CN203422423U - 一种低噪声船舶轴频电场测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低噪声船舶轴频电场测量系统，包括依次连接的电场传感器、信号调理电路和数据采集系统。本实用新型所述低噪声船舶轴频电场测量系统，可以克服现有技术中噪声大、功耗大和危险性大等缺陷，以实现噪声小、功耗小和危险性小的优点。

Description

一种低噪声船舶轴频电场测量系统

技术领域

本实用新型涉及轴频电场测量技术领域，具体地，涉及一种低噪声船舶轴频电场测量系统。 

背景技术

电场是除声场、磁场和水压场之外又一明显的船舶物理场特征，按其形成的原因可分为静电场、轴频电场、谐波电场和感应电场等。 

船舶在海水中航行时，不同金属之间产生的电化学腐蚀电流、以及由外加电流阴极保护（ICCP）系统产生的防腐电流，会在船舶周围形成准静电场信号，该信号在螺旋桨的调制下会产生轴频电场信号，该信号因具有频率特征明显、传播距离远和不可避免等特点，可被应用于船舶主轴系的故障诊断以及水中目标的定位跟踪。 

例如，可以利用电偶极子模拟轴频电场的信号特征，分别研制基于PC104和NI采集卡的电场采集系统，并分别利用所研制的系统在海上和实验室中成功测得了船舶和船模的轴频电场信号，但由于所研制的系统存在噪声和功耗较大的问题，且测量系统是基于拖电缆方式进行测量的，在高海况下，存在危险性大的问题。 

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中至少存在噪声大、功耗大和危险性大等缺陷。 

发明内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种低噪声船舶轴频电场测量系统，以实现噪声小、功耗小和危险性小的优点。 

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种低噪声船舶轴频电场测量系统，包括依次连接的电场传感器、信号调理电路和数据采集系统。 

进一步地，所述电场传感器，包括用于测量海水中三个正交方向两点间电位差的4个测量电极和1个参考电极；所述4个测量电极包括位于坐标原点的第1电极，分别位于坐标原点的三个正交方向即X方向、Y方向和Z方向、且能够分别和第1电极组成相应方向电场测量电极对的第3电极、第4电极和第2电极；所述1个参考电极 包括第5电极；所述第5电极为参考电极，靠近第3电极设置，并与信号调理电路的地线连接。 

进一步地，所述第1电极、第2电极、第3电极、第4电极和第5电极，均为全固态Ag/AgCl电极。 

进一步地，所述信号调理电路，包括依次连接在电场传感器与数据采集系统之间的前置放大电路、滤波电路、二次放大电路和电平转换电路。 

进一步地，所述前置放大电路，主要包括低噪声仪表放大器AD624。 

进一步地，所述滤波电路，主要包括串联设置的1个8阶低通有源滤波器和1个2阶高通有源滤波器。 

进一步地，所述1个8阶低通有源滤波器和1个2阶高通有源滤波器，均采用巴特沃兹结构。 

进一步地，所述电平转换电路，包括加法电路。 

进一步地，所述数据采集系统，主要包括分别与所述信号调理电路连接的3片24位低噪声AD转换芯片AD7799，分别与所述3片24位低噪声AD转换芯片AD7799连接的低功耗MSP430F2618单片机为微处理机，以及与所述低功耗MSP430F2618单片机为微处理机连接的记录单元。 

进一步地，所述记录单元包括SD卡。 

本实用新型各实施例的低噪声船舶轴频电场测量系统，由于包括依次连接的电场传感器、信号调理电路和数据采集系统，可以在水下连续测量和记录1600h的数据；从而可以克服现有技术中噪声大、功耗大和危险性大的缺陷，以实现噪声小、功耗小和危险性小的优点。 

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。 

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。 

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中： 

图1为轴频电场的产生原理示意图； 

图2为低噪声船舶轴频电场测量系统的工作原理示意图； 

图3为测量电极的分布示意图； 

图4为防射频干扰滤波电路的电气原理示意图； 

图5为低噪声船舶轴频电场测量系统的自噪声波形图； 

图6a-图6c为实测电场分布（深度10cm）图； 

图7a-图7c为实测电场分布（深度15cm）； 

图8a-图8c为实测电场分布（正横距30cm）； 

图9a-图9c为实测电场分布（正横距35cm）； 

图10a-图10f为低噪声船舶轴频电场测量系统的电气原理示意图。 

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。 

关于轴频电场的具体说明，可参见图1： 

由于船舶通常是由不同的金属材料制成，海水又是良好的电解液，当船舶在海水中时，不同金属材料之间（如钢质船壳和铜质螺旋桨）要发生电化学反应，从而在船舶周围产生了腐蚀电流，同时使钢质船壳不断的受到腐蚀。为保护船壳体不受腐蚀，除采用涂层防腐外，现代船舶上普遍采用了外加电流阴极保护（ICCP）系统和牺牲阳极阴极保护（PCP）系统产生保护电流进而进行防腐。腐蚀电流和保护电流都会经海水从船壳流向螺旋桨，然后通过各种轴承、密封和机械线路从螺旋桨返回到船壳。 

此回路的电阻抗R_B会随着螺旋桨轴承的旋转而发生周期变化，使流经海水的电流受到调制。从而在船舶周围产生以螺旋桨转动频率为基频的时变电场信号，该电场称为轴频电场。由于海水是良导体，电场信号衰减较快，理论研究和实验数据发现，在1-2倍船长附近，其幅值一般只有uV/m的量级。 

由上述分析可知，为了满足水下长期测量的要求，且轴频电场信号属于微弱信号，因此测量系统应满足低功耗和低噪声的要求，同时还应具备存储记录数据的功能。轴频电场信号因具有频率极低、传播距离远、在频谱上为线谱的特点而被广泛应用于水中目标的探测，为了实现低功耗、低噪声的轴频电场测量系统，根据本实用新型实施例，如图2-图9c所示，提供了一种低噪声船舶轴频电场测量系统。 

该低噪声船舶轴频电场测量系统，围绕解决水下长期测量轴频电场信号的问题而展开，研制了以固态Ag/AgCl电极阵列为传感器、高精度仪表放大器AD624为前置放大器、MSP430单片机为微处理器的测量系统。该低噪声船舶轴频电场测量系统的噪声峰-峰值不大于0.4uV，可在水下连续测量和记录1600h的数据。 

参见图2，本实施例的低噪声船舶轴频电场测量系统，主要由依次连接的测量传感器（即电场传感器）、信号调理电路和数据采集系统组成。 

在上述实施例中，上述电场传感器，主要用来测量电场信号，通常使用的水下电场传感器都是基于测量两点之间的电势差原理，即通过电极测量海水中相隔一定距离两点的电势差来近似得到对该处电场强度的估计。对于某一方向l上的电场强度： 

$E_l=\underset{\mathrm{\Δl}\→0}{\lim }\frac{U_1-U_2}{\mathrm{\Δl}}---\left(1\right)$

在上式中，E_l为沿l方向的电场强度，U₁和U₂为l方向上间隔为Δl两点处的电位。 

Ag/AgCl电极因其具有较低的自噪声和良好的稳定性而被广泛使用于水下电场的测量。该低噪声船舶轴频电场测量系统选用全固态Ag/AgCl电极作为电场传感器，该电极相比于现有技术中采用的玻璃电极，噪声更低，静差更小，噪声为

电极距为1m时，静差不大于1mV。 

另外，由于电极为全固态结构，可满足水下大深度测量的要求。由于电场为矢量，为了同时测量3个方向的电场信号，该低噪声船舶轴频电场测量系统共采用5个Ag/AgCl电极用于测量海水中三个正交方向两点间的电位差，其分布情况参见图3。 

测量电极对（1-2）、（1-3）和（1-4）分别用来测量x、y和z方向的电场信号。相比于现有技术中的电极分布结构该低噪声船舶轴频电场测量系统增加了参考电极5，该参考电极与信号调理电路的地线连接，以保证测量电极对的共模电位在低噪声船舶轴频电场测量系统的地电位附近。 

在上述实施例中，上述信号调理电路，包括前置放大电路（放大100倍）、滤波电路、二次放大电路（放大50倍）和电平转换电路等几部分组成。由于电场信号的获得是对两个电极之间的电位差进行测量，前置放大电路利用低噪声仪表放大器AD624对信号进行差分放大。AD624为高精密低噪声仪表放大器，增益为20dB时，其共模抑制比（CMRR）最小值为105dB，输入阻抗典型值为1000MΩ，在0.1-10Hz频段内，其电压噪声峰-峰值为0.3uV。在仪表放大器的差分输入端增加了防射频（RFI）滤波电路，以防止电极信号经长距离电缆（10-20m）传输后而导致的信号失真。防射频滤波电路参见图4。 

其中，R1＝R2＝100Ω，在25℃时，其热噪声谱密度为： 

$e_R=1.26\mathrm{nV}/\sqrt{\mathrm{Hz}};$

在1-10Hz内，其噪声有效值为： 

$\mathrm{rms}=e_R\sqrt{f_H-f_L}=1.26\×{10}^{-9}\×\sqrt{10-0.1}=3.96\mathrm{nV};$

峰-峰为6.6rms＝26.1nV，远小于AD624的噪声峰-峰值（300nV）。C1＝C2＝0.1uF，C3＝1uF。计算得到RFI滤波电路-3dB差分、共模滤波截止频率B_DIFF和B_CM分别为： 

$B_{\mathrm{DIFF}}=\frac{1}{2\mathrm{\πR}1(2C3+C1)}=757.8\mathrm{Hz},B_{\mathrm{CM}}=\frac{1}{2\mathrm{\πR}1C1}=15.9\mathrm{KHz}---\left(2\right).$

为了滤除低频静电场（频率0.05Hz左右）和50Hz工频干扰产生的电场信号，前置放大后的信号通过带通滤波器进行滤波，该带通滤波器由1个8阶低通（截止频率为10Hz）和一个2阶高通（截止频率为1Hz）有源滤波器串联而成，低通和高通滤波器均采用巴特沃兹结构设计。经带通滤波后的信号经过二次放大电路，整个电路放大5000倍。对二次放大后的信号进行限幅，使其幅值在-2.5～2.5V之间，利用加法电路对限幅后的信号进行电平转换，转换后的信号幅值在0-5V之间，以保证信号电平在数据采集系统容许的电平范围内。 

在上述实施例中，上述数据采集系统，主要是完成对调理后的信号进行AD转换、存储数据和时间信息等功能。该数据采集系统利用低功耗MSP430F2618单片机为微处理机。 

为了保证三路信号的同步性，且降低系统功耗（并行AD转换芯片功耗普遍较大），采用3片24位低噪声AD转换芯片AD7799（工作电流为380uA，增益为1、转换频率为33.3Hz时，其噪声有效值为2.3uV）同时完成三路信号的AD转换。记录单元采用8G的SD卡（采样频率为40Hz时可存储1600h的数据），单片机将AD转换后的信号和时间信息存储在单片机缓存中，满512字节，单片机利用串口存储在SD卡中，文件格式采用FAT16格式，以便于利用计算机对存储数据进行读取。 

下面对上述实施例低噪声船舶轴频电场测量系统的噪声性能进行验证。 

为了检验低噪声船舶轴频电场测量系统的噪声性能，将所研制的低噪声船舶轴频 电场测量系统放置到磁屏蔽筒中，差分输入端短路，并将其与低噪声船舶轴频电场测量系统的地线连接，低噪声船舶轴频电场测量系统采样频率为40Hz，其噪声曲线参见图5，其中横坐标N为采样点数。从图5中可明显发现，低噪声船舶轴频电场测量系统的自噪声较小，其噪声峰-峰值在0.3uV左右，不大于0.4uV，满足实际测量的需要。 

下面对上述实施例低噪声船舶轴频电场测量系统的轴频电场进行实验室测量。 

㈠实验方法 

轴频电场的实测工作在实验室内利用潜艇模型在水池内完成。实验室的硬件设施包括实验水池、实验潜艇缩比模型、外加电流阴极保护系统和电场测试系统等 

无磁性实验水池长、宽、深分别为8m、5m、1.5m。在水池中放入0.85m深的水，倒入海盐用来模拟海水，天然海水的电导率通常为3～4Ω·m^-1，水池中的海水电导率应在0.03～0.04Ω·m^-1之间以保证满足1：100等比例缩小模型的需求。在水池中放入0.85m深的水，倒入少量海盐后均匀混合，测得其电导率为0.036Ω·m^-1。 

实验用潜艇模型依据某型潜艇按比例缩小制造，艇模的长、宽分别为180cm和45cm。其螺旋桨的尺寸比实际舰船的螺旋桨按比例缩小后的尺寸稍大。由直流电机带动螺旋桨旋转，转速约为240r/min。模型材料主要组成如下： 

⑴艇壳体材料采用厚低碳钢板； 

⑵舵采用与艇壳体相同的低碳钢板材料； 

⑶螺旋桨采用高锰铝青铜材料；为了消除螺旋桨转动时产生的推力，采用平面浆叶。艇壳的材料为普通钢板，并在艇壳外面附着了一层绝缘油漆。 

⑷ICCP辅助阳极材料为铂片，其面积为1平方厘米，位于潜艇模型靠近舵前位置对称的两侧； 

⑸参比电极为银/氯化银参比电极。 

采用三轴测量系统，3个正交方向电极对（1-2、1-3和1-4）之间的距离为10cm，其中电极4距离水面高度为12cm，电极1、2、3和5距水面高度为22cm，电极对（1-5）之间的距离为100cm。电极支架的电极间距和位置在支架上可调，并能在滑动架上滑动，以便测量模型轴频电场的空间分布，参见图3；为了减少外界环境电磁噪声的干扰，利用同轴电缆连接Ag/AgCl电场传感器和采集系统，系统采样频率为40Hz。将潜艇模型放置在可由电机拖动前进的支架上，艇模处于潜航状态，运动速度为5cm/s，测量电极支架放置在距船首前方2m处，电极架固定不动，x、y和z方向分别为艇模 的纵向、横向和垂直方向。水池中艇模和测量电极布放俯视示意图。 

下面对上述实施例低噪声船舶轴频电场测量系统的实测结果进行具体说明。 

实验时，电机匀速带动艇模行进，用三轴测量系统测量船模轴频电场的空间分布，电极架原点o距船模横向距离分别为30cm和43cm，得到的实测轴频电场信号分别如图6a-图9c所示，其中横坐标N为采样点数。图中可以看出，潜艇模型在航行时，在时域上存在明显的轴频信号，其最大峰值处于艇模尾部螺旋桨的下方，具有很强的局域性。信号中存在着周期性的强噪声，此噪声为发电机工作对测量系统的干扰而产生的。从图6a-图9c中可明显发现，该测量系统成功测得了船模通过时的轴频电场三分量信号，图中垂直方向z的电场信号幅值相比于x和y分量要小的多，这是由于z方向电极对中的电极4距离水面较远的缘故。同时可以发现所有分量不是绝对对称，因为在水池中无法保证三轴系统绝对正交。 

利用上述各实施例的低噪声船舶轴频电场测量系统，在水池内对船模的轴频电场的信号进行了测量，实验结果表明，该系统可满足轴频电场的测量要求。 

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。 

Claims (10)

1.一种低噪声船舶轴频电场测量系统，其特征在于，包括依次连接的电场传感器、信号调理电路和数据采集系统。

2.根据权利要求1所述的低噪声船舶轴频电场测量系统，其特征在于，所述电场传感器，包括用于测量海水中三个正交方向两点间电位差的4个测量电极和1个参考电极；所述4个测量电极包括位于坐标原点的第1电极，分别位于坐标原点的三个正交方向即X方向、Y方向和Z方向、且能够分别和第1电极组成相应方向电场测量电极对的第3电极、第4电极和第2电极；所述1个参考电极包括第5电极；所述第5电极为参考电极，靠近第3电极设置，并与信号调理电路的地线连接。

3.根据权利要求2所述的低噪声船舶轴频电场测量系统，其特征在于，所述第1电极、第2电极、第3电极、第4电极和第5电极，均为全固态Ag/AgCl电极。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的低噪声船舶轴频电场测量系统，其特征在于，所述信号调理电路，包括依次连接在电场传感器与数据采集系统之间的前置放大电路、滤波电路、二次放大电路和电平转换电路。

5.根据权利要求4所述的低噪声船舶轴频电场测量系统，其特征在于，所述前置放大电路，主要包括低噪声仪表放大器AD624。

6.根据权利要求4所述的低噪声船舶轴频电场测量系统，其特征在于，所述滤波电路，主要包括串联设置的1个8阶低通有源滤波器和1个2阶高通有源滤波器。

7.根据权利要求6所述的低噪声船舶轴频电场测量系统，其特征在于，所述1个8阶低通有源滤波器和1个2阶高通有源滤波器，均采用巴特沃兹结构。

8.根据权利要求4所述的低噪声船舶轴频电场测量系统，其特征在于，所述电平转换电路，包括加法电路。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的低噪声船舶轴频电场测量系统，其特征在于，所述数据采集系统，主要包括分别与所述信号调理电路连接的3片24位低噪声AD转换芯片AD7799，分别与所述3片24位低噪声AD转换芯片AD7799连接的低功耗MSP430F2618单片机为微处理机，以及与所述低功耗MSP430F2618单片机为微处理机连接的记录单元。

10.根据权利要求9所述的低噪声船舶轴频电场测量系统，其特征在于，所述记录单元包括SD卡。

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