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物探与化探, 2018, 42(4): 785-790 doi: 10.11720/wtyht.2018.1522

方法研究·信息处理·仪器研制

新型声学释放器控制电路的设计与制作

谢双文, 王猛, 李强, 孙然, 郭勇鑫, 彭湛

中国地质大学(北京) 地球物理与信息技术学院,北京 100083

The design of control circuit for new acoustic release transponder

XIE Shuang-Wen, WANG Meng, LI Qiang, SUN Ran, GUO Yong-Xin, PENG Zhan

School of Geophysics and Information,China University of Geosciences, Beijing 100083, China

责任编辑: 沈效群

收稿日期: 2017-12-18   修回日期: 2018-02-17   网络出版日期: 2018-08-05

基金资助: 中国地质调查局项目.  201100307
北京市2017年大学生创新创业项目B类教学实验室开放基金资助.  

Received: 2017-12-18   Revised: 2018-02-17   Online: 2018-08-05

Fund supported: .  201100307
.  

作者简介 About authors

谢双文(1996-),男,本科在读,测控技术与仪器专业。Email:18811009379@163.com 。

摘要

传统深海声学释放器存在体积大、重量大、成本高以及驱动机构动密封困难等问题,新型声学释放装置方案有望解决上述问题。研究中通过对比,确定采用无密封电磁铁提供释放过程所需的驱动力;设计了控制电路和机械结构,利用释放过程电磁螺管的电感变化,通过控制电路的一系列转换,回收反馈信息,实现了电磁铁控制接线的复用功能。经过联调测试,验证了整个方案的可行性。该装置相对于现有声学释放器除具有更小的体积和重量、更低的成本等优势外,结构更加精巧、易于控制,值得进一步研究,也将为下一步声学释放器整体封装和设计提供有用参考。

关键词： 新型声学释放装置方案 ; 无密封电磁铁 ; 控制电路 ; 电感变化 ; 反馈信息

Abstract

Traditional deep sea acoustic release transponder has many problems, such as large volume, heavy weight, high cost and difficult dynamic sealing of the driving mechanism. The new acoustic release device program is expected to solve these problems. By contrast, this article determines to use the no-sealing electromagnet to provide the driving force during the release process. A control circuit and mechanical structure were designed. Using the electromagnetic solenoid's inductance change during the release process, throughout a series of transformation of the control circuit, it can recycle the feedback information and realizes the multiplex function of the electromagnet control wires. Though the intermodulation test, the feasibility of the whole scheme is verified. Compared with the existing acoustic releaser, the device has more advantages such as smaller volume and weight, lower cost and other advantages. Meanwhile, the structure is more ingenious and easy to control and deserves further research, and will also provide a useful reference for overall packaging and design of acoustic release transponder.

Keywords： new acoustic release device program ; no-sealing electromagnet ; control circuit ; inductance change ; feedback information

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本文引用格式

谢双文, 王猛, 李强, 孙然, 郭勇鑫, 彭湛. 新型声学释放器控制电路的设计与制作. 物探与化探[J], 2018, 42(4): 785-790 doi:10.11720/wtyht.2018.1522

XIE Shuang-Wen, WANG Meng, LI Qiang, SUN Ran, GUO Yong-Xin, PENG Zhan. The design of control circuit for new acoustic release transponder. Geophysical and Geochemical Exploration[J], 2018, 42(4): 785-790 doi:10.11720/wtyht.2018.1522

0 引言

深海声学释放器广泛应用于各种科研仪器实验和生产活动当中,用于释放和回收相关重要设备[1,2,3]。它是基于水声通信原理,接收和执行释放指令,发送反馈信息,实现深海环境下仪器回收的装置[3,4]。

一个完整的声学释放器由水上机和水下机组成,水下机部分包括信号解调、驱动电路和机械释放装置等模块,其设计与制作是制备声学释放器的关键部分。传统声学释放器大多将机械释放装置置于水下机的承压密封舱内,这涉及到释放载荷、最大工作水深、可靠性和动密封等性能指标[5],由此带来了体积大、重量大、成本高、工作水深有限和可靠性低等一系列问题。另外,回收并发送释放过程的反馈信息,也是设计释放装置机械结构需要考虑的重点问题。我国每年都存在释放器不能释放的事例,需要机械手臂深入海底进行打捞回收。目前对于海洋反馈信息的收集大多采用传感器方案,且多数应用于浅海领域[6],对深海反馈信息的研究非常少。

为解决上述问题,本文采用新型声学释放装置方案,设计了新型声学释放器的控制电路和机械结构。整个装置满足既定释放功能的同时,提供释放过程的反馈信息,使其工作更加稳定可靠。

1 新型声学释放装置方案设计

新型声学释放器采用无密封的方式,直接将释放装置置于海水中,有效地减小了声学释放器的体积和重量,提高水深适应性[7,8],使整个装置更加简单灵巧。表1是拟研发的新型声学释放器与现有传统声学释放器的参数对比结果[8]。

表1   传统声学释放装置同新型声学释放装置参数对比

产品释放载荷t工作水深km材质空气中重量kg水中重量kg尺寸(L×Φ)mm
OCEANO 5000.20.4316L6.52564×140
865-A512316L3325660×150
SYSAR 14614.24316L2520460×135
77101.26316L2217695×142
新型声学释放器
(释放装置)		1不限316L2.431.98170×100

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声学释放器的机械驱动模块,目前广泛采用步进电机回旋旋转驱动的方式。而电机旋转轴运动过程中的动密封处理,是电机驱动的一项核心技术,涉及到加工材料和制造工艺等相关研究[4],对深海环境下的设计与制作要求较高。为解决电机旋转驱动的动密封难题,可采用电磁铁连杆驱动的方案。而对电磁式释放机构的可行性研究,已经由理论和实验初步验证[8,9]。表2是两种驱动装置的性能对比。

表2   两种驱动装置的性能对比

释放时间/s引线数量/根提供的力/N成本稳定性水密性要求
电机驱动5~104/6<20高高高
电磁铁驱动<1220~40极低极高极低

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2 控制电路总体设计

本部分着重研究声学释放器整个水下机系统的控制电路,对水下机其他模块的设计与制作已超出本文所要讨论的范畴,在此不详细说明。为了便于对控制电路部分功能的设计和调试,选用iXBlue公司推出的AR8x1_OEM板(简称OEM板),作为新型声学释放器的信号解调模块。

通过控制电路的硬件设计,能够实现控制释放、反馈信息交互、电池电量检测、串口通信和JTAG程序下载烧录等功能;控制电路通过对OEM板外接引线进行读写操作,可实现控制电路与声学释放器水下系统的其他部分进行通信。

2.1 控制电路具体实施方案

控制电路采用低功耗电源管理和多电源供电的方式。控制电路收到有效指令后,打开相应模块的电源,执行相关功能;命令完成后,切断相关电源,使整个电路回到低功耗待机状态[10,11]。方案采用DC12V蓄电池作为整个装置的总电源,可直接供电给电磁释放装置;电源转换芯片RD5-12S03W将12 V电压转换为3.3 V供电给控制电路,选用MSP430单片机(MSP430G2553)作为主控芯片。MSP430系列单片机具有低功耗、片上资源丰富、性能稳定、处理能力强大及开发环境方便高效等优点,非常适合作为低功耗嵌入式系统的处理核心[11]。

控制电路采用外部中断触发唤醒的方式,没有收到有效命令时,处于休眠状态;接收到有效命令后,唤醒控制电路工作。另外,OEM板与主控电路之间采用光耦隔离,避开了两输入端电压不同的影响,提高了电路的稳定性和抗干扰能力。图1是控制电路的结构框图,以下将对各部分详细说明。

图1

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图1   控制电路总体结构框图


2.1.1 OEM板与MSP430单片机的连接部分

iXBlue公司推出的OEM板广泛应用于各类型号的声学释放器中,其稳定性与可靠性已经过大量实践验证。板上集成了DSP电路和发射变压器,能够捕捉深海环境下的微弱信号和发射FSK信号,从而实现与声学释放器水上机系统的通信。OEM板有4根外接线(红白、黑白、蓝白、绿白),控制电路通过对这4根外接线的读写来完成释放器的相关功能,图2为OEM板实物图。

图2

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图2   OEM板实物图


有效释放命令来临时,红白和黑白引线之间产生6 V电压,通过光耦隔离,右边与单片机外接的引线置低电平。利用这个信号,可以编写程序,唤醒单片机进行工作。电路如图3所示。

图3

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图3   OEM & MSP430接口电路


OEM板剩余的两根外接引线,蓝白是外部输入口,实现单片机对OEM板信息传递;绿白是内部输出口,实现OEM板对单片机信息传递。

2.1.2 控制电路释放部分

采用继电器驱动电磁铁,实现低电压对高电压的控制。当单片机收到有效的释放命令唤醒后,发送一个高电平信号,导通三极管,进而使继电器工作,接通电磁铁电源,执行释放命令。图4是这一部分的电路图,其中所加的二极管是防止继电器电源切断瞬间电流急剧变化造成对三极管的损坏。图5是整个释放控制程序的流程图。

图4

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图4   电磁释放控制电路


图5

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图5   释放控制电路程序框图


2.1.3 释放后反馈交互部分

MSP430单片机可以检测外部输入电压。选用ICL8038信号发生器产生正弦波信号,通过电磁驱动装置。由于信号发生器产生的信号带载能力较弱,通常采用信号发生与功率放大相结合的方式,来实现信号发生器功率输出要求[12]。释放前后,推动杆运动,电磁螺管线圈的电感发生变化,正弦信号通过线圈前后会发生波形和幅值变化(图6)。通过LM324芯片对信号适度放大处理,利用430单片机的定时器模块,采用捕获模式,计数外部输入脉冲个数。编程可设定最小计数值,消除外部干扰信号影响,达到收集反馈信息的目的。

图6

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图6   反馈信息收集示意


2.1.4 电池剩余电量检测部分

采用分压12 V直流电源的方式,得到单片机模数转换(A/D)可以采样的电压。通过编写程序,预设电路工作的最低电压,当单片机检测到这个下限值时,发出预警信号,传送给OEM板。

另外,由于电池电量的检测需要定期进行,在单片机休眠期间,利用时钟电路,可定时唤醒单片机进行测量,避免了逻辑冲突问题。

2.1.5 控制电路调试通信部分

调试通信部分包括串口通信和JTAG程序烧录。串口通信采用异步UART通信模式,选择ACLK作为时钟源,这使得单片机在LPM3模式下仍然能够使用串口。选用MAX3232用做单片机与DB9接头之间的电压转换芯片。该部分为常规设计电路部分,不再赘述。

3 机械结构设计

利用SolidWorks三维机械设计软件,设计了如图7所示的机械释放装置。

图7

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图7   电磁释放装置及螺管式电磁铁示意


选用DC12V直流螺管式电磁铁提供释放装置所需的驱动力,而对驱动力大小的研究与计算,已经由理论和实验验证[8,13]。

电磁铁推动杆的顶部与插销上面的小孔采用软连接,载物悬挂于挂钩上。插销固定时,各部件相互钳制,使整个装置保持稳定。释放过程,电磁铁工作,带动插销向上运动脱离榫卯1和榫卯2的连接处;整个装置受到载物重力作用下,榫卯1和2自由转动,从而三角固定件可以旋转;上挂钩受自身重力向下旋转,从而长限位杆和挂钩可绕固定点转动,使得重物脱离挂钩,完成释放动作。

释放过程也可提供反馈信息,挂钩的旋转可带动提杆转动,从而卡在设计的卡槽中,固定电磁铁的推动杆。图8为释放后的设想情况。电磁铁中软铁芯的位移变化会产生较大的电感变化,改变电磁铁螺线的密绕方式可增大电感的线性输出范围,同时满足驱动力提供的要求[14]。通过电磁铁的控制引线,将电感变化信息传送到上述控制电路中的反馈电路,可实现反馈交互功能。

图8

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图8   设想释放过程


4 联调测试

电路焊接完成并且各项功能调试成功后,将其与机械结构、DC12V直流电源连接在一起,进行联调实验,测试既定功能,实物图见图9。

图9

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图9   电路与机械结构


实验时,为避免电路故障,应首先连接电磁铁和OEM板的引线,最后连接电源接线。通过外接万用表,连接电池与控制电路的电源输入引线,来检测电流。预先检测电池的初始电压,从而可以计算功耗。OEM板外接引线是单片机的外部中断唤醒接口,也可通过外接接地开关来模拟这个信号。本文实验时就是采用模拟外部中断信号的方式。经过多次测试,得到控制电路的各项性能指标如下表所示。

表3   电路具体性能指标

电源/V待机电流/A待机功耗/W瞬时工作电流/A瞬时工作功耗/W
13.070.0871.146.1580.20

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室外的重物悬挂实验表明,设计的机械结构在悬挂200 kg重物条件下,经过多次测试,均能成功释放;同时,控制电路板上显示释放成功信号,实现了反馈交互功能,能够满足设计要求。 图10展示了实验过程。

图10

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图10   机械结构载物实验


5 结论

新型声学释放器采用无密封的方式,有效地解决了现有声学释放器存在的体积大、重量大、成本高及动密封困难等问题。选用直流螺管式电磁铁提供声学释放器所需的驱动力,使其结构更加简单,易于控制且稳定可靠。

利用释放过程中电磁铁螺管线圈的电感变化,通过控制电路的一系列转换,可检测释放过程的反馈信息,实现了电磁铁控制接线的复用功能。

该装置相对于现有声学释放器除具有体积、 成本和重量等优势外,结构更加精巧,同时能够回收释放过程的反馈信息,值得深入研究和优化。可为进一步的声学释放器整体封装和设计,完成全深海的声学释放功能,提供有用参考。

The authors have declared that no competing interests exist.
作者已声明无竞争性利益关系。

参考文献

邓明, 魏文博, 盛堰 , 等.

深水大地电磁数据采集的若干理论要点与仪器技术

[J]. 地球物理学报, 2013,56(11):3610-3618.

DOI:10.6038/cjg20131102      URL     [本文引用: 1]

深水环境下进行大地电磁数据采集,信号幅值微弱,高频分量被严重衰减;仪器承载的环境压力巨大,且伴随底流推曳、淤泥吸附等不利因素;海上作业情况复杂多变,带给设备投放与回收诸多困难.针对这些特殊问题,从理论上分析了大地电磁场在海水及其以下层状介质中的传播规律,计算了电场与磁场随不同水深的衰变比值,研讨了与仪器上浮速度相关的物理因素;从技术上阐述海底大地电磁仪的工作原理,包括信号传感器、数据采集器、声控释放单元以及机械组装部件等等.整套仪器信号分辨率达到nV级,频带宽度为10~0.3×10-3 Hz,最大工作水深4000m.该仪器搭载"海洋六号"科学考察船,在我国南海中沙群岛海域进行了国内首次深水环境下的大地电磁数据采集试验.结果显示,所研发的仪器性能指标吻合先前的理论推算值,达到设计要求.我国的海底大地电磁探测技术已完全享有自主的知识产权.

邓明, 魏文博, 谭捍东 , 等.

海底大地电磁数据采集器

[J]. 地球物理学报, 2003,46(2):217-223.

DOI:10.3321/j.issn:0001-5733.2003.02.014      URL     [本文引用: 1]

进行海底大地电磁数据采集,需借助于专用的水下探测设备. 虽然大地电磁测深法无论是仪器或是测量手段在陆地上的应用已较为成熟,但把该方法移植到海洋中,还需解决一些与海洋探测有关的工程技术问题. 主要包括:水下电场信号的提取,海底环境的监测,仪器在非实时监控运行中的纠错对策以及测量部件的密封承压等等. 在研制海底大地电磁数据采集器的过程中,采用先进的材料工艺,高精度的电子线路,可靠的软件编程以及牢固的器件安装结构,有效地解决了上述技术问题. 用所研制的仪器首次在我国海域进行了探测试验.

汪海峰, 邓明, 陈凯 .

海底电磁接收机新进展

[J]. 物探与化探, 2016,40(4):809-815.

DOI:10.11720/wtyht.2016.4.27      URL     [本文引用: 2]

海洋电磁法广泛用于物理海洋学、地球物理学、水下目标检测等领域,以上研究及应用均建立在对海洋环境下的电磁场信号高精度观测基础上。用于海底电磁场高精度观测的海底电磁接收机,需要解决仪器的高可靠性投放回收、高稳定性水下作业、低噪声、大动态范围、低时漂等一系列技术难题。文中介绍了中国地质大学（北京）近些年来在海底电磁接收机研制方面为达到以上目标所取得的一些经验、成果以及最新进展。新海底电磁接收机的典型电场本底噪声为槡0.1 n V/m/√Hz@0.5 Hz,动态范围大于110 d B,时漂小于5 ms/day,与国外同类先进产品技术指标平齐。截止到2016年初,累计完成了约60站位的海底电磁数据采集作业,2012年以来接收机回收率达到100%,获取了多批次高质量的海底MT及CSEM资料,研制的接收机成功应用于水合物勘查及油气勘探领域。

张佳 .

声学释放器关键功能单元设计与实现

[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2009.

[本文引用: 2]

邹波 .

深海电机旋转轴密封性能研究

[D]. 成都:西南交通大学, 2008.

[本文引用: 1]

张小康, 许肖梅, 彭阳明 , 等.

集中式深水网箱群鱼群活动状态远程监测系统

[J]. 农业机械学报, 2012,43(6):178-182,187.

DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2012.06.032      URL     [本文引用: 1]

为克服离岸深水网箱群养殖水域 环境和鱼群安全日常监测不便的问题,提出了一种集中式深水网箱群鱼群状态远程监测系统。采用水声多波束探测技术、多路信号处理技术设计了远程探测节点,用 于扫描各深水网箱内部空间;采用虚拟仪器技术设计了本地监控中心,便于用户集中控制远程探测节点、查看网箱探测结果;采用GPRS无线数据传输技术构建了 远程、实时的指令和数据传送通道。监测系统样机在福建省泉州市围头深水网箱养殖现场进行测试,结果表明:系统设计合理,操作方便,性能稳定、可靠,能够准 确及时地反馈养殖环境变化情况和网箱鱼群状态,减轻养殖工作量。

徐行, 王猛, 朴仁俊 , 等.

无密封电动机在深海声学释放器中应用的可行性研究

[J]. 实验技术与管理, 2016,33(7):109-113.

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.026      URL     [本文引用: 1]

分析了传统深海声学释放器存在体积大、重量大、成本高以及电机旋转式声学释放器存在的动密封困难等问题,提出了基于无密封电机的深海声学释放器总体方案设计,将控制电机置于承压密封舱外部以避开动密封困难的难题,并且减小声学释放器的体积和重量,降低成本。确定采用二相混合式步进电机作为声学释放器的控制电机,并从步进电机的结构、材质、工作原理等方面,讨论了深海条件下无密封步进电动机的耐压、绝缘、防腐等问题。经理论分析和盐水槽实验验证,在深海条件下基于无密封电机的声学释放器在中短期时间内可正常工作。

张婧, 王猛, 张航悦 , 等.

海洋电磁接收机中新型声学释放装置的可行性分析

[J]. 地球物理学进展, 2017,32(1):426-430.

URL     [本文引用: 4]

王欣 .

CTD电控多瓶采水器中电磁式释放机构设计与试验

[J]. 海洋技术, 2003,22(2):55-58.

DOI:10.3969/j.issn.1003-2029.2003.02.012      URL     [本文引用: 1]

文章概述了用电磁方式控制采水器释放机构的可行性 ,介绍了释放机构的工作原理、结构和特点 ,给出了应用实例试验中的测量方法和结果。

夏雨 .

基于微功耗单片机的水声释放器的设计与实现

[D]. 哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2008.

[本文引用: 1]

李华锋 .

声学释放器水下单元的软硬件实现

[D].北京:中国地质大学(北京), 2016.

[本文引用: 2]

李永东, 倚鹏 .

大功率高性能逆变器技术发展综述

[J].电气传动, 2000(6):3-8.

DOI:10.3969/j.issn.1001-2095.2000.06.001      URL     [本文引用: 1]

本文对大功率高性能逆变器的主回路结构和普遍采用的 PWM控制技术进行了简要的回顾 ,并分析比较了已有诸多结构及控制方案的优缺点。最后 ,文章对大功率逆变器的发展前景进行了展望

李达, 张军, 张道清 , 等.

直流螺管式电磁铁吸力经验公式的修正

[J]. 赣南师范学院学报, 2010(6):58-60.

DOI:10.3969/j.issn.1004-8332.2010.06.016      URL     [本文引用: 1]

采用电子天平研究了直流螺管式电磁铁的静态吸力特性,并将实验结果与经验公式计算值进行了对比研究,结果表明：实验值与公式计算值在大气隙范围内比较吻合,但气隙越小,偏差越大.为了得到受气隙影响较小的计算公式,对该经验公式进行了实验修正,验证了其可行性,并分析了实验误差.

谭六喜, 杨曙年 .

螺管线圈传感器的线性范围研究

[J]. 传感器技术, 2004,23(8):15-17.

DOI:10.3969/j.issn.1000-9787.2004.08.005      URL     [本文引用: 1]

应用数值分析方法,研究了通电螺管线圈的绕制螺距与螺管线圈内部磁场感应强度分布之间的对应规律;提出采用按特定规律的变螺距螺管线圈,而不用传统均匀密绕的螺管线圈,电感位移传感器的线性输出范围与螺管线圈整体长度之比可以加大.实验结果证明:用最优化方法设计的变螺距线圈,使电感传感器的有效线性输出范围得到了显著的提高.

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