雷卓，賀海靖，曲君樂(lè)，劉杰

(山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島266001)

投棄式溫深測(cè)量?jī)x(expendable bathythermograph，XBT)是一種測(cè)量海水溫度剖面的儀器，每一次測(cè)量過(guò)程消耗一個(gè)測(cè)量探體，所以稱為投棄式或消耗式。與一般常見(jiàn)的船載式溫鹽深儀(CTD)相比，XBT具有方便、靈活和快速等優(yōu)點(diǎn)，適合于大面積海域的測(cè)量調(diào)查。XBT結(jié)構(gòu)如圖1所示，探體安裝在發(fā)射筒中，探體中搭載溫度傳感器，探體釋放入水后溫度傳感器開(kāi)始測(cè)溫，測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)上下線軸上纏繞的漆包線傳回甲板單元進(jìn)行處理，并通過(guò)上位機(jī)顯示。

目前，美、日等國(guó)的XBT技術(shù)最成熟，已形成產(chǎn)品化。中國(guó)的XBT技術(shù)則剛起步，只有少數(shù)科研機(jī)構(gòu)處于研制階段，而且在溫度測(cè)量精度方面與國(guó)外產(chǎn)品存在較大差距［1］。本文設(shè)計(jì)的XBT系統(tǒng)使用熱敏電阻作為測(cè)溫元件，在用高性能低功耗的16位單片機(jī)和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器為核心組建測(cè)溫電路，通過(guò)多點(diǎn)校準(zhǔn)插值計(jì)算使系統(tǒng)測(cè)溫精度滿足要求。另外，針對(duì)XBT入水開(kāi)始工作的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可靠的入水觸發(fā)工作電路。

圖1 XBT探體及發(fā)射筒結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure illustration of XBT probe and launcher tube

1 測(cè)溫電路設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)

1.1 測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

針對(duì)XBT探體在海水中下落速度較快的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用高精度、高分辨率的熱敏電阻作為測(cè)溫傳感器。熱敏電阻相對(duì)于其他溫度傳感器，具有響應(yīng)速度快、體積小且精度高等優(yōu)點(diǎn)。如圖2所示熱敏電阻 RT，其測(cè)量精度為±0.1℃，分辨率為0.02℃，響應(yīng)速度為0.2 s。

系統(tǒng)測(cè)溫電路采用16位超低功耗的MSP430單片機(jī)為主控制器，與其他單片機(jī)相比，其超低功耗的特點(diǎn)更適合本儀器在海上靈活應(yīng)用。使用了24位Δ-∑型高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器對(duì)系統(tǒng)整體的精度及測(cè)溫分辨率起到至關(guān)重要的作用［2］。電路工作原理圖如圖2所示。

圖2 測(cè)溫電路工作原理圖Fig.2 Schematic diagram of the temperature measurement circuit

熱敏電阻(RT)與其余3個(gè)固定電阻組成單元件變化電橋，RT阻值隨溫度的變化而變化，阻值變化引起電橋輸出電壓變化，經(jīng)AD轉(zhuǎn)換模塊對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)SPI串行接口與單片機(jī)連接，單片機(jī)經(jīng)過(guò)RS485傳送至計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示溫度測(cè)量值。基準(zhǔn)電壓模塊為電橋提供激勵(lì)并為模數(shù)轉(zhuǎn)換器提供參考電壓［3］。

AD模塊的參數(shù)設(shè)置中，轉(zhuǎn)換頻率過(guò)高會(huì)影響器件精度，而增益倍數(shù)過(guò)大也影響AD的穩(wěn)定位數(shù)。本系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間響應(yīng)的要求以及傳感器輸出信號(hào)的計(jì)算，配置AD轉(zhuǎn)換頻率為50 Hz、放大倍數(shù)為2。經(jīng)測(cè)試，最終精度可達(dá)20位RMS(root mean square)以上。

1.2 溫度校準(zhǔn)

熱敏電阻的阻值R和對(duì)應(yīng)的溫度T是非線性關(guān)系，在實(shí)際使用中采用何種方法對(duì)溫度值校準(zhǔn)也影響系統(tǒng)的測(cè)溫精度。應(yīng)用較多的分段擬合、B值法等得到的測(cè)量精度不能滿足本系統(tǒng)的精度要求。

本系統(tǒng)使用的方法是測(cè)量電路與熱敏電阻共同校準(zhǔn)。在測(cè)量電路與熱敏電阻連接完好、正常工作的情況下，利用恒溫試驗(yàn)箱在－10～40℃范圍內(nèi)均勻選取n個(gè)溫度點(diǎn)，記錄每個(gè)溫度點(diǎn)熱敏電阻值對(duì)應(yīng)的ADC數(shù)值，使用插值法便可計(jì)算所有ADC值對(duì)應(yīng)的溫度值。相對(duì)于孤立地對(duì)熱敏電阻進(jìn)行校準(zhǔn)，此方法可將電子元件溫漂、電橋電阻容差等電子元件所帶來(lái)的誤差最大限度地縮小［4－5］。

經(jīng)過(guò)溫度校準(zhǔn)后利用恒溫箱對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，表1為部分溫度點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)，試驗(yàn)表明系統(tǒng)的溫度測(cè)量精度可達(dá)±0.02℃，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

表1 系統(tǒng)測(cè)溫值精度驗(yàn)證數(shù)據(jù)Table 1 Accuracy verification data of system temperature measurement value

2 探體入水檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

XBT是探體入水后測(cè)溫電路開(kāi)始工作的，工作前系統(tǒng)一直處于休眠狀態(tài)。為避免測(cè)溫電路入水前提前或入水后延遲工作，必須設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的入水檢測(cè)電路，使探體在入水的瞬間觸發(fā)測(cè)溫電路開(kāi)始工作。

一般檢測(cè)電路多使用繼電器等開(kāi)關(guān)元件控制電路通斷，但這種方法容易形成誤觸發(fā)或者電路的入水檢測(cè)部分對(duì)測(cè)溫部分產(chǎn)生信號(hào)干擾［6］。本設(shè)計(jì)采用光耦隔離的方法使電路的入水檢測(cè)與測(cè)溫部分隔離開(kāi)，避免了信號(hào)的干擾，并在軟件設(shè)計(jì)中加入延遲程序來(lái)避免誤觸發(fā)現(xiàn)象。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖3所示，A點(diǎn)為接地線聯(lián)通海水，B點(diǎn)為安裝在探體內(nèi)的金屬觸點(diǎn)，探體入水前A、B兩點(diǎn)斷開(kāi)，測(cè)溫電路處于休眠狀態(tài)，探體入水時(shí)海水作為導(dǎo)體使A、B兩點(diǎn)導(dǎo)通，光電耦合器發(fā)出脈沖信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)控制測(cè)溫電路開(kāi)始工作。

在實(shí)際的使用中發(fā)現(xiàn)經(jīng)常存在誤觸發(fā)現(xiàn)象，即探體尚未入水的情況下測(cè)溫電路開(kāi)始工作，其原因是單片機(jī)將抖動(dòng)、干擾信號(hào)等誤認(rèn)為脈沖信號(hào)，本設(shè)計(jì)使用軟件延遲的方法來(lái)消除誤觸發(fā)［7］。軟件設(shè)計(jì)如圖4所示，單片機(jī)收到脈沖信號(hào)后，延時(shí)10 ms重新檢測(cè)脈沖信號(hào)，確認(rèn)無(wú)誤后測(cè)溫電路開(kāi)始工作，軟件延時(shí)能有效地濾除誤觸發(fā)信號(hào)。

圖3 入水檢測(cè)電路工作原理圖Fig.3 Schematic diagram of water immersion detection circuit

圖4 消除誤觸發(fā)軟件設(shè)計(jì)Fig.4 Software design of false triggering elimination

3 測(cè)溫電路整體軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是通過(guò)對(duì)單片機(jī)寄存器編程實(shí)現(xiàn)的，本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心是判斷探體入水以及通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換［8］。軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 整體軟件設(shè)計(jì)Fig.5 Design of the whole software

單片機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器初始化后等待探體入水信號(hào)，探體入水時(shí)單片機(jī)收到脈沖信號(hào)并發(fā)出指令，模數(shù)轉(zhuǎn)換開(kāi)始工作，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò)R-T對(duì)照表?yè)Q算為溫度值由上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)探體達(dá)到預(yù)定測(cè)量深度時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束，整個(gè)測(cè)量過(guò)程結(jié)束。

4 海試數(shù)據(jù)對(duì)比

為驗(yàn)證溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性，在南海水深1 km以上的水域進(jìn)行大量的XBT投放試驗(yàn)，同時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)CTD為參考，對(duì)XBT測(cè)出的溫度剖面進(jìn)行對(duì)比，圖6為一組對(duì)比曲線。

經(jīng)過(guò)對(duì)比，XBT測(cè)量的溫度剖面與標(biāo)準(zhǔn)CTD剖面曲線相似度在0.9以上，溫度平均誤差小于0.2℃，在允許誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明XBT測(cè)量溫度剖面在準(zhǔn)確性方面已達(dá)預(yù)期目標(biāo)，測(cè)溫精度能夠滿足要求。兩條曲線的偏差與操作的一致性以及當(dāng)時(shí)的海況、船速等因素有關(guān)［9］。

圖6 XBT與CTD海試數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.6 Ocean experiment data comparison between XBT and CTD

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)海試驗(yàn)證，本系統(tǒng)的溫度測(cè)量精度達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，高精度的溫度測(cè)量電路和可靠的入水檢測(cè)模塊使本系統(tǒng)在測(cè)量海水溫度剖面的準(zhǔn)確性上取得了突破，但與國(guó)外成熟產(chǎn)品相比在測(cè)溫精度方面仍有可提升空間。在后續(xù)的工作中還要進(jìn)行更深入的研究，優(yōu)化測(cè)溫電路和配套軟件，進(jìn)一步提高XBT的測(cè)溫精度和溫度剖面測(cè)量的準(zhǔn)確性。

［1］門(mén)雅彬，方芳，李興岷，等.多枚XBT自動(dòng)投放與測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集控制單元設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21(6):295－297.

［2］翟小羽，王海濤，齊占輝，等.基于北斗衛(wèi)星的XBT數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.海洋測(cè)繪，2013，33(2):65－66.

［3］廖曉文，陳正石，田志波，等.半導(dǎo)體溫控系統(tǒng)的自抗擾控制器設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2012，33(8):49－51.

［4］KIZU S，HANAWA K.Recorder-dependent temperature error of expendable bathythermograph［J］.Journal of Oceanography，2004，58(3):469－476.

［5］孫成林，楊曉劍.電子線路［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2009:36－52.

［6］董慶亮，陳東，李明叁，等.投棄式溫鹽深測(cè)量?jī)x在海底地形測(cè)量中的應(yīng)用［J］.2013，33(3):40－43.

［7］張瑞.投棄式海流剖面儀探頭運(yùn)動(dòng)特性數(shù)值模擬研究［D］.天津:河北工業(yè)大學(xué)，2011:18－26.

［8］張瑞，陳文義，劉寧，等.不同攻角下投棄式海流剖面儀流體動(dòng)力特性研究［J］.海洋技術(shù)，2011，30(1):41－44.

［9］ABRAHAM J，GORMAN J，RESEGHETTI F.A new method of calculating ocean temperatures using expendable bathythermographs［J］.Energy and Environment Research，2011，1(1):2 －11.