徐寶強，劉建強，王曉杰，李鳳杰，袁國強，孟令冰，曹春梅

(1.開封黃河河務局,河南 開封 475004；2.鄭州大學，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著現代船舶技術的飛速發(fā)展，船舶設備和系統(tǒng)的結構越來越復雜，功能日臻完善，自動化程度不斷提高，不僅同一系統(tǒng)的各組成部分之間互相關聯(lián)，而且不同系統(tǒng)之間的聯(lián)系也日益緊密，因此對系統(tǒng)可靠性和安全性的要求也越來越高。 現代船舶應配備功能強大、技術先進的自動監(jiān)控系統(tǒng)，以確保船舶各系統(tǒng)有機協(xié)同、安全可靠地運行。 黃河防汛船船體安全預警系統(tǒng)就是其中一種。 船體安全預警系統(tǒng)作為船舶自動監(jiān)控系統(tǒng)的一個重要部分，其主要功能是：實時掌握船舶運行狀態(tài)和趨勢，人員在出現工作異常時聲光系統(tǒng)立即報警， 呼叫操作人員及時處理報警故障，以確保船舶航運的安全[1]。

1 船體預警系統(tǒng)的構成和布設

1.1 安全預警系統(tǒng)的構成

本系統(tǒng)通過相應的模塊將所有的傳感器信號予以處理[2]，然后再將處理后的結果傳回監(jiān)測主站，由監(jiān)測主站進行統(tǒng)一管理，從而實現全船高效率實時監(jiān)測報警[3]。本系統(tǒng)的數據采集部分由若干I/O 模塊、監(jiān)測計算機、底層傳感器以及RS-485 通信線路組成。

圖1 防汛船船體安全預警系統(tǒng)的構成Fig.1 Components of flood control ship body safety early warning system

如圖1 所示，底層傳感器與具有數字輸入輸出、模擬輸入輸出等功能的I/O 模塊相連接。 所有模塊再用RS-485 網絡連接起來，將其作為數據的發(fā)送、接收媒介。網內每個模塊需要設置一個地址號，通過通信接口實現與監(jiān)測計算機的通信，從而達到監(jiān)測的目的。

圖2 防汛船安全預警系統(tǒng)平面布置圖Fig.2 Flood control ship safety early warning system layout

1.2 安全預警系統(tǒng)的布設

如圖2 所示，在船體容易受到撞擊的部位裝上壓力傳感器， 并對不同部位傳感器分別進行統(tǒng)計、編號，傳感器類型為壓阻式壓力式。 傳感器安裝在船體鋼板內側，用以測量鋼板在外力作用下的應力變形。 在船體受到撞擊或碰撞后、鋼板瀕臨破壞前，由終端設備向船員發(fā)出報警信號， 并標明具體部位。 船員在收到信號后，便能迅速采取措施，保證船只安全。

2 傳感器的選擇及注意事項

2.1 傳感器的選擇

壓力傳感器是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器，它廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境，涉及水利水電、鐵路交通、生產自控等諸多行業(yè)。 力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器等。 但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。

壓阻式壓力傳感器的主要由電阻應變片元件組成。 電阻應變片是一種將被測件上的應變變化轉換成為一種電信號的敏感器件（電阻應變片的結構如圖3 所示）。 電阻應變片由基體材料、金屬應變絲（或應變箔）、絕緣保護片和引出線等部分組成。 金屬電阻應變片的工作原理是：吸附在基體材料上應變電阻隨機械形變而產生阻值變化的現象，俗稱為電阻應變效應。 當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，其電阻值也會發(fā)生改變。 假如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增大。 當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小、截面增加，電阻值則會減小。只要測出加在電阻上的變化（通常是測量電阻兩端的電壓），即可獲得應變金屬絲的應變情況。

圖3 電阻應變片的結構示意圖Fig.3 Structure of strain gauge

通常是將應變片通過特殊的黏和劑緊密地黏合在產生力學應變的基體上，當基體受力、發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產生形變，使應變片的阻值發(fā)生改變， 從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。這種應變片在受力時產生的阻值變化通常較小，一般這種應變片都組成應變電橋（如圖4[2]所示），并通過后續(xù)的儀表放大器進行放大，再傳輸給處理電路（通常是A/D 轉換和CPU）顯示或執(zhí)行機構。

圖4 圓形應變片及電橋模型Fig.4 Circle foil gauge and bridge model

在船只容易受到撞擊的部位，分別裝上壓力傳感器。 當一個或多個傳感器遭到碰撞時，壓力信號轉換成電信號，各路電的信號經電路放大器分別放大后，根據實際測驗結果和需要，調整比較器的閥值。當撞擊強度超過一定的壓力后，比較器有一正信號輸出。 該信號經過信號處理器處理后，可識別是來來自哪個部位的信號。 再經過電路放大器將信號放大，就可驅動喇叭進行報警，并由數碼管顯示撞擊部位的信號，進行編碼，即確定船只的撞擊部位。 電源的作用是為整個電路系統(tǒng)供電。

2.2 選用傳感器注意事項

(1)壓力傳感器的應用技術。 由于該傳感器裝在船只的底部，且撞擊時的壓力很大，因此，在選用器件時，既要考慮到安裝方便，更要注意傳感器的量程及使用條件(尤其要防水)。

(2)小信號電路放大器。 最好選用對數放大器，以便使電路不易飽和，對小信號又有足夠的放大量。因為是弱信號放大，因此更應注意電路的干擾問題。

(3)信號處理器。 信號處理器的作用是對各個比較器的輸入信號進行識別、編碼、確定發(fā)生故障的部位，從而進行報警。

(4)數字信號放大器。 其作用是進行功率放大，以驅動喇叭工作的數碼管顯示。

(5) 系統(tǒng)測量技術。 在各部件工作正常的情況下，系統(tǒng)聯(lián)試技術十分關鍵，電路的匹配，壓力傳感器閥值大小的確定等，都要按照實際測量數據確定，只有這樣，才能滿足實際工用需要。

根據以上原則，開封河務局水上搶險隊的防汛船選用AS10 系列硅壓阻式壓力傳感器。 該傳感器將擴散硅壓力敏感芯片封裝到不銹鋼外殼中，外加壓力從不銹鋼膜片通過硅油傳遞到敏感芯片上，敏感芯片不直接接觸被測介質，形成壓力測量的全固態(tài)結構，因此可以應用于各種惡劣的腐蝕性介質環(huán)境。

性能參數如下：

電橋電阻25℃:3KΩ～6KΩ；

供電電源:恒流最大4mA、恒壓最大10V；

使用溫度:-45℃～125℃；

補償范圍:-10℃～70℃；

振動：20g/（20～5000Hz）；

耐用性周期：＞100×106FS；

外殼和膜片:不銹鋼316L；

密封圈: 丁晴φ16×1.7mm、 氟化橡膠φ16×1.7mm；

注入油:硅油、橄欖油（衛(wèi)生型）；

精度：0.1、0.3、0.5 級可選；

零點：±2mV；

零點溫漂：0.02%FS/℃；

靈敏度溫漂：0.02%FS/℃。

3 應用效果

3.1 與傳統(tǒng)方法比較的優(yōu)點

黃河防汛船在抗洪搶險期間，主要依靠船長多年在黃河上行船的經驗判別河勢及船員手持探水桿判斷水深，來確保航行安全。 船體在航行中易受到撞擊而發(fā)生滲水或漏洞情況，但此種情況往往不易覺察，一般采取以下方法來確保安全：間隔一段時間檢查各艙是否有積水；在出現積水后及時用水泵抽排，并用水泥快速封堵。 但情況嚴重時將威脅船只的安全。 本文所講的安全預警系統(tǒng)是通過在船體不同部位安裝壓力傳感器，在船只控制臺按照控制終端設備， 能夠快速準確地監(jiān)測到船體破壞、變形的情況，及早采取應對措施，做到防患于未然，使船只安全性得到提高。

3.2 應用效果

開封河務局水上搶險隊目前有3 艘防汛船，均為1977 年投入使用，船只設計使用年限為15 年，現已超期服役19 年。 船只整體狀況較差，存在較大安全隱患，尤其船體鋼板嚴重銹蝕，最薄處僅為4mm，在執(zhí)行水上搶險、遷安救護、凌汛期間極易發(fā)生船體漏洞。 當船只在河道中航行時，常會遇到以下危險情況：樹樁等漂浮物的撞擊；凌汛期間浮冰的撞擊；在靠近丁壩搶險過程中，當壩體根石探測不明時，船體易撞擊到水下根石；因船體鋼板已嚴重銹蝕，當受到較大的撞擊力時會產生漏洞。 在黃河“2003.8”洪水蔡集搶險期間，船體碰撞出多個漏洞，給船只及人員安全帶來極大威脅。 黃河防汛船船體安全預警系統(tǒng)由開封河務局水上搶險隊研發(fā)，通過在船體容易撞擊的部位鋼板內側分別裝上壓力傳感器，用以測量鋼板在承受外力作用下的應力變形，在鋼板瀕臨破壞前，由終端設備向船員發(fā)出報警信號，并標明具體部位，船員在收到信號后便能迅速采取措施保證船只安全。 該系統(tǒng)在該搶險隊3 艘防汛船上安裝運用，在黃河2009-2010 年度防汛搶險中取得了良好的效果，為船只的安全運行提供了保障。

4 結論

黃河防汛船安全預警系統(tǒng)的投入運用，為水上搶險隊防汛船的運用提供了保障，能有效地減少船只及人員安全事故，使船只在今后黃河抗洪搶險中發(fā)揮更大作用，此項技術還需進一步在實踐中完善。

[1] 呂根群,陳勇. 試析安全預警在事故預防中的價值[J]. 石油工業(yè)技術監(jiān)督，2010（7）：59-60.

[2] 黃仕健.機艙監(jiān)測報警系統(tǒng)的開發(fā)設計與實現[D]. 南京理工大學,2008：5-8.

[3] 林其明，楊勝國.大型船舶機艙監(jiān)測報警通訊系統(tǒng)[J].中國修船.2007（12）：31-33.

[4] 李博,李念奎. 電阻應變式壓力傳感器的電測公式[J]. 東北工學院學報，1989（10）：489-495.