船舶耙臂指示系统原理和误差分析

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摘 要：介绍某轮船舶耙臂指示系统的系统组成和工作原理，分析各组成部分的误差成因，得出修正各误差的方法和手段。

关键词：耙臂指示系统 原理 误差分析 较准

目前的疏浚船舶使用最广泛的耙吸式挖泥船，施工中需要把耙臂在水下的姿态显示出来。要完成姿态显示，必须在耙臂的某些关键点上安装传感器， 传感器送出的标准信号通过连线与操纵台的显示设备相连，完成监测和显示功能。图示为某轮的耙管示意图。

系统原理

由图可知：

耙头深度：h=hx+L1*Sin（a1）

其中：h为耙头实际深度，hx为吸口吃水深度，L1为耙管长度，a1为耙管与水平夹角。

耙头偏移船舷的距离：W=c+L1*Sin（b1）

其中：W为耙头距船舷距离，c为弯管距船舷距离，L1为耙管长度，b1为耙管与船舷水平夹角。

系统的数据采集设备

由上可知需要得到耙头实际深度与水平距离，必须安装以下传感装置和有关辅助设备：

垂直角度传感器。因只有一段耙臂，故只需要在耙臂上安装一个，检测角度a1的值。

水平角度传感器。在弯管关节位置安装一个， 检测角度b1的值。

吸口深度传感器。安装于船舷的吸口边。它的作用是实时检测吸口离液面的距离随船舶装载量的变化而变化如图中的hx值，它是整个耙臂上下浮动的基准面。假如无此传感器的信号，就无法知道耙臂离开液面的距离。

“吸口到位”闭合：吸口到位接近开关。安装在甲板上耙臂移动电缆架旁，当耙臂的弯管通过滑槽到达吸口位置时，移动电缆架会到达一个固定位置，在该位置布置有一传感器开关，电缆架到位后该开关闭合；其余情况该开关断开。只有当开关闭合时，指示耙臂已经对准吸口，所有的工作状态有意义。

各传感器原理

1、垂直角度传感器的原理说明

图中A部分为一个差分电容式倾斜角度传感器，它是整个装置的核心部件，检测精度的高低、稳定性、重复一致性，主要由它决定。其精度可达0.1级（相对基本误差1/1000）。其基本原理是：内部灌上半满的电解液，上、下有两组平面极板，由于液体自然状态总是趋于水平，当整个圆盘随垂直转动物转动时，电解液与上、下有两组平面极板的有效接触面积改变（差分改变，灵敏度大大提高），通过内部的检测电路，输出小信号的电压（mV级），可检测的角度范围为（-60 °到 +60°）。将此信号送变送板B，输出 4-20mA信号。

2、水平角度传感器原理说明

上图中A部分为一个电阻式角度传感器，它是整个装置的核心部件，使用的是导电塑料电位器。导电塑料电位器具有线性精密高、理论上无限的分辨力、平滑性优良、动态噪声小、机械寿命长等优良性能。其线性精度可达0.1级（相对基本误差1/1000）。其基本原理是：导电塑料电位器作为一个电压分压器，把一个机械位移转换成电压信号，并且该信号能够与机械角度成正比，分压电压接至送变送板B，输出 4-20mA信号，某安装位置对应4-20mA中某值，左右转动偏离该位置，信号电流线性增加或减小。因为采用分压原理，阻轨上的总电阻的准确度不会影响到分压测量结果，故温度波动不会引起测量误差。

3、吸口深度传感器原理说明

吸口深度传感器实为一只0-0.1Mpa水压力传感器，深度变化造成水压力变化，采用的是半导体应变片，配以ASIS高性能放大电路及精密的数字温度补偿，输出4-20mA信号。

系统误差分析与修正

1、深度值误差分析

h=hx+L1*Sin（a1）

其中hx为压力传感器的压力值计算得之，所以hx产生的误差有：水密度值误差，传感器误差，传感器零位漂移。

L1为耙管长度，为固定数值，初始化时输入，如果耙管经过修理后长度有所变化，则造成深度计算错误。

a1为垂直角度传感器数据计算得之，所以a1产生误差有：传感器误差，传感器安装时在垂直面上感应轴与耙管轴线不一致，（此误差影响零位值，可通过较零修正），传感器在安装时水平面上感应轴与耙管轴线不一致（此误差造成传感器角度值偏小）。

2、深度误差修正

2.1实际计算机中的计算公式为

h=d（hx-e）+L1*Sin[f*（a1-g）]

d、f分别为吸口深度、垂直角度修正系数，e、g分别为吸口深度零位修正系数、垂直角度零位系数。

d由吸口吃水传感器量程与水密度决定。

e通过与船舶吃水比较生成。

g通过耙臂水平位置校零时自动生成。

f通过深度较验后，计算得出。深度较验通过将手持式深度测量仪与耙头一起下放至水底，与耙臂指示值比较。

2.2 系数f的计算

h=d（hx-e）+L1*Sin[f*（a1-g）] ---------（1）

手持式深度测量仪检测值为h’

h’=d（hx-e）+L1*Sin[f’*（a1-g）] ----（2）

由（1）得 f*（a1-g） ------（3）

由（2）得 f’*（a1-g） -----（4）

将（4）除以（3）得f’，故其中f’为准确值，f为原系数，h’为测量所得标准值，h为耙臂系统所指示值。

3、水平误差分析

W=c+L1*Sin（b1）

其中c为固定值，取决于船舶结构，L1为耙管长度，也取决于制造，

b1为水平传感器所得数据计算得之，产生的误差有，传感器误差，传感器零位误差。

4、水平误差修正

实际计算机中的计算公式为

W=c+L1*Sin（b1-m）

其中m为水平角度零位系数。由耙臂与船置较零时计算机自动生成。

总结

该耙臂系统运用计算机技术与现代传感器技术，性能优异，运行可靠，系统运行在窗口操作系统下，多种船舶视图画面同屏显示、提供改变常数的设置画面，提供各传感器校准画面，在使用中，需要熟知其原理和特性，进行定期较准，修正各系数，才能够保证足够的精度和性能，保证工程船舶现代化精确施工。

（作者单位：长江南京航道工程局）