声纳换能器等效电容自动测量电路设计*

唐　彪　孙琎烨　郝学超　李耀波

(92956部队　大连　116041)



声纳换能器等效电容自动测量电路设计*

唐彪孙琎烨郝学超李耀波

(92956部队大连116041)

摘要采用传统的测量手段对声纳换能器进行检测需要利用常规电子仪器，操作复杂，效率低下。为了提高效率，利用现代电子测量技术设计了一种换能器等效电容自动测量系统。该系统能够全面、快速、准确地完成等效电容的检测。较之传统测量方式，整个系统操作过程简单、界面友好，实现了测量自动化，提高了装备维修保障效率。

关键词换能器; 等效电容; 测量; 维修保障

Class NumberTB52

1引言

声纳换能器是声纳设备进行水下目标搜索、定位和类型判别的传感器件，通常利用压电材料的压电效应[1～2]，实现机-电能量的相互转换。现代大型声纳设备均由数百个换能器基元组成换能器阵列，以提高目标的探测距离和定位精度[3]，由于声纳换能器长时间受环境温度和环境湿度的影响[2]，引起声纳换能器的绝缘电阻和等效电容量指标下降，因此，使用人员必须定期对换能器进行指标测量和维护保养。传统的测量和维护保养工作采用人工边测量边记录的方式进行，即耗时又耗力，鉴于此，本文介绍一种基于MCU的智能化、便携式的多路换能器等效电容测量电路，主要包括电容测量电路设计思路及组成、测量数据存储程序设计等。

2电容测试系统组成

电容测试系统组成如图1所示。该测试系统是基于STC12C5A60S2单片机为主控芯片的自动测量系统，STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12倍，应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节[4]，能够满足用户应用程序存储空间和测量速度的需求。

图1　静态参数测试仪电容测量原理图

3电容测量电路

目前，常用的电容量测量方法包括脉冲计数法、阻抗法和恒压充电法等。

3.1脉冲计数法原理

由被测电容组成振荡电路产生持续脉冲信号，单片机在规定时间内对脉冲计数(即测频)，从而反演出被测电容容量[5]。本测试仪在设计之初采用此方法对电容进行测量，但在实际测量中发现此方法存在两个缺陷，一是当切换被测电容时振荡电路有时不起振，必须重新上电后振荡电路才开始工作；二是振荡频率存在温漂，被测电容前后测量数值相差较大。

3.2阻抗法原理

利用DDS器件产生一定频率的正弦波作为待测电容的输入信号，通过电容-电压转换模块将待测电容值转换为电压有效值[6]。为了提高电容测量的精度，该方法必须具备两个条件:一是正弦信号发生器必须产生持续稳定的正弦波，二是要尽可能地减小电容-电压转换产生的电噪声，因此该方法硬件电路设计要求较高，成本偏高。

3.3恒压充电法

采用一个电阻和电容串联，用恒压源对电容充电[7～8]，同时MCU内部定时器/计数器T0开始计数，当充电电压达到某一基准电压时产生中断，计数器停止计数，测量程序根据电容电压充电时间函数计算出被测电容量。该方法硬件电路简单，且电容测量值相对稳定，因此，本测试仪采用恒压充电法对电容进行测量。为了弥补测量精度低的缺陷，本测试仪从两方面入手提高测量精度，一是设计温度补偿电路减少硬件电路产生的温漂，使产生电容中断计数信号的基准电压恒定，二是电容测量软件程序优化。具体电容测量电路如图2所示。

图2　电容测量电路

其中Q1、Q3、Q4、Q6与R4、R7、R10、R13组成四量程选择电路，选择与被测电容串联充电电阻；Q2和Q5及其外围电路组成电容放电电路，为了使被测电容迅速放电，电路中R5选择大功率小阻值电阻，并且在测量程序中设置有充分延时，确保被测电容在下一次开始充电之前充分放电；Q7、Q8及其外围器件组成温度补偿电路，以减少硬件电路产生温漂对测量精度的影响[9]。

3.4电容测量精度分析

(1)

用Matlab仿真10nf～100nf电容充电过程如图3所示。

图3　电容充电过程

其中U=5V，R=10K，由图3和式(1)可以看出，当充电中断电压Uc恒定时，电容值与充电时间呈线性关系，将式(1)转换为C=K×count/f，其中f为单片机定时器计数频率，count为电容充电电压从0～Uc时间内定时器计数值，可见K值的大小决定了电容测量值的分辨率，K值越小，电容测量值分辨率越高。但是，K值不能无限制地减小，因为当测量某一容量电容，且计数频率f一定时，K值减小必然要求计数器计数值count增大，而单片机定时器/计数器为16bit定时器，最大计数值为65536，再则，考虑测量程序浮点运算因素，最大计数值应限制在几千以内；同时，K值的减小也会导致量程的测量范围减小。

综合以上分析，本测试仪将充电中断电压Uc设置为3.5V，串联充电电阻分别为1KΩ、10KΩ、100KΩ和1MΩ，定时器计数频率f为921.6KHz，则各量程理论电容测量分辨率和测量范围如表1所示。

表1　电容测量范围及分辨率统计表

表2列出本测试仪2uF～200nF和200nF～20nF量程部分电容实测值。

表2　电容测量实测值(2μF～20nF)

4测量数据的保存与上传

4.1测量数据的保存

根据设计要求，为保证在系统断电状态下测量数据不丢失，本测试仪采用CATALYST 公司的CAT24WCxx系列存储芯片作为外部存储器，该系列存储芯片采用先进CMOS技术减少了器件的功耗，通过I2C 总线接口进行操作，并有一个专门的写保护功能[10]。为了使用户有效利用有限的数据存储空间，本测试仪设计了用户数据查看功能，即当一组数据测量结束时，用户可现场调用“查看”功能，通过液晶显示器分页查看暂存区测量数据，用户如果对测试数据存在疑问，可重新多路或单路测量，直至确保测量数据可靠、准确，最后通过“保存”操作，将暂存区测量数据保存到上传数据存储区，并可通过“上传”功能将测量数据上传至上位机。表3列出了本测试仪外部存储器存储空间分配情况(8通道测试)，这种存储方式有效地解决了大量无效数据占用有限存储空间的弊端，使用户最大化地利用存储空间。

4.2测量数据的上传

本测试仪具有数据上传功能，并通过上位机程序对测量数据进行数据处理，作为声纳装备换能器维修或更换的依据。数据的上传通过RS232串口进行传输，数据上传流程如图4所示。

表3　数据存储空间分配

图4　数据上传流程

在数据上传过程中，如果数据上传失败次数为5次，则退出数据上传，用户可检查RS232串口通信状态后，重新建立通信进行数据上传；同时，为了验证上传数据是否正确，采用上传数据位异或方式生成数据校验码，与上位机程序生成的数据校验码进行校验，以此校验方式来判断上传数据的正确性。

5结语

本文从提高现代数字声纳换能器维修保养效率的角度出发，利用现代电子技术，结合多路换能器等效电容测量的特点，设计了声纳换能器等效电容自动测量系统。系统能够快速、高效地检测换能器等效电容参数，具有体积较小、智能化、性价比高等优点。经过声纳维修保障中实际使用表明，系统可靠性、测量精度均满足声纳换能器等效电容参数检测要求。

参 考 文 献

[1] 陈文涛.传感器技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2013:65-67.

[2] 唐文彦.传感器[M].北京:机械工业出版社,2014:102-115.

[3] 李启虎.数字式声纳设计原理[M].合肥:安徽教育出版社,2003:179-206.

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[5] 郝鹏,王大明.基于51单片机的电阻、电容、电感测试仪[J].科技致富向导,2011(20):96-96.

[6] 刘军,李智.基于单片机的高精度电容电感测量仪[J].国外电子测量技术,2007(6):48-51.

[7] 张玉芹,洪源泉.数字式电容测量仪设计[J].廊坊师范学院学报(自然科学版),2011,11(3):52-54.

[8] 邵学涛,李新娥.一种高精度测量微小电容的电路[J].山西电子技术,2011(1):5-6.

[9] 杨三序,李晓伟,王业正.电容传感器测量电路的温度补偿[J].传感器与微系统,2007,26(7):64-66.

[10] 侯立功.串行EEPROM在单片机系统中的应用[J].无锡职业技术学院学报,2007(2):32-34.

Design of Sonar Transducer Equivalent Capacitance Automatic Testing Cirsuit

TANG BiaoSUN JinyeHAO XuechaoLI Yaobo

(No. 92956 Troops of PLA, Dalian116041)

AbstractIt needs to adopt conventional electronic devices if the traditional measuring means are used to test sonar transducer. The traditional measuring means is complicated and inefficient. In order to improve the efficiency, a kind of sonar transducer equivalent capacitance automatic test system is designed by use of modern electronic measurement technology. The equivalent capacitance can be comprehensively, rapidly and accurately tested by using of the system. Compared with traditional measuring method, the system has the advantages of simple operation and friendly interface. At the same time, the system can achieve automatic measurement and improve the efficiency of equipment maintenance and support.

Key Wordstransducer, equivalent capacitance, measurement, maintenance support

* 收稿日期：2015年11月5日,修回日期：2015年12月17日

作者简介：唐彪，男，工程师，研究方向：电子装备综合保障、电子测量。孙琎烨，男，硕士，工程师，研究方向：水声电子技术、电子测量。郝学超，男，硕士，工程师，研究方向：电子装备维修保障、水声工程。李耀波，男，博士，工程师，研究方向：电子装备综合保障、水声工程、水声测控技术。

中图分类号TB52

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.038