动态海浪,水深综合压力传感器的研究重点

1、动态海浪 , 水深综合压力传感器的研究关键词: 动态;压力传感器引言舰船深度是行驶安全的重要参数 , 在波浪状态下的深度显得尤为重要。舰船的行 驶是动态的过程 ,水下环境条件恶劣、情况复杂 , 这对深度测量装置提出了更高 的要求。该动态深度测量装置采用压力传感器，其动态海浪深度测量范围是01.5MPa（抗过载 450m水深），准确度：土 0.05m（010m深度）， 0.5m（0150m深 度）。1 、设计原理在物体的上下两面分别安装引水口 , 压力通过引水孔引入浮体内部 , 采用高稳定 性、高过载、高精度的压力传感器 , 测量物体运动和海浪的动态参数 , 经系统级 单片机进行A/D转换和数学

2、模型运算，得出动态水深。随着水深的增加海浪的影 响逐渐减弱,10m150m海浪的干扰可以忽略不计。单片机运算后,通过422接 口输出。1.1 静态深度理论水的静压力大小是深度与密度的乘积。对于水中某点而言 ,式中:P水的静压力；Pa水表面所受的大气压力P;H 水深 ；水的密度。通过测量水下某点所受的静压力 P,可得到深度值。压力随水深而线形变化，压 力传感器将水的压力变化转换为相应的电信号输出。1.2 波浪的影响分析及计算波浪主要是由风作为扰动力 , 重力作为恢复力形成的 , 这种波称为重力波。当然 也影响液体内部的压力分布 , 随水深的增加其影响力越来越小 , 影响范围只限于 表层, 所以又

3、称表面重力波。流体从静止开始运动 , 根据海姆霍兹定理 , 这种运动是无旋的。不可压缩流体运 动的速度满足拉普拉斯方程 , 这表明可用叠加原理去研究复杂的波浪运动。小振 幅波可用余弦函数表达 , 可作为波浪的简化模型。波浪的主要特性参数是波高 H、波长L、和周期T如图1所示：图1波浪特征示意图小振幅波的波面方程为 ：A是振幅,kx- er t= 0称为位相。通过分析波长L和波数k,周期T和圆频率e之间的关系，再推导波速公式，来 分析相对水深的影响。余弦函数的周期是2 n ,若同一时刻两点间的位相差为 2n ,即那么这两点间的距离就是一个波长 , 即若将上式写成kL=2n,则意味着2n的距离内有

4、k个波长为L的波，所以k称为 波数。为了避开某些复杂问题 , 现假定流动是小振幅的 , 即 H/L 1/2的水深波,可的到下式：当水深丨z |L时式右的第一项可忽略不计，深水部分的压力为静压力，即:将上述公式用 c 语言编译以后 ,输入单片机 ,单片机对采集到的深度数据 ,计算海 浪对深度静压的影响 ,并进行补偿 ,最终得到海浪状态下的深度。2、传感器设计2.1 结构设计 传感器由高稳定性压力传感器、放大计算电路和引水装置三部分组成。压力接 头及引水装置采用不锈钢的“ T”型结构，电路壳体采用铝合金。此结构有效的 消除流速影响 , 拥有较高的机械强度 , 同时金属外壳形成屏蔽层 , 有利于信号

5、保护 结构设计如图 3:图 3 浮体模型安装示意图传感器与引水装置设计采用了螺纹的连接形式 ,压力通过两个引水头引入引水装 内与传感器连接。2.2 电路设计电路首先对供电电源进行稳压和滤波处理 过放大、调整、滤波的传感器信号输出给 温度补偿、波浪高度的拟合计算等软件处 理后通过 422 接口信号输出。3、测试结果, 分别为数字电路和模拟电路供电。经MCU莫块,进行数字滤波、线性补偿、（ 下转 20 页 ）传感器制作工艺完成后 , 进行了性能测试 , 结果表明 , 性能指标完全满足规范要求 测试结果见表 1。4、结论本项研究利用波浪理论和流体静力学理论 , 采用压力传感器的测量方式 , 充分使 用数字信号处理技术、便捷的处理方式 , 制作的传感器在波浪和航速的环境中可 进行水深测量,性能稳定,精度高、可靠性好、智能化 ,满足了产品测试任务的需 要。参考文献 :1 夏国泽 , 船舶流体力学 2003.1 华中科技大学出版社2 俞晓秋, 流体静力学有限基本解方法及其应用 , 船舶工程 ,1994,2 出版社3 俞聿修, 海浪方向谱的现场观测与分析 ,