王愛軍趙卓英張川程紹華

(國家海洋標準計量中心 天津 300112)

0 引言

隨著海洋強國、質(zhì)量強國和海洋生態(tài)文明的建設,海洋觀測預報、防災減災、生態(tài)修復和生態(tài)文明建設等活動更加重視海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確和可靠[1-3]。利用各種性能優(yōu)異的傳感器是獲取實時和連續(xù)海水環(huán)境參數(shù)的最直接和最有效的方法[3-6],可提供各種海洋環(huán)境參數(shù)的時空分布和變化規(guī)律,因此傳感器是海洋調(diào)查儀器的基礎,其各方面性能是評價儀器質(zhì)量的關鍵,同時是調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量的保障[3]。

海洋傳感器的使用環(huán)境復雜多變,會受到風、流、浪、鹽霧和生物附著等各類環(huán)境因素的影響[1,3],再加上海洋數(shù)據(jù)種類多和采集成本較高,因此為獲得高質(zhì)量的海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),須經(jīng)常校準和評價傳感器的性能[7]。計量校準是利用標準儀器對被校儀器進行測量,通過比較標準值和測量值而實現(xiàn)。未經(jīng)標定的船載CTD鹽度數(shù)據(jù)質(zhì)量遠遠落后于《海洋調(diào)查規(guī)范》對鹽度準確度為±0.02‰的測量要求[8],凸顯將船載CTD送至計量機構(gòu)校準的必要性。同時,海洋計量在保障數(shù)據(jù)準確性和推動國內(nèi)海洋儀器產(chǎn)業(yè)化進程中發(fā)揮的作用日益清晰,自研儀器的準確性已成為國家重點研發(fā)計劃項目關注的考核指標。

海洋儀器用戶通常在出海前、出海后或定期將海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的傳感器送至海洋計量檢測機構(gòu)進行校準,海洋計量檢測機構(gòu)將新的校準證書和系數(shù)提供給用戶,用戶將新的系數(shù)置入儀器的配置軟件,從而確保下一次各傳感器的測量數(shù)據(jù)準確和可靠。在長期的海洋觀測中,傳感器的穩(wěn)定性、漂移性和準確性是最重要的部分[3]。海洋計量檢測機構(gòu)利用多年的校準數(shù)據(jù)評價海洋傳感器的穩(wěn)定性、漂移性和準確性,不斷拓展海洋儀器計量服務,助力海洋儀器質(zhì)量提升。

本研究以海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測常用的溫度、電導率、濁度和葉綠素4個傳感器為評價對象,利用同一臺儀器多年的校準數(shù)據(jù)建立海洋儀器計量評價模型,系統(tǒng)評價傳感器的長期穩(wěn)定性,提供漂移系數(shù)方便用戶修正校準周期內(nèi)的數(shù)據(jù),提升海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。

1 評價對象和計算方法

1.1 評價對象

海洋環(huán)境監(jiān)測所用儀器多集成各類傳感器,搭載在海洋調(diào)查船、海洋浮標、海洋站和其他監(jiān)測平臺上,直接置于海水中進行實時和連續(xù)測量,其工作原理是水下儀器測量單元通過線纜將數(shù)據(jù)上傳到岸上數(shù)據(jù)接收單元,通過傳感器電信號值與傳感器示值之間的公式轉(zhuǎn)化為海洋要素的測量數(shù)據(jù)。通常情況下,海洋環(huán)境監(jiān)測所用的傳感器校準是將傳感器電信號值和標準值相聯(lián)系的重要步驟[7],給出新的擬合系數(shù)有助于判定儀器性能。

本研究以常見的小型多參數(shù)水質(zhì)儀搭載的溫度、電導率、濁度和葉綠素傳感器為評價對象,技術指標如表1所示。

表1 各傳感器的技術指標

溫度傳感器和電導率傳感器按照《溫鹽深測量儀》(JJG 763-2019)[9]進行校準;濁度傳感器按照《海水濁度測量儀校準規(guī)范》(JJF 1571-2016)[10]進行校準;葉綠素傳感器選用水溶性的熒光素鈉溶液為參考標準溶液[11-12],通過配制系列標準溶液實現(xiàn)傳感器熒光性能的檢測。

1.2 傳感器的漂移系數(shù)和漂移率

利用最近一次校準的傳感器電信號值與標準值進行線性回歸,得出新的擬合公式;將往年的傳感器電信號值代入該擬合公式,計算每年校準的傳感器示值和誤差;根據(jù)每年校準的傳感器示值和對應標準值計算每年傳感器的漂移系數(shù)。傳感器的漂移系數(shù)(slope)的計算公式為:

式中:Y i示和Y i標分別表示傳感器在第i個校準點的示值和標準值;n表示校準點個數(shù)。

對于數(shù)據(jù)漂移嚴重的傳感器,計算每年傳感器的漂移率(δ),計算公式為:

式中:slopepost和slopepre分別表示最近一次和上一次校準的傳感器漂移系數(shù);Δt表示2次校準的時間間隔。

1.3 傳感器的穩(wěn)定性

傳感器的穩(wěn)定性是指傳感器在一定時間內(nèi)輸出信號的復現(xiàn)性程度[13],該指標是與時間有關的真正影響因素。受海水不斷運動變化的影響,由于測量時間不同,同一測量點上各傳感器測量的海洋環(huán)境參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)不盡相同,無法考察儀器的長期穩(wěn)定性。傳感器校準是在同一實驗室和同一環(huán)境條件下,由同一批實驗人員采用同一種方法和同一種計量標準器,在不同時間進行的重復性實驗,其校準數(shù)據(jù)具有可比性。因此,本研究利用3～5年的校準數(shù)據(jù)評價傳感器的長期穩(wěn)定性。

2 結(jié)果與討論

2.1 傳感器的漂移系數(shù)和漂移率

選用最近一次即2021年校準的各傳感器電信號值和標準值進行擬合(圖1)。其中,溫度和電導率傳感器的擬合公式為多項式,相關系數(shù)的R2值為1;濁度和葉綠素傳感器的擬合公式為線性,相關系數(shù)的R2值均大于0.999。

圖1 各傳感器最近一次(2021年)校準的擬合曲線

利用各擬合公式以及2016—2020年(2018年未送檢)各傳感器的歷年電信號值與對應標準值,計算新的各傳感器測量值。利用計算后的各傳感器測量值與標準值,按式(1)計算各傳感器的歷年漂移系數(shù)(圖2)。

由圖2可以看出:①溫度傳感器的漂移系數(shù)前2年略大于1,后3年維持在1附近;②電導率和葉綠素傳感器的漂移系數(shù)基本低于1;③濁度傳感器的漂移系數(shù)基本大于1。由于每次校準的標準值基本無變化,則漂移系數(shù)與儀器測量值呈負相關關系,即傳感器的測量值與標準值接近時,漂移系數(shù)在1附近;當傳感器的測量值低于標準值時,漂移系數(shù)大于1;當傳感器的測量值高于標準值時,漂移系數(shù)小于1。因此,從每年的漂移系數(shù)可以得出傳感器測量值的漂移情況,若漂移系數(shù)越小或越大,傳感器測量值遠離標準值,表明傳感器性能越不穩(wěn)定;若漂移系數(shù)維持在1附近,表明傳感器性能越穩(wěn)定。

圖2 擬合后的傳感器測量誤差及其漂移系數(shù)

利用漂移系數(shù),按式(2)計算各傳感器的年漂移率(表2)。

表2 各傳感器的年漂移率%

由表2可以看出,溫度、電導率、濁度和葉綠素傳感器的最大年漂移率分別為0.06%、0.59%、-1.18%和19.20%,表明溫度傳感器的數(shù)據(jù)漂移較小,電導率傳感器次之,而濁度和葉綠素傳感器的數(shù)據(jù)漂移較大。

數(shù)據(jù)漂移是指由于儀器計量特性的變化引起的示值在一段時間內(nèi)的連續(xù)或增量變化,通常以重復測量示值的平均值衡量數(shù)據(jù)漂移。分析數(shù)據(jù)漂移的原因在于海上環(huán)境復雜,各傳感器長期在水下運行,生物污染和電子元器件隨時間變化[14]等因素會導致傳感器產(chǎn)生漂移。此外,光學傳感器的檢測窗口易被擦傷或被生物附著,導致劃痕較多,在一定程度上影響數(shù)據(jù)質(zhì)量;如果在光學傳感器上增加1個清潔刷,定期清掃傳感器檢測窗口,就能夠保護傳感器檢測窗口,在一定程度上保障光學傳感器的數(shù)據(jù)可靠。

對于傳感器數(shù)據(jù)存在漂移的情況,將每年的傳感器漂移系數(shù)(圖2中的slope值)與對應年份的傳感器測量值相乘,可實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)修正。①溫度傳感器修正前的歷年誤差大部分為負值,誤差范圍為-0.15℃～0.05℃,修正后的誤差為±0.04℃,2019—2021年的誤差為±0.01℃。②電導率傳感器修正前的歷年誤差均為正值,誤差范圍為0.03～2.00 mS/cm,修正后的誤差為±0.15 mS/cm,2019—2021年的誤差為±0.01 mS/cm。③濁度傳感器修正前的歷年誤差大部分為負值,誤差范圍為-3.00～0.50 NTU,修正后的誤差為±0.60 NTU。④葉綠素傳感器修正前的歷年誤差均為正值,誤差范圍為0～100μg/L,修正后的誤差為±2.2μg/L。由此可見,修正前傳感器的測量誤差重復性較差且呈單向增量變化,通過漂移系數(shù)對傳感器數(shù)據(jù)進行修正后,傳感器的測量誤差有所降低,均在傳感器測量準確度內(nèi),且呈正態(tài)分布。因此,利用傳感器歷年校準數(shù)據(jù)計算的漂移系數(shù)為生產(chǎn)廠商和用戶提供校準周期內(nèi)的數(shù)據(jù)修正方法,可在一定程度上提升傳感器的性能,確保測量數(shù)據(jù)的準確和可靠。

2.2 傳感器的穩(wěn)定性

在計量學上,測量儀器的穩(wěn)定性是指測量儀器的計量特性隨時間恒定不變的能力,通常需要通過多個周期的測試才能確定。海洋計量檢測機構(gòu)利用同一傳感器連續(xù)多年的校準數(shù)據(jù)來分析海洋傳感器的穩(wěn)定性。

同一傳感器每年定期送至海洋計量檢測機構(gòu)校準,在相同的計量標準裝置、相同的校準方法、相同的操作程序、相同的操作條件和相同的地點對同一被測儀器進行重復性測量,傳感器的測量值具有一定的可比性。因此,按照同一回歸公式,將各傳感器歷年電信號值轉(zhuǎn)化為傳感器測量值,再比較傳感器測量值與對應標準值的差即傳感器測量誤差的重復性,即可評價傳感器的穩(wěn)定性。

由圖2可以看出,溫度傳感器2016—2017年的測量誤差為-0.30℃～0.20℃,波動較大,2019—2020年的測量誤差在0附近,表明傳感器測量誤差的重復性較好,由于每年的標準值基本不變,即傳感器的測量值重復性較好;電導率和葉綠素傳感器歷年測量誤差整體正向漂移,表明傳感器的測量值低于標準值;濁度傳感器歷年測量誤差整體負向漂移,表明傳感器的測量值高于標準值。因此,當傳感器歷年測量誤差均為正向或負向誤差,即誤差向同一個方向變化時,表明傳感器數(shù)據(jù)發(fā)生漂移即性能不穩(wěn)定;當傳感器歷年測量誤差在0附近輕微波動時,表明傳感器測量值穩(wěn)定即傳感器性能穩(wěn)定。

3 結(jié)語

由于海上調(diào)查的成本高且周期長,海洋儀器一旦性能不穩(wěn)定或出現(xiàn)系統(tǒng)故障,會影響數(shù)據(jù)質(zhì)量和成本效益。因此,本研究以溫度、電導率、濁度和葉綠素4個傳感器為評價對象,以同一傳感器3～5年內(nèi)的歷史校準數(shù)據(jù)為基礎,形成海洋傳感器性能評價模型,實現(xiàn)對海洋傳感器的長期穩(wěn)定性能評價;根據(jù)數(shù)據(jù)的漂移趨勢判斷數(shù)據(jù)的修正方法,提供的修正系數(shù)可修正傳感器在2次校準周期內(nèi)的數(shù)據(jù),修正前的測量誤差大且為單向增量變化,修正后的測量誤差降到傳感器測量準確度內(nèi)且呈正態(tài)分布。

隨著全國海洋觀測網(wǎng)的建設,為提高海洋生態(tài)災害預警監(jiān)測和海洋防災減災等能力,海洋浮標、岸基平臺和船舶等搭載的自動化儀器將越來越多,海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、應用和共享將更加強化[15],對海洋儀器的性能和測量數(shù)據(jù)的準確性提出高質(zhì)量要求。因此,各海洋觀測節(jié)點須定期送檢各類傳感器,確保儀器的性能可靠和數(shù)據(jù)準確;海洋計量檢測機構(gòu)應充分發(fā)揮歷史計量數(shù)據(jù)的作用,建立傳感器性能評價模型,為海洋觀測網(wǎng)提供儀器的參考壽命,通過提供漂移系數(shù)有利于觀測網(wǎng)修正傳感器校準周期內(nèi)的測量數(shù)據(jù),確保長期測量數(shù)據(jù)的準確和可靠,助力全國海洋觀測網(wǎng)和海洋強國建設。