船用测深仪的安装和检修
黄剑
南通中远船务工程有限公司
摘要：文中介绍了船用回声式测深仪的工作原理、安装要求，并针对测深仪的安装检修中碰到的问题，结合多年对测深仪的安装、维护、修理的经验，进行总结归纳，以便今后工作的查询。
关键词：测深仪；回声式；换能器；型号；安装注意事项；常见故障；水深模拟器；
一、测深仪的概述
1. 测深仪在航海上的作用
测深仪（echo sounder ）是测量超声波信号自反射经水底反射至接受的时间间隔,用以确定水深的一种仪器.在航海上,测深仪的用途是:
(1) 船舶在情况不明的海域或狭窄水道航行时,测量水深以确保航行安全;
(2) 在能见度不良或导航仪器失效时,用测量水深来辨认航位;
(3) 对海域的水深进行精密测量,提供确保船舶安全航行的水深资料.
(4) 现代化多功能的船用测深仪还可实现水下勘测、鱼群探测跟踪等功能
因此,测深仪是一种重要的航海仪器.
2. 回声测深仪原理
回声测深仪是利用测量超声波自发射至被反射接收的时间间隔来确定水深的。
测量水深的原理如图6-1所示。在船底装有发射超声波的发射换能器A和接收超声波的接收换能器B，A与B之间的距离为S，S称为基线。发射换能器A以间歇方式向水下发射频率为20-200KHz的超声波脉冲，声波经海底发射后一部分能量被接收换能器B接收。从图6-1知，只要测出声波自发射至接收所经历的时间，就可由下列公式求出水深：
（6-1）
式中：H为水面至海底的深度；D为船舶吃水；h为测量水深；S为基线长度；C为声波在海水中的传播速度，标准声速为1500m/s；t为声波自发射至接收所经历的时间。
显然，只要测出时间t,即可求出水深H，若换能器是收发兼用换能器，即AB=S=0，取C=1500 m/s,
则测量深度h可表示为：
（6-2）
回声测深仪整机方框图及工作过程：
回声测深仪的整机方框图如图6-2所示。
显示器是整机的中枢，其作用是控制协调整机工作；测量声波往返时间并将其换算成水深加以显示。
发射系统将显示器的发射指令变为一定脉冲宽度、频率和输出功率的电振荡脉冲去推动发射换能器工作。
发射换能器将电振荡信号转变为机械振动信号，即将电能转换为声能，形成超声波信号向海底发射。
接收换能器的作用与发射换能器正好相反，它将从海底反射来的声波信号转变为电振荡信号，即将声能转换为电能。
接收系统的作用是：将来自接收换能器的回波信号加以适当地放大、选择和处理，变换为适合显示器所需要的回波脉冲信号。
电源设备通常为机器内部的电源或专用的变流机，目前大多数测深仪都可直接接船电工作。
回声测深仪的工作过程可以由工作时序图（图6-3）予以描述：
显示器内的发射触发器按一定时间间隔T（称为脉冲重复周期）产生触发脉冲，该脉冲触发发射系统产生一定宽度τ（称为脉冲宽度）和一定输出功率的电振荡发射脉冲。发射换能器将电振荡发射脉冲转变为频率为20～200KHz的超声波脉冲向海底发射。在发射同时，显示器将产生与发射脉冲同步的零点信号，表示计时开始。接收换能器将来自海底的声波反射信号转变为电振荡接收脉冲信号，经接收系统放大、处理后形成回波信号送至显示器。显示器累计回波信号和零点信号间的时间间隔，并按深度公式转换为深度予以显示。
3. 性能指标
（1） 测量范围:
A. 最大测量深度是测深仪可能测量到的最大深度。国际海事组织（IMO）建议，适用于远洋船舶的测深仪，其最大测量深度为400m；沿海船舶的测深仪的最大测量深度为100m～200m。
B. 最小测量深度是测深仪能测量出来的最小深度。适用于远洋船舶的测深仪的最小测量深度一般为1～2m，而浅水测深仪的最小测量深度可达0.2～0.3m
C. 因此对于远洋船舶来说通常换能器的测量范围在2～400m之间;
（2） 显示方式:
IMO规定记录式显示方式为测深仪必须具备的显示方式。数字式显示方式在现代测深仪中应用较多，常用的如发光二极管LED显示方式，以及兼具探鱼与水下勘测功能的阴极射线管（CRT）显示方式和液晶（LCD）显示方式。
（3） 测量精度：
测深仪的误差包括声速误差、时间电机转速误差、基线误差、零点误差等，将在以后章节详细介绍。测深仪的误差在浅水范围内允许误差为±1m，深水范围内允许误差为±5m或±5%。
（4） 工作环境：
在船舶横摇10°、纵摇5°的情况下，仪器能正常工作。
4. 水声换能器
回声测深仪的换能器（transducer）是实现电能与声能相互转换的器件。用于将电振荡能量转换为声能向水下发射超声波的换能器称为发射换能器，用于将海底反射回来的超声波声能转换为电振荡能量的换能器称为接收换能器。发射换能器和接收换能器可以收发分开，也可收发兼用。
1.换能器的分类
换能器按材料划分为两种，一是以镍或镍铁合金为材料的磁致伸缩换能器（magnetostrictive transducer）；另一种是以钛酸钡或锆钛酸铅等压电陶瓷为材料的电致伸缩换能器（electrostrictive transducer）。这两种换能器是基于磁致伸缩效应和电致伸缩效应来实现声能（机械能）和电能的相互转换的。
目前的磁致伸缩换能器一般都采用镍和镍铁合金材料制作，它们具有不易受海水腐蚀且加工容易等特点。实际使用时，必须对新的或长期不用的镍换能器事先给其绕组通以直流电，使其具有或恢复磁性，该措施称为充磁。充磁的目的，是为了获得较高的磁致伸缩效应。
由于锆钛酸铅材料来源丰富、成本低、性能优良、稳定性好，所以目前选用锆钛酸铅压电陶瓷材料制成的电致伸缩换能器极为普遍。
2.换能器的安装
换能器的安装要求有如下几点：
（1）换能器在船底的安装位置应使其周围杂声干扰最小。应尽量远离机舱、螺旋桨，也不能靠近船首的水流平滑处；同时应避开排水口、海底阀及其它有碍水流平顺的凸出物。换能器一般装于离船首1/2～1/3船长处。
（2）换能器的安装不能降低船体结构强度和水密性能。换能器安装于船底，无论是开启式或密封式安装，均需在船底开洞，因此应在开洞处采用法兰盘进行加固；同时，在安装换能器的舱室内，应增设便于安装和维护的水密舱，以保证船舶安全和防止渗漏。
（3）换能器的工作面应力求与水平面平行。
（4）换能器的工作面不得涂敷油漆。油漆对声能吸收很大，将使回波信号显著减弱，甚至测深仪不能工作。若发现换能器表面有油漆或其他油污，应彻底予以清除干净。
（5）换能器的引出电缆应使用屏蔽电缆；换能器的两根引出导线之间应有良好的绝缘，屏蔽层与钢管应良好接地。
5. 常见测深仪型号
（1） SKIPPER公司的ED161HE和 ED162型.GDS101
（2） JRC公司的JFE-570S
（3） FURUNO公司的FE700，F-851D。
（4） Ocean Data公司的IES-10
二、施工常见的问题
1． 换能器安装的工艺要求较高，安装不到位会直接影响使用和测量结果。
2． 如何对换能器进行清洁、保养。
3． 换能器好坏的判断较难。
4． 在换能器的好坏不确定时，主机单元如何判断。
5． 如何快速修理常见故障。
三、问题的解决
在实际的测深仪安装，检修过程中，发现故障现象、产生故障的原因有一定的相似之处，现将这些问题进行总结：
1. 换能器的安装与注意事项：
（1） 能器的安装要事先计划好，要考虑安装位置和换能器电缆的长度。
（2） 换能器安装位置的选择，主要应考虑使气泡影响最小，且船舶在最小吃水和最大摇摆时，换能器始终保持在水下部位。如果只安装一只换能器，建议安装在船前部；如果有两只，通常一前一后。为了避免产生气泡或涡流干扰，换能器不能安装在船尾过于靠近螺旋桨的地方、船底进出水管附近。换能器前4-5米内不能有突出物。应尽可能的平滑。尽可能靠近龙骨。换能器平面应与船底齐平，换能器平面与水平面的最大倾角不大于7°；远离其它水声换能器，若船舶同时装有测深仪等水声换能器时，应分别安装在龙骨两侧，间距不得小于1m，且越远越好。
（3） 换能器的工作表面应小心处置，不能涂上油漆等物。除换能器平面外，周围1m范围内的船底钢板和舱内焊缝等应涂刷防锈或防污涂料。
（4） 钢罩的焊接需按有关规范进行。使用低氢焊条，为了避免材料收缩而引起的变形，在进行下一焊点的焊接之前用锤子敲击前焊缝，在焊接期间允许钢罩冷却，决不能敲击最后一个焊接点。在换能器前5米和其他面3米的范围内，所有突出物都要磨平，尽可能的光滑。最后，在钢罩内外涂上防锈漆。
（5） 换能器在钢罩中安装。在安装时，应将约0．75米的换能器电缆线盘入钢罩中，然后用特制扳手将密封旋塞拧紧，最后再用6只螺钉将钢罩盖板紧固在钢罩上。
（6） 换能器安装完毕后应进行气密性试验。
2．换能器的清洁、保养：
换能器的清洁、保养工作一般在坞内进行。
（1） 检查换能器的工作表面，使用木片或砂纸清洁换能器表面的附着物。
（2） 清洁完毕，及时涂上牛油，防止油漆喷到换能器的工作表面。
（3） 在油漆结束后，船舶出坞前清洁换能器表面的牛油。
（4） 换能器钢罩可用砂纸砂干净后涂上防锈漆。
3．换能器的检查：
（1） 应在换能器的接线盒处对换能器进行直接测量。
（2） 换能器的测量应使用万用表电阻档的10K档进行测量，两芯线之间的阻值应无穷大，两芯线与地之间的阻值应无穷大。
（3） 不能使用摇表进行测量。
4．主机单元的判断：
对于多数型号的主机单元的判断一般可通过水深模拟器进行判断。水深模拟器可模拟测深仪、鱼探仪水深换能器的模拟水深，对于校验和维修各类测深仪非常有效。下面简单介绍一下模拟器的使用方法：
（1） 模拟器与测深仪的连接：随水深模拟器提供的三芯插头上焊有三根连接线，两根红色，一根黑色。使用时，将插头插入模拟器的插座中，然后将两红色线与测深仪的换能器端口连接，将另一根黑色线与测深仪的外壳连接。
（2） 频率的选择：按接入的测深仪的发射频率，选择水深模拟器上所对应的频率按键。
（3） 量程选择：水深模拟器有3M、20M、120M三种量程可选择。
（4） 功率选择：水深模拟器上的T.PWR按键为功率转换键。当该键处于按下状态时，绿灯闪亮，红灯熄灭，表示测试功率＜600W，若绿灯和红灯同时闪亮，表示此时的测试功率＞600W，当该键处于弹起状态时，绿灯和红灯同时闪亮，表示此时的测试功率＜600W。
（5） 定标线按键：水深模拟器上的MARK键为定标线按键，按下该键可在测深仪的记录纸打印出一条垂直标记线。手松开时，该按键不起作用。
5．常见故障的修理
根据长期修理工作中发现的问题和自己摸索的一些经验加以总结归纳如下：
（1） 记录皮带转动时，没有零线记录：
a． 零线调整不当。
b． 打印针、馈刷损害或接触不良。
c． 记录放大板故障。
（2） 有零线但没有回波信号
a． 换能器电缆没接。
b． 换能器损坏。
c． 收发控制板损坏。
（3） JRC的NJH-33数显复示器不显示
JFE-570S主机打印正常，但NJH-33不工作，将JFE-570S主机打开，将OUTPUT顺时针旋转，复示器显示正常。
（4） SKIPPER的IR201复示器数字闪烁，无法显示
a． 接线不正确，BOTTOME与XMITE必须短接，并接地。
b． 测深仪主机的增益调整不当。
c． IR201复示器损坏。
三、结束语
测深仪的修理在时间上有一定的要求，只有在船进坞的时候才能对换能器进行换新，因此前期的检查、判断必须非常准确，以便及时请购备件。所以只有不断的学习和总结归纳，才能不断提高维修此类工程的质量和效率。此文不足之处还望各位领导、老师指正，特表感谢。
参考文献：
⑴ JFE-570S操作手册
⑵ SKIPPER-ED161操作手册
⑶ 洪德本， 航海仪器， 大连海事大学出版社