一种水下探测设备的出水报警装置
阅读说明：本技术 一种水下探测设备的出水报警装置 (Water outlet alarm device of underwater detection equipment ) 是由 王志腾 陈力 孙琪 李玉峰 李诗然 于 2021-07-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种水下探测设备的出水报警装置,该装置包括：用于将水下探测设备在活动时的压力转换为电流信号的压力变送器、用于和水下探测设备双向通信,并采集压力变送器数据,根据水下探测设备运动规律,判断其运动状态的出水判断控制板、由出水判断控制板驱动发出出水报警信号的声光报警模块。当水下探测设备在完成探测任务或遭遇故障、险情时上浮水面后,本发明能够保证研究人员准确地发现水下探测设备并及时的将其打捞回收再利用,有效的避免了因打捞回收不及时造成水下探测设备的损坏、探测数据的遗失和泄露而带来的巨大经济损失。(The invention discloses a water outlet alarm device of underwater detection equipment, which comprises: the underwater detection device comprises a pressure transmitter for converting the pressure of the underwater detection device during movement into a current signal, a water outlet judgment control board for performing two-way communication with the underwater detection device, acquiring data of the pressure transmitter, judging the movement state of the underwater detection device according to the movement rule of the underwater detection device, and an audible and visual alarm module driven by the water outlet judgment control board to send a water outlet alarm signal. When the underwater detection equipment floats to the water surface when completing a detection task or encountering faults and dangerous cases, the invention can ensure that researchers can accurately find the underwater detection equipment and salvage and recycle the underwater detection equipment in time, thereby effectively avoiding huge economic loss caused by damage of the underwater detection equipment, loss and leakage of detection data due to untimely salvage and recycle.)
技术领域
本发明属于水下探测设备技术领域，具体涉及一种水下探测设备的出水报警装置。
背景技术
随着陆地资源的枯竭以及对海洋资源的认识不断加深，利用水下探测设备进行海洋探测已成为科学考察的一项重要手段。由于海上风浪、暗流等未知因素对水下探测设备安全的影响，在远离海岸的水下完成探测任务后，对水下探测设备进行安全回收再利用成为整个探测任务的关键一环。然而，目前水下探测设备只有在完成探测任务或者在设备出现故障紧急避险上浮后，才能对水下探测设备进行成功回收，这样不仅造成了水下探测设备在遇到故障时不能够快速地将其打捞上来，导致设备的损坏，而且也会因不能够及时获取水下探测数据，造成探测数据的遗失或泄密而带来的我巨大经济损失。
因此，研究一种可以在水下探测设备完成探测任务或出现故障时能够及时且快速的向研究人员发出报警出水信号的报警装置，帮助研究人员尽快打捞出水下探测设备，避免因打捞不及时造成的设备损坏或探测数据的遗失或泄密而带来的巨大经济损失，具有重大的积极意义。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种水下探测设备的出水报警装置。该出水报警装置可以在水下探测设备完成探测任务自主上浮或出现故障紧急避险浮出水面后，向水下探测设备的主控制器发出出水信号，然后由主控制器向母船发送水下探测设备发出水信息和GPS坐标信息，帮助研究人员快速地打捞设备。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种水下探测设备的出水报警装置，包括：压力变送器、出水判断控制板和声光报警模块；其中，所述压力变送器，用于将水下探测设备在活动时所受的压力转换为电流信号；所述出水判断控制板，用于和水下探测设备进行双向通信，并采集所述压力变送器的数据，根据水下探测设备的运动规律，判断出水下探测设备的运动状态；所述声光报警模块，通过所述出水判断控制板判断水下探测设备出水后，再由所述出水判断控制板驱动该声光报警模块发出出水报警信号。
进一步的，所述压力变送器采用两支输出电流信号均为4-20mA的绝压型压力传感器，通过两线制与所述出水判断控制板连接，所述压力变送器内设置有敏感元件，所述敏感元件安装位置与水下探测设备上浮的方向垂直。
进一步的，所述出水判断控制板包括电源单元、RS-422通信单元、数据采集单元、数据处理单元、继电器输出单元。
进一步的，所述电源单元，用于连接外部DC28V电源，在所述出水判断控制板内部经DC-DC模块隔离后为所述的压力变送器、声光报警模块和继电器输出单元的励磁线圈提供28V电源，经所述DC-DC模块隔离变压后为板载元器件分别提供3.3V和5V电源；所述RS-422通信单元，用于接收外部设备的控制指令或向外部设备发送出水信号和数据；所述数据采集单元，用于通过250Ω精密采样电阻将所述压力变送器电流输出信号转换为电压信号，由高精度24位A/D采集模块采样；所述数据处理单元，采用STM32F103VET6作为CPU，通过SPI总线读取所述数据采集单元A/D转换后的数据，运算出水判定算法；所述继电器输出单元，用于驱动所述声光报警模块发出报警信号。
进一步的，所述继电器输出单元的常开触点与所述声光报警模块两条信号线连接，当所述出水报警装置出水判定有效时触点闭合。
进一步的，所述出水判定算法主要包括以下三个部分：主程序、数据采集处理程序和出水判断程序。
进一步的，所述主程序用于完成出水判断控制板的初始化；所述数据采集处理程序采取30点递推平均滤波的处理方式，即将当前至过去30ms内实际采集到的压力数据的平均值作为当前时刻的采样值，即pi为实际采样值，A/D采样率设置为1kHz；所述出水判断程序根据所述数据采集处理程序采集到的压力采样值PK做出水判断，当连续30个压力采样值PK稳定在静水面压力P0附近，即所述压力采样值PK落在容差区间[P0-Psec,P0+Psec]内,Psec为容差偏移量，即可判定所述水下探测设备出水。
进一步的，所述出水判定算法的具体过程如下：
(1)所述主程序收到水下探测设备发送的上浮指令后，启动数据采集处理程序；
(2)所述数据采集处理程序在连续采集压力数据时，当采集过程中任一点的压力采样值PK与静水面压力P0满足PK≥(P0+ΔP)时，其中，ΔP为起判偏移量，所述出水判断程序便开始做出水判断；
(3)两路压力变送器中任意一路满足PMAX-PMIN≤2Psec，即所述步骤(2)中的压力采样值PK稳定在静水面压力附近则判断水下探测设备出水，其中，PMAX、PMIN分别为当前至过去30ms压力采样值的最大、最小值，Psec为容差偏移量，2Psec为容差偏移量的两倍；
(4)根据所述步骤(3)做出的出水判断，通过RS-422总线向水下探测设备发送出水数据帧，同时通过继电器驱动声光报警器发出出水报警信号。
进一步的，所述容差偏移量Psec为0.896kPa，所述压力容差区间为[P0-0.896kPa，P0+0.896kPa]。
进一步的，上述水下探测设备的出水报警装置的出水报警方法，包括以下步骤：
S1、水下探测设备在上浮时，首先通过RS-422总线向出水判断控制板发送开始上浮指令；
S2、所述出水判断控制板在接收到所述水下探测设备上浮信号后，启动数据采集处理程序；
S3、所述的出水判断控制板中的数据采集单元通过精密电阻R5、R15分别将两路压力变送器的电流信号转换为电压信号；
S4、采用运算放大器U4为转换后的电压信号做电压跟随器，提高电压信号输入阻抗，降低输出电阻，进行稳压处理；
S5、采用24位高精度A/D转换器U5对所述的两路运算放大器输出电压AIN0、AIN1进行采样；
S6、所述的出水判断控制板中的中央处理器U7通过SPI总线读取所述A/D转换器U5输出的两路数字量，通过出水判断程序判断所述水下探测设备是否上浮出水；
S7、若所述水下探测设备未出水则重复上述步骤S3-S6，若所述水下探测设备出水则通过RS-422总线向所述水下探测设备发送出水数据帧，并控制继电器驱动声光报警模块发出出水报警信号。
与现有技术相比，本发明具备的积极有益效果：
(1)本发明的出水报警装置由压力变送器、出水判断控制板和声光报警模块组成，该报警装置能够在水下探测设备完成探测任务或遭遇故障、险情利用自身正浮力上浮时，首先通过压力变送器将水下探测设备上浮时的压力信号转换成电流信号，通过出水判断控制板对压力数据进行采集，根据水下探测设备在运动时压力的变化规律来判断水下探测设备是否上浮出水，并通过RS-422总线向水下探测设备发送出水数据帧，同时控制继电器驱动声光报警模块向研究人员发出出水报警信号。当水下探测设备在完成探测任务或遭遇故障、险情上浮水面后，本发明能够保证研究人员准确地发现水下探测设备并及时的将其打捞回收再利用，有效的避免了因打捞回收不及时造成水下探测设备的损坏、探测数据的遗失和泄露而带来的巨大经济损失。
(2)本发明通过试验选取了30点递推平均滤波算法和压力容差区间[P0-0.896kPa，P0+0.896kPa]来保证本发明出水报警装置出水判定算法的准确性，从而有效解决了因滤波点数选取的过小或容差区间设置过小而造成本发明出水报警漏判的问题，或者因为滤波点数选取过大造成本发明出水报警延迟的问题，或者因容差区间设置过大造成本发明出水报警误判的问题。因此，本发明在一定程度上减少了上述问题带来的经济损失，而且本发明的出水报警装置简单，易操作，出水报警方法迅速、准确，具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明水下探测设备的出水报警装置的工作原理框图；
图2是本发明出水判断控制板的工作原理框图；
图3是本发明出水判定算法流程图；
图4是本发明中数据采集单元I/U转换电路图；
图5是本发明中高精度24位A/D采集模块电路图；
图6是本发明中出水判断控制板CPU工作电路图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
参阅附图1-6所示，一种水下探测设备的出水报警装置，包括：压力变送器、出水判断控制板和声光报警模块；其中：
为了保证压力数据的可靠性和出水判断的准确性，所述的压力变送器采用的是两支输出电流信号均为4-20mA的绝压型压力传感器，并且通过两线制与所述出水判断控制板连接，压力变送器内设置有敏感头，为了确保出水判断的准确性，压力变送器的敏感头要与静水面平行设置；所述的两支压力变送器，用于将水下探测设备在活动时所受的压力转换为电流信号。
所述出水判断控制板，用于和水下探测设备进行双向传输信号，并采集压力变送器传输的数据，根据水下探测设备的运动规律，判断出水下探测设备的运动状态；所述出水判断控制板包括电源单元、RS-422通信单元、数据采集单元、数据处理单元、继电器输出单元；其中，电源单元，用于连接外部DC28V电源，在所述DC28V电源内部经DC-DC模块隔离后为所述的压力变送器、声光报警模块以及继电器输出单元的励磁线圈提供28V的直流电源，经所述DC-DC模块隔离变压后还能够为电路板载元器件提供3.3V和5V的直流电源；RS-422通信单元，用于接收外部设备的控制指令或向外部设备发送出水信号和数据；数据采集单元，用于通过250Ω精密采样电阻将所述压力变送器电流输出信号转换为电压信号，再通过高精度24位A/D采集模块采样；数据处理单元，采用STM32F103VET6作为CPU，通过SPI总线读取数据采集单元A/D转换后的数据，运行出水判定算法；继电器输出单元，用于驱动所述声光报警模块发出出水报警信号，其常开触点与所述声光报警模块两条信号线连接，当所述出水报警装置出水判定有效时触点闭合。
所述声光报警模块用于水下探测设备出水后发出声、光报警信息。
出水判断控制板的出水判定算法主要包括如下三个部分：主程序、数据采集处理程序和出水判断程序。所述出水判断软件算法详细过程如图3所示：首先，通过主程序来完成出水判断控制板的系统时钟、串口以及A/D采样的初始化；为了消除随机误差的干扰，数据采集处理程序采取30点递推平均滤波的数据处理方式，即将当前至过去30ms采集到的压力数据的平均值作为当前时刻的采样值，即pi为实际采样值；最后，启动出水判断程序做出水判断。其具体过程如下：在接收到水下探测设备的上浮指令后开始启动数据采集处理程序，水下探测设备上浮过程中，压力变送器感受到的压力包括水下压力、上浮时的动压和静水面压力(水面大气压)三部分，在水下探测设备顶部接近水面附近时，动压下降速度变快，在压力变送器刺破水膜出水的瞬间，上浮时的动压和水下压力均消失，压力维持在静水面压力附近，利用上浮过程的这一特性即可判定水下探测设备出水。为避免发生水下误判，数据采集处理程序在连续采集压力数据时，只有采集过程中任一点的压力采样值PK与静水面压力P0满足PK≥(P0+ΔP)时，其中，ΔP为起判偏移量，所述出水判断程序才开始做出水判断，即在静水面以下一定的深度才开始判断水下探测设备是否出水，在实际采集过程中，受环境和传感器特性的影响，出水后压力值也不会稳定在一个绝对值，因此采用容差区间，当两支压力变送器中任意一支满足PMAX-PMIN≤2Psec，其中，PMAX、PMIN分别为当前至过去30ms压力采样值的最大、最小值，Psec为容差偏移量，2Psec为压力容差偏移量的两倍，即压力采样值PK稳定在静水面压力附近即可判定水下探测设备出水，通过RS-422总线向水下探测设备发送出水数据帧，同时通过继电器驱动声光报警器发出出水报警信号。
所述水下探测设备的出水报警装置的出水报警方法，具体过程为：S1、水下探测设备在上浮时，首先通过RS-422总线向出水判断控制板发送开始上浮命令帧；S2、出水判断控制板在接收到所述水下探测设备上浮指令后，启动数据采集处理程序；S3、数据采集单元通过精密电阻R5、R15分别将两支压力变送器的电流信号转换为电压信号；S4、采用运算放大器U4做两路电压信号的电压跟随器，提高电压信号的输入阻抗，降低输出电阻，进行稳压处理；S5、利用24位高精度A/D转换器U5对两路运算放大器输出电压AIN0、AIN1进行采样；S6、出水判断控制板中的中央处理器U7通过SPI总线读取所述A/D转换器U5输出的两路数据，通过出水判断程序判断水下探测设备是否上浮出水；S7、若所述水下探测设备未出水则重复上述步骤S3-S6，若所述水下探测设备出水则通过RS-422总线向所述水下探测设备发送出水数据帧，并控制继电器驱动声光报警模块发出出水报警信号。
实验模拟过程：实验系统由模拟实验平台、出水判断装置、牵引绳、配重块、水池、声光报警器和高速摄影机组成。利用牵引绳可将模拟实验平台拉至水池底部并固定，释放牵引绳后模拟实验平台利用正浮力上浮，改变配重块大小即可实现不同的出水速度，通过观察声光报警器和高速摄机像确定出水判断装置的判断时刻与实际出水时刻是否一致。通过实验验证发现：当水下探测设备的出水速度为8m/s，静水面压力为104.98Kpa，容差偏移量设置为0.896kPa，压力容差区间为[104.084kPa，105.876kPa]时，本发明出水报警装置判断的水下探测设备出水时间与水下探测设备实际出水时间一致，判断的精准且及时；当水下探测设备的出水速度为6.9m/s，静水面压力为104.98kPa，容差偏移量设置为0.896kPa，压力容差区间为[104.084kPa，105.876kPa]时，本发明出水报警装置判断的水下探测设备出水时间比水下探测设备实际出水时间延迟了20ms；当水下探测设备的出水速度为5.3m/s，静水面压力为104.98kPa，压力容差偏移量设置为0.896kPa，压力容差区间为[104.084kPa，105.876kPa]时，本发明出水报警装置出现了水下误判；当水下探测设备的出水速度为6.9m/s，静水面压力为104.98kPa，容差偏移量设置为0.5kPa，压力容差区间为[104.48kPa，105.48kPa]时，本发明出水报警装置出现了漏判。
由此可以看出，容差偏移量或压力容差区间设置过大，则会造成出水报警装置在水下误判；压力容差偏移量或压力容差区间设置过小，受噪声影响则出水报警装置不能有效判断水下探测设备出水，出现漏判。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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