一种轴壳可变电阻模拟系统及方法

1.本发明属于舰艇轴频电场防护技术领域，尤其涉及一种轴壳可变电阻模拟系统及方法。


背景技术：

2.目前，舰艇轴频电场信号具有明显的信号特征，是目前用于舰艇探测和水雷引信的重要信号源。而舰艇轴频电场产生的主要原因是舰艇轴在旋转时，轴壳之间存在一个可变电阻。为了研究舰艇轴频电场信号的特征和轴频防护技术，通常设计制作船模或者模拟轴进行相关研究和验证工作。
3.舰艇钢铁的壳体和铜的螺旋桨在海水中会形成电化学腐蚀，产生腐蚀电流。同时用阴极保护防护进行舰艇防腐还会产生防腐电流。腐蚀电流和防腐电流在舰艇内都会从螺旋桨经转动轴、一系列具有一定刚度的弹性支撑轴承回到壳体。转动轴在运转过程中，由于轴系因负荷和应力的变化而存在一定的变形，因此，轴与轴系等机械结构间的接触电阻将随轴的转动而发生周期性的变化，从而造成了轴电流也跟随着一起脉动。这种脉动电流在海水中产生的时变电场会以谐波的形式由船体向外传播，该谐波的基频为转动轴转动的速率，从而产生了轴频电场。
4.所以说，转动轴与轴系构件间周期变化的电阻是舰艇产生轴频电场的核心原因。在船模上，轴系构件简单，应力变化较小，使得转动轴与轴系构件间之间的电阻变化很小，基本为零。为了研究船模的轴频电场就需要人为的设计增大此电阻的变化，从而增大船模的轴频电场。在中国实用新型专利说明书cn202020773558.4中公开了一种轴频电场实验船模模拟电阻波动装置，所述模拟电阻波动装置包括碳刷，滑环和模拟电阻。滑环采用多片换向器，模拟电阻的数量与换向器的数量相同。模拟电阻一端焊接在换向器上，另一端焊接在船模主轴上，碳刷一端与滑环紧密接触，另一端与船壳相连。轴在旋转时，使碳刷接触不同的模拟电阻，使船壳与轴之间的电阻发生周期性变化。
5.在这种轴频电场实验船模模拟电阻波动装置中，由于采用的是纯机械设计产生波动的电阻，在实际应用中可以模拟出船模的轴频电场。但是存在以下几点不足：1、此变化电阻是由安装的模拟电阻决定，安装完成后不能随时改变。导致无法在船模试验的过程中，根据需要随时改变船模轴频电场的大小；2、此方法需要轴一直转动才能改变电阻的大小，轴长时间转动容易在轴进舱处漏水，要保证不漏水则增加了船模制作的难度。
6.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的轴频电场实验船模模拟电阻波动装置无法在船模试验的过程中，根据需要随时改变船模轴频电场的大小；需要轴一直转动才能改变电阻的大小，轴长时间转动容易在轴进舱处漏水，要保证不漏水则增加了船模制作的难度。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种轴壳可变电阻模拟系统及方法。
8.本发明是这样实现的，一种轴壳可变电阻模拟系统包括：
9.电阻阵列模块，包括输出电阻与开关管，通过改变开关管状态实现输出电阻波形、幅值与频率可调；
10.主控模块，用于根据设置波形、幅值与频率的外部io状态，控制开关管工作状态；
11.io模块，用于通过旋钮开关与隔离光耦器件，实现io端口的状态设置；
12.轴转速采集模块，用于通过获取的船模轴转速，自动设置输出电阻变化的频率与船模轴转动频率一致，精确模拟船模的轴频电场。
13.进一步，所述输出电阻波形是三角波、锯齿波或脉冲波。
14.进一步，所述输出电阻幅值是5欧姆、10欧姆、15欧姆或20欧姆。
15.进一步，所述输出电阻频率包括自动调节档和人工设置档。
16.进一步，所述自动调节档用于根据轴转速模拟信号自动调节电阻波形的频率。
17.进一步，所述人工设置档包括0.667hz、1.0hz、1.167hz、1.5hz、1.833hz、2.0hz、2.5hz、3.0hz、3.33hz、4.0hz、5.0hz。
18.进一步，所述选用开关管最大电流为20a，电阻选用0.2欧/10w规格，工作最大电流为7a。
19.进一步，所述电阻阵列模块还包括有光耦芯片，所述光耦芯片用于对主控模块的io控制信号进行隔离，然后隔离后的信号施加在开关管的控制端。
20.本发明的另一目的在于提供一种轴壳可变电阻模拟方法，所述轴壳可变电阻模拟方法包括：
21.利用io模块读取外部设置的轴壳电阻波形、幅值和频率参数；使用io1和io2设置轴壳电阻波形，用io3和io4设置轴壳电阻幅值，用io5、io6和io7设置轴壳电阻变化频率。具体的对应关系如下表所示：
22.波形选择定义
23.波形选择io1io2三角波11方波01锯齿波10
24.阻值选择定义
25.阻值选择io3io45ω1110ω1015ω0120ω00
26.频率选择定义
27.频率选择io5io6io70.667hz1111.167hz0111.833hz101
3hz0014hz1105hz0106hz10010hz000
28.然后主控模块根据这些参数计算出控制电阻阵列模块中开关管开关的控制流程，实现输出电阻的变化；
29.根据实际需要，输出电阻的变化频率通过io8设置自动或手动方式进行，io8为1时，是自动模式；io8为0时，是手动模式。
30.进一步，所述输出电阻的变化频率通过手动方式设置时，通过外部旋钮进行设置设定好的频率；通过自动方式设置时，通过转速传感器输出的模拟电压信号或者rs485信号，获取轴转速参数；再通过该参数，计算出对应频率，从而控制输出电阻的频率。
31.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
32.本发明的轴壳可变电阻模拟方法用于模拟舰艇轴频电场，具有波形丰富、幅值可调、频率可调、无需维护、准确性高等优点。有利于进行舰艇轴频电场特性的分析和轴频电场防护研究等研究内容的开展，提高了研究效率和准确性。因此，本发明适用于在船模或者模拟轴上进行任何舰艇轴频电场相关的研究内容。
33.本发明可以用于模拟舰艇上碳刷与轴的接触电阻变化，实现轴不转动的情况下产生波动的接触电阻，模拟产生船模的轴频电场。
34.本发明可以解决以下几个技术难点：1、需要模拟出与舰艇类似的接触电阻变化波形，以及其它常规的三角波和锯齿波；2、为了模拟出轴频电场的强弱，还需要实现输出接触电阻幅值可调；3、为了模拟舰艇的转速，输出接触电阻的频率可调；
35.根据以上技术难点，本发明通过arm芯片控制开关管的开关状态，实现接入总回路中电阻的数量及变化模式，从而实现总输出电阻波形变化的形状与电阻幅值。同时通过控制开关管的开关速度，实现总输出电阻波形变化的频率。
36.本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：本发明的技术方案转化后，可以根据实际需求对各参数进行修改或增减，制作出适合不同对象使用的可变电阻装置。应用于舰艇轴频电场相关研究领域，可以减小研究成本、提高研究效率。
37.本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：舰艇轴壳电阻的模拟一直是舰艇轴频电场研究领域的一个关键内容，无论是船模还是模拟轴都希望能呈现出与实际舰艇轴壳电阻变化相同的情况。以往的模拟都是从机械原理方面进行设计，但是由于船模或模拟轴使用实际机械部件与实际舰艇一定存在性能差别，导致模拟的轴壳电阻不尽如人意。本发明提出的电子式模拟，可以摒除这些机械部件的性能差别，而且可以通过软件编程实现各种轴壳电阻变化规律。从根本上解决了轴壳电阻模拟的技术难点，填补了该领域的技术空白。
附图说明
38.图1是本发明实施例提供的轴壳可变电阻模拟系统的结构示意图；
39.图2是本发明实施例提供的主控模块的电路原理图，(a)图为主控芯片电源设计图，(b)图为主控芯片pd-pg端口设计，(c)图为主控芯片pa-pc端口设计；
40.图3是本发明实施例提供的电阻阵列模块一个单元的电路原理图；
41.图4是本发明实施例提供的io模块用于信号隔离的光耦电路原理图；
42.图5是本发明实施例提供的io模块对于所有开关设定的io信号进行采集的电路原理图；
43.图6是本发明实施例提供的轴转速采集模块通过rs485通讯进行采集的电路原理图；
44.图7是本发明实施例提供的轴转速采集模块通过模拟信号进行采集的电路原理图；
45.图8是物理缩比模型轴壳电阻模拟装置实物图；
46.图9是物理缩比模型轴壳电阻模拟装置试验原理框图；
47.图10是物理缩比模型轴壳电阻模拟装置试验实物图；
48.图11是物理缩比模型轴壳电阻模拟装置输出电阻波形设置测试图，(a)选择三角波图形，(b)为选择锯齿波图形，(c)是选择脉冲波图形；
49.图12是物理缩比模型轴壳电阻模拟装置输出电阻幅值设置测试图，(a)选择5ω图形，(b)为选择10ω图形，(c)是选择15ω图形，(d)是选择20ω图形；
50.图13是物理缩比模型轴壳电阻模拟装置输出电阻幅值计算图，(a)选择5ω图形，(b)为选择10ω图形，(c)是选择15ω图形，(d)是选择20ω图形；
51.图14是物理缩比模型轴壳电阻模拟装置输出电阻频率手动设置测试图，(a)选择0.667hz图形，(b)为选择1.5hz图形，(c)是选择2hz图形，(d)是选择3hz图形，(e)是选择4hz图形，(f)是选择5hz图形；
52.图15是物理缩比模型轴壳电阻模拟装置输出电阻频率自动设置测试图，(a)设定为1.25hz图形，(b)设定为2.5hz图形，(c)设定为5hz图形。
具体实施方式
53.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
54.为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
55.如图1所示，本发明实施例提供的轴壳可变电阻模拟系统通过io模块，读取外部设置的轴壳电阻波形、幅值和频率参数。然后主控模块根据这些参数计算出控制电阻阵列模块中开关管开关的控制流程，实现输出电阻的变化。根据实际需要，输出电阻的变化频率可以通过采集外部轴转速来自动设置。
56.图2为主控模块电路图，主控制器使用32位arm芯片，通过输入io口读取外部波段开关状态，确定输出电阻的波形、幅值、频率自动手动模式、频率参数。还可以通过rs485接收外部轴转速数值，确定频率参数。然后再通过输出io口控制电阻阵列中的开关管开关，输出需要的电阻值。
57.图3为电阻阵列模块一个单元的电路原理图，本发明包含25个这样的电阻单元；主要由4通道光耦芯片tlp290、开关管aod4184、0.2欧姆电阻组成。主控芯片的io控制信号首先通过光耦芯片进行隔离，然后隔离后的信号施加在开关管的控制端。开关管一般处于关闭状态，当控制信号有效时，打开开关管，使0.2欧姆电阻的一段与com地端导通。通过控制不同通道的开关管控制信号，实现所有0.2欧姆电阻之间的串并联结构。
58.图4和图5组成了io模块，其中图4是4通道光耦芯片tlp290的电路图，用于将外部旋钮开关提高的电压信号进行隔离，转换为主控芯片对应电压的io控制信号。图5是两个8位位移寄存器串联使用的电路图。由于输入的io信号比较多，将这些信号利用位移寄存器进行整合，得到一个串行数据，发送给主控制芯片。
59.本发明根据实际需求，设计输出电阻频率有自动和手动两种设置方式。手动时，通过外部旋钮进行设置设定好的频率；自动时，则可以通过转速传感器输出的模拟电压信号或者rs485信号，获取轴转速参数。再通过该参数，计算出对应频率，从而控制输出电阻的频率。图6为通过rs485信号获取轴转速参数的电路图，使用了rsm485m隔离rs485信号收发器芯片实现这一功能。图7为通过模拟电压信号获取轴转速参数的电路图，使用rs8551运算放大器对信号进行跟随，然后输入到主控芯片的ad采集输入端口。
60.为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
61.使用本发明的技术方案，研制出一台物理缩比模型轴壳电阻模拟装置，实现了以下功能：
62.输出电阻波形是三角波、锯齿波或脉冲波。
63.输出电阻幅值是5欧姆、10欧姆、15欧姆或20欧姆。
64.输出电阻频率包括自动调节档和人工设置档。自动调节档用于根据轴转速模拟信号自动调节电阻波形的频率。人工设置档包括0.667hz、1.0hz、1.167hz、1.5hz、1.833hz、2.0hz、2.5hz、3.0hz、3.33hz、4.0hz、5.0hz。
65.该装置选用北京兆易创新公司的arm芯片stm32f407vet6作为主控芯片；选用100个开关管aod4184用于控制接通或断开电阻阵列中的固定电阻，开关管最大通过电流为20a；电阻阵列中固定电阻选用0.2欧/10w规格，工作最大电流为7a。考虑到电阻发热的情况，该装置建议使用工作电流不大于4a。
66.物理缩比模型轴壳电阻模拟装置实物图如图8所示。
67.本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
68.为了准确的测量出物理缩比模型轴壳电阻模拟装置的输出电阻变化特性，对试验方法进行了设计，具体如图9所示：
69.整个试验由恒压源、物理缩比模型轴壳电阻模拟装置、固定电阻、信号发生器和示波器组成。
70.恒压源提供一个固定的电压，模拟轴壳电压。
71.物理缩比模型轴壳电阻模拟装置作为被测对象，工作是产生一个变化的电阻，导致电路中的电流发生相同频率和波形的变化。
72.固定电阻上的电压具有与电路中电流变化规律一致的特点，用于检测。
73.示波器通过检测固定电阻上的电压，间接检测物理缩比模型轴壳电阻模拟装置输出电阻的波形和频率变化情况，同时可以通过电压峰峰值的大小判断输出电阻幅值的变化情况。
74.信号发生器提供一个直流电压，用于模拟转速器输出的电压信号，根据此电压数值改变输出电阻的频率。
75.实际测试的器件连接图如图10所示。根据物理缩比模型轴壳电阻模拟装置的参数指标进行对应的测量试验。
76.1、电阻波形调节测试
77.根据物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板上波形选择旋钮，分别选择三角波、锯齿波和脉冲波，示波器上显示对应的波形，测试结果如图11所示。
78.2、电阻幅值调节测试
79.根据物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板上幅值选择旋钮，分别选择5ω、10ω、15ω和20ω。
80.为了计算物理缩比模型轴壳电阻模拟装置输出电阻的幅值是否准确，将恒压源调节为输出0.3a的恒流源模式，使用示波器直接观察物理缩比模型轴壳电阻模拟装置输出电阻两端的电压变化。
81.选择物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板上的选择旋钮到“三角波”位置，改变幅值选择旋钮，观察示波器的现实如图12所示。
82.通过示波器计算图形的峰峰值，确定物理缩比模型轴壳电阻模拟装置的输出电阻是否按照比例进行变化。计算结果如图13所示。
83.理论计算可知，选择幅值5ω档时，物理缩比模型轴壳电阻模拟装置输出电阻两端的电压为0.3*5＝1.5v，同理，10ω为3v，15ω为4.5v，20ω为6v。
84.通过测量结果可以看出，5ω、10ω、15ω和20ω四种幅值对应的电压峰峰值为1.5944v，3.0832v，4.5456v，5.9616v，与理论计算值基本相同。说明物理缩比模型轴壳电阻模拟装置可以对输出电阻的幅值进行相应的设置。
85.3、电阻频率手动调节测试
86.将物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板旋转“手动”档，波形使用“三角波”，观察比较方便。然后调节频率旋转旋钮，选定一些特殊的频率进行测量。
87.选择物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板上的频率选择旋钮到“0.667hz”位置，观察示波器的现实如图14(a)所示。此时示波器时间轴为一格1秒，从图形可以看出，3秒为两个周期，所以频率为2/3＝0.667hz。
88.选择物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板上的频率选择旋钮到“1.5hz”位置，观察示波器的现实如图14(b)所示。此时示波器时间轴为一格1秒，从图形可以看出，2秒为三个周期，所以频率为3/2＝1.5hz。
89.选择物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板上的频率选择旋钮到“2hz”位置，观察示波器的现实如图14(c)所示。此时示波器时间轴为一格1秒，从图形可以看出，1秒为两个周期，所以频率为2/1＝2hz。
90.选择物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板上的频率选择旋钮到“3hz”位置，观察示波器的现实如图14(d)所示。此时示波器时间轴为一格1秒，从图形可以看出，1秒为三个
周期，所以频率为3/1＝3hz。
91.选择物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板上的频率选择旋钮到“4hz”位置，观察示波器的现实如图14(e)所示。此时示波器时间轴为一格1秒，从图形可以看出，1秒为四个周期，所以频率为4/1＝4hz。
92.选择物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板上的频率选择旋钮到“5hz”位置，观察示波器的现实如图14(f)所示。此时示波器时间轴为一格1秒，从图形可以看出，1秒为五个周期，所以频率为5/1＝5hz。
93.4、电阻频率自动调节测试
94.将物理缩比模型轴壳电阻模拟装置面板旋转“自动”档，波形使用“三角波”，使用示波器观察固定电阻的电压变化。通过调节信号发生器输出的电压值，设定物理缩比模型轴壳电阻模拟装置输出电阻变化的频率。
95.本装置设置的输入电压和频率关系为，1-5v对应0-600转，即1-5v对应0-10hz。
96.将信号发生器的输出电压设置为1.5v，根据对应关系，此时输出电阻变化的频率应该为(1.5-1)*2.5＝1.25hz。通过示波器测量的结果与信号发生器输出值如图15(a)所示。此时示波器时间轴为一格0.5秒，从图形可以看出，4秒为五个周期，所以频率为5/4＝1.25hz。
97.将信号发生器的输出电压设置为2v，根据对应关系，此时输出电阻变化的频率应该为(2-1)*2.5＝2.5hz。通过示波器测量的结果与信号发生器输出值如图15(b)所示。此时示波器时间轴为一格0.5秒，从图形可以看出，2秒为五个周期，所以频率为5/2＝2.5hz。
98.将信号发生器的输出电压设置为3v，根据对应关系，此时输出电阻变化的频率应该为(3-1)*2.5＝5hz。通过示波器测量的结果与信号发生器输出值如图15(c)所示。此时示波器时间轴为一格0.5秒，从图形可以看出，1秒为五个周期，所以频率为5/1＝5hz。
99.应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
100.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种轴壳可变电阻模拟系统，其特征在于，所述轴壳可变电阻模拟系统包括：电阻阵列模块，包括输出电阻与开关管，通过改变开关管状态实现输出电阻波形、幅值与频率可调；主控模块，用于根据设置波形、幅值与频率的外部io状态，控制开关管工作状态；io模块，用于通过旋钮开关与隔离光耦器件，实现io端口的状态设置；轴转速采集模块，用于通过获取的船模轴转速，自动设置输出电阻变化的频率与船模轴转动频率一致，精确模拟船模的轴频电场。2.如权利要求1所述的轴壳可变电阻模拟系统，其特征在于，所述输出电阻波形是三角波、锯齿波或脉冲波。3.如权利要求1所述的轴壳可变电阻模拟系统，其特征在于，所述输出电阻幅值是5欧姆、10欧姆、15欧姆或20欧姆。4.如权利要求1所述的轴壳可变电阻模拟系统，其特征在于，所述输出电阻频率包括自动调节档和人工设置档。5.如权利要求4所述的轴壳可变电阻模拟系统，其特征在于，所述自动调节档用于根据轴转速模拟信号自动调节电阻波形的频率。6.如权利要求4所述的轴壳可变电阻模拟系统，其特征在于，所述人工设置档包括0.667hz、1.0hz、1.167hz、1.5hz、1.833hz、2.0hz、2.5hz、3.0hz、3.33hz、4.0hz、5.0hz。7.如权利要求1所述的轴壳可变电阻模拟系统，其特征在于，所述选用开关管最大电流为20a，电阻选用0.2欧/10w规格，工作最大电流为7a。8.如权利要求1所述的轴壳可变电阻模拟系统，其特征在于，所述电阻阵列模块还包括有光耦芯片，所述光耦芯片用于对主控模块的io控制信号进行隔离，然后隔离后的信号施加在开关管的控制端。9.一种用于实施权利要求1～8任意一项所述的轴壳可变电阻模拟系统的轴壳可变电阻模拟方法，其特征在于，所述轴壳可变电阻模拟方法包括：利用io模块读取外部设置的轴壳电阻波形、幅值和频率参数；然后主控模块根据这些参数计算出控制电阻阵列模块中开关管开关的控制流程，实现输出电阻的变化；根据实际需要，输出电阻的变化频率通过自动或手动方式进行设置。10.如权利要求9所述的轴壳可变电阻模拟方法，其特征在于，所述输出电阻的变化频率通过手动方式设置时，通过外部旋钮进行设置设定好的频率；通过自动方式设置时，通过转速传感器输出的模拟电压信号或者rs485信号，获取轴转速参数；再通过该参数，计算出对应频率，从而控制输出电阻的频率。

技术总结
本发明属于舰艇轴频电场防护技术领域，公开了一种轴壳可变电阻模拟系统及方法，包括电阻阵列模块，通过改变开关管状态实现输出电阻波形、幅值与频率可调；主控模块，用于根据设置波形、幅值与频率的外部IO状态，控制开关管工作状态；IO模块，用于通过旋钮开关与隔离光耦器件，实现IO端口的状态设置；轴转速采集模块，用于通过获取的船模轴转速，自动设置输出电阻变化的频率与船模轴转动频率一致，精确模拟船模的轴频电场。本发明用于模拟舰艇轴频电场，具有波形丰富、幅值可调、频率可调、无需维护、准确性高等优点。有利于进行舰艇轴频电场特性的分析和轴频电场防护研究等研究内容的开展，提高了研究效率和准确性。提高了研究效率和准确性。提高了研究效率和准确性。


技术研发人员：柳懿 王向军 方芳 嵇斗 常路宾 张天然 刘德红
受保护的技术使用者：中国人民解放军海军工程大学
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/4/5