一种低噪声船舶轴频电场测量系统的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种低噪声船舶轴频电场测量系统
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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】
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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I个参考电极；所述4个测量电极包括位于坐标原点的第I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I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I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。
[0009]进一步地，所述第I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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]进一步地，所述滤波电路，主要包括串联设置的I个8阶低通有源滤波器和I个2阶高通有源滤波器。
[0013]进一步地，所述I个8阶低通有源滤波器和I个2阶高通有源滤波器，均采用巴特沃兹结构。
[0014]进一步地，所述电平转换电路，包括加法电路。
[0015]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。
[0016]进一步地,所述记录单元包括SD卡。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]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:
[0021]图1为轴频电场的产生原理示意图；
[0022]图2为低噪声船舶轴频电场测量系统的工作原理示意图；
[0023]图3为测量电极的分布示意图；
[0024]图4为防射频干扰滤波电路的电气原理示意图；
[0025]图5为低噪声船舶轴频电场测量系统的自噪声波形图；
[0026]图6a-图6c为实测电场分布(深度IOcm)图；
[0027]图7a-图7c为实测电场分布(深度15cm)；
[0028]图8a-图8c为实测电场分布(正横距30cm)；
[0029]图9a-图9c为实测电场分布(正横距35cm)；
[0030]图1Oa-图1Of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】
[0031]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。
[0032]关于轴频电场的具体说明，可参见图1:
[0033]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。[0034]此回路的电阻抗Rb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。
[0035]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。
[0036]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。
[0037]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。
[0038]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I上的电场强度:.U-U,
【权利要求】
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I个参考电极；所述4个测量电极包括位于坐标原点的第I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I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I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I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I个8阶低通有源滤波器和I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I个8阶低通有源滤波器和I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。
【文档编号】G01R29/00GK203422423SQ201320328964
【公开日】2014年2月5日 申请日期:2013年6月7日 优先权日:2013年6月7日
【发明者】熊露, 姜润翔, 龚沈光, 张伽伟 申请人:中国人民解放军海军工程大学