武昕竹，王朋朋，孟慶軍，尹玉利

(中國(guó)人民解放軍32184部隊(duì)，煙臺(tái) 264100)

0 引言

隨著海洋觀測(cè)要求的不斷升級(jí)，對(duì)海洋環(huán)境觀測(cè)傳感器動(dòng)態(tài)性能的要求也越來(lái)越高。溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)是國(guó)際公認(rèn)用來(lái)衡量溫度傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)試性能的重要指標(biāo)，該指標(biāo)對(duì)儀器選型具有非常重要的參考價(jià)值，目前國(guó)際主流的CTD產(chǎn)品均對(duì)溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行了標(biāo)注，如美國(guó)SBE海鳥(niǎo)系列CTD為65 ms，日本的ALEC COMPACT系列為150 ms，國(guó)家海洋技術(shù)中心(國(guó)產(chǎn))的SZC15-3為70 ms[1，2]。長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)外在高精度傳感器的生產(chǎn)研究技術(shù)方面對(duì)國(guó)內(nèi)設(shè)有嚴(yán)格的技術(shù)封鎖，各種海洋觀測(cè)傳感器大多依賴進(jìn)口。目前國(guó)內(nèi)對(duì)傳感器動(dòng)態(tài)特性測(cè)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(dòng)態(tài)特性的測(cè)試測(cè)量評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)法正確評(píng)估進(jìn)口儀器的動(dòng)態(tài)特性。因此開(kāi)展海洋高精度傳感器的動(dòng)態(tài)特性研究具有十分重要的意義。本站與國(guó)家海洋技術(shù)中心共同設(shè)計(jì)研發(fā)了海洋環(huán)境觀測(cè)傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)量裝置，依托該平臺(tái)可研究傳感器時(shí)間常數(shù)的測(cè)量測(cè)試方法，為高精度海洋傳感器的國(guó)產(chǎn)化提供技術(shù)支撐，同時(shí)為行業(yè)建立相關(guān)的測(cè)量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支持。在利用時(shí)間常數(shù)測(cè)量裝置對(duì)SBE 3系列海水溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試的過(guò)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(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間常數(shù)測(cè)量裝置上位機(jī)所采集到的電壓階躍信號(hào)會(huì)突然消失，形成一個(gè)“溝谷”，一段時(shí)間之后自行恢復(fù)到階躍后的信號(hào)值，文章稱該現(xiàn)象為停振現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)與此相關(guān)的研究資料，海鳥(niǎo)公司的技術(shù)文件中也沒(méi)有針對(duì)該現(xiàn)象的任何描述。文章對(duì)SBE 3系列海水溫度傳感器出現(xiàn)的停振現(xiàn)象進(jìn)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(diǎn)。為分析解決傳感器停振問(wèn)題提供了數(shù)據(jù)支持，對(duì)國(guó)內(nèi)溫度傳感器的生產(chǎn)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

1 傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)量過(guò)程

傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)量裝置是專門(mén)用于測(cè)量和分析具備連續(xù)模擬量輸出的傳感器的響應(yīng)時(shí)間常數(shù)特性專用系統(tǒng)。廖和琴[3]等對(duì)該時(shí)間常數(shù)測(cè)量裝置的原理進(jìn)行了系統(tǒng)地闡述，海洋環(huán)境觀測(cè)傳感器時(shí)間常數(shù)測(cè)量裝置的原理框圖如圖1所示。時(shí)間常數(shù)的測(cè)量過(guò)程分為3個(gè)階段，即實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段、實(shí)驗(yàn)實(shí)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(jī)；6—制冷管；7—加熱器；8—齒輪；9—傳送帶；10—電機(jī)

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段：將A、B區(qū)水體通過(guò)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(jìn)行連接。

實(shí)驗(yàn)實(shí)施階段：設(shè)定拖體運(yùn)動(dòng)速度，傳感器運(yùn)動(dòng)到閘門(mén)前，閘門(mén)開(kāi)啟，傳感器通過(guò)后閘門(mén)關(guān)閉，傳感器運(yùn)動(dòng)到B區(qū)末端停止，拖體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)分析階段：時(shí)間常數(shù)測(cè)量裝置的數(shù)據(jù)采集卡是一款采樣頻率高達(dá)1 MHz/s的高精度高速采集板卡，滿足不失真恢復(fù)重建信號(hào)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(guò)轉(zhuǎn)換電路輸出頻率，輸出范圍為0～10 kHz，經(jīng)過(guò)F/V模塊(頻率轉(zhuǎn)電壓)轉(zhuǎn)化為電壓并通過(guò)上位機(jī)輸出，輸出范圍為0～5 V，頻率和電壓是線性對(duì)應(yīng)關(guān)系，采集的數(shù)據(jù)由上位機(jī)保存，并在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，顯示該速度下的時(shí)間常數(shù)計(jì)算結(jié)果及誤差。

2 停振現(xiàn)象

海水溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)是傳感器測(cè)量端輸出值由初值上升到穩(wěn)定值的63.2%所需的時(shí)間[4，5]。在對(duì)海洋溫度測(cè)量傳感器的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傳感器從高溫水體向低溫水體階躍時(shí)，傳感器時(shí)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(dòng)小，近似一條水平線，階躍段的曲線光滑平穩(wěn)，沒(méi)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(hào)的階躍梯度變化。

圖2 由高溫水體向低溫水體階躍時(shí)的傳感器電壓-時(shí)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(yùn)動(dòng)速度為1 m/s，傳感器由A區(qū)向B區(qū)運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，在階躍開(kāi)始前，上位機(jī)輸出的電壓值約為2.5 V，階躍開(kāi)始時(shí)，電壓信號(hào)突然消失，3001 ms后，電壓信號(hào)變?yōu)殡A躍后對(duì)應(yīng)的電壓值3.3 V。從低溫水體向高溫水體階躍時(shí)，傳感器的時(shí)間常數(shù)測(cè)量曲線出現(xiàn)了明顯的“溝谷”，在出現(xiàn)“溝谷”的時(shí)間內(nèi)，上位機(jī)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(shí)間稱為停振時(shí)間。通過(guò)計(jì)算得到此次實(shí)驗(yàn)的傳感器停振時(shí)間高達(dá)3001 ms，而根據(jù)海鳥(niǎo)公司對(duì)SBE 3海水溫度傳感器時(shí)間常數(shù)的標(biāo)定[6，7]，在傳感器運(yùn)動(dòng)速度為1 m/s的情況下，時(shí)間常數(shù)為65 ms，傳感器的停振時(shí)間遠(yuǎn)大于其所標(biāo)定的時(shí)間常數(shù)。因此該溫度傳感器無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確地反映出從低溫水體到高溫水體階躍時(shí)溫度的變化，極大地影響了傳感器的使用和測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖3 由低溫水體向高溫水體階躍時(shí)的傳感器電壓-時(shí)間變化線

3 停振現(xiàn)象研究實(shí)驗(yàn)

為了判斷傳感器由低溫水體向高溫水體運(yùn)動(dòng)時(shí)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(wèn)題，以及該現(xiàn)象產(chǎn)生的特點(diǎn)，文章設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出結(jié)果。

3.1 重復(fù)實(shí)驗(yàn)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c設(shè)計(jì)

重復(fù)實(shí)驗(yàn)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(wèn)題，并找到停振現(xiàn)象的特點(diǎn)。

實(shí)驗(yàn)選取了SBE 3系列中的兩個(gè)不同型號(hào)的溫度傳感器，分別為SBE 3P和SBE 3F，SBE 3P實(shí)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(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行6組不同拖體速度的實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)中的拖體速度是固定量，溫度階躍是變化量。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，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(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)間常數(shù)測(cè)試。每次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前通過(guò)攪拌的方式來(lái)保證溫場(chǎng)均勻性，該裝置的溫場(chǎng)均勻度可以達(dá)到0.1 ℃。

3.1.2 重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)SBE 3系列中兩個(gè)不同型號(hào)的傳感器——SBE 3P和SBE 3F的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)從低溫水體向高溫水體階躍時(shí)，傳感器都會(huì)出現(xiàn)停振現(xiàn)象。

文章選取信號(hào)消失時(shí)與信號(hào)恢復(fù)正常時(shí)的時(shí)間間隔計(jì)算停振時(shí)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(yùn)動(dòng)速度下的停振時(shí)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(yùn)動(dòng)速度下，停振時(shí)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(shí)間越短。在傳感器運(yùn)動(dòng)速度為1 m/s時(shí)，SBE 3P和SBE 3F海水溫度傳感器停振時(shí)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(shí)間；t3F為SBE 3F的停振時(shí)間；t0為溫度階躍。

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

圖5 SBE 3P溫度傳感器在不同運(yùn)動(dòng)速度下停振時(shí)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(shí)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(shí)表征數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)，停振時(shí)間與溫度階躍呈線性關(guān)系。

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

t=-108.80+239.07×t0

(3)

3.1.3 重復(fù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

停振現(xiàn)象是SBE 3系列海水溫度傳感器的共性問(wèn)題。

傳感器運(yùn)動(dòng)速度對(duì)停振時(shí)間的影響忽略不計(jì)，停振時(shí)間的影響因子是溫度階躍。

傳感器運(yùn)動(dòng)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(shí)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(shí)驗(yàn)

3.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c設(shè)計(jì)

時(shí)間常數(shù)測(cè)量裝置是經(jīng)過(guò)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(jī)輸出。排除實(shí)驗(yàn)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(hào)能力不足所造成。排除實(shí)驗(yàn)時(shí)將傳感器信號(hào)直接輸出為頻率而不通過(guò)F/V模塊，觀察頻率信號(hào)的變化情況，檢查是否有信號(hào)異常。

文章只對(duì)SBE 3F海水溫度傳感器進(jìn)行了排除實(shí)驗(yàn)，采集信號(hào)頻率為8 Hz。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件限制，傳感器運(yùn)動(dòng)速度為0.3 m/s。

3.2.2 排除實(shí)驗(yàn)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(shí)，階躍段傳感器頻率信號(hào)非常不穩(wěn)定，在階躍開(kāi)始時(shí)，頻率信號(hào)突然下降，最后又突然上升，形成了頻率信號(hào)的“溝谷”現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)計(jì)算，停振現(xiàn)象的時(shí)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(shí)間變化線，從圖中可以看到非常明顯的停振現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)計(jì)算，停振時(shí)間為1453 ms。

圖7 從低溫水體向高溫水體運(yùn)動(dòng)時(shí)的SBE 3F溫度傳感器頻率-時(shí)間變化線

圖8 從低溫水體向高溫水體運(yùn)動(dòng)時(shí)的SBE 3F溫度傳感器電壓-時(shí)間變化線

3.2.3 排除實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從排除實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，在相同條件下，由頻率-時(shí)間變化線和電壓-時(shí)間變化線計(jì)算得到的停振時(shí)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(cè)量能力不足。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)測(cè)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(guò)程的時(shí)間常數(shù)，發(fā)現(xiàn)傳感器存在現(xiàn)停振現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)重復(fù)實(shí)驗(yàn)和排除實(shí)驗(yàn)，基本掌握了停振現(xiàn)象的特點(diǎn)。停振時(shí)間只與溫度階躍有關(guān)，與傳感器運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，溫度階躍越大，停振時(shí)間越長(zhǎng)，二者為線性關(guān)系。不同傳感器的停振時(shí)間與溫度階躍線性關(guān)系變化基本一致，可用同一經(jīng)驗(yàn)公式概括數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)。排除實(shí)驗(yàn)將未經(jīng)過(guò)F/V模塊采集的傳感器頻率信號(hào)與經(jīng)過(guò)F/V模塊調(diào)制后的傳感器電壓信號(hào)進(jìn)行對(duì)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(guò)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(guò)程中，溫度傳感器采集的頻率信號(hào)出現(xiàn)了停振現(xiàn)象。停振現(xiàn)象的時(shí)間間隔遠(yuǎn)超過(guò)海鳥(niǎo)公司(Sea-Bird)給出的SBE 3系列海水溫度傳感器的時(shí)間常數(shù)，在實(shí)際的海洋測(cè)試中，SBE 3系列海水溫度傳感器無(wú)法及時(shí)捕捉到從低溫層向高溫層穿越時(shí)的變化信號(hào)，無(wú)法正確反映階躍變化，造成測(cè)量結(jié)果失真，從而影響海洋測(cè)量準(zhǔn)確性。

文章設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，研究了SBE 3海水溫度傳感器的停振現(xiàn)象，為解決停振問(wèn)題提供了大量的數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)對(duì)停振現(xiàn)象的描述和分析，基本掌握了該現(xiàn)象的特點(diǎn)，對(duì)海洋剖面類傳感器動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行了深入探討，為海洋傳感器的國(guó)產(chǎn)化提供了新的資料，對(duì)研究傳感器時(shí)間常數(shù)變化規(guī)律、特點(diǎn)和測(cè)量測(cè)試方法，具有重要的參考意義。