蓄电池是一种以放电方式输出电能，以充电方式吸收、恢复电能的电源。由蓄电池组构成的低压直流电源，是船舶低压直流推进供电系统中的关键设备。对蓄电池的维护管理不当将直接影响蓄电池的使用效果和寿命，甚至直接损坏蓄电池，从而影响供电系统工作稳定性，严重情况下还会导致安全事故。通过在线测量蓄电池组的参数，可以及时了解蓄电池的工作状态、工作特性及蓄电池需要维护与否，因而蓄电池组的在线监测系统的研制势在必行。传统的蓄电池电解液的密度监测采用的是比重计测量法。由于比重计测量法难以实现自动化监测，因而改为采用超声波监测法。
超声波是指频率在20kHz到无线电高频段的声波。超声波测量技术与回声测量法相似，只是前者为超声波，而后者是普通声波。超声波测量法根据从目标返回的超声波的变化，可研究被测量目标的质地、距离，所以适合于用作电池电解液密度的监视，也可以监测电池液位的变化。由于现代对超声波理论、超声波应用技术以及超声波设备都已达到相当成熟的阶段。超声波用于电池的监测工作无需从头开始。
2测量原理
如图1所示，从不同研究人员的测量结果中不难看出，在某一温度下超声波速度与电解液密度之间存在一定的非线性关系，可以通过实验的方法描绘出不同温度下的非线性曲线，然后将这些非线性关系输入计算机，从而可以通过超声波速度求出对应的电解液密度值，从而达到测量电解液密度之目的[1]。
图1不同人员在不同温度下测得的超声波速度与电解液的函数关系
电解液密度与声速和温度之间存在一定的关系，可以用公式表示如下：
ρ=f(T,c)???????????????????????????????????? (1)
如果知道温度T和声速c就可以求出电解液密度ρ。其中温度T可由温度探头测出，而c=L/2t（其中L为超声波传输的距离，t为超声波传播时间），本设计中L是已知的为40cm，而t可以由计数器的定时器T2得出，可以满足公式(1)的要求，测量方案可行[2]。
3 测量方法
研究结果表明，在不同温度下测得的超声波速度与电解液密度之间的函数关系是比较稳定的值，从超声波与不同密度硫酸电解液密度之间有规律的变化，可以测量出硫酸的密度在1到1.3之间变化，如图2所示，并且可以进一步确定出电池的充放电状态。
采用超声波测量电池的电解液密度时，温度是一项非常重要的数据，它会直接影响测量结果的准确性。图2表明温度变化时电解液密度与温度的函数关系。当温度上升时，电解液密度下降，超声波的速度加快，所以超声波测量必须考虑温度的影响。如图3所示，在超声波探头中装有温度探头，以便弥补温度对准确度的影响，经过实验推算，温度超出
±0.1℃，声波传播时间相差±10ms，大多数情况下，测得的密度的准确率可以达到0.001。通过对超声波速度的补偿可以
图2 超声速度与硫酸介质密度之间在不同温度下的函数关系
消除温度的影响。如图3所示是用来测量超声波传播时间的温度补偿传感器，换能器发射出5Hz的正弦波，到达传感器后反射回来，超声波从发射到返回接收器所经过的行程约为40cm，温度探头被固定在超声波传感器上，这样可以使测量的温度尽量接近超声波的路线上的温度值。用实验的方法测出不同温度时对应的类似于图2所示的超声波速度和电解液密度之间关系的非线性曲线，把测量的结果输入计算机，测量时根据温度找到对应曲线，再从该曲线上由超声波速度值查出相应的电解液密度值，这样就实现了电解液密度的测量。
图3 带温度探头的超声波探头??? ? 图4? 超声波探头在电池中的位置
超声波探头安装在电池顶盖上的开孔中，装配工作比较简单，如图4所示。探头装在极板的旁边，与极板互不接触，探头采集到参数之后发送到上位计算机进行数据处理。
4 监测电路
CAN总线在数据通信方面具有突出的可靠性、实时性和灵活性。CAN为多主工作方式，网络上任何一个节点均可在任意时刻主动地向网络其它节点发送信息，而不分主从；通信距离最远可达10km（速率小于5Kbps），通信速率最高可达1Mbps（通信距离小于40m）；采用非破坏总线仲裁时间；通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据；采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保证了数据出错率极低；通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤；出现严重错误时具有自动关闭输出功能，使总线上其他节点不受影响；具有较高的性价比；更难能可贵的是CAN协议完全公开，可研发性强。基于以上优点决定将测量电路挂接到CAN总线上。
??? 由于所设计的监测电路要挂接到CAN总线上，实现与上位机之间的通信，所以笔者选用Philips公司的87C591单片机作为CPU芯片[3]。87C591是8位高性能的微控制器，具有片内CAN控制器，可以很方便地挂接到CAN总线上去，它是从MCS-51微控制器家族中派生出来的，采用强大的8051指令集并成功地包括了Philips半导体SJA100CAN控制器的PeliCAN功能。振荡器可停止和恢复而不会丢数据。改进的1：1内部时分频器在12MHz外部时钟速率时实现500ns指令周期。
监测电路硬件电路框图如图5所示，选用外接晶体G1及与之相匹配的30pF电容C1和C2可以使87C591发出10MHz的脉冲[4]，该脉冲经放大电路放大后一路作为T2的计数脉冲[5]；另一路由分频器二分频为5MHz，再经T1十分频成为500kHz，又由T0 800分频成为1600μs，将其作为发射周期脉冲（此时T2开始计时），该脉冲经VMOSFE功率放大后由电容C3耦合激励换能器G2，G2开始振荡产生振荡波，振荡波到达反射目标后返回，回波再次激励换能器，这样周而复始直到能量耗尽，G2经C4耦合后再经放大、整形，得到一串接收回波，用检测电路检测出所需的接收回波，作为T2的关闭信号。读出T2中的计数值，通过计算可以求出电解液的密度[3]。
图5超声波监测电路框图
87C591通过高速光电耦合器6N137进行光电隔离（起到保护作用），再经CAN总线收发器TJA1050可以挂接到CAN总线上，将收集到的信息传输给CAN总线，并经由CAN总线传输到上位机，上位机对信号进行采集处理，如果在上位机上用VC等开发软件设计出监测画面就可以很好的实现现场信息的集中监测，从而实现船舶低压直流供电系统蓄电池组监测的高度自动化，这在国内仍至国际上都是领先的。
5 结语
铅酸蓄电池监测电路可适用于船舶低压直流供电系统的工作环境，可以通过电解液密度的变化了解充放电状况和剩余电量的多少，保护电池，提高电池的使用寿命，传感器可以做得很小，直接放在电池内，测量的精度可达到0.01%；同时该电路还可以用来进行液位测量。
