一种水下相对输出压力自适应检测装置的制作方法

本实用新型属于水下液压传动领域，具体涉及一种水下相对输出压力自适应检测装置。

背景技术：

海洋是生命的摇篮，蕴藏着丰富资源，迄今为止，人类对于90％的海底世界仍然未知。目前，世界各国均进入深海研发时期，探索海洋已成为全人类的共同目标，我国拥有丰富的海洋资源，但开发利用程度很低，因此，研制深海液压设备是实现海洋资源有效利用的必要途径。然而，对于水下液压设备控制系统，通常采用压力补偿方法以使其适应于深海工作环境，此时液压系统中附加了周围海水施加的环境压力。以闭环控制液压泵为例，传统压力检测方法通常以泵出口压力为压力反馈信号，当油压源压力输入信号一定时，泵输出压力随水深环境变化而变化，这与控制系统所要求的不变性原理不符。因此，在水下环境中对液压系统的相对输出压力自适应检测就变得非常重要。因此，设计一种水下相对输出压力自适应检测方法及其装置，以实现深海下相对工作压力的检测，实现水下液压系统的相对输出压力的有效反馈。

现有直浸海水式压力传感器使用方便、水下适应性强，但其受水深限制、造价昂贵、开发周期长。此外，现有差压式压力传感器造价高、质量大、外形尺寸大，并且测量范围较小，不符合水下液压系统，特别是大深度下的实际检测要求，也与水下设备开发要求的轻量化设计思想相悖。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种水下相对输出压力自适应检测装置，能够实现水下液压系统，特别是大深度下相对工作压力的连续可测功能，以满足高精度控制的要求。

为了达到上述目的，一种水下相对输出压力自适应检测装置，包括耐压舱，耐压舱内设置有第一传感器和第二传感器，第一传感器用于采集出口压力，第二传感器用于采集海水压力，第一传感器和第二传感器连接差动放大器，差动放大器连接闭环放大器，闭环放大器连接耐压舱外部插件；

差动放大器用于对第一传感器和第二传感器所采集的信号进行比较运算，并将比较结果发送至闭环放大器中；

闭环放大器用于将比较结果转换为满足接口输入和控制的信号。

差动放大器包括分别采集第一传感器和第二传感器数据的两个匹配放大器，两个匹配放大器均连接减法器，减法器连接滤波器，滤波器连接下游模块，滤波器、减法器和两个匹配放大器均连接电源模块。

匹配放大器包括电阻R7，电阻R7的一端接入传感器，电阻R7的另一端连接电阻R8的一端，并通过电容C7后接地，电阻R8的另一端连接二极管D1的正极、二极管D2的负极、运算放大器U1的负向输入端、RC滤波电路的一端以及电阻R2的一端，二极管D1的负极连接二极管D2的正极和运算放大器U1的正向输入端并接地，电阻R2的另一端连接电阻R41的一端，电阻R41的另一端分别通过电阻R1和电阻R5接入5V电源，运算放大器U1的输出端连接RC滤波电路的另一端和电阻R44，电阻R44通过电阻R17接地，电阻R44连接匹配信号输出端，运算放大器U1通过12V电源供电，并连接负载R45。

减法器包括运算放大器U2、运算放大器U3和运算放大器U6，两个匹配放大器的输出值分别输入运算放大器U2的正向输入端和运算放大器U6的正向输入端，运算放大器U2的反向输入端通过电阻R15连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U6的反向输入端通过电阻R30连接运算放大器U6的输出端电阻R15和电阻R30间连接有电阻R21，运算放大器U2的输出端通过电阻R16连接运算放大器U3的反向输入端，运算放大器U6的输出端通过电阻R23连接运算放大器U3的正向输入端，运算放大器U3的输出端连接LC滤波电路，运算放大器U3的正向输入端通过电阻R29接地，运算放大器U2、运算放大器U3和运算放大器U6均通过12V电源供电，运算放大器U2、运算放大器U3和运算放大器U6分别连接有负载R42、负载R49和负载R53。

耐压舱采用铝合金材料。

第一传感器和第二传感器均采用压力传感器。

与现有技术相比，本实用新型在耐压舱内设置两个传感器，两个传感器连接差动放大器，差动放大器连接闭环放大器，闭环放大器连接外部插件，本装置在封装后可作为水下相对工作压力检测的一个标准单元，具有适用性好、通用性强、使用方便、布置灵活的特点；本装置与直浸式传感器相比，具有成本低、与液压系统匹配性好等特点，应用前景广泛。

进一步的，本实用新型的耐压舱采用铝合金材料，具有质量轻，抗压性强的特点且具有良好水密性和抗海水腐蚀性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型中差动放大器的组成原理图；

图3为本实用新型中匹配放大器的电气原理图；

图4为本实用新型中减法器的电气原理图；

其中，1、耐压舱；2、第一传感器；3、第二传感器；4、差动放大器；5、闭环放大器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明。

参见图1，本实用新型包括耐压舱1，耐压舱1内设置有第一传感器2和第二传感器3，第一传感器2用于采集出口压力，第二传感器3用于采集海水压力，第一传感器2和第二传感器3连接差动放大器4，差动放大器4连接闭环放大器5，闭环放大器5连接耐压舱1外部插件，第一传感器2和第二传感器3均采用压力传感器；

差动放大器用于对第一传感器2和第二传感器3所采集的信号进行比较运算，并将比较结果发送至闭环放大器5中；

闭环放大器5用于将比较结果转换为满足接口输入和控制的信号。

参见图2，差动放大器4包括分别采集第一传感器2和第二传感器3数据的两个匹配放大器，两个匹配放大器均连接减法器，减法器连接滤波器，滤波器连接下游模块，滤波器、减法器和两个匹配放大器均连接电源模块。两路压力传感器分别将检测到的系统工作压力和海水压力反馈信号输入各自的匹配放大器，处理后进入减法器进行线性运算，之后经滤波器处理送入闭环比例放大器。其中电源模块的作用是为差动比较电路和传感器提供电源。

参见图3，本实用新型的匹配放大器由前置匹配电路、调零环节、调幅环节和运算放大器及外围器件组成。前置匹配电路调整压力信号以适合运算放大器输入接口要求，具有缓冲、增大系统转换精度的作用。为得到满足压力反馈实际要求的给定条件，即零的给定值或最大值的给定值分别对应零的输出或最大值的输出，实现输出中位可调功能，设置R41、R44两组调零电阻和调幅电阻，为获得更高的共模抑制比，采用具有失调电压低、失调电压温漂低、输入电压噪声小及共模抑制比高等优点的运算放大器OP07。

匹配放大器包括电阻R7，电阻R7的一端接入传感器，电阻R7的另一端连接电阻R8的一端，并通过电容C7后接地，电阻R8的另一端连接二极管D1的正极、二极管D2的负极、运算放大器U1的负向输入端、RC滤波电路的一端以及电阻R2的一端，二极管D1的负极连接二极管D2的正极和运算放大器U1的正向输入端并接地，电阻R2的另一端连接电阻R41的一端，电阻R41的另一端分别通过电阻R1和电阻R5接入5V电源，运算放大器U1的输出端连接RC滤波电路的另一端和电阻R44，电阻R44通过电阻R17接地，电阻R44连接匹配信号输出端，运算放大器U1通过12V电源供电，并连接负载R45。

参见图4，本实用新型的减法器由运算放大器U2、运算放大器U6、运算放大器U3及其外围器件构成差动放大电路，该电路可有效地达到放大差模信号、抑制共模信号、获得高输入阻抗和高共模抑制比的目的。由于基本运算放大器存在输入阻抗小、共模抑制比低等不足，为提高影响共模抑制比的两个主要参数电路外部电阻输入阻抗和运算放大器本身的共模抑制比，设计时对整个减法器采用对称设计的方法，以抑制共模信号的干扰，图4中三只运算放大器中运算放大器U2和运算放大器U6及其外围电路均采用对称布置，构成同相并联差动放大装置，实现高的输入阻抗，而另一支运算放大器U3及外围器件也通过对称分布状的方式构建基本差动放大器。

减法器包括运算放大器U2、运算放大器U3和运算放大器U6，两个匹配放大器的输出值分别输入运算放大器U2的正向输入端和运算放大器U6的正向输入端，运算放大器U2的反向输入端通过电阻R15连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U6的反向输入端通过电阻R30连接运算放大器U6的输出端电阻R15和电阻R30间连接有电阻R21，运算放大器U2的输出端通过电阻R16连接运算放大器U3的反向输入端，运算放大器U6的输出端通过电阻R23连接运算放大器U3的正向输入端，运算放大器U3的输出端连接LC滤波电路，运算放大器U3的正向输入端通过电阻R29接地，运算放大器U2、运算放大器U3和运算放大器U6均通过12V电源供电，运算放大器U2、运算放大器U3和运算放大器U6分别连接有负载R42、负载R49和负载R53。

下面计算其共模抑制比，以说明其具有零点漂移小、输出稳定性高的特点。

在图4中，运算放大器U2和运算放大器U6构成同相并联差动放大电路，由输出电流相等，其输出电压U_i可由下式表示：

化简得

式中U₁为出口压力信号的匹配输入，U₂为环境压力信号的匹配输入

则运算放大器U2和运算放大器U6构成的差动放大电路差模增益K_f26为：

采用参数对称的外电路，即取阻值R₁₅＝R₃₀＝R₁₁＝R_f，此时差模增益可简化为

对同相并联差动放大电路串接基本运算放大器，由迭加原理知，输入信号U₁和U₂可分解组合为输入差模信号U_d和共模信号U_c，设它们在电路差动总输出U₀所产生的分量为U_0d和U_0c，此时

化简得：

式中K_f3为运算放大器U3的差模增益；

于是，总差模增益K_f可表示为：

K_f＝K_f26K_f3 ⑦

运算放大器U2和运算放大器U6把共模输入信号U_c按1:1地传到其输出端，U3具有U_c的共模输入电压，即

U_0c＝K_fc3U_c ⑧

由此可得，总共模增益K_fc为：

K_fc＝K_fc3 ⑨

故差动放大电路的总共模抑制比：

式中CMMR₃为运算放大器U3的共模抑制比；

由于该电路为单端输出，因此可将U_i对地的共模信号U_c抑制掉。从上式知，该差动放大电路总差模增益比较基本运算差动放大电路提高K_f26倍，相应的总共模抑制比CMRR也提高K_f26倍。

在该差动放大器中，运算放大器U3放大器选用OP07芯片，其共模抑制比CMRR₃＝126dB,将R_f＝R₂₁＝100KΩ代入上式，得到放大器的总共模抑制比为378dB，远大于采用单一运算放大器时的共模抑制比，故该放大器共模抑制比较高，对零点漂移可起到有效抑制作用，可满足放大器稳定性和控制精度要求。

因可能存在杂波及外界干扰，差动输出在送入闭环比例放大器前还需进行一定的滤波处理。为提供可靠工作电压，电源模块采用集成稳压芯片。