CN117538556A - 一种电磁计程仪传感器状态感知方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
一种电磁计程仪传感器状态感知方法及其系统，采用交流电对传感器的电极进行至少一次的正向和负向的电极激磁；对电极激磁后的电压进行采样且与未进行电极激磁状态下的零位值进行数值对比；通过数值变化的差值程度判断传感器是否处于闭合回路状态。能够感知和判断传感器的通、断路状态，从而判断传感器在是否在水下或者收起状态，通过状态感知结果以便于进行对应的操作。
Description
技术领域
本发明属于航海领域，特别涉及一种电磁计程仪传感器状态感知方法及其系统。
背景技术
电磁计程仪是利用法拉第电磁感应原理，即长度为L的导体在磁感应强度为B的磁场中以速度V运动时，导体上就会产生感应电动势E，其大小与导体相对磁场运动速度的大小成正比。磁场由测量杆中的铁芯上缠绕的激磁线圈产生，导体由传感器中的两个电极与水连成，由于船以速度V相对水在运动。如果把船作为静止考虑，即水相对船在运动，也就是导体相对于磁场运动，从而在传感器两电极间产生感应电势，通过两电极引线和比较变压器转变成速度电压信号，送至速度解算系统，解算出速度值。
现有的技术中，电磁计程仪一般不对传感器所处的状态进行感知，或仅仅通过较为原始的手段对传感器状态进行感知，即仅仅通过一个行程开关对较长的杆式传感器所处的位置进行判断，该种方法较为简易，且所使用的行程开关由于长期处于底舱，环境较差，其可靠性随着装船时间推移也会有所降低，同时，平面传感器因不使用升降装置，故目前无使用传感器状态感知功能。但在实际使用中，由于电磁计程仪需要对传感器内线圈进行较大电流的激磁，产生的热量较大，整个传感器一般通过传感器金属面与海水接触进行散热，若在进坞状态或传感器收起状态下通电，极易造成传感器烧坏的情况，故存在较大的使用安全隐患。
因此，为了防止传感器在进坞或收起状态下线圈激磁产生大量热量而造成损坏的不足，特提出本方案。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电磁计程仪传感器状态感知方法，能够感知和判断传感器的通、断路状态，从而判断传感器在是否在水下或者收起状态，通过状态感知结果以便于进行对应的操作。
还包含另一个目的：公开了一种电磁计程仪传感器状态感知系统，当感知到传感器位于通路状态时，能够对电极进行线圈磁激，当感知到传感器位于断路状态时，则断开线圈磁激的电路，避免此状态下传感器工作，防止其损坏保证其安全性。
技术方案：为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种电磁计程仪传感器状态感知方法，采用交流电对传感器的电极进行至少一次的正向和负向的电极激磁；
对电极激磁后的电压进行采样且与未进行电极激磁状态下的零位值进行数值对比；
通过数值变化判断传感器是否处于闭合回路状态。
进一步地，选用交流方波进行电极激磁，所述交流方波包括正方波和负方波，所述正方波与负方波幅值相同且方向相反。
进一步地，在所述正方波与负方波之间包含有无波段或在所述交流方波之前包含有无波段，对所述无波段进行电压采样以获取未进行电极激磁时的零位值。
进一步地，对电压进行采样时，以交流方波的20％-80％的波段产生的电压进行采集。
进一步地，若多次采样，则对多次采样结构进行算数平均以得到采样结果。
进一步地，所述电极激磁与线圈激磁采样不相同的频率或者不重叠的频率范围。
进一步地，所述电极激磁与线圈激磁为串行连接；所述电极激磁与线圈激磁为非同时进行。
进一步地，在所述电极激磁与线圈激磁的时间流中包含有无激磁时间段，在所述无激磁时间段内，所述电极激磁与线圈激磁均暂停激磁。
进一步地，判断传感器是否处于水下的判断方法包括：
在电极未进行电极激磁时对电极进行电压采样，并求得该时段内的电压均值|U零|；
在电极激磁的正方波及负方波时段内，对电压进行多次采样，并进行算数平均，分别得到|U正波|及|U负波|；
当|U正波|及|U负波|同时分别都大于|U零|的阈值及以上时，则判断传感器处于水中，否则判断传感器电极位于水上。
进一步地，通过开尔文电桥电路对电极和海水的电阻之和进行测量和统计，通过阻值的大小变化趋势来判断电极的劣化程度。
进一步地，电极和海水电阻之和为R电极+海水，则：
式中，r电阻为影响测量精度的接触电阻；RN为标准电阻；R1、R2、R3、R4为开尔文电桥的桥臂平衡电阻，且其中R2/R1＝R4/R3。
一种电磁计程仪传感器状态感知系统，包括：
电极激磁单元，所述电极激磁单元对传感器的电极进行周期性的正负波激磁；
采样单元，所述采样单元采集对电极进行激磁后产生的电压；
处理单元，所述处理单元接收采样电路采集到的电压，并控制激磁线圈的电路通断。
有益效果：本发明能够感知和判断传感器的通、断路状态，从而判断传感器在是否在水下或者收起状态，通过状态感知结果以便于执行对应的操作，当感知到传感器位于通路状态时，表明传感器位于水下，此时能够对电极进行线圈磁激，当感知到传感器位于断路状态时，则表明传感器位于水上，此时断开线圈磁激的电路，通过对电极进行实时感知，避免此状态下传感器工作，防止其损坏保证其安全性。
而且，使用交流电的正负波而非使用直流激磁进行状态感知，这样可以避免长时间使用下直流感知方法对电极产生的极化现象，避免电极金属产生固化的零点偏移，降低测量影响，提升测量精度。
附图说明
附图1为本发明的整体原理示意图；
附图2为本发明的整体流程示意图；
附图3为本发明的采样单元的电路图以及传感器位于水下时的电路通路状态；
附图4为本发明的采样单元的电路图以及传感器位于水上时的电路断路状态。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
如附图1和附图2所示，一种电磁计程仪传感器状态感知方法，采用交流电对传感器的电极进行至少一次的正向和负向的电极激磁；使用交流电的正负波而非使用直流激磁进行状态感知，这样可以避免长时间使用下直流感知方法对电极产生的极化现象，避免电极金属产生固化的零点偏移，降低测量影响，提升测量精度。
对电极激磁后的电压进行采样且与未进行电极激磁状态下的零位值进行数值对比；其中包含在正向波激磁后采样和负向波激磁后采样，通过数值变化或者数值变化的差值程度判断传感器是否处于闭合回路状态。
当传感器位于水下时，传感器的两电极通过水构成了通路，当电极激磁后会产生电压或电流的数值变化；当传感位于非水下状态时，则传感器的两电极属于断路状态，当电极磁激后其也不会产生电压或电流，其与初始状态的零位值是一致的。因此，通过以上方式即可判断传感器是位于水下或非水下的状态。
能够感知和判断传感器的通、断路状态，从而判断传感器在是否在水下或者收起状态，通过状态感知结果以便于执行对应的操作，当感知到传感器位于通路状态时，表明传感器位于水下，此时能够对电极进行线圈磁激，当感知到传感器位于断路状态时，则表明传感器位于水上，此时断开线圈磁激的电路，通过对电极进行实时感知，避免此状态下传感器工作，防止其损坏保证其安全性。
其中，数值变化的差值程度包含有一预设阈值，当低于预设阈值时，则表明传感器处于非水下状态，当高于预设阈值时，则表明传感器是处于水下状态。例如：
判断传感器是否处于水下的判断方法包括：
在电极未进行电极激磁时对电极进行电压采样，并求得该时段内的电压均值|U零|；
在电极激磁的正方波及负方波时段内，对电压进行多次采样，并进行算数平均，分别得到|U正波|及|U负波|；
当|U正波|及|U负波|同时分别都大于|U零|的预设阈值及以上时，则判断传感器处于水中，即安全状态，可以通电进行线圈激磁。否则判断传感器电极位于水上。该预设阈值为30％-100％，优选为50％。
包含但不限于地选用交流方波进行电极激磁，所述交流方波包括正方波和负方波，所述正方波与负方波幅值相同且方向相反。采用方波波形，其在进行电极激磁是，电压或电流更稳定，易于进行测量。也可以采用谐波等其它波形。
在所述正方波与负方波之间(或者在正方波/负方波之前)包含有无波段或在所述交流方波之前包含有无波段，对所述无波段进行电压采样以获取未进行电极激磁时的零位值。无波段的时间区间内设备不进行激磁，该段区域主要通过海水、电极、导线、采样系统形成环路，对海水、电极实时小电压零位信号进行采集，用于对设备的电路零位电压进行实时测量，该段时间的采样信号值即作为设备断路参考值，用于与通路参考值进行对比，用于判断传感器状态。
通过交流方波进行激磁后，通过与电极信号所串联的精密电阻，对电流进行采样，或者直接对两个电极进行电压采样。
对电压进行采样时，以交流方波的20％-80％的波段产生的电压进行采集，采用这种方式是为了避免由于电极电流激磁对周围线圈所产生的感应电流现象所造成的测量误差。
若多次采样，则对多次采样结构进行算数平均以得到采样结果，能够提升测量的准确性。
因电极激磁与线圈激磁互相之间会存在一定的干扰，故要进行规避，主要包含：
所述电极激磁与线圈激磁采样不相同的频率或者不重叠的频率范围，以防止串频引发的干扰。
所述电极激磁与线圈激磁为串行连接；所述电极激磁与线圈激磁为非同时进行，否则将无法进行航速的测量。
在所述电极激磁与线圈激磁的时间流中包含有无激磁时间段，在所述无激磁时间段内，所述电极激磁与线圈激磁均暂停激磁。即该段时间使电极回归默认状态，不受电极激磁所造成的极化现象的影响导致航速测量误差。
当判断传感器位于水下时，还可对电极+海水的电阻之和进行测量，主要包括对通过电极的电流进行采集，在结合电压、电流和电阻的计算得到电阻值。通过电极电阻的测量，可以了解电极的磨损情况，传感器灵敏度的实时情况，甚至可以通过电极电阻阻值的变化推算出是否需要更换传感器；
进行电流采集，通常选用开尔文电桥型式电路进行信号采集，以达到高精度采样及高精度电阻测算。通过开尔文电桥电路对电极和海水的电阻之和进行测量和统计，通过阻值的大小变化趋势来判断电极的劣化程度。电极和海水电阻之和为R电极+海水，则：
式中，r电阻为影响测量精度的接触电阻；RN为标准电阻；R1、R2、R3、R4为开尔文电桥的桥臂平衡电阻，且其中R2/R1＝R4/R3。
上式中通过R2/R1＝R4/R3而能够间接消除接触电阻r，在实际测量中对RX测量的精度影响，RN在硬件设计中选用多档位可编程标准电阻，使用中，观察电流计度数，使电流计读数处于最小状态，从而可以使得更准确的测量r电极+海水。
通过电极激磁后，分两种情况，图3为传感器在水下的状态，此时电路两个桥臂均处于通路状态，故从电极引出导线进入主MCU芯片AD采样模块，可以采集到电压，即可判断传感器处于水下；
图4为传感器不在水下的状态，此时电路的下桥臂(电极)处于断路状态，故从电极引出导线进入主MCU芯片AD采样模块，采集到的为浮空电压，即为随机值，即可判断传感器处于水上，不可通电。
通过本发明方法进行的一种电磁计程仪传感器状态感知方法，可以大大减小电磁计程仪因测量传感器未放于水下而直接设备通电所导致的传感器烧毁情况，同时，通过开尔文电桥可以进行动态的传感器状态的判断，通过电极电阻的测量，可以了解电极的磨损情况，传感器灵敏度的实时情况，甚至可以通过电极电阻阻值的变化推算出是否需要更换传感器；对实际使用状态下对设备的具有较强的实践价值，经本发明方法改进后的设备具备了一定的自检测功能、有效提高了设备的安全性，同时提升了电磁计程仪的智能化水平，具有较高的经济价值。
一种电磁计程仪传感器状态感知系统，包括：
电极激磁单元，所述电极激磁单元对传感器的电极进行周期性的正负波激磁；
采样单元，所述采样单元采集对电极进行激磁后产生的电压；
处理单元，所述处理单元接收采样电路采集到的电压，并控制激磁线圈的电路通断。
在进行多次正负方波电极激磁电压采样后，判断出当前传感器是否处于水下状态后，需要将传感器状态信息通过通信传输至主处理MCU，通过主处理MCU进行反馈控制，对线圈激磁进行控制并将传感器状态进行显示及对外传输，保证航海各个站位下均能实时观测到当前的传感器状态，同时，若判断出传感器未在水下，则主处理MCU将判断并中断此时段的线圈激磁，从而保证激磁线圈的不会因激磁过热无法通过海水散热导致线圈烧毁，从而保护设备安全。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种电磁计程仪传感器状态感知方法，其特征在于：采用交流电对传感器的电极进行至少一次的正向和负向的电极激磁；
对电极激磁后的电压进行采样且与未进行电极激磁状态下的零位值进行数值对比；
通过数值变化判断传感器是否处于闭合回路状态。
2.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪传感器状态感知方法，其特征在于：选用交流方波进行电极激磁，所述交流方波包括正方波和负方波，所述正方波与负方波幅值相同且方向相反。
3.根据权利要求2所述的一种电磁计程仪传感器状态感知方法，其特征在于：在所述正方波与负方波之间包含有无波段或在所述交流方波之前包含有无波段，对所述无波段进行电压采样以获取未进行电极激磁时的零位值。
4.根据权利要求2所述的一种电磁计程仪传感器状态感知方法，其特征在于：对电压进行采样时，以交流方波的20％-80％的波段产生的电压进行采集；和/或，
若多次采样，则对多次采样结构进行算数平均以得到采样结果。
5.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪传感器状态感知方法，其特征在于：所述电极激磁与线圈激磁采样不相同的频率或者不重叠的频率范围；和/或，
所述电极激磁与线圈激磁为串行连接；所述电极激磁与线圈激磁为非同时进行。
6.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪传感器状态感知方法，其特征在于：在所述电极激磁与线圈激磁的时间流中包含有无激磁时间段，在所述无激磁时间段内，所述电极激磁与线圈激磁均暂停激磁。
7.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪传感器状态感知方法，其特征在于：判断传感器是否处于水下的判断方法包括：
在电极未进行电极激磁时对电极进行电压采样，并求得该时段内的电压均值|U零|；
在电极激磁的正方波及负方波时段内，对电压进行多次采样，并进行算数平均，分别得到|U正波|及|U负波|；
当|U正波|及|U负波|同时分别都大于|U零|的阈值及以上时，则判断传感器处于水中，否则判断传感器电极位于水上。
8.根据权利要求1所述的一种电磁计程仪传感器状态感知方法，其特征在于：通过开尔文电桥电路对电极和海水的电阻之和进行测量和统计，通过阻值的大小变化趋势来判断电极的劣化程度。
9.根据权利要求8所述的一种电磁计程仪传感器状态感知方法，其特征在于：电极和海水电阻之和为R电极+海水，则：
式中，r电阻为影响测量精度的接触电阻；RN为标准电阻；R1、R2、R3、R4为开尔文电桥的桥臂平衡电阻，且其中R2/R1＝R4/R3。
10.一种电磁计程仪传感器状态感知系统，其特征在于：采用权利要求1-9任一项所述的方法，包括：
电极激磁单元，所述电极激磁单元对传感器的电极进行周期性的正负波激磁；
采样单元，所述采样单元采集对电极进行激磁后产生的电压；
处理单元，所述处理单元接收采样电路采集到的电压，并控制激磁线圈的电路通断。
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