CN218995519U - 一种声纳换能器基阵阻容的快速检测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种声纳换能器基阵阻容的快速检测设备，包括：主控模块、继电器组模块、电容测量模块、绝缘测量模块、数据采集模块、人机交互模块和数据存储管理模块；继电器组模块的输入端与主控模块的输出控制端连接，电容测量模块的输入端连接至继电器组模块的第一输出端，绝缘测量模块的输入端连接至继电器组模块的第二输出端，数据采集模块的第一输入端连接至电容测量模块的输出端，第二输入端连接至绝缘测量模块的输出端，输出端与主控模块的输入端连接，主控模块对采集的测量数据进行处理，并根据处理结果输出用于控制继电器组模块动作的控制信号。本实用新型操作方便，可靠性高，能有效提高换能器阵元绝缘值和电容值测量效率。

Description

一种声纳换能器基阵阻容的快速检测设备

技术领域

本实用新型属于多路换能器阻容检测领域，更具体地，涉及一种声纳换能器基阵阻容的快速检测设备。

背景技术

声纳是目前对水下目标进行探测的最有效的装备，换能器是声纳探测设备的核心部件，承担着信号发射与接收的任务，其正常工作是声纳装备可靠运行的重要保证。然而，受工作环境及工作机理的限制，声纳换能器故障率一直居高不下，其参数指标的检测是装备修理及日常维护的重要工作之一。换能器的材料及结构有许多种，现在普遍运用的是压电陶瓷换能器。压电陶瓷换能器呈电容性，在舰船上进行的换能器静态参数测试指标主要有两项，即换能器的绝缘电阻和静态电容量。

传统的换能器静态参数检测方法是采用电容表、兆欧表两种仪表，分别对换能器实施静态电容和绝缘电阻的检测。绝缘电阻测量时常用的是ZC25-4型兆欧表，在测量时需将其放置水平位置、远离磁场，顺时针方向转动手柄，使转速逐渐增值120圈/秒，每次测量过程约需要半分钟。ZC25-4型兆欧表操作的复杂性给测量工作带来了相当的不便。目前部分维护人员使用数字兆欧表代替，如FLUKE1508，这种基于集成电路实现的数字绝缘表在测量中省去了人工转动手柄的过程，一定程度上简化了测量过程，但在档位、通道选择等环节，仍需人工手动操作。对静态电容的测量则主要是利用YF-150等类型数字电容表，测量过程中的量程、通道等选择操作均需手动进行。

现代化数字声纳追求大作用距离、高精确度，需要的声纳换能器及阵元数目越来越庞大。各型回音声纳、综合声纳及被动声纳的换能器阵元多在几十路甚至上百路。传统的测量方法对于只有几个阵元的小型声纳阵列尚可，但对于装备大型换能器阵列的声纳则存在工作量大、精度低、效率低下等不足。声纳换能器安装位置空间狭窄，维修人员在检测时需要携带电容表、绝缘表两种仪表，在狭窄空间里交替使用两种仪表逐路进行测量，使得换能器阵列的维修保障工作极为不便。可见，传统仪器仪表及测试手段存在适用范围小、测试效率不高、不能组合扩展和兼容测试能力差等方面的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种声纳换能器基阵阻容的快速检测设备，旨在解决现有技术中由于传统测量工具和手段导致测量速度慢、效率低的问题。

本实用新型提供了一种声纳换能器基阵阻容的快速检测设备，包括：主控模块、继电器组模块、电容测量模块、绝缘测量模块、数据采集模块、人机交互模块和数据存储管理模块；继电器组模块的输入端与主控模块的输出控制端连接，继电器组模块用于实现所述电容测量模块与绝缘测量模块的转换控制、单路转多路控制以及多路测量时通道自动转换控制；电容测量模块的输入端连接至继电器组模块的第一输出端，电容测量模块用于测量声纳换能器的静态电容；绝缘测量模块的输入端连接至所述继电器组模块的第二输出端，绝缘测量模块用于测量声纳换能器的绝缘电阻；数据采集模块的第一输入端连接至电容测量模块的输出端，数据采集模块的第二输入端连接至绝缘测量模块的输出端，数据采集模块的输出端与主控模块的输入端连接，数据采集模块用于对测量的数据进行采集；人机交互模块与所述主控模块的输入输出控制端连接，人机交互模块用于显示检测结果和输入用户数据；数据存储管理模块与主控模块的输入输出控制端连接，数据存储管理模块用于对测量的数据进行存储和管理；主控模块对数据采集模块采集的测量数据进行处理，并根据处理结果输出用于控制所述继电器组模块动作的控制信号，控制电容模块或电阻模块测量相应的通道。

其中，主控模块可以为嵌入式主控芯片，嵌入式主控芯片为ARM控制器。

更进一步地，电容测量模块包括：容量量程转换电路、自动比较识别模块、温度补偿电路、恒流源和放电电路；容量量程转换电路的输入端用于接收电容量程码，容量量程转换电路用于根据电容的实际大小自动切换测量量程；温度补偿电路用于根据实际环境温度与基准温度的差别输出基准电压，为了提高测量精度，减少了电容测量模块基准电路的温度漂移；自动比较识别模块的第一输入端连接至所述容量量程转换电路的输出端，所述自动比较识别模块的第二输入端连接至温度补偿电路，用于接收温度补偿电路输出的基准电压；恒流源输出稳定电流的电源；放电电路用于电容测量过程中对待测电路进行放电。

更进一步地，绝缘测量模块包括：高压产生电路模块、分压测量模块、绝缘电阻量程自动转换模块、自动比较识别模块、过流过压保护电路和A/D转换电路；高压产生电路模块根据ARM控制器发送的不同档位控制码，采用PWM(脉冲宽度调制)的高压产生电路，将低压转换为指定的直流高压；所述分压测量模块将高压产生电路模块产生的直流高压通过参数选择电路施加到待测换能器与量程自动转换模块的分压电阻组成的串联电路两端，对电阻进行测量；绝缘电阻量程自动转换模块用于根据电阻的实际大小自动切换测量量程；过流过压保护电路作用是当某些原因造成过流或过压时，过流过压保护电路根据监测到的信号，可自动切断PWM高压模块的输入，从而对整机起到保护作用；自动比较识别模块根据取样电压大小控制编码器进行编码，并控制分压电阻网络的自动转换；A/D转换电路是模拟数字转换电路，对采集的取样电压进行解算。

其中，数据采集模块可以采用数据采集芯片TLC2543。

人机交互模块包括LCD彩色显示屏、蜂鸣器、信息指示、独立式键盘、复位按键及校准调整旋钮，用于显示测量结果、声光提示报警及控制检测设备工作。

在本实用新型中，还包括D型电连接器，其一端与主控模块连接，另一端用于连接适配器。其中，D型电连接器通过15芯带屏蔽网的电缆与多路适配器连接。

通过本实用新型所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于测量速度快、效率高，能够取得实际使用过程中有益效果；具体为：

(1)本实用新型可以实现声纳多路换能器绝缘值自动测量、声纳多路换能器静态电容值自动测量、测量数据查询和显示的功能，针对现在普遍应用的压电陶瓷换能器，本实用新型非常适用于数字声纳多路换能器静态参数的快速测试和自动测试，尤其适用于多路换能器阵列的绝缘电阻及静态电容量的测试。

(2)本实用新型可以测量声纳多路换能器阵元静态参数(绝缘及静态电容量)，针对现在普遍应用的压电陶瓷换能器，本实用新型适用于数字声纳多路换能器静态参数的快速测试和自动测试，尤其适用于多路换能器阵列的绝缘电阻及静态电容量的测试。本实用新型操作使用方便，符合技术规格书的要求，可满足声纳多路换能器阵元的绝缘电阻及静态电容值的测试的需要。

(3)本实用新型可以实现声纳多路换能器绝缘值自动测量、声纳多路换能器静态电容值自动测量、测量数据查询和显示，操作方便，可靠性高；能有效提高声纳换能器阵元绝缘值和电容值测量效率。

附图说明

图1是本实用新型提供的声纳换能器基阵阻容的快速检测设备的原理框图；

图2是本实用新型提供的声纳换能器基阵阻容的快速检测设备的具体结构原理图；

图3是本实用新型提供的快速检测设备中绝缘测试模块的结构图；

图4是本实用新型提供的快速检测设备中电容测试模块的结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型可以通过手持式仪器这一载体，实现多路换能器两种参数的快速、自动测量，提升换能器基阵的维修检测能力。适用于声纳多路换能器阵元的绝缘电阻及静态电容值的测试。声纳共有48路换能器阵元，分四个航空插头与发射机柜连接，每个航空插头连接12路换能器阵元，为了提高本设备的兼容性，因而在设计上检测设备检测通道数设计为16路。检测设备可以实现声纳多路换能器绝缘值自动测量、声纳多路换能器静态电容值自动测量、测量数据查询和显示等功能。主要通过以下几个功能模块实现：静态参数测量模块(静态电容、绝缘电阻)；电压及连线测试模块；多路测试切换模块(继电器矩阵)；嵌入式系统主控模块(系统总体控制)；人机接口模块(键盘、声光)；数据采集模块；液晶显示模块；上位机通信模块；上位机数据处理系统模块；校准模块。为实现设计稳定性与准确性，本实用新型在全系统技术设计、功能实现技术设计、硬件及接口技术设计、软件及接口技术等方面均进行了设计优化。

多路适配器采用译码电路控制继电器矩阵选择待测通道，其测量端接芯带屏蔽网专用电缆通过航空插头与多路待测换能器基阵连接，另一端接芯带屏蔽网专用电缆通过D型电连接器连接主机，从而将待测换能器与主机测试电路连通。D型电连接器内置于主机顶部，内部与主机的嵌入式主控模块连接，用于多路适配器与主机的连接，实现测量数据及主机控制信号的传输。

静态电容测量模块包括电容量程转换电路、自动比较识别模块、容量解算模块、温度补偿电路等。首先接收ARM控制器发送的电容量程码，根据收到的量程码，利用电容量程转换电路自动选择与待测网络匹配的量程。工作过程中，ARM控制器控制恒压源对待侧换能器阵子充电，自动比较识别模块实时监测充电过程。当待测网络充电达到设定门限时产生中断，ARM控制器响应中断后使放电电路进行放电，并结束对充电的计时。同时，启动主控模块中的容量解算模块，计算待阵子静态电容。为了提高测量精度，检测设备设计有温度补偿电路，减少了电容测量模块基准电路的温度漂移。

绝缘电阻测量模块包括高压产生电路、分压测量模块、绝缘电阻量程自动转换模块、过流过压保护电路和A/D(模拟数字转换)电路，根据ARM控制器发送的不同档位控制码，采用PWM(脉冲宽度调制)的高压产生电路，将低压转换为指定的高压，并将产生的高压通过参数选择电路施加到待测换能器与量程自动转换模块的分压电阻组成的串联电路两端。自动比较识别模块根据取样电压大小控制编码器进行编码，并控制分压电阻网络的自动转换。ARM控制器根据编码器产生的绝缘电阻量程码对A/D(模拟数字转换)采集的取样电压进行解算，从而实现绝缘电阻的测量。当由于某些原因造成过流或过压时，过流过压保护电路根据监测到的信号，可自动切断PWM高压模块的输入，从而对整机起到保护作用。

嵌入式主控系统采用的是ARM控制器，一方面控制绝缘电阻测量模块和电容测量模块，实现对待测换能器绝缘电阻和静态电容的测量；另一方面，控制LCD彩色显示屏和声光报警模块对测量结果进行显示和提醒。利用独立式键盘输入相应操作命令，进行整个测量过程的控制。

为了更进一步的描述本实用新型提供的声纳换能器基阵阻容的快速检测设备，现参照附图1、图2、图3和图4并结合具体实例，详述如下：

声纳换能器基阵阻容的快速检测设备包括：主控模块1、继电器组模块2、电容测量模块3、绝缘测量模块4、数据采集模块5、人机交互模块6和数据存储管理模块7；继电器组模块2的输入端与主控模块1的输出控制端连接，电容测量模块3的输入端连接至电器组模块2的第一输出端，电容测量模块3用于测量声纳换能器的静态电容；绝缘测量模块4的输入端连接至所述继电器组模块2的第二输出端，绝缘测量模块4用于测量声纳换能器的绝缘电阻；数据采集模块5的第一输入端连接至电容测量模块3的输出端，数据采集模块5的第二输入端连接至绝缘测量模块4的输出端，数据采集模块5的输出端与主控模块1的输入端连接，数据采集模块5用于对测量的数据进行采集；人机交互模块6与所述主控模块1的输入输出控制端连接，人机交互模块6用于显示检测结果和输入用户数据；数据存储管理模块7与主控模块1的输入输出控制端连接，数据存储管理模块7用于对测量的数据进行存储和管理；主控模块1对数据采集模块5采集的测量数据进行处理，并根据处理结果输出用于控制所述继电器组模块2动作的控制信号，控制电容模块或电阻模块测量相应的通道。

绝缘测量模块4用于对换能器绝缘电阻进行测量，其原理是利用电路产生高压加到换能器上，对换能器两端的输出高压进行监测；静态电容测量电路的原理是利用MCU产生激励信号源，通过一定电路测量出换能器的等效电容；大规模接线检测是利用MCU实现一点对多点及多点对多点的自动扫描导通测试。嵌入式主控系统采用STC15系列MUCU为主控芯片，实现LCD显示、键盘扫描、USB接口驱动、绝缘电阻测量、等效电容测量以及电路/多路测量切换模块等功能；嵌入式系统外围电路主要用以对芯片进行供电及提供输入输出接口。

具体地，绝缘测试模块4包括高频高压开关稳压电源、电阻分压电路、模拟信号采集与转换电路。其中PWM形成与控制电路是高频高压开关稳压电源的控制部分，其控制核心是电压驱动型脉宽调制集成电路TL494芯片，该芯片包括两个误差放大器，本实用新型采用第一误差放大器作为电压反馈控制、第二误差放大器作为过流保护控制，高频高压开关稳压电源电路还包括过压欠压报警电路。电阻分压电路主要完成绝缘电阻测量档位的切换。

在本实用新型中，电容测试模块包括标准正弦波产生电路、标准电阻和电容串联分压电路、模拟信号采集与转换电路，如图4所示。

其中，继电器组模块主要实现绝缘电阻测量和电容测量模式转换控制，以及单路至多路转换和多路自动测量时的通道自动转换控制。人机交互模块包括键盘控制、声音报警输出、图像图形显示、与上位机通信等。控制模块用于实现设备的开机、关机、复位、报警、测量、端口选择、量程选择、存储、读取、输入/输出等功能。数据处理模块用于实现对测量的数据计算、判断等功能。数据传输模块用于实现测量数据的传输。

在本实用新型中，声纳换能器基阵阻容的快速检测设备包括主机及与主机连接的多路适配器，主机包括用于实现系统总体控制的嵌入式主控模块、用于测量换能器静态电容的电容测量模块、用于测量换能器绝缘电阻的绝缘测量模块、用于对测量数据进行采集的数据采集模块、用于存储和管理测量数据的数据存储与管理模块、用于显示检测结果和输入用户数据的人机交互模块以及用于为系统供电的电源模块，多路适配器用于实现测量过程中多路换能器的自动切换，通过15芯专用电缆和25芯专用电缆分别与主机和待测换能器阵列连接。

进一步的，数据采集模块、数据存储与管理模块以及人机交互模块均与嵌入式主控模块相连接；电容测量模块、绝缘测量模块受主控模块控制，输出数据送入数据采集模块。

15芯D型电连接器内置于主机顶部，内部与主机的嵌入式主控连接，用于多路适配器与主机的连接，实现测量数据及主机控制信号的传输。

多路适配器采用抗电磁干扰铝制机壳屏蔽封装，利用译码电路控制继电器矩阵选择待测通道，其测量端接25芯带屏蔽网专用电缆通过航空插头与16路待测换能器基阵连接，另一端接15芯带屏蔽网专用电缆通过D型电连接器连接主机，从而将待测换能器与主机测试电路连通。D型电连接器内置于主机顶部，内部与主机的嵌入式主控模块连接，用于多路适配器与主机的连接，实现测量数据及主机控制信号的传输。

静态电容测量模块包括容量量程转换电路、自动比较识别模块、容量解算模块、温度补偿电路、恒流源及放电电路；其首先接收ARM控制器发送的电容量程码，根据收到的量程码，利用电容量程转换电路自动选择与待测换能器阵子匹配的量程。工作过程中，ARM控制器控制恒压源对待测换能器阵子充电，自动比较识别模块实时监测充电过程。当待测换能器阵子充电达到设定门限时产生中断，ARM控制器响应中断后使放电电路进行放电，并结束对充电的计时。同时，主控模块启动内部容量解算模块，计算待测换能器阵子电容量。为了提高测量精度，检测设备设计有温度补偿电路，减少了电容测量模块基准电路的温度漂移。

绝缘电阻测量模块包括高压产生电路模块、分压测量模块、绝缘电阻量程自动转换模块、自动比较识别模块、过流过压保护电路和A/D(模拟数字转换)电路；其根据ARM控制器发送的不同档位控制码，采用PWM(脉冲宽度调制)的高压产生电路，将低压转换为指定的直流高压，并将产生的直流高压通过参数选择电路施加到待测换能器与量程自动转换模块的分压电阻组成的串联电路两端。当由于某些原因造成过流或过压时，过流过压保护电路根据监测到的信号，可自动切断PWM高压模块的输入，从而对整机起到保护作用。自动比较识别模块根据取样电压大小控制编码器进行编码，并控制分压电阻网络的自动转换。ARM控制器根据编码器产生的绝缘电阻量程码对A/D(模拟数字转换)采集的取样电压进行解算，从而实现绝缘电阻的测量。

嵌入式主控系统采用的是ARM控制器，数据采集模块核心采用数据采集芯片TLC2543；人机交互模块包括LCD彩色显示屏及独立式键盘，电源模块设计有交直流转换电路，在无交流电源或不便采用交流电源时可采用移动电源供电。嵌入式主控一方面控制绝缘电阻测量模块和电容测量模块，实现对待测换能器阵列的绝缘电阻和静态电容的测量；另一方面，控制LCD彩色显示屏和声光报警模块对测量结果进行显示和提醒。利用独立式键盘输入相应操作命令，进行整个测量过程的控制，实现了友好的人机交互。

数据采集模块核心采用AD采集芯片TLC2543，绝缘电阻测量模块、静态电容测量模块测量的数据送至数据采集模块，经采集后转换为数字信号并送至嵌入式控制器。

人机交互模块包括LCD彩色显示屏、蜂鸣器、信息指示、独立式键盘、复位按键及校准调整旋钮，用于显示测量结果、声光提示报警及控制检测设备工作。

电源模块受开关的控制，设计有交直流转换电路，在无交流电源或不便采用交流电源时手动切换为移动电源供电。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种声纳换能器基阵阻容的快速检测设备，其特征在于，包括：主控模块(1)、继电器组模块(2)、电容测量模块(3)、绝缘测量模块(4)、数据采集模块(5)、人机交互模块(6)和数据存储管理模块(7)；

所述继电器组模块(2)的输入端与所述主控模块(1)的输出控制端连接，所述继电器组模块(2)用于实现所述电容测量模块(3)与所述绝缘测量模块(4)的转换控制、单路转多路控制以及多路测量时通道自动转换控制；

所述电容测量模块(3)的输入端连接至所述继电器组模块(2)的第一输出端，所述电容测量模块(3)用于测量声纳换能器的静态电容；

所述绝缘测量模块(4)的输入端连接至所述继电器组模块(2)的第二输出端，所述绝缘测量模块(4)用于测量声纳换能器的绝缘电阻；

所述数据采集模块(5)的第一输入端连接至所述电容测量模块(3)的输出端，所述数据采集模块(5)的第二输入端连接至所述绝缘测量模块(4)的输出端，所述数据采集模块(5)的输出端与所述主控模块(1)的输入端连接，所述数据采集模块(5)用于对测量的数据进行采集；

所述人机交互模块(6)与所述主控模块(1)的输入输出控制端连接，所述人机交互模块(6)用于显示检测结果和输入用户数据；

所述数据存储管理模块(7)与所述主控模块(1)的输入输出控制端连接，所述数据存储管理模块(7)用于对测量的数据进行存储和管理；

所述主控模块(1)对所述数据采集模块(5)采集的测量数据进行处理，并根据处理结果输出用于控制所述继电器组模块(2)动作的控制信号，控制电容模块或电阻模块测量相应的通道。

2.如权利要求1所述的快速检测设备，其特征在于，所述主控模块(1)为嵌入式主控芯片，所述嵌入式主控芯片为ARM控制器。

3.如权利要求1所述的快速检测设备，其特征在于，所述电容测量模块(3)包括：容量量程转换电路、自动比较识别模块、温度补偿电路、恒流源和放电电路；

所述容量量程转换电路的输入端用于接收电容量程码，所述容量量程转换电路用于根据电容的实际大小自动切换测量量程；

所述温度补偿电路用于根据实际环境温度与基准温度的差别输出基准电压；

所述自动比较识别模块的第一输入端连接至所述容量量程转换电路的输出端，所述自动比较识别模块的第二输入端连接至温度补偿电路，用于接收温度补偿电路输出的基准电压；

所述恒流源输出稳定电流的电源；

所述放电电路用于电容测量过程中对待测电路进行放电。

4.如权利要求1所述的快速检测设备，其特征在于，所述绝缘测量模块(4)包括：高压产生电路模块、分压测量模块、绝缘电阻量程自动转换模块、自动比较识别模块、过流过压保护电路和A/D转换电路；

所述高压产生电路模块根据所述主控模块(1)发送的不同档位控制码，采用PWM的高压产生电路将低压转换为指定的直流高压；

所述分压测量模块将所述直流高压通过参数选择电路施加到待测换能器与量程自动转换模块的分压电阻组成的串联电路两端，实现对电阻进行测量；

所述绝缘电阻量程自动转换模块用于根据电阻的实际大小自动切换测量量程；

所述过流过压保护电路用于当出现过流或过压时，根据监测到的信号，自动切断PWM高压模块的输入，从而对整机起到保护作用；

所述自动比较识别模块根据取样电压大小控制编码器进行编码，并控制分压电阻网络的自动转换；

所述A/D转换电路用于对采集的取样电压进行解算。

5.如权利要求1所述的快速检测设备，其特征在于，所述数据采集模块(5)采用数据采集芯片TLC2543。

6.如权利要求1所述的快速检测设备，其特征在于，所述人机交互模块(6)包括LCD彩色显示屏、蜂鸣器、信息指示、独立式键盘、复位按键及校准调整旋钮，用于显示测量结果、声光提示报警及控制检测设备工作。

7.如权利要求1-6任一项所述的快速检测设备，其特征在于，还包括D型电连接器，其一端与所述主控模块(1)连接，另一端用于连接适配器。

8.如权利要求7所述的快速检测设备，其特征在于，D型电连接器通过15芯带屏蔽网的电缆与多路适配器连接。

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