SZC15-4型多參數(shù)剖面儀設(shè)計(jì).docx

1、海洋技術(shù)學(xué)報(bào)JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYSZC15-4型多參數(shù)剖面儀設(shè)計(jì)程敏，車(chē)亞辰，高坤，鄒強(qiáng)，李紅志(國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津300112)摘要：CTD是測(cè)量海水溫度、電導(dǎo)率和壓力的儀器，在海洋科學(xué)考察、海洋資源調(diào)查開(kāi)發(fā)、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和海洋軍事研究中應(yīng)用廣泛qSZC15-4型多參數(shù)CTD是國(guó)產(chǎn)SZC15系列CTD最新型號(hào)，用于測(cè)量海水的溫度、電導(dǎo)率、深度和葉綠素濃度，適用于近岸海洋調(diào)查。文中介紹了SZC15-4型多參教CTD剖面儀的性能、工作原理、系統(tǒng)組成和工作流程。并通過(guò)海上試臉，與SBE19CTD在相同環(huán)境條件、相同采樣速率下作比測(cè)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做相關(guān)運(yùn)算得出S

2、ZC15-4型CTD與SBE19在溫度、鹽度相關(guān)性?xún)?yōu)于0.9999,表明兩種儀器具有很高的相關(guān)特性。關(guān)鍵詞:CTD；多參數(shù)；海上比測(cè)；相關(guān)系數(shù)中圖分類(lèi)號(hào)：P716文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1003-2029(2015)05-(X)62-04收稿日期：2015-02-18基金項(xiàng)目：天津市科技興海資助項(xiàng)H(KJXH2O14-I4)；海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)資助項(xiàng)0(201005035)作者簡(jiǎn)介:程敏(1985-).男.碩士.程師.主要研究方向?yàn)楹Ｑ鬁y(cè)量傳感器；E-niail:ehm269海水的溫鹽深是研究物理海洋學(xué)的基礎(chǔ)。CTD測(cè)址儀是一種能夠測(cè)星海水的電導(dǎo)率(C).溫度(7)和壓力(。)的海洋儀器.

3、在大洋調(diào)查中起到重要的作用。“九五”863計(jì)劃818-02主題CTD專(zhuān)題使我國(guó)CT1)測(cè)量技術(shù)有了一個(gè)迅速的發(fā)展.無(wú)論從高精度CT1)剖面儀研制上，還是CTO檢定設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的建立方面，都趕上或達(dá)到了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的水平。SZC15-4型多參數(shù)剖面儀是國(guó)家海洋技術(shù)中心SZC15型剖面儀系列產(chǎn)品之一。該儀器可以測(cè)抵海水表面到6(X)m水深的海水溫度、電導(dǎo)率、壓力和葉綠素的剖面參數(shù)。在近海海洋調(diào)查，近海海洋資源開(kāi)發(fā)和軍事海洋等領(lǐng)域均有應(yīng)用。1總體設(shè)計(jì)SZC15-4型多參數(shù)剖面儀是在國(guó)家“十五”863計(jì)劃“高精度CTD剖面儀成果標(biāo)準(zhǔn)化”項(xiàng)目的技術(shù)基礎(chǔ)上，增加葉綠素測(cè)成功能，并重新設(shè)計(jì)外形。儀器主要由水上機(jī)

4、和水下機(jī)組成，水上機(jī)主要指安裝用戶(hù)軟件的計(jì)算機(jī)(臺(tái)式機(jī)或者筆記本電腦)，水下機(jī)指安裝在保護(hù)架內(nèi)的CTD主機(jī)。CTD主機(jī)由溫度傳感器、電導(dǎo)率傳感器、壓力傳感器、葉綠素傳感器、信號(hào)調(diào)理采集模塊、主機(jī)控制模塊、電源管理模塊、電池組、耐壓殼體及耐壓水密接插件組成如圖1所示。圖1總體實(shí)物圖工作時(shí)用短路開(kāi)關(guān)接通電源，主機(jī)控制模塊按照事先設(shè)定的工作模式開(kāi)始測(cè)址，并將數(shù)據(jù)保存記錄。當(dāng)CTD完成一個(gè)站位的測(cè)量后，W通過(guò)用戶(hù)軟件【可放存儲(chǔ)器中保存的測(cè)量數(shù)據(jù)。CTD采用9節(jié)干電池供電,新?lián)Q電池可連續(xù)工作10h以上。電池組電片過(guò)低時(shí)用戶(hù)軟件會(huì)自動(dòng)提示，及時(shí)更換電池“儀器采用塑料的殼體和金屬鈦的端蓋，既能滿(mǎn)足耐壓要求，

5、同時(shí)還能有效的防止海水腐蝕。CTD主機(jī)安裝在不銹鋼保護(hù)架內(nèi)且保護(hù)架與鈦材端蓋電氣隔離。保護(hù)架還有一個(gè)用于連接卸扣和絞車(chē)的支架提手。儀器整機(jī)具有可靠，易用，輕便靈活的特點(diǎn)。整機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。表1儀器主要技術(shù)指標(biāo)工作水深0-600m測(cè)量參數(shù)測(cè)量范圍準(zhǔn)確度響應(yīng)時(shí)間溫度2+35C0.01r0.07s電導(dǎo)率065mS/cm0.01mS/cm0.07s壓力06MPa0.1%F-S0.03s葉綠素0】25岫，1%F-S0.1s采樣頻率1Hz,2Hz,4Hz.6Hz（可選）測(cè)量參數(shù)海水電導(dǎo)率、溫度、壓力和葉綠素計(jì)算參數(shù)水深、鹽度、海水密度和聲速供電方式供電方式存儲(chǔ)芯片容底9節(jié)干電池組成的電池組，新?lián)Q電池

6、可連續(xù)工作10h2G存儲(chǔ)芯片,1Hz采樣率時(shí)可連續(xù)存儲(chǔ)32h數(shù)據(jù)儀器外殼材料朔料和鈦儀器重量17kg（空氣中）儀器尺寸24mmx28mmxl10mm2儀器工作原理及采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)仕-hi|9t2I一公號(hào)采集Ig也一中口擴(kuò)集模塊溫度傳感器使用快速響應(yīng)的熱敏電阻測(cè)量海水的溫度變化;電導(dǎo)率傳感器采用粕電極的三電極電導(dǎo)池來(lái)測(cè)量海水的電導(dǎo)率變化;壓力傳感器采用響應(yīng)時(shí)間快的硅阻式壓力傳感器、葉綠素傳感器采用熒光法測(cè)量海水的葉綠素濃度。信號(hào)采集模塊完成對(duì)傳感器頻率信號(hào)、電壓信號(hào)及數(shù)字信號(hào)的采集，并由主控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，存入內(nèi)置大容量TF卡中。用戶(hù)程序通過(guò)RS232通訊接口放數(shù)據(jù).并作相應(yīng)的海洋學(xué)處理。系統(tǒng)框

7、圖如圖2所示。溫、鹽、深測(cè)量功能在國(guó)家“I五”863計(jì)劃“高精度CTD剖面儀成果標(biāo)準(zhǔn)化”的現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上,將這部分測(cè)量功能獨(dú)立出來(lái)，形成一個(gè)單獨(dú)的CTD測(cè)量模塊。葉綠素傳感器由于國(guó)家海洋技術(shù)中心缺乏相應(yīng)的試驗(yàn)環(huán)境，而且國(guó)外產(chǎn)品已較成熟，所以采購(gòu)WETLAB公司生產(chǎn)的葉綠素儀，直接輸出葉綠素濃度值.通過(guò)申口發(fā)送到串口擴(kuò)展模塊。由于剖面儀是電池組提供電源，需考慮低功耗設(shè)計(jì)，所以主控模塊的MCU選用德州儀器公司生產(chǎn)的低功耗單片機(jī)MSP430F149。但是該單片機(jī)僅有兩個(gè)串口,在剖面儀外掛多種傳感器的情況下，串口資源過(guò)于緊張。在兼顧功耗與功能的前提下，設(shè)計(jì)串口擴(kuò)展模塊。遵循RS232通信標(biāo)準(zhǔn)的第三方儀

8、器均可以通過(guò)申曰擴(kuò)展模塊接入主控核心。剖面測(cè)量時(shí)主控模塊同時(shí)采集溫鹽深和葉綠素的數(shù)據(jù)，存入內(nèi)置TF卡中。測(cè)量結(jié)束后通過(guò)申口同放所有數(shù)據(jù)。儀器每一次開(kāi)始剖面測(cè)量工作時(shí)，都會(huì)重新上電，因此MSP430主控模塊背先進(jìn)行自檢，自檢內(nèi)容包括:儀器上所連接的傳感器類(lèi)型及其是否正常上電工作，潛水系是否正常工作，電池容雖檢測(cè),TF卡剩余存儲(chǔ)空間檢測(cè)等。自檢完畢且儀器各模塊功能均正常工作時(shí)，主控模塊開(kāi)始按用戶(hù)預(yù)先設(shè)定的匚作模式初始化系統(tǒng)。初始化完成后儀器內(nèi)置的蜂鳴器開(kāi)始間歇鳴響，持續(xù)1min,提示用戶(hù)自檢及初始化成功完成,可入水進(jìn)行剖面測(cè)量，圖2系統(tǒng)框圖圖3軟件流程圖系統(tǒng)以設(shè)定的采樣間隔依次采集AD77143個(gè)

9、通道的電壓值，電導(dǎo)率傳感器的頻率值和葉綠素傳感器的數(shù)字量。并按照78國(guó)際鹽標(biāo)公式，用電導(dǎo)率、溫度和壓力計(jì)算出鹽度。當(dāng)Is定時(shí)間隔到時(shí)，將這Is內(nèi)測(cè)破得到的數(shù)據(jù)及計(jì)算得到數(shù)據(jù)加上時(shí)間信息，打包成一個(gè)數(shù)據(jù)包，存入TF卡中。系統(tǒng)的軟件流程如圖3所示。3水上終端剖面儀所記錄的數(shù)據(jù)是原始測(cè)量數(shù)據(jù)，而在海上做剖面試驗(yàn)時(shí)由于波浪、海流、船體晃動(dòng)等環(huán)境因素的影響.測(cè)量數(shù)據(jù)中有部分是受干擾而產(chǎn)生的無(wú)效數(shù)據(jù)，所以需要通過(guò)水上機(jī)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。水上終端應(yīng)用程序在完成原始數(shù)據(jù)后處理的同時(shí)，還能根據(jù)溫度、電導(dǎo)率、深度數(shù)據(jù)計(jì)算出鹽度、密度、聲速等參數(shù).并將溫度、電導(dǎo)率、鹽度和葉綠素4個(gè)參數(shù)隨深度的變化繪制成曲線(xiàn)，方

10、便用戶(hù)更直觀地了解溫度、電導(dǎo)率、鹽度、葉綠素的剖面分布。4海上試驗(yàn)4.1實(shí)驗(yàn)背景為驗(yàn)證儀器性能，在2014年4月SZC15-4型多參數(shù)剖面儀搭乘科學(xué)3號(hào)考察船進(jìn)行海上比測(cè)實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)海區(qū)，進(jìn)行了一個(gè)站位共兩次下放300m的剖面測(cè)量。選用SBE19作為比測(cè)儀器，將SZC15-4剖面儀與SBE19同高度并排捆綁在一起，讓溫、鹽、深傳感器處于同一個(gè)水平面并盡量靠近。工作模式上兩臺(tái)儀器均設(shè)置為自容4Hz采樣，保證觀測(cè)時(shí)間同步。海上實(shí)驗(yàn)如圖4所示，左起為SZC15-4多參數(shù)剖面儀，中間是SBE19，右起是國(guó)家海洋技術(shù)中心研制的SZC15-2型CTD剖面儀。4.2海上比測(cè)曲線(xiàn)海上試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)的處理方法是根

11、據(jù)儀器自身傳感器時(shí)間常數(shù)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)，借鑒國(guó)外相關(guān)儀器的數(shù)據(jù)處理方法，利用MATLAB作為分析工具，對(duì)原始數(shù)據(jù)采用剔除粗大誤差、時(shí)間常數(shù)更匹配、數(shù)據(jù)平滑、去除逆壓等步驟。最終得到比測(cè)曲線(xiàn)如圖5所示。圖5溫度、電導(dǎo)率和鹽度比測(cè)曲線(xiàn)相關(guān)關(guān)系是-種非確定的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)能夠研究變量之間線(xiàn)性相關(guān)程度的量，因此可以用相關(guān)系數(shù)來(lái)表征兩臺(tái)比測(cè)儀器的性能一致性。經(jīng)計(jì)算比較分析，按壓力平均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中所有儀器溫度、電導(dǎo)率數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均優(yōu)于0.9999.說(shuō)明SZC15-4剖面儀與SBE19在溫度和電導(dǎo)率測(cè)量上有高度的一致性。衰2溫度、電導(dǎo)率、鹽度要素相關(guān)性分析統(tǒng)計(jì)版相關(guān)系數(shù)平均絕對(duì)誤差相關(guān)系數(shù)平均絕對(duì)誤差A(yù)

12、330.9999180.01220.9999570.011I圖6是葉綠素濃度、溫度、電導(dǎo)率、鹽度隨深度變化的剖面曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)葉綠素濃度值在水深40m附近開(kāi)始顯著增大,并且在45m附近出現(xiàn)極大值,而與此同時(shí)溫度（H與電導(dǎo)率值也出現(xiàn)快速躍變，直觀的表現(xiàn)為海水鹽度顯著增大，所以在水深40Y5m處存在個(gè)較強(qiáng)的溫鹽躍層，葉綠素濃度隨著儀器繼續(xù)下放，數(shù)值又開(kāi)始減小，而此時(shí)海水鹽度雖然還是呈增大趨勢(shì)，但溫度和電導(dǎo)率變化趨勢(shì)變緩。綜上,海水葉綠素濃度值僅在海水溫鹽變化最劇烈的水層出現(xiàn)極大值，說(shuō)明海水葉綠素濃度與溫鹽的變化劇烈程度有關(guān)。5結(jié)論本文介紹了SZC15-4型多參數(shù)剖面儀的性能、功能、參數(shù)、系統(tǒng)組成、工作

13、原理、海試結(jié)果,重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)組成和T作原理。通過(guò)分析該儀器的海上試驗(yàn)數(shù)據(jù),表明：(1)SZC15-4型多參數(shù)剖面儀和SBE19的溫度和電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性?xún)?yōu)于0.9999.說(shuō)明兩臺(tái)儀器性能一致。(2) 溫度和電導(dǎo)率曲線(xiàn)一致，但鹽度曲線(xiàn)略右偏差，說(shuō)明在計(jì)算鹽度時(shí)溫度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)匹配不夠,需要進(jìn)一步研究符合SZC15-4型多參數(shù)剖面儀特性的數(shù)據(jù)算法。(3) 葉綠素濃度測(cè)量值符合中國(guó)南海葉綠素濃度在夏初的經(jīng)驗(yàn)值，說(shuō)明儀器測(cè)得的葉綠素濃度濃度值是真實(shí)和有效的。該儀器作為SZC15系列CTD后續(xù)產(chǎn)品之一，可以滿(mǎn)足近海海洋調(diào)查門(mén)益發(fā)展的需要。相信今后可以更廣泛的應(yīng)用，并開(kāi)拓出更廣闊的市場(chǎng)。參考文獻(xiàn)張兆英

14、.海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)成果標(biāo)準(zhǔn)化工程定性設(shè)計(jì)報(bào)告【珥.天津:國(guó)家海洋技術(shù)中心.2004.1 張兆英.等.高精度CTD剖面儀應(yīng)用研究J.海洋技術(shù),2002,21(2):1-7.胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機(jī)M.北京:航空航天大學(xué)出版社,2001.(41田雨，等.SZC15-2型CTD數(shù)據(jù)采集技術(shù)研究J.海洋技術(shù).2008.27(1):14-18.DesignoftheSZC15-4Multi-ParameterProfilingInstrumentCHENGMin,CHEYa-chen,（；A0Kun,ZOUQiang,LIHong-zhiNationalOceanTechnology-C

15、enter,Tianjin300112,ChinaAbstract:CTDisakindofinstnjmentusedtomeasureseawatertemperature,conductivityandpressure,andiswidelyappliedinmarinescientificexploration,marineresourcesurveyandexploitation,marineenvironmentmonitoringandforecast,andmarinemilitaryresearch.TheSZC15-4multi-parameterCTDisthenewes

16、ttypeoftheSZC15seriesformeasuringtemperature,conductivity,depthandchlorophyllconcentration,suitedtooffshoremarinesurvey.Thispaperintroducesthefunction,operationalprinciple,systemcompositionandworkflow.Duringtheseatrial,theSZC15-4andSBE19CTDsaretestedandcomparedunderthesameenvironmentalconditionandsamplingrate.Throughthecorrel