计程仪调研legend08fda整理.docx

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计程仪调研资料

一、发展概况

古代用流木法来航海计程。

公元3世纪中国三国时代东吴万震的《南州异物志》记载：

在船头把木块投入海中，然后向船尾跑去，其速度要与木块同时从船头到达船尾，以测算航速和航程。

16世纪初荷兰的流木法是用计量流木通过一个船长的时间来核算航速和航程。

稍后，在一个较长的时期内使用沙漏计程法。

此法是利用一个14秒或28秒的沙漏计计时，另以木板一块连接绳索一根，在绳索上等距打结，两结之间称为一节。

如用14秒沙漏计,两结之间距离为23英尺7.5英寸。

观测每14秒内放出的节数,即表示船舶每小时航行的海里数（1海里约等于6076英尺）。

因此,至今船舶航速单位仍称为节（1节=1海里/小时）。

19世纪出现近代计程仪。

后来得到广泛使用的有梅西式和沃克式拖曳计程仪。

20世纪30年代出现萨尔式水压计程仪和契尔尼克夫式转轮计程仪。

50年代出现电磁计程仪。

以上各种计程仪均是测量船舶相对于水的航速和航程，只有根据水的流速和流向加以修正，方能求得船舶相对于水底的航速和航程。

50年代出现的多普勒计程仪和70年代制成的声相关计程仪，在一定水深内可以直接测量船舶相对于水底的航速和航程，使计程仪发展到一个新的水平。

二、原理和性能

近代计程仪主要由测速部分和指示部分组成。

测速部分用以检测和放大船舶航速信号或航程信号；指示部分用机械或电气形式显示船舶航速或航程，再通过积分或微分方法显示航程或速度。

不同类型的计程仪的工作原理和性能如下所述。

①拖曳计程仪。

利用相对于船舶航行的水流，使船尾拖带的转子作旋转运动，通过计程仪绳、联接锤、平衡轮，在指示器上显示船舶累计航程。

这种计程仪线性差，高速误差大，受风流影响大，操作不便，但性能可靠，有的船舶作为备用计程仪。

②转轮计程仪。

利用相对于船舶航行的水流，推动转轮旋转，产生电脉冲或机械断续信号，经电子线路处理后,由指示器给出航速和航程。

这种计程仪线性好,低速灵敏度较高,但机械部分容易磨损。

除小船应用外,已逐渐被淘汰。

③水压计程仪。

利用相对于船舶航行水流的动压力，作用于压力传导室的隔膜上，转换为机械力，借助于补偿测量装置，将机械力转换为速度量，再通过速度解算装置给出航程。

这种计程仪工作性能较可靠，但线性差，低速误差大，不能测后退速度，机械结构复杂，使用不便，逐渐被淘汰。

④电磁计程仪。

通过水流（导体）切割装在船底的电磁传感器的磁场，将船舶航行相对于水的运动速度转换为感应电势，再转换为航速和航程。

其优点是线性好，灵敏度较高，可测后退速度，目前使用最广。

⑤多普勒计程仪。

利用发射的声波和接收的水底反射波之间的多普勒频移测量船舶相对于水底的航速和累计航程。

这种计程仪准确性好，灵敏度高，可测纵向和横向速度，但价格昂贵。

主要用于巨型船舶在狭水道航行、进出港、靠离码头时提供船舶纵向和横向运动的精确数据。

多普勒计程仪受作用深度限制，超过数百米时，只能利用水层中的水团质点作反射层，变成对水计程仪。

⑥声相关计程仪。

应用声相关原理测量来自水底同一散射源的回声信息到达两接收器的时移，以解算得到相对于水底的航速和航程。

这种计程仪可测后退速度，兼用于测深。

水深超过数百米时也变成相对于水的计程仪，尚在改进中。

前面这几种类型的计程仪都是船用计程仪。

船用计程仪是用来测量船舶运动速度和累计船舶航程的仪器，是现代船舶上重要的航海仪器之一。

它不但为推算船位提供精确的航速数据，还将航速信息输入到ARPA、电子地图、综合导航仪等航海仪器，提高了船舶自动化。

计程仪不但能够测量船舶前过后退的速度，还能够测量船舶横向运动速度，非常有利于大型船舶的操纵。

船用计程仪按其测量参照物不同分为相对计程仪和绝对计程仪两种。

相对计程仪的测量参照物为水，称为对水跟踪。

测量的航速、航程均为相对水的速度和相对水的累计航程。

其特点是计风不计流，即风对航速、航程的影响可以从计程仪上反映出来，而水流对航速、航程的影响则不能在计程仪上反映出来。

。

因此，船舶在有水流的海区航行时，相对计程仪测量的航速、航程与实际航速、航程有一定的误差。

绝对计程仪可以选择海底为测量参照物，称为对海底跟踪，测量的航速和累计的航程就是相对海底的航速与航程，也称为绝对航速和绝对航程。

测量特点为计风计流，即风和流对航速、航程的影响在计程仪上都能反映出来。

绝对计程仪使用时当航行水深较浅时测量参考点为海底，而当航行水深很深时，计程仪发射的能量不能到达海底，测量参考点只能选择为水层，称为对水层跟踪，测量相对水层的航速和航程，测量精度受水流的影响。

十九世纪船上使用的主要是拖曳式计程仪和转轮式计程仪，现已被淘汰。

二十世纪船上使用的计程仪有世纪初研制的水压计程仪；50年代研制的电磁计程仪；70年代研制的多普勒计程仪和声相关计程仪。

水压计程仪和电磁计程仪是相对计程仪，只能测量相对水的航速、航程。

水压计程仪因其缺点较多，现在船上已很少使用。

多普勒计程仪和声相关计程仪是绝对计程仪，当对海底跟踪时测量绝对航速和航程，当对水层跟踪时测量相对航速和航程。

下面以电磁计程仪、多普勒计程仪和声相关计程仪作为代表，对相对计程和绝对计程的原理作详细介绍。

（1）电磁计程仪测速、计程原理

电磁计程仪的测速器件称为传感器（如图1所示）。

图1电磁计程仪的传感器工作原理图

传感器安装在船底，它由倒“山”字型铁芯、激磁绕组、信号电极等组成。

两个信号电极由非磁性材料的填料分别密封和固定在倒“山”字型铁芯的两个间隙位置。

绕在铁芯上的激磁绕组，接通电源后产生的交变磁场通过铁芯和船底的水层构成磁路。

当船舶停止不动时，船底下的水对船体相对静止不动（假设没有水流流动），传感器下面的水层不切割传感器磁场的磁力线，两个电极无感应电势产生，航速指示为零。

当船舶以速度V前进或后退时，若把船看作静止不动，则船底的水层以与船舶相同的速度V反向流过船底传感器下面，水层切割传感器磁场的磁力线，两个电极有感应电势产生，由电磁感应定律可知传感器电极的感应电势Eg由下式决定：

式中BM为传感器的磁感应强度；L为传感器两个电极的水平距离；V为传感器下水的流速（航速）。

上式可改写为以下形式：

其中令

，则

，此式称为电磁计程仪的测速原理公式，K为常数，航速V与感应电动势EgM成正比。

将传感器产生的感应电动势EgM送到显示器，经放大处理后可变为航速显示。

船舶的航程是航速对时间的积累，设置航速积分器，测量航程并显示。

电磁计程仪的测速、计程原理框图如图2所示：

图2电磁计程仪的测速、计程原理框图

一台电磁计程仪由传感器、放大器（amplifier）和显示器（displayunit）组成。

1）传感器

传感器是电磁计程仪的测速器件，分为平面型传感器和导杆型传感器两种。

现在多使用平面型传感器，它借助于专用设备安装在船底壳体上，保证船舶不进坞也能方便地更换，其结构如右图所示。

传感器的作用是将非电量的航速转换为与航速成正比的电信号，便于传输、放大和处理。

传感器是一种磁性器件，使用中要保证其磁场的正常和稳定，要求激磁电源稳定，避免传感器舱室高温和潮湿。

传感器要具有良好的水密，必要时应重新进行水密。

船舶进坞时，要认真检查传感器电极有无损伤并进行清洁。

船在热带海域停泊时间较长时，应给传感器通电，防止传感器表面孳生海生物，影响其正常工作。

传感器正常与否直接关系到测速精度，使用人员必须认真做好维护保养。

2）放大器

放大器是由电子器件组成的输入电路、放大电路、变换电路、分频电路、自校电路和电源电路的总称。

它的主要作用是放大传感器送来的航速信号，并将放大后的航速信号变为与航速成正比的直流电流，送到航速显示器。

同时，将与航速成正比的直流电压转换为脉冲频率信号，分别送到显示器和需要输入航速的ARPA、电子海图、综合导航仪等仪器，作为航速的自动输入。

放大器具有抑制由于传感器本身的缺陷而产生的干扰信号，提高了测速精度。

自校电路具有检测放大器本身功能的作用，必要时可以检测航速测量精度。

3）显示器

显示器包括航速显示和航程显示。

它将放大器送来的直流电流转换为航速以指示方式或数字方式显示。

它的脉冲计数器将放大器送来的脉冲频率信号按时间进行累计，以数字形式显示航程。

由于电磁计程仪是相对计程仪，只能测量相对航速和航程，当需要求真航速和航程时，需要按计程仪改正率进行修正。

（2）多普勒计程仪测速、计程原理

多普勒计程仪是一种利用多普勒效应测量船舶绝对速度和航程或对水层的速度和航程的计程仪。

现代船舶上大多使用此种计程仪。

多普勒计程仪的测速器件为超声波换能器，它安装在船底壳上，以水平俯角θ向海底或水层发射和接收超声波。

1、多普勒效应

奥地利物理学家C.J.doppler于1842年发现了多普勒效应，后被广泛应用于船舶速度测量、导航卫星定位、医疗检测、工业检测等。

所谓多普勒效应就是当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。

声音的传播也存在多普勒效应，当声源与接收体之间有相对运动时，接收体接收的声波频率fR与声源频率fT存在多普勒频移Δf，即

当接收体与声源相互靠近时，接收频率fR大于发射频率fT，即

当接收体与声源相互远离时，接收频率fR小于发射频率fT，即

若接收体与声源相互靠近或相互远离的速度为V，声速为C，则接收体接收声波的多普勒频移为

若接收体与声源相互靠近或相互远离的速度为V，声速为C，接收体将发射源的声波再反射到声源后被接收的多普勒频移应为

多普勒计程仪的测速原理如图3所示。

图3多普勒计程仪的测速原理示意图

在船底安装发射超声波和接收反射回波的换能器，是因为船舶的水平方向没有合适的声波反射体，因此，发射、接收换能器以θ角向海底或某一水层发射超声波和接收反射回波。

当船舶停止不动时，接收换能器接收的反射回波频率与发射换能器发射声波的频率相等，多普勒频移为零，航速为零。

当船舶以航速V航行时，航速V在超声波发射与接收方向的分量为Vcosθ，接收换能器接收反射回波的多普勒频移为

将上式整理即为

上式就是多普勒计程仪的测速原理公式，其中

在计程仪安装好以后为定值，只要测得回波的多普勒频移Δf，即可求得航速V。

设置航速积分器就可以求得航速对时间的积分值，即为航程。

多普勒计程仪由换能器、收发器和显示器组成。

1）换能器

换能器是声能与电能相互转换的器件，一般由压电陶瓷材料制成。

安装在船底靠近龙骨并与船首尾线相平行的船舶纵剖面内，距船首船尾留有一定的距离。

换能器的发射角（波束俯角）θ一般约为60°，使船舶沿水平方向移动时，反射回波产生多普勒频移。

换能器的作用是将收发器送来的电振荡信号转换为超声波信号发射，并接收被反射回来的超声波信号，转换为电信号送回收发器。

2）收发器

收发器包括发射系统、接收系统、计算电路、补偿电路、自校电路等单元。

其中发射系统的作用是产生具有一定频率、一定脉冲宽度和功率的电振荡信号，送给换能器。

接收系统、计算电路和补偿电路的作用是将换能器送来的回波信号经放大处理后，求得多普勒频移并变为航速信号送给显示器。

自校电路用于判断计程仪本身工作性能的好坏。

3）显示器

显示器的作用是将收发器送来的航速信号变为航速，并以数字方式或其它方式，在显示器和航速复示器显示。

同时显示器还将航速信号变换为海里/脉冲信号，一路经电子积分器累计航程并显示，另一路送给ARPA、电子海图、综合导航仪等仪器作为自动航速输入。

2、影响测速精度的因素

1）声速变化的影响

在多普勒计程仪的测速原理公式中，声速C是作为定值取为1500m/s，实际上超声波在水中的传播速度受海水温度、含盐度和静压力的影响而变化。

当实际声速不等于1500m/s时，测量的航速、航程存在误差。

若仪器无消除这种误差的措施，声速变化的影响将是影响测量精度的主要因素。

2）船舶上下颠簸的影响

图4船舶上下颠簸时的测速原理示意图

如图4所示。

设船舶上下颠簸的速度为U，当U朝上时，单波束发射与接收回波信号的多普勒频移为

显然，多普勒频移Δf是由航速V的分量Vcosθ和上下颠簸的速度U的分量Usinθ共同产生的，而不是单独由航速V产生的。

因此，通过测量多普勒频移Δf所求的航速V存在误差，这一误差较大，几乎使测量的航速V没有实际价值。

也就是说船舶不能利用这种单波束多普勒计程仪测速，船舶使用的都是双波束多普勒计程仪。

所谓双波束多普勒计程仪就是在船底安装以相同的θ分别向船首、船尾和向左舷、右舷发射和接收超声波，所测的多普勒频移Δf中消除了船舶上下颠簸速度U的影响，测得了较精确的航速。

其原理如下：

向船首方向发射与接收产生的多普勒频移为

向船尾方向发射与接收产生的多普勒频移为

双波束多普勒计程仪的测速原理公式为

式中

为常数，只要测得Δf就可以求得船舶航速V，与上述单波束多普勒计程仪测速原理完全相同，而双波束多普勒计程仪不但能有效地消除船舶上下颠簸对测速的影响，还较好的消除了船舶纵摇对测速的影响和单波束计程仪的非线性测速误差。

3、多普勒计程仪的分类

多普勒计程仪按其测量船舶不同航速可分为如下几种类型：

1）一元多普勒计程仪

一元多普勒计程仪，即单轴多普勒计程仪，简称为多普计程仪。

它在船底安装有两个换能器，分别向船首方向和船尾方向发射和接收超声波，即采用双波束发射与接收，只能测量船舶前进和后退速度。

2）二元多普勒计程仪

二元多普勒计程仪，即双轴多普勒计程仪，又称为多普勒导航仪，它在船底靠近船首位置（船长处）安装有四个换能器，分别向船首、船尾和向左舷、右舷发射和接收超声波，即采用四波束发射与接收，能够测量船舶前进、后退速度和船首左右方向移动速度。

3）三元多普勒计程仪

三元多普勒计程仪，即三轴多普勒计程仪，又称为多普勒进港系统及速度计程仪。

它除了在船底靠近船首位置安装有四个换能器，分别向船首、船尾方向和向左舷、右舷方向发射和接收超声波，即采用四波束发射与接收外，还在靠近船尾位置安装二个换能器，分别向左舷、右舷方向发射和接收超声波，即采用六波束发射与接收。

除了能够测量船舶前进、后退速度和船首左右移动速度外，还测量船尾左右方向移动的速度。

（3）声相关计程仪测速、计程原理

声相关计程仪是二十世纪70年代研制使用的一种绝对计程仪。

它是利用对水声信息的相关技术处理来测量船舶航速和累计船舶航程。

它的主要特点是通过发射和接收超声波，不但能够测量船舶速度、航程，还可以测量水深。

而且，测速精度不受超声波在水中传播速度变化的影响，测量精度高。

一台声相关计程仪主要由换能器（发射换能器和接收换能器）、电子柜和显示器组成。

发射换能器安装在船底中部，由电子柜中发射系统产生的电信号推动，以较大的波束宽度向垂直方向和船首、船尾（双轴声相关计程仪还向左右舷方向发射）方向发射超声波。

安装在船底靠近船首的接收换能器和靠近船尾的接收换能器分别接收反射回波信号并送到电子柜。

电子柜内包括电源系统、发射系统、放大器和相关处理器等。

电源系统将船上电源转换为计程仪所需要的电源；发射系统产生具有较大功率的电信号推动发射换能器工作；放大器分别放大来自两个接收换能器的回波信号；相关处理器对经放大后的两路回波信号进行延时、乘法、积分等相关运算处理，解算出航速信息、航程信息和水深信息，送给显示器。

而航速信息还送给ARPA等其他航海仪器，作为其自动航速输入。

显示器将电子柜解算出的航速信息、航程信息和水深信息转换为航速、航程和水深，并以数字方式显示。

声相关计程仪的测速原理如图5所示。

图5声相关计程仪的测速原理示意图

若船首船尾部分的接收换能器Bf和Ba之间的距离为S（称为换能器基线），则每一接收换能器距发射换能器Bt的水平距离均为S/2。

安装在船底的发射换能器Bt以较大波束宽度向水下连续发射超声波，当船舶以航速V航行时，位于船底船首部分的接收换能器Bf和Ba连续接收反射回波。

假设当接收时刻t=t1时，位于船首部分的接收换能器Bf接收到经发射换能器Bt发射的沿垂直方向传播到海底A点后被反射的回波信号f1（t）。

经过时间间隔t，接收时刻t=t2时，船舶航行了S/2距离，船尾部分的接收换能器Ba接收到了来自同一海底位置A反射的、传播路径与f1（t）完全相同的回波信号f2（t）。

由于接收信号f1（t）和f2（t）是同一海底位置A反射的、传播路径完全相同的两个回波信号，所含的水声信息也完全相同，因此称f1（t）和f2（t）是两个相关的信号。

f1（t）和f2（t）两个相关信号的不同，是接收时刻不同，两者的接收时间差即为接收时间间隔τ，称为相关延时。

若能求得接收时间间隔τ，已知船舶航行了S/2距离，船舶的航速应为：

上式称为声相关计程仪的测速原理公式，式中换能器的基线S为已知常数，只要求得相关延时τ就可求得航速V。

（4）三种计程仪的比较和误差分析

目前，船舶使用的三种计程仪即电磁计程仪、多普勒计程仪和声相关计程仪，虽然都是测量船舶航速、航程的仪器，但其测速原理各不相同；测速功能各不相同；测量精度也不相同。

电磁计程仪是一种相对计程仪，且为单轴计程仪，只能测量船舶相对水的纵向航速、航程，不利于大型船舶的操纵。

计程仪测量的航速、航程与船舶的实际航速、航程有较大的误差，其误差除了受水流影响外还受传感器的工作性能好坏、放大器线性良好程度和显示器的显示性能等有关。

应经常测定计程仪改正率，以便利用计程仪航速推算船位时，将计程仪显示的航速改正为船舶实际航速。

现代船舶上使用电磁计程仪的已较少。

多普勒计程仪与电磁计程仪相比较，具有测量精度高；门限速度小；能够测量船舶横向移动速度，并以m/s等精确的方式显示；能够测量船舶绝对速度，并提供给ARPA等其他航海仪器。

测量的航速、航程与船舶实际的航速、航程存在的误差，主要是由于超声波在水中的传播速度发生变化引起的，误差相对较小。

若仪器具有“水温补偿”功能和“盐分补偿”功能，则误差可忽略不计。

当水深较深超过其跟踪水深时，计程仪只能对水层跟踪，测量相对水层的航速、航程。

此时，计程仪测量的航速、航程与船舶实际的航速、航程不相等，由于受超声波在水中传播速度变化的影响和水流的影响，将有一定的误差，在利用计程仪航速推算船位时，应将计程仪显示的航速改正为实际航速。

声相关计程仪在三种计程仪中是功能比较齐全、比较先进的计程仪。

它与电磁计程仪比较具有测量精度高；能够测量绝对航速、航程；能够测量船舶横向移动速度等优点。

与多普勒计程仪比较，它除了具有与多普勒计程仪相同的优点外，在海底跟踪状态下还可以测量水深，即兼有测深仪的作用；从声相关计程仪的测速原理可知，其测速精度不受超声波在水中传播速度变化的影响，因此其测量精度一般比多普勒计程仪的测量精度高。

多普勒计程仪和声相关计程仪是现代船舶上使用最多的两种计程仪。

三、选配型号和报价

下面以中国船舶重工集团公司七O七研究所（江西九江）的计程仪产品为例进行选配。

1、SDP-2型多普勒计程仪

SDP-2型多普勒计程仪的主要功能是测量艇相对于海底的纵向、横向对地速度及相对海水的速度，同时，它还能实时的向航迹控制系统发送满足其战术技术要求的艇的航速信息。

该设备具有温度自动补偿功能，艇的姿态角补偿功能，但不具备海水盐度补偿功能。

设备默认值为海水，盐度值为35。

当艇在淡水中行驶时，计程仪测得船速将有一定误差，约小2.4%左右。

可重新装订盐度值为0，或直接对速度输出值进行修正。

主要技术指标

●测速范围：

纵向±40kn横向±10kn

●速度精度：

优于0.10kn（≤10kn）优于1﹪（＞10kn）

●发射频率：

330kHz

●发射波束与水平面夹角：

α=60°

●换能器的波束角：

θ￡5°

●发射功率：

<50W

●换能器耐水压：

0.1MPa（适用于水面舰艇）

●工作深度范围：

1~150米（超过150米深度自动转水层跟踪）

●电源：

AC220V，50Hz（1±5%）或直流24V

●提供各型标准接口及复示设备

安装要求

Ø换能器应避开易产生反射的凸出物；

Ø换能器应避开其它声纳设备，特别是那些工作频率（或谐波频率）在330KHz左右的设备；

Ø设备应安装在艇的1/3—2/3处的艏艉线上,设备艏艉线标志应与艇艏艉线应保持平行,其允许最大夹角为±1°；

Ø设备安装面与艇水平面应保持平行，其允许最大夹角±1°；

Ø电缆的插头座应做好防尘防水工作。

图6SDP-2型多普勒计程仪实物图

产品报价

型号

价格

2、XXX型声相关计程仪