SBE 3海水溫度傳感器動態(tài)響應(yīng)停振問題研究

武昕竹，王朋朋，孟慶軍，尹玉利

(中國人民解放軍32184部隊，煙臺 264100)

0 引言

隨著海洋觀測要求的不斷升級，對海洋環(huán)境觀測傳感器動態(tài)性能的要求也越來越高。溫度傳感器的時間常數(shù)是國際公認用來衡量溫度傳感器動態(tài)測試性能的重要指標，該指標對儀器選型具有非常重要的參考價值，目前國際主流的CTD產(chǎn)品均對溫度傳感器的時間常數(shù)進行了標注，如美國SBE海鳥系列CTD為65 ms，日本的ALEC COMPACT系列為150 ms，國家海洋技術(shù)中心(國產(chǎn))的SZC15-3為70 ms[1，2]。長期以來，國外在高精度傳感器的生產(chǎn)研究技術(shù)方面對國內(nèi)設(shè)有嚴格的技術(shù)封鎖，各種海洋觀測傳感器大多依賴進口。目前國內(nèi)對傳感器動態(tài)特性測量設(shè)備的研發(fā)還處于起步階段，且缺乏海水溫度傳感器動態(tài)特性的測試測量評估標準，無法正確評估進口儀器的動態(tài)特性。因此開展海洋高精度傳感器的動態(tài)特性研究具有十分重要的意義。本站與國家海洋技術(shù)中心共同設(shè)計研發(fā)了海洋環(huán)境觀測傳感器時間常數(shù)測量裝置，依托該平臺可研究傳感器時間常數(shù)的測量測試方法，為高精度海洋傳感器的國產(chǎn)化提供技術(shù)支撐，同時為行業(yè)建立相關(guān)的測量測試標準提供數(shù)據(jù)支持。在利用時間常數(shù)測量裝置對SBE 3系列海水溫度傳感器進行測試的過程中，發(fā)現(xiàn)SBE 3系列海水溫度傳感器從低溫水體向高溫水體運動時，時間常數(shù)測量裝置上位機所采集到的電壓階躍信號會突然消失，形成一個“溝谷”，一段時間之后自行恢復到階躍后的信號值，文章稱該現(xiàn)象為停振現(xiàn)象。目前國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)與此相關(guān)的研究資料，海鳥公司的技術(shù)文件中也沒有針對該現(xiàn)象的任何描述。文章對SBE 3系列海水溫度傳感器出現(xiàn)的停振現(xiàn)象進行了研究，系統(tǒng)研究了停振現(xiàn)象的規(guī)律，總結(jié)了停振現(xiàn)象的特點。為分析解決傳感器停振問題提供了數(shù)據(jù)支持，對國內(nèi)溫度傳感器的生產(chǎn)設(shè)計具有參考價值。

1 傳感器時間常數(shù)測量過程

傳感器時間常數(shù)測量裝置是專門用于測量和分析具備連續(xù)模擬量輸出的傳感器的響應(yīng)時間常數(shù)特性專用系統(tǒng)。廖和琴[3]等對該時間常數(shù)測量裝置的原理進行了系統(tǒng)地闡述，海洋環(huán)境觀測傳感器時間常數(shù)測量裝置的原理框圖如圖1所示。時間常數(shù)的測量過程分為3個階段，即實驗準備階段、實驗實施階段和數(shù)據(jù)分析階段。

1—感應(yīng)式溫鹽傳感器；2—托體；3—SBE 3；4—密封隔板；5—攪拌機；6—制冷管；7—加熱器；8—齒輪；9—傳送帶；10—電機

實驗準備階段：將A、B區(qū)水體通過加熱、制冷和攪拌裝置控制到設(shè)定溫度，將捆綁好的SBE 3海水溫度傳感器與線纜進行連接。

實驗實施階段：設(shè)定拖體運動速度，傳感器運動到閘門前，閘門開啟，傳感器通過后閘門關(guān)閉，傳感器運動到B區(qū)末端停止，拖體運動的同時進行數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)分析階段：時間常數(shù)測量裝置的數(shù)據(jù)采集卡是一款采樣頻率高達1 MHz/s的高精度高速采集板卡，滿足不失真恢復重建信號的要求。SBE 3海水溫度傳感器內(nèi)部封裝的是熱敏電阻，經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路輸出頻率，輸出范圍為0～10 kHz，經(jīng)過F/V模塊(頻率轉(zhuǎn)電壓)轉(zhuǎn)化為電壓并通過上位機輸出，輸出范圍為0～5 V，頻率和電壓是線性對應(yīng)關(guān)系，采集的數(shù)據(jù)由上位機保存，并在上位機進行數(shù)據(jù)處理，顯示該速度下的時間常數(shù)計算結(jié)果及誤差。

2 停振現(xiàn)象

海水溫度傳感器的時間常數(shù)是傳感器測量端輸出值由初值上升到穩(wěn)定值的63.2%所需的時間[4，5]。在對海洋溫度測量傳感器的時間常數(shù)進行測量的過程中發(fā)現(xiàn)，當傳感器從高溫水體向低溫水體階躍時，傳感器時間常數(shù)階躍曲線的起始階段和終止階段曲線平穩(wěn)、波動小，近似一條水平線，階躍段的曲線光滑平穩(wěn)，沒有頓挫或彎曲等現(xiàn)象。從圖2中的階躍曲線可以直觀看到信號的階躍梯度變化。

圖2 由高溫水體向低溫水體階躍時的傳感器電壓-時間變化線

設(shè)置A區(qū)水體溫度為22.069 ℃，B區(qū)水體溫度為35.999 ℃，A、B兩區(qū)水體溫度階躍13.93 ℃，傳感器運動速度為1 m/s，傳感器由A區(qū)向B區(qū)運動。如圖3所示，在階躍開始前，上位機輸出的電壓值約為2.5 V，階躍開始時，電壓信號突然消失，3001 ms后，電壓信號變?yōu)殡A躍后對應(yīng)的電壓值3.3 V。從低溫水體向高溫水體階躍時，傳感器的時間常數(shù)測量曲線出現(xiàn)了明顯的“溝谷”，在出現(xiàn)“溝谷”的時間內(nèi)，上位機的輸出電壓值接近0 V，這種現(xiàn)象稱為傳感器的停振現(xiàn)象，停振現(xiàn)象持續(xù)時間稱為停振時間。通過計算得到此次實驗的傳感器停振時間高達3001 ms，而根據(jù)海鳥公司對SBE 3海水溫度傳感器時間常數(shù)的標定[6，7]，在傳感器運動速度為1 m/s的情況下，時間常數(shù)為65 ms，傳感器的停振時間遠大于其所標定的時間常數(shù)。因此該溫度傳感器無法及時準確地反映出從低溫水體到高溫水體階躍時溫度的變化，極大地影響了傳感器的使用和測量數(shù)據(jù)的準確性。

圖3 由低溫水體向高溫水體階躍時的傳感器電壓-時間變化線

3 停振現(xiàn)象研究實驗

為了判斷傳感器由低溫水體向高溫水體運動時產(chǎn)生的停振現(xiàn)象，是否為SBE 3系列海水溫度傳感器的共性問題，以及該現(xiàn)象產(chǎn)生的特點，文章設(shè)計以下實驗，通過實驗數(shù)據(jù)分析得出結(jié)果。

3.1 重復實驗

3.1.1 實驗?zāi)康呐c設(shè)計

重復實驗的目的是判斷停振現(xiàn)象是否是SBE 3系列海水溫度傳感器的共性問題，并找到停振現(xiàn)象的特點。

實驗選取了SBE 3系列中的兩個不同型號的溫度傳感器，分別為SBE 3P和SBE 3F，SBE 3P實際應(yīng)用于SBE 911 CTD系統(tǒng)中，SBE 3F應(yīng)用于SBE 25 CTD系統(tǒng)中。

對每個傳感器進行6組不同拖體速度的實驗，將拖體速度分別設(shè)定為0.3 m/s、0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s和3.0 m/s。每組實驗中的拖體速度是固定量，溫度階躍是變化量。

實驗開始時，將A、B兩區(qū)的溫度階躍控制到15 ℃左右，A區(qū)為20 ℃的低溫水體，B區(qū)為35 ℃的高溫水體。實驗過程中，將A、B兩區(qū)水體混合，使兩區(qū)的溫度階躍自然減小，從而完成多次不同溫度階躍的時間常數(shù)測試。每次實驗開始前通過攪拌的方式來保證溫場均勻性，該裝置的溫場均勻度可以達到0.1 ℃。

3.1.2 重復實驗結(jié)果

通過對SBE 3系列中兩個不同型號的傳感器——SBE 3P和SBE 3F的測試，發(fā)現(xiàn)從低溫水體向高溫水體階躍時，傳感器都會出現(xiàn)停振現(xiàn)象。

文章選取信號消失時與信號恢復正常時的時間間隔計算停振時間。圖4和圖5分別為SBE 3F和SBE 3P海水溫度傳感器在不同運動速度下的停振時間與溫度階躍的關(guān)系。從圖4和圖5可以看出，傳感器在不同運動速度下，停振時間與溫度階躍均為線性關(guān)系，且斜率基本一致，即溫度階躍越小，停振時間越短。在傳感器運動速度為1 m/s時，SBE 3P和SBE 3F海水溫度傳感器停振時間與溫度階躍的擬合線基本重合，如圖6所示。擬合公式分別為：

t3P=-177.93+244.21×t0

(1)

t3F=-165.76+243.59×t0

(2)

式中，t3P為SBE 3P的停振時間；t3F為SBE 3F的停振時間；t0為溫度階躍。

圖4 SBE 3F溫度傳感器在不同運動速度下停振時間與溫度階躍的關(guān)系

圖5 SBE 3P溫度傳感器在不同運動速度下停振時間與溫度階躍的關(guān)系

圖6 SBE 3F和SBE 3P傳感器在1 m/s速度下停振時間與溫度階躍的關(guān)系

SBE 3P擬合線的相關(guān)系數(shù)為0.995，SBE 3F擬合線的相關(guān)系數(shù)為0.992，相關(guān)性良好，擬合線可以真實表征數(shù)據(jù)變化趨勢，停振時間與溫度階躍呈線性關(guān)系。

由圖4和圖5可知，在不同運動速度下，擬合線基本重合，即運動速度并不是停振時間的影響因子。將SBE 3P和SBE 3F的數(shù)據(jù)合并，統(tǒng)計溫度傳感器停振時間t和溫度階躍t0的關(guān)系，得到二者的擬合經(jīng)驗公式：

t=-108.80+239.07×t0

(3)

3.1.3 重復實驗結(jié)論

停振現(xiàn)象是SBE 3系列海水溫度傳感器的共性問題。

傳感器運動速度對停振時間的影響忽略不計，停振時間的影響因子是溫度階躍。

傳感器運動速度與溫度階躍呈線性關(guān)系，且不同SBE 3溫度傳感器的停振時間與溫度階躍的關(guān)系基本相同，可用公式(3)表示。

3.2 排除實驗

3.2.1 實驗?zāi)康呐c設(shè)計

時間常數(shù)測量裝置是經(jīng)過F/V(頻率轉(zhuǎn)電壓)模塊將SBE 3系列海水溫度傳感器調(diào)制輸出的頻率轉(zhuǎn)化為電壓，然后由上位機輸出。排除實驗的目的是檢查停振現(xiàn)象是否由F/V模塊故障或者采集突變信號能力不足所造成。排除實驗時將傳感器信號直接輸出為頻率而不通過F/V模塊，觀察頻率信號的變化情況，檢查是否有信號異常。

文章只對SBE 3F海水溫度傳感器進行了排除實驗，采集信號頻率為8 Hz。實驗條件：A區(qū)25.56 ℃為低溫水體，B區(qū)32.12 ℃為高溫水體，A、B兩區(qū)水體的溫度階躍為6.56 ℃。受實驗條件限制，傳感器運動速度為0.3 m/s。

3.2.2 排除實驗結(jié)果

從圖7可以看出，傳感器從低溫水體向高溫水體階躍時，階躍段傳感器頻率信號非常不穩(wěn)定，在階躍開始時，頻率信號突然下降，最后又突然上升，形成了頻率信號的“溝谷”現(xiàn)象。經(jīng)過計算，停振現(xiàn)象的時間間隔為1500 ms。圖8為SBE 3F海水溫度傳感器在相同條件下的電壓-時間變化線，從圖中可以看到非常明顯的停振現(xiàn)象，經(jīng)過計算，停振時間為1453 ms。

圖7 從低溫水體向高溫水體運動時的SBE 3F溫度傳感器頻率-時間變化線

圖8 從低溫水體向高溫水體運動時的SBE 3F溫度傳感器電壓-時間變化線

3.2.3 排除實驗結(jié)論

從排除實驗的結(jié)果可以看出，在相同條件下，由頻率-時間變化線和電壓-時間變化線計算得到的停振時間基本一致，證明停振現(xiàn)象是由傳感器產(chǎn)生的，而非受到F/V模塊的影響，表明傳感器存在短板，測量能力不足。

4 結(jié)束語

文章通過測試SBE 3系列海水溫度傳感器從低溫水體到高溫水體階躍過程的時間常數(shù)，發(fā)現(xiàn)傳感器存在現(xiàn)停振現(xiàn)象。

經(jīng)過重復實驗和排除實驗，基本掌握了停振現(xiàn)象的特點。停振時間只與溫度階躍有關(guān)，與傳感器運動速度無關(guān)，溫度階躍越大，停振時間越長，二者為線性關(guān)系。不同傳感器的停振時間與溫度階躍線性關(guān)系變化基本一致，可用同一經(jīng)驗公式概括數(shù)據(jù)變化趨勢。排除實驗將未經(jīng)過F/V模塊采集的傳感器頻率信號與經(jīng)過F/V模塊調(diào)制后的傳感器電壓信號進行對比，證明了SBE 3系列海水溫度傳感器在低溫水體到高溫水體階躍過程中出現(xiàn)的停振現(xiàn)象是由傳感器自身產(chǎn)生的，而非F/V模塊引起。

文章發(fā)現(xiàn)從低溫水體向高溫水體階躍過程中，溫度傳感器采集的頻率信號出現(xiàn)了停振現(xiàn)象。停振現(xiàn)象的時間間隔遠超過海鳥公司(Sea-Bird)給出的SBE 3系列海水溫度傳感器的時間常數(shù)，在實際的海洋測試中，SBE 3系列海水溫度傳感器無法及時捕捉到從低溫層向高溫層穿越時的變化信號，無法正確反映階躍變化，造成測量結(jié)果失真，從而影響海洋測量準確性。

文章設(shè)計相關(guān)實驗，研究了SBE 3海水溫度傳感器的停振現(xiàn)象，為解決停振問題提供了大量的數(shù)據(jù)支撐。通過對停振現(xiàn)象的描述和分析，基本掌握了該現(xiàn)象的特點，對海洋剖面類傳感器動態(tài)性能進行了深入探討，為海洋傳感器的國產(chǎn)化提供了新的資料，對研究傳感器時間常數(shù)變化規(guī)律、特點和測量測試方法，具有重要的參考意義。