浪高仪对该波浪时历信号进行两次测量，如图6所示，有义波高重复误差超过3％。

Claims

1.一种电阻式浪高仪，包括：振荡器、第一直流放大器、第二直流放大器、电位器、低通滤波器、电阻式传感器、采样综合电路及仪表箱，其特征在于：采样综合电路固定在仪表箱内，电源通过振荡器用导线与采样综合电路连接，电阻式传感器的探极连接到仪表箱后板的信号输入插座，再经导线与采样综合电路连接，采样综合电路输出电压经导线连接到第一直流放大器，第一直流放大器分别用导线连接到电位器与低通滤波器，其中电位器作为可调电压使用，电压模拟信号经电位器连接到仪表箱上的电压指示器；低通滤波器与第二直流放大器连接，经过低通滤波器处理得到的模拟信号经导线由第二直流放大器放大输出给记录设备进行记录。

2.如权利要求1所述的一种电阻式浪高仪，其特征是，所述的采样综合电路包括集成运算放大器和测量电阻的电路，其中集成运算放大器由三只运算放大器F1、F2、F3组成，测量电阻的电路由导线和7个普通电阻组成，连接关系为：电源经振荡器的输入电压由第一电阻R1与第一运算放大器F1输入端连接，电阻式传感器探极的一端用导线经第二电阻R2、第三电阻R3与第一运算放大器F1输入端连接，第一运算放大器F1输出端用导线经第六电阻R6、第七电阻R7与第三运算放大器F3输入端连接；探极另一端用导线经第四电阻R4与第二运算放大器F2输入端连接，第二运算放大器F2输出端用导线经第五电阻R5与第三运算放大器F3输入端连接，其中第一运算放大器F1和第二运算放大器F2组成一个采样线路，第三运算放大器F3作为减法器输出电压信号。

3.如权利要求1所述的一种电阻式浪高仪，其特征是，所述的电阻式传感器，是指：由有机玻璃做成的机翼形，在有机玻璃两边平行镶嵌两根不锈钢丝，钢丝的端部直接由不锈钢细管固定在有机玻璃两端，两根隔开的不锈钢丝作为探极。

4.如权利要求3所述的一种电阻式浪高仪，其特征是，所述的探极，其两个导电体为同一种导电材料，并且保持平行，每个探极的上下大小形状相同。

5.如权利要求3所述的一种电阻式浪高仪，其特征是，所述的不锈钢丝，直径为0.1～0.5mm。