剪切流探頭標(biāo)定方法研究

田 川，王 磊

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.華北電力大學(xué)，河北 保定071003）

剪切流探頭標(biāo)定方法研究

田 川1，王 磊2

（1.國(guó)家海洋技術(shù)中心，天津 300112；2.華北電力大學(xué)，河北 保定071003）

海洋湍流動(dòng)能耗散率的獲取主要是依靠精細(xì)結(jié)構(gòu)的流速剪切原始數(shù)據(jù)，而目前獲取數(shù)據(jù)的最為有效和可靠手段是使用專(zhuān)用的湍流測(cè)量?jī)x器。翼型剪切流探頭作為儀器最為重要的部分，其性能決定了獲得數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，為此，對(duì)其特性的研究具有重要的科學(xué)價(jià)值和工程意義。翼型剪切流探頭在標(biāo)定和實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，其數(shù)據(jù)獲取精度受很多因素的影響，為此，獲取準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，提高目前的翼型剪切流探頭測(cè)量水平，開(kāi)展探頭標(biāo)定精度分析，測(cè)量過(guò)程的誤差研究，對(duì)提高海洋微結(jié)構(gòu)研究具有重要意義。

動(dòng)能耗散率；翼型剪切流探頭；探頭標(biāo)定

湍流研究是海洋科學(xué)研究的重要領(lǐng)域，湍流對(duì)海水的動(dòng)量、熱量和質(zhì)量輸運(yùn)有重要貢獻(xiàn)，對(duì)海水運(yùn)動(dòng)速度、溫鹽特性及水中溶解態(tài)、顆粒態(tài)物質(zhì)的分布有顯著影響[1]。海洋湍流的研究對(duì)認(rèn)知海洋如何工作，并且對(duì)于完善海洋模型（模型用于研究海洋運(yùn)動(dòng)如何改變，海洋與大氣之間如何相互影響）都具有關(guān)鍵性的作用。目前海洋災(zāi)害和異常海洋現(xiàn)象均需要人們對(duì)海洋微結(jié)構(gòu)湍流進(jìn)行更準(zhǔn)確、細(xì)致和深刻的認(rèn)識(shí)。微結(jié)構(gòu)的湍流運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生大洋環(huán)流等海洋宏觀現(xiàn)象的原動(dòng)力，而海水精細(xì)結(jié)構(gòu)的剪切流速數(shù)據(jù)是研究海水湍流運(yùn)動(dòng)規(guī)律和獲取動(dòng)能耗散率ε的重要原始資料。湍流的動(dòng)能耗散率ε是研究湍流特性和宏觀效應(yīng)的重要參數(shù)，它的取值直接影響海洋學(xué)家對(duì)海洋微結(jié)構(gòu)性質(zhì)的認(rèn)知。

1980年，Osbern和Crawford提出用于海洋測(cè)量的剪切探頭的標(biāo)準(zhǔn)工作原理、標(biāo)定校準(zhǔn)原理和校準(zhǔn)方法[2]。1982年，Oakey第一次根據(jù)同時(shí)測(cè)量的溫度和剪切速度數(shù)據(jù)，給出湍流能量耗散率的計(jì)算方法，并根據(jù)當(dāng)時(shí)的測(cè)量傳感器、測(cè)量過(guò)程和方法，分析了誤差產(chǎn)生的原因，并定量分析了平均運(yùn)動(dòng)速度、探頭標(biāo)定誤差、電路采集誤差、電路頻率響應(yīng)誤差以及信號(hào)噪音等各種因素的影響[3]。1994年，Mudge和Lueck等人對(duì)翼型剪切流探頭等傳感器的數(shù)字信號(hào)特性和處理進(jìn)行了分析，并對(duì)由探頭產(chǎn)生的模擬信號(hào)后續(xù)處理方法進(jìn)行了研究[4]，提出誤差估算方法。1997年，Lueck等人把剪切探頭應(yīng)用到系泊潛標(biāo)上，并分析了探頭的絕緣阻抗和電路噪聲對(duì)測(cè)量精度的影響，同時(shí)提出了在不同流速下剪切探頭標(biāo)定誤差對(duì)整體測(cè)量的影響，不同波數(shù)下探頭的響應(yīng)情況對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響等，并給出了補(bǔ)償方法，達(dá)到了良好使用效果[5]。

1 翼型剪切流探頭工作原理

翼型剪切流探頭主要用于測(cè)量微結(jié)構(gòu)的剪切流，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括殼體、翼型探針、懸臂梁、壓電陶瓷片、連接桿以及導(dǎo)線(xiàn)六部分。殼體主要用于保護(hù)探頭內(nèi)部的懸臂梁、壓電陶瓷片等部分，同時(shí)可以保護(hù)懸臂梁與探針的連接部分，防止探針超出移動(dòng)范圍，造成探頭損壞。翼型探針位于探頭的最前端，直接感應(yīng)微結(jié)構(gòu)剪切流的作用，能夠通過(guò)水動(dòng)力作用，把剪切流u轉(zhuǎn)換成作用在翼型探針上的剪切力。懸臂梁通過(guò)類(lèi)似于杠桿的作用，把剪切力放大，以增強(qiáng)探頭的信號(hào)輸出。壓電陶瓷片用于把放大的剪切力，通過(guò)本身變形，產(chǎn)生電壓輸出，得到可用于后續(xù)分析的電信號(hào)。連接桿用于連接探頭與載體，導(dǎo)線(xiàn)用于輸出電壓信號(hào)。

圖1 翼型剪切流探頭結(jié)構(gòu)示意圖

探頭主要是應(yīng)用水動(dòng)翼理論進(jìn)行測(cè)量。在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)，水流穿過(guò)翼面形狀的探針，產(chǎn)生水動(dòng)力，而探頭對(duì)沿軸線(xiàn)的力分量不敏感，垂直軸線(xiàn)的力分量作用于探頭內(nèi)部壓電陶瓷而產(chǎn)生電荷。在一定范圍內(nèi)，電荷的大小與垂直探頭軸線(xiàn)的力分量成正比，進(jìn)而與垂直軸線(xiàn)的速度分量成正比，所以通過(guò)測(cè)定電量的大小，即可得到速度的垂直分量。

根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)的機(jī)翼理論，剪切流傳感器在下降運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，橫向流會(huì)在探針上產(chǎn)生升力。在探頭處分布的橫向力可以表示為：

式中：ρ是流體的密度；U是流速；A是探頭在軸線(xiàn)方向上的橫截面積；α為攻角。

在探頭上的這一升力會(huì)被懸臂梁直接傳遞給壓電陶瓷。懸臂梁在傳遞力的過(guò)程中實(shí)際上起到了杠桿的作用，它將探頭上的升力在壓電陶瓷端進(jìn)一步地放大。壓電陶瓷片外形為扁平狀的長(zhǎng)方體，正因?yàn)檫@種薄片結(jié)構(gòu)，使壓電陶瓷在它的平面法向方向上會(huì)很容易發(fā)生彎曲變形，而對(duì)來(lái)自其它方向的受力并不是很敏感。因此，當(dāng)湍流在探頭上所形成的切向力傳遞給壓電陶瓷片時(shí)，壓電陶瓷片才會(huì)產(chǎn)生彎曲，并且根據(jù)材料本身的屬性，會(huì)根據(jù)彎曲程度的大小在薄片上產(chǎn)生相應(yīng)的電荷。在壓電陶瓷片的末端連接兩根導(dǎo)線(xiàn)，導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)連接桿的空腔連接到剖面儀中的電荷轉(zhuǎn)換放大器上。壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)被連續(xù)地遷移到電荷轉(zhuǎn)換放大器上，通過(guò)在其上的一個(gè)反饋電容將產(chǎn)生的電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出給后面的放大器，以通過(guò)后續(xù)信號(hào)電路作進(jìn)一步的處理。由于水流的橫向速度是與剪切力成正比的，因此電壓信號(hào)與剪切力也是成正比的關(guān)系，剪切流傳感器的靈敏度S被定義為：

式中：Ecrms是壓電陶瓷產(chǎn)生的電荷經(jīng)過(guò)電荷轉(zhuǎn)移放大器輸出的均方根電壓，靈敏度S的單位為（Vms2）/kg。

2 剪切流傳感器校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 剪切流傳感器的校準(zhǔn)原理

圖2 剪切探頭的校準(zhǔn)原理圖

剪切探頭的校準(zhǔn)過(guò)程示意圖如圖2所示。由于壓電陶瓷固有的差動(dòng)屬性，所以在對(duì)剪切探頭校準(zhǔn)的過(guò)程中，剪切探頭要始終加載一個(gè)變化的剪切力。根據(jù)壓電陶瓷的阻抗高和在低頻條件下靈敏度高的特點(diǎn)，剪切力的頻率選擇1 Hz對(duì)于校準(zhǔn)最合適。為了達(dá)到這一目的，有效的手段就是將探頭在攻角α、水流速度為U的條件下沿著軸向以1 Hz的頻率旋轉(zhuǎn)。隨著探頭在水流中的旋轉(zhuǎn)，作用于探頭的側(cè)向力保持恒定而在壓電陶瓷上的受力則發(fā)生正弦變化。這樣在恒定的水流速度U下，就可以得到不同的攻角α下的均方根輸出電壓。

對(duì)于一個(gè)軸對(duì)稱(chēng)的翼形探針，在速度為U攻角為α的理想流中，由水流所產(chǎn)生的每單位長(zhǎng)度的剪切力可以表示為：

通過(guò)對(duì)上式的積分，可以得到整體剪切力為：

在剪切力作用下，傳感器會(huì)輸出相應(yīng)的電壓，輸出的電壓正比于探頭上的剪切力，因此剪切探頭的靈敏度S就可被定義為：

式中：Erms是剪切探頭輸出的均方根電壓，靈敏度S的單位為（Vms2）/kg。

因此，通過(guò)測(cè)量剪切探頭輸出的電壓，獲得試驗(yàn)水流的密度和試驗(yàn)水流的大小以及攻角，可以獲取傳感器的靈敏度。通過(guò)在不同的攻角下獲取相應(yīng)的輸出電壓，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的多項(xiàng)式擬合，可以獲得準(zhǔn)確的傳感器靈敏度數(shù)據(jù)。

2.2 剪切流傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校準(zhǔn)過(guò)程

圖3 校準(zhǔn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪切流傳感器的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如圖3所示。校準(zhǔn)設(shè)備的核心就是一個(gè)帶有垂直射流功能的校準(zhǔn)水槽。從上蓄水池中溢流出的水流通過(guò)減壓器后要保證垂直射入校準(zhǔn)水槽，因此在校準(zhǔn)之前要對(duì)水槽安裝面的水平度以及射流口的垂直度作好嚴(yán)格的調(diào)試，以保證探頭在校準(zhǔn)時(shí)旋轉(zhuǎn)角度的正確。剪切流傳感器的探針就被安裝在水流出口的中心，并且探頭的軸線(xiàn)方向與水流出口的方向保持α角度。探頭的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)被安裝在一個(gè)帶有齒條的弧形導(dǎo)軌上，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的蝸桿，便可使探頭軸線(xiàn)與射流方向的角度發(fā)生變化。在校準(zhǔn)時(shí)探頭可變的角度范圍為±10°，每次測(cè)量時(shí)的角度變化步長(zhǎng)為2°，每次的角度值通過(guò)安裝水槽面上的分度儀來(lái)測(cè)定。在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，探頭的連接桿被安裝在伺服電機(jī)的輸出軸上，伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的反饋控制，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確控制來(lái)保證探頭以1 Hz的頻率旋轉(zhuǎn)。由于上蓄水池的水面基本保持恒定，所以流入校準(zhǔn)水槽的水流速度也基本保持不變，水流速度可以通過(guò)蓄水池與水槽之間的流量控制閥來(lái)調(diào)節(jié)。一個(gè)差動(dòng)壓力傳感器用來(lái)探測(cè)水槽射水口內(nèi)與前端的壓力差，從而可以測(cè)定水流的速度。為了減下湍流的尺寸和強(qiáng)度，在減壓器前端設(shè)有一個(gè)湍流抑制包和一個(gè)大的水流空間。校準(zhǔn)水槽里的水在自然重力作用下溢流進(jìn)入下蓄水池，然后在水泵的作用下將水再重新抽入上蓄水池。壓電陶瓷的輸出電壓通過(guò)前置放大器和1 Hz的帶通濾波器后，由伏特計(jì)來(lái)測(cè)量最終信號(hào)的均方根電壓。1 Hz的帶通濾波器主要是用來(lái)消除由于校準(zhǔn)時(shí)的機(jī)械振動(dòng)和電源波動(dòng)所造成的噪聲干擾。

3 結(jié)論

剪切探頭靈敏度的準(zhǔn)確性對(duì)以后探頭設(shè)計(jì)、信號(hào)采集都起著至關(guān)重要的作用。但是通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)標(biāo)定系統(tǒng)還存在一些問(wèn)題，例如平臺(tái)的機(jī)械震動(dòng)、分度機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等。本課題將繼續(xù)對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，并對(duì)探頭的采集部分進(jìn)行詳細(xì)研究。

[1]SAThorpe.The Turbulent Ocean[M].Cambridge UniversityPress,2005.

[2]T R Osbern，W R Crawford.Air-sea inter faction instruments and methods-An airfoil probe for measuring turbulent velocity fluctuations in water[M].PlenumPress,1980.

[3]N S Oakey.Determination of the Rate of Dissipation of Turbulent Energy from Simultaneous Temperature and Velocity Shear Microstructure Measurements[J].Journal ofPhysical Oceanography,1982,12：256-271.

[4]Mudge T,R GLueck.Digital signal processingtoenhance oceanographic observations[J].J Atmos Oceanic Technol,1994,11：825-836.

[5]R Lueck,DHuang,DNewman，et al.Turbulence measurement with a moored instrument[J].Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology,1997,14：143-161.

Study on Calibration Method for Shear Probe

TIAN Chuan1,WANG Lei2
(1.National Ocean Technology center,Tianjin 300112，China；2.North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003，China)

Acquiring of dissipation rate of ocean turbulent kinetic energy mainly relies on the raw data of shear velocity of the fine structure.The most effective and reliable means of data acquisition is using special instruments of turbulence measuring.As the most important part of the instrument,the performance of airfoil shear probe determines the validity and reliability of access to data,therefore the research on the characteristics has important scientific value and engineering significance.In the process of airfoil shear probe calibration and actual measurement,the accuracy of data acquisition is affected by many factors.Therefore,it is of great significance to improve the ability of ocean microstructure research,through obtaining the accurate measurement data,improving the current level of airfoil shear probe measurement,carrying out the analysis of the probe calibration accuracy and error research in the measurement process.

dissipation rate of kinetic energy;airfoil shear probe;probe calibration

P716+.21

B

1003-2029（2011）04-0058-03

2011-05-30

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41006005）;國(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金（2010420）

致謝：感謝天津大學(xué)機(jī)械學(xué)院所提供實(shí)驗(yàn)的一切便利條件。