（机械电子工程专业论文）深海传感器信号处理与集成系统研制.pdf

摘要 摘要 将物理化学传感器、信号处理电路及封装壳体的集成系统直接放入海底来探 测、研究深海环境，由于是实地工作且成本低、周期短，能更真实的反映海底状 况，因此越来越多的被用作研究深海资源的手段。 本论文研究的深海传感器信号处理与集成系统是在分析和总结国内外同类仪 器的研究工作和现状的基础上，结合本课题的要求，利用一路温度传感器和三路 化学传感器来感知深海温度、化学量的变化情况，并将这些变化转换为相应的电 量参数。这些模拟的电量参数通过传感器信号处理电路系统中的模数转换而成为 数字信号，并保存在系统的存储器中，待仪器上岸后转移到p c 机中作进一步的数 据分析。论文主要包括绪论、理论分析和关键技术、系统实现、集成系统试验研 究及总结和展望等部分。 绪论阐述了深海资源研究开发的重要意义，建立了深海资源研究开发与传感 器信号处理集成系统的关系。分折了国内外在利用传感器信号处理集成系统来研 究深海资源方面取得的进展及研究现状。同时说明了本文的课题来源、主要研究 内容及技术难点。 理论分析和关键技术部分从理论上保证了温度化学传感器的选型、测量方案 的可行性及合理性。重点分析了温度、化学传感器的输出信号特征，根据这些特 征及目前的信号处理技术，采用相应的测量模型以准确测量传感器的输出信号。 系统实现部分包括电路系统的硬件实现和软件实现。其中电路系统硬件设计 是在对深海传感器信号处理电路设计要点进行总结归纳的基础上，阻高灵敏度、 自容式、低功耗为设计准则，进行系统的总体设计，并在文中对系统的各个功能 模块作了详细的介绍。软件设计是根据系统功能的要求，以模块化设计的思想， 对程序的主流程进行规划，同时重点分析了几个重要模块的设计方法及策略。 集成系统的试验研究主要包括系统集成方法，实验室试验及海洋试验。主要 介绍了海试的方法及路径，并根据海试中所获得的数据，绘制了各个传感器的试 验曲线，并作了简单的分析。 论文最后对全文进行总结，指出了工作的成果及不足指出，并提出了改进方 案和今后的研究方向。 【关键词】传感器、深海、温度测量、化学信号测量、集成 a b s t r a c t p u t t i n gt h et r a n s d u c e ra n di t si n t e g r a t es y s t e mi n t od e e ps e ad i r e c t l yt od e t e c t d e e p s e ae n v i r o n m e n t ，b e c a u s eo f i t sf i e l dt e s ta n dc h e a pc o s t ，s h o r tw o r kt e r m s ，h a s b e e na l li m p o r t a n tm e t h o do nt h er e s e a r c ho f d e e ps e a a c c o r d i n g t or e s e a r c h e so fs i m i l a rw o r ki nt h ew o r l da n dt h es u b j e c t st a s k ，w e h a v em a d ea l l i n t e g r a t es y s t e m 、 ，i mo n et e m p e r a t u r ea n dt h r e ec h e m i c a lt r a n s d u c e r t h e s et r a n s d u c e rt r a n s d u c e d e e p - s e a st e m p e r a t u r e a n dc h e m i c a l p a r a m e t e r i n t o v o l t a g e t h ea dm o d u l ei nt h ed i g i t a ls y s t e mw i l lc o n v e r s et h ea n a l o gv o l t a g es i g n a l i n t o d i g i t a ls i g r l a l ，w h i c hw i l lb es a v e di nt h es y s t e m sm e m o r ya n dr e c e i v e db yp c c o m p u t e r t h ed i s s e r t a t i o n i sd i v i d e di n t oi n t r o d u c t i o n ，t h e o r e t i cm o d e l i n ga n dk e y t e c h n i c ，s y s t e mr e a l i z a t i o n , s y s t e me x p e r i m e n t ，s u m m a r i z a t i o n a n de x p e c t a t i o n i ni n t r o d u c t i o n , w ee x p l a i nt h ei m p o r t a n tm e a n i n g so nt h er e s e a r c ho fd e e p s e a r e s o u r c ea n dt h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ni ta n dt r a n s d u c e ri n t e g r a t es y s t e m w ea l s o a n a l y z et h ea d v a n c e m e n t o nt h er e s e a r c hi nt r a n s d u c e ra n di t si n t e g r a t es y s t e mi nt h e w o r l d a tt h ee n do f t h i sp a r tt h er e s e a r c h ss o l l r c e , m e a n i n ga n df e a s i b i l i t ya r eb r o u g h t 0 u t t h et h e o r e t i cm o d e l i n gp r o v i d et h ef e a s i b i l i t yi nt r a n s d u c e r ss e l e c t i o na n dt h e i r m e a s u r e m e n tm o d e l t h i s p a r tm a i n l ya n a l y z e t h e t e m p e r a t u r e a n dc h e m i c a l t r a n s d u c e r s u n i q u e c h a r a c t e ra n db a s e do nw h i c hw ed e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n g m e a s u r e m e n tm e t h o d s y s t e mr e a l i z a t i o ni s d i v i d e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r e w ed e s i g nh a r d w a r e a c c o r d i n g t ot h er e q u i r eo fd e e p s e at r a n s d u c e ri n t e g r a t e ds y s t e m sh i 曲s e n s i t i v e ， s e l f - s t o r a g e a n dl o wp o w e rp r i n c i p l e t h es o f t w a r e sd e s i g na r eb a s e do nt h e m o d u l a r i z a t i o nt h i n k i n g a n dt h ei m p o r t a n th a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l e sa r ea l s o b e e ne x p l a i n e di nd e t a i l t h ee x p e r i m e n tp a r ta r ei d _ a k eu po fs y s t e mi n t e g r a t em e t h o d , l a be x p e r i m e n ta n d o c e a ne x p e r i m e n t w em a i n l ye x p l a i no c e a ne x p e r i m e n t sm e t h o da n dd r a wt h et r a c k a c c o r d i n g t ot h et r a n s d u c e r ss i g n a ld a t a a tt h ee n do fd i s s e r t a t i o n ，i ti ss u m m e du pt h ew o r ka n db r o u g h tu pt h ed e e p e r r e s e a r c ha i m 【k e y w o r d s 】t r a n s d u c e r ，d e e p - s e a , t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，c h e m i c a l m e a s u r e m e n t ，i n t e g r a t e 第二章传感器信呼测量的理论分析及关键技术 第一章绪论 本章主要阐述了大洋深海资源研究开发的重要意义，并对国内外目前 在该领域所拥有的科研实力及已经取得的科研成果作了横向的对比，指出 了我们在深海资源研究领域的落后及目前我国的相关举措。在说明课题来 源的基础上，提出了本课题的研究目的、主要研究内容、主要技术难点及 创新点。 1 1 引言 覆盖地球表面积7 1 的海洋【1 ，不但蕴藏着丰富的资源，而且作为地球表面面 积最大的自然环境单元，与人类生活的各个方面息息相关。对海洋的积极探索将 能够为人们普遍关心的一些全球性问题，如地球上生命的起源、新药品、新资源、 新能源、人类的生存环境和社会的可持续发展等问题的最终解决，提供理想方案。 尽管人类对海洋的探索可以追索到远古的航行和捕鱼活动时期，但只有从英 国“挑战者”号科考船于1 8 7 2 1 8 7 6 年进行的环球考察开始，我们才有了真正意义 上的现代海洋科学。1 0 0 多年以来，现代海洋科学得到了快速的发展，在许多方面 极大地丰富了人们对海洋的认识，但是，对人类而言，9 0 以上的海底世界至今仍 处于未见和未知状态，大部分的浅海和绝大部分的深海( 水深大予30 0 0m ) 构成 了至今地球上尚存的人类知之最少的区域。人们离认知真正的海洋，还有相当大 的差距。 目前，世界上的些顶级科学家已经认识到研究深海领域的重要意义，并对 部分地区做了较为详细的研究，特别是海底热液矿藏。因为这里的化学、物理以 及生物演化过程在时空上剧烈变化，是人类研究自然的天然实验室。丽且，这里 有着丰富的海底重金属资源，包括铜、铁、锌、铅及贵金属金、银、钴、镍、铂。 此外海底热液矿床还包括铁锰氧化物，重晶石，石膏等其他矿种。与铁锰结核、富 钻结壳相比，具有水深浅( 小于30 0 0m ) 、矿体富集度大，成矿过程快，易于开采 和冶炼等特点。因此，近年来发达国家纷纷把海洋矿产资源研究重点由铁锰结核、 结壳转向海底热液矿床。海底热液矿床因其潜在的经济价值，已成为举世瞩目的海 底矿产资源。 对海底热液矿床的研究，不仅对海洋矿产资源的调查研究与开发有积极意义， 而且对海洋地质学乃至整个海洋科学( 尤其是海洋化学、海洋生物学) 的发展具有推 动作用，因此，它将成为2 1 世纪初期海洋矿产资源调查研究的热点之一。 但是，由于多种原因使然，我国的海洋技术和国外先进水平相比有约1 5 年的 第二章传感器信吁测量的理论分析及关键技术 差距。国内目前使用的海洋高新技术装备9 0 以上是进口的。特别是在深海领域， 科研装备几乎一片空白，因此，深海科研装备的研究，是我囡实现海洋强国的重 要举措，也是本文的研究内容。 1 2 深海资源研究开发的重要意义 深海资源开发是指海水3 0 0 0 米以下资源的开发利用。2 0 世纪以来，飞速发展 的世界经济在给人们带来财富、舒适的同时，也消耗了陆地及近海有限的资源， 使今天的世界各国都面临着资源日益短缺的窘况。资源就是财富，于是人们把目 光投向了占地球表面积4 9 的各国管辖海域外的国际海底区域。那里蕴藏着巨大 的、丰富的资源，是人类生存的最后的资源宝库。这些资源主要有： ( 1 ) 宝贵的金属资源 据有关海洋专家研究，仅海洋中的大洋多金属结核的资源总储量估计就达3 万亿吨。大洋多金属结核含有锰、铜、钴、镍、铁等7 0 多种元素，广泛分布在世 界各个大洋4 0 0 0 米6 0 0 0 米深的海底深处，具有极高的开发价值。如锰结核，含 有丰富的金属成分，各成分的含量大约是：锰2 5 ，铁1 4 ，镍1 9 ，铜0 5 ， 钴0 4 。铜、钴、镍是陆地上紧缺的矿产资源，有必要开采海底锰结核获取这些 金属。1 2 ( 2 ) 热液硫化物资源 海底热液硫化物资源通常分布于地球上2 0 0 0 米水深以下的海底热液口附近 口】，温度大约为2 0 0 c 4 0 0 0 c ，压力大约为2 0 0 4 0 0 b a r 。热液喷口的温度最高可 达3 7 0 0 c 左右，其附近繁衍着许多鲜为人知的生物种类与微生物群落，并有大量 金属硫化物沉积。这里不仅孕育了独特的矿产资源和生物资源，同时也是观察地 球内部与外部物质能量交换的重要窗口。 ( 3 ) 天然气水合物资源 天然气水合物又称“可燃冰”，是水与天然气相互作用形成的晶体物质。可燃 冰有很强的浓缩气体的能力，一体积的可燃冰可以分解为1 6 4 体积的天然气和0 8 体积的水，是其他非常规气源岩( 诸如煤层、黑色页岩) 能量密度的1 0 倍，为常 规天然气能量密度的2 至5 倍。据专家声称，可燃冰的总能量将是煤、石油和天 然气的3 倍。形成可燃冰需要一定的客观条件，包括提供天然气的气源、低于摄 氏2 0 度的温度和足够大的压力。自然界中符合这种条件的地带主要是在深海的海 底。可燃冰在世界各大洋中均有分布，其总面积约占大洋面积的1 l o ，相当于 4 0 0 0 万平方公里，是迄今为止海底最其价值的矿产资源。 ( 4 ) 深海生物基因资源 2 第二章传感器信号测量的理论分析及关键技术 深海生物基因资源是国际海底的一种新型资源，在工业、医药、环保、国防 等领域都具有广泛的应用前景。目前的基因资源争夺正逐步由陆地向深海、极地、 地球深层推移。基因资源的争夺，是关系到2 1 世纪国家命运的大课题【4 】o 深海资源研究开发p j 的第一阶段是深海资源的勘探，勘探方法有直接方法和浏 接方法。直接方法有观测( 载人潜水器、水下照相机、水下电视等) 和取样( 深 海钻探、柱状取样等) ，这些方法往往不能用来发现异常，因此海底勘探中更为常 用的是间接方法，它利用精度很高的仪器来探测海底的环境状况，如水声探测【3 4 、 地球化学探测等，它的探测面广，使用方便，是深海资源研究开发中不可缺少的 方法。这些仪器都使用特定的传感器，传感器将深海环境参数转换为电量，通过 电路系统的测量来实现深海资源的探测。 本文研究的深海物理化学传感器信号测量系统就是利用温度和化学传感器及 与之匹配的电路集成系统来实现深海资源探测的。 1 3 国内外研究现状 目前，利用传感器信号处理与集成系统来实现深海资源探测的技术取得了长 足的进步，特别是原位探测技术。所谓原位探测技术，是指一些科学家通过深海 机器人、载人深潜器等，将深海探测设各放置在海底热液口等他们感兴趣的地点 附近，在一段较长时间后，再将这些设备取出，在实验室中分析其中测量到的各 种信息。这些探测设备通常集成了各种物理、化学传感器，这些传感器能感知环 境的变化，探测设备中的电路系统能将这些感知通过数字电平的形式记录下来， 以供科学家进行后期分析。 1 3 1 国外研究现状 发达国家在对东太平洋和大西洋洋中脊热液体系的勘查与研究中，较多地使 用了更为先进的现场快速分析系统( 又称在线式化学传感器，o n - - l i n ec h e m i c a l s e n s o r ) 6 1 。此类系统与原位探测系统类似，一般也都集成有温度、浊度传感器和 不同的化学探头。它们并非放置在某个已经发现的异常点附近，而是搭载在c t d 剖面仪或深海拖曳体上，与水样采集器联合使用。现场快速分析系统能及时发现 由热液活动引起的扩散流异常，并将这些异常情况通过长电缆以数字电平的形式 实时的传输给科学考察船中的科学家，科学家通过对信号的分析，了解海底的水 样性质，从而达到发现深海异常的目的。 美国等发达国家最近在洋中脊热液的原位探测领域取得了重要进展。k d i n g 第二章传感器信号测量的理论分析及关键投术 和w e ，s e y f f i e d ，j r ( 1 9 9 9 ) 首次在高达3 7 0 。c 的温度 6 5 , 6 6 1 成功探测了热泉流体的主 成分。m l i l l e y ( 2 0 0 0 ) 报道了同一地区类似的原位连续探测，后者的探测成功地延 续了一个月1 7 j 。他们使用的探测器有两种。一种是安装在载人深潜器或遥控机器人 ( r o v ) 上，由机械手把探头直接插入热液喷口；另一种是能独立工作的原位探 测器，由载人深潜器安放在喷口附近适当位置，对热液活动进行长期连续观测。 原位探测器的开发研制，己成为美国海洋科学重点资助方向之一。美国航空局 ( n a s a ) 对原位探测器的进展给予高度关注，并认为高性能的原位探测器有可能 在未来的外星生命探测中发挥重要作用。此外，不应忽视原位探测器的潜在军事 用途。 1 3 2 国内研究现状 我国在深海探测技术领域与发达国家存在较大差距。9 0 以上的深海作业设备 及探测系统都是进口的，不符合我国作为政治和领海大国的应有地位。近年来， 我国加大海洋资源研究的投入，取得了不少的成果，研究成功的某些设备已经达 到世界领先水平，如由国家8 6 3 计划委员会立项，国家海洋技术中心自主研发的 高精度c t d 剖面仪 g a o , h ，已经进入世界先进c t d 剖面仪行列。下表是它与世界 上最先进的美国s b e 公司的s b e9 1 1p l u s 和g o 公司的m a r k 3 c w o c e 的性 能对比。 表1 - 1 国内外c t d 性能比较一览表 产品名称国内赫型c l d 美国通甩公司美国海鸟公司 翻面仪胁h y k 3 c w o c e s b e 9 2 2 p l u s 温度测量范围o c一5 斗3 5- 5 斗3 2 - 2 - - - + 3 5 测量精度o c0 0 0 30 0 0 20 0 0 1 电导测量范围m s ，c mm 石50 7 0o 一7 0 蛊 测量精度m s c m 0 0 0 34 - 0 0 0 34 - 0 0 0 3 压力测量范围m p a 0 3 60 - - 6 00 缶0 测量精度0 0 1 5 f s 0 0 1 5 e s 4 - 0 0 1 5 f s 为了进一步缩短与发达国家在深海探测技术领域的差距，我国的一些科学家 积极参与到发达国家的科学考察活动中，通过合作、访问或是直接学习、借鉴经 验的方式，加快我国在该领域的前进步伐。2 0 0 1 年1 2 月初至2 0 0 2 年2 月底，导 师陈鹰教授受国家留学基金管理委员会国家重点实验室主任及系主任专项基金的 资助，赴美国进行了访问研究，参加美国国家自然科学基金委组织的东太平洋9 o n 2 l0 n 隆起地区海底热液科学探险考察活动，活动代号为a d v e n t u r e 9 【1j 。陈老 师在探险考察活动的过程中，做了很多深海探测方面的工作，成功地实现了从海 4 第二章传感器信号测量的理论分析及关键技术 面到海底的一个柱面上的化学量的测量，同时带回了很多第一手的科研资料和宝 贵的经验。此次下潜，是第一位中国科学家乘坐a l v i n 载人深潜器下潜到2 5 0 0 m 深处实地考察了海底热液地区，因此具有深远的意义。 1 4 课题背景和研究内容 1 4 1 课题背景 陈鹰教授自参加a d v e n t u r e l 9 科学探险考察活动以来，带领课题组其他人员， 积极投身到深海资源勘探作业技术的研究。他结合我国在深海资源勘探研究方面 的实际情况，除了载人深潜器及其相关技术之外，提出了很多机电装备技术方面 的研究方向，包括： ( 1 ) 深海物理、化学传感及自容式信号处理与保存技术。 ( 2 ) 保压保真的水体气体取样技术。 ( 3 ) 悬浮生物浓缩保真采集技术。 ( 4 ) 海底极端环境的地面模拟技术。 ( 5 ) 海底表面沉积物的保真采样技术。 ( 6 ) 深海底表面富钴结壳的潜钻技术。 ( 7 ) 大洋金属结核开采中的流固两相输送大功率高扬程抗磨损水泵技术。 ( 8 ) 海水中的非接触式高性能信号传输技术。 ( 9 ) 深海电能供给技术，等等。 2 0 0 1 年，我们课题组承担了8 6 3 计划“环境与资源”领域的“海洋资源开发 技术”主题的“大洋固体矿产资源成矿环境及海底异常条件探测”课题以及中国 大洋协会技术发展项目深海资源勘查技术项目：“热液硫化物现场快速分析系统研 究”。作者承担的主要研究内容是该课题中“传感器信号处理与封装”部分的工作。 1 4 2 课题研究内容 1 4 2 1 研究目的 作者承担的课题是研制一套适用于热液口附近高温高压环境下的、可集成三 种高温高压电化学传感器探头以及能工作于高温高压环境的温度传感器探头的传 第二章传感器信号测量的理论分析及关键技术 感器信号处理与集成封装设备。它既可以用来探测海底异常环境，又可以直接工 作在高温高压环境的热液口周围，测量并自动存储由于环境变化引起的物理、化 学传感器的输出信号。这些数据可以供科学工作者作进一步的分析，从而实现寻 找海底热液口等海底异常环境或对这些异常环境进行长时间的科学研究、考察的 目的。 1 4 2 2 主要研究内容 本课题主要研究内容如图1 一l 所示，其中灰色部分是由本人完成，而化学传感 器的研制由地科系完成，封装设计主要由刘仲明硕士完成。 图1 - l 课题主要研究内容 各部分的具体研究内容如下： ( 1 ) 化学传感器及其测量模型的确立 这些化学传感器不仅要能够工作于高温高压的深海极端环境，而且要求有尽 量高的灵敏度，即它们有很强的感知环境变化的能力。由于这些化学传感器的专 用性以及发达国家对这些技术出口的很多限制，目前很难购买现成的产品。本课 题化学传感器部分的研制主要由浙江大学地球科学系叶瑛教授领导的课题组来完 成。而化学探头模型的确立，需要由我们来共同完成，一起分析整体技术方案的 可行性。对我们来说，提出的要求是当环境有异常时，他们的化学传感器模型输 出的信号量对数字电路系统来说是可分辨的。否则，化学传感器与信号处理电路 的合成便不能实现探测深海异常的目的。 ( 2 ) 温度传感器及其测量模型的确立 与化学传感器类似，现成的温度传感器通常不能直接在高温高压的环境下工 作，我们必须对它进行适当豹改进，使其在高温高压的环境下，仍然能够正常工 作。尽管我们了解到有些热液口附近的水温很高，达到4 0 0 0 c 左右，但是它冷却 的非常快，除了离热液口非常近的周边水温与正常水温差别很大外，其他地方的 区别是很小的，因此要求本系统对温度有尽量高的灵敏度。为此，我们在选择温 度传感器的时候，在该传感器能工作在深海极端环境的前提下，必须考虑传感器 本身的各项性能指标，对传感器本身的精度、重复性、灵敏度、稳定性及响应特 6 第二章传感 信号测量的理论分析及关键技术 性等提出了很高的要求。在选择好温度传感器的基础上，确立它的测量模型，使 其在满足课题要求和电路可实现的前提下有尽量高的分辨率。 ( 3 ) 传感器信号处理电路的硬件实现 传感器信号处理电路需要完成温度、化学传感器输出的微弱模拟信号的数字 化，并将其存放在非易失性大容量数据存储器中。处理电路同时要能够实现与p c 机的直接通讯，以便将有用数据发送给p c 机。同时还需要有必要的外围功能模块， 如实时时钟系统，以便母船进行g p s 定位。 ( 4 ) 单片机与上位机的软件设计 单片机系统中的软件需要实现的功能是使系统按照预先设计好的工作方式， 定时采样，并将有用数据自动存储，在用户发出需要这些数据的指令后，能够将 这些数据不失真、不丢失的可靠输出给用户。而且，良好的软件设置可以实现系 统的低功耗，大大延长供电电池的使用时间。 基于w i n d o w s 平台的实现与单片机通讯的软件俗称上位机。上位机需要建立 与单片机实现异地通讯的规范协议，同时建立与后台数据库的连接，将接收到的 数据存储在后台数据库中。 ( 5 ) 系统集成试验研究 包括抗压设计与控制系统模拟调试平台的搭建、传感器性能试验方法研究等 等。 1 4 2 3 主要技术难点及创新点 ( 1 ) 微弱信号的准确测量 本课题中的温度探头选用金属热电阻p t l 0 0 。由于金属热电阻存在发热问题， 一般通过它的电流不能超过5 m a ，因此，当温度变化0 0 1 0 c 时，电阻变化大约为 3 9 1 0 。q ，其电压变化不超过： a u ：5 m a 3 9 1 0 。q = 1 9 5 1 0 “v = 1 9 5 u v 所以，当温度变化了0 0 1 0 c 时，他的电压变化非常的小，对此信号进行采集 时，除了要求元器件有很高的性能外，还要求电路结构合理。否则，这些微弱信 号会淹没在噪声信号中，而不能准确测量。 ( 2 ) 系统超低功耗要求 本集成系统采用电池供电，因此要求电路在满足功能要求的前提下功耗尽量 低。目前，我们要求电池至少能对系统供电4 8 小时以上，在将来系统用作原位探 测作用时，则提出了更高的要求，电池至少能供电1 4 3 0 天以上。 ( 3 ) 低功耗自容式大容量数据存储技术 7 第二章传感器信号测量的理论分析及关键技术 由于数据量很大而且很有价值，对存储器不仅提出了大容量的要求，而且要 有很高的安全性，在电池断电或者存在其他故障时，数据不能丢失或出错。在存 储器处在非工作状态下，要求存储器的静态功耗很低。 ( 4 ) 适用于高温高压环境的多探头集成技术 温度与化学传感器因工作原理的截然不同，因此对他们的集成也有一些讲究。 如温度传感器本身是封装在金属外壳中的，而化学传感器则需要与海水直接接触， 因此他们的集成方法有所区别。为了承受深海的巨大水压，我们需要对温度传感 器的封装型式进行设计，使它在该压力下不会变形而影响温度传感器的精度。同 时在温度传感器的壳体中设计了两道“o ”型圈，用于密封。化学传感器由于本身 跟海水接触，不需要进行封装。但是化学传感器很细，因此给密封带来了很多的 困难，我们使用引电器的方法，保证海水在高压环境下不会通过化学传感器而渗 透到电路系统中。 第二章传感器信号测量的理论分析及关键技术 第二章传感器信号测量的理论分析及关键 技术 本章简单介绍了温度传感器、化学传感器的工作原理及特征，为适于 本课题深海极端环境的传感器选型与研制建立了科学依据。重点分析了高 精度温度测量模型，从理论上保证了测量方案的可行性，并讨论了在测量 过程中将用到的关键技术。同时重点描述了化学传感器的高源阻抗、低载 流能力等信号特征及解决这些问题的技术方案。 2 1 引言 随着现代计算机和自动化技术的发展，作为各种信息的感知、采集、转换、 传输和处理的功能器件，传感器的作用日显突出，已成为自动检测、自动控制系 统和计量测试中不可缺少的重要技术工具，其应用已遍及工农业生产和日常生活 的各个领域【1 5 】。近年来，各种新型海洋传感器也是发展顺速。但是在深海复杂的 物理、化学和生物环境下，巨大的压力和大范围变化的温度都意味着常规海洋传 感器不能直接应用于大洋海底现场监测。同时，鉴于深海化学传感器的研制和试 验费用比其它常规传感器高许多倍，其技术尚未完全成熟，习前市场使用规模有 限，所以产业化的深海高压高温化学传感器很少报道。由于深海海底化学传感器 一直是深海调查的关键技术，因而世界上先进国家的深海异常环境化学传感器的 研制，基本上依靠大学或研究机构中的大型海洋调查和研究计划的实施，进行新 方法的探索和新技术的改进，通过实验室和现场测试试验来进一步提高其性能。 我国在化学传感器方面的研究发展缓慢，国内化学传感器在海洋中的应用大多处 于理论研究和成果转化阶段，其稳定性和寿命有待于进一步提高。而在大洋海底 化学传感器( 高温、高压环境) 的研究方面基本上是空白。 化学传感器是洋底成矿环境及异常条件探测系统中的核心技术，研究的较多 的是电化学传感器。目前国际上对适用于热液口附近高温高压环境进行探测传感 器的研究工作尚处于实验室研究阶段，主要包括p h 、1 - 1 2 与h 2 s 探测器以及一些物 理量的传感器【l 4 】。 2 2 深海温度传感器选型与封装设计 对本课题来说，因工作环境的特殊性及复杂性，以及测量精度的较高要求 9 因此，我们需要在分析现有温度传感技术的基础上，选择一种最适合的温度传感 器。这个工作非常有必要，如果因不加分析而选择不当，可能在理论上就决定了 我们的设计方案是达不到课题要求的。 2 2 1 适于深海环境的温度传感器选型 常用的温度传感器有热电偶温度传感器、热电阻温度传感器、p n 结温度传感 器、红外、光纤等新型温度传感器及温度变送器等【i5 1 。这些传感器的工作原理不 尽相同，其各项指标也有很大的差别。本课题中温度传感器测量的对象是海水温 度，上述有些传感器由于本身结构的原因就不能使用。如口n 结温度传感器，通常 集成在芯片中，不能直接放置在海水中。红外温度传感器是利用测量物体所辐射 出来的辐射能量来测量物体的温度，但测量精度低，使用温度范围小，通常使用 在非接触式测量中。光纤温度传感器是以光导纤维作为温度敏感元件或用光导纤 维传输信号的温度传感器。它结构复杂、防振性差，难于应用在本课题中。 实际上，我们能够选择的温度传感器种类并不多，下面简单介绍一些传感器 的原理及性能，为我们最终选择p t l 0 0 温度传感器建立科学依据。 2 2 1 1 热电偶 热电偶传感器是工业控制中使用最多的温度传感器，它的工作原理是基于 1 8 2 1 年发现的赛贝克效应【l 副，即两种不同的导体或者半导体a 和b 组成一个回路， 其两端相互连接，只要两结点处的温度不同，端温度为t ，另一端温度为t o ， 则回路中就有电流产生，见图2 - 1 ( a ) ，回路中存在电动势，该电动势被称为热电 势。两种不同导体或半导体的组合称为热电偶。当回路断开时，在断开处有一电 动势e t ，如图2 1 ( b ) 所示。 a ( + ) t ) t 0 ( + ) ( a ) 图2 - 1 热电偶工作原理图 ( b ) 第二章传感器信号测量的理论分析及关键技术 2 2 1 2 热电阻 金属热电阻传感器的感温元件是由纯金属制成。当温度变化时，感温元件的 电阻值随温度而变化，这样就可将变化的电阻值作为电信号输入测量仪表，通过 测量电路的转换，即可得到被测温度。实验表明，许多纯金属的电阻率在很宽的 温度范围内可以用布洛赫一格林爱森公式描述，即 式中a 一金属的特性常数 m 一金属的原子量 日。一金属的德拜温度 丁一热力学温度，单位k 。 当t 0 5 h 。时，上式可简化成 胛，“鲁去 制作热电阻的理想材料有铂、铜、 阻。铂热电阻以金属铂作为感温元件。 2 2 1 3 热敏电阻 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 镍等。其中最常用的金属热电阻为铂热电 热敏电阻工作原理同金属热电阻一样，也是利用电阻随温差变化的特性测量 温度。所不同的是热敏电阻半导体材料作为感温元件。不同的热敏电阻材料，具 有不同的电阻一温度特性。按温度系数的正负，将其分为正温度系数热敏电阻、 负温度系数热敏电阻和临界温度系数热敏电阻。常用的热敏电阻为负温度系数的 热敏电阻( n t c ) ，其电阻一温度特性可表示为： 11 坼= r 7 ie x p b 咕一寺) ( 2 - 3 ) 11 0 式中，r ，一绝对温度为r 时热敏电阻的阻值： r 。一绝对温度为瓦时热敏电阻的阻值； 口一负温度系数热敏电阻的热敏指数。 第- i 章传感器信号测量的理论分析及关键技术 2 2 1 4 传惑器选型 上面简单介绍了热电偶、金属热电阻以及热敏电阻的工作原理，在这一- d , 节 我们将这些温度传感器作一个比较，从传感器本身的结构特征、稳定性、重复性、 互换性以及信号特征等着手，来选择适用于本课题的传感器。 热电偶的优点在于结构简单、价格便宜、测量范围广。由于只要工作端与参 考端有温差，就会产生相对应的热电势，而不需要对其供电，很符合本课题提出 的电路尽量简化、功耗尽量低的要求，但是热电偶本身的工作原理及特性也决定 了它不能用在超高精度测温场合。常用热电偶的各种性能如表2 1 所示。 表2 - 1 常用热电偶的性能比较 名称分盘 1 k 1 0 酽c 最高使用温度糖度允许偏差 氟岳t o = o 。c长蠲短期孝级 e t ( m v )c c l阳 铂铑，铂 s0 6 4 31 3 0 01 6 0 01o 1 0 0 0 ：l o c 1 0 0 0 1 6 0 0 ：+ 【1 + 0 0 0 3 ( t - 1 0 0 ) 1 铂铑”铂铑s b0 0 3 41 6 0 01 8 0 026 0 0 1 7 8 0 ：0 2 5 f 镍铬一镍硅 k4 0 9 51 0 0 01 2 0 010 4 0 0 ：士1 6 0 c 4 0 0 1 1 0 0 ：4 t 铜糜铜 t4 2 7 72 0 03 0 014 0 3 5 0 ：1 。c 或0 7 5 t 常用热电偶的热电特性如图2 2 所示”】。由图可见，热电动势和温度间的关 系都是非线性的，除非设计专门的线性化电路加以校正，和利用计算机技术进行 数据处理，才能得到温度的均匀刻度。 盖 图2 - 2 常用热电偶的热电特性 热敏电阻的优点是：灵敏度高、体积小、响应快。其缺点是：电阻值随温度 呈非线性变化、元件的稳定性及互换性差。金属熟电阻由于易于提纯，在氧化介 质和高温下的物理化学性能极其稳定，具有很高的精度及很好的重复性，而且工 1 2 第_ 二章传感器信号测量的理论分析及关键技术 艺性好，除作为一般的工业测温外，在国际实用温标中，作为从一2 5 9 3 4o c 6 3 0 7 4 o c 温度范围内的温度基准。 在深海环境下的水温基本上在0 4 0 c 范围内，表2 2 列出了常用的m f 5 e 高 精度热敏电阻和p t l 0 0 金属热电阻在0 8o c 时的名义电阻值，从中我们可以看出， 热敏电阻非线性很大，但是灵敏度比p t l 0 0 高的多。 表2 - 2 金属热电阻，热敏电阻热电特性比较 温度e c )口12345678 热敏阻值2 9 4 2 2 8 0 92 6 8 32 5 6 32 4 4 92 3 4 l2 2 3 92 】4 12 0 4 8 也龌阻差 一1 3 3- 1 2 61 2 0- 1 1 41 0 8- 1 0 2- o 9 80 9 3 p t l 0 0阻值1 0 0 0 01 0 0 3 91 0 0 7 81 0 1 1 71 0 1 5 61 0 1 9 51 0 2 3 41 0 2 7 31 0 3 1 2 阻差0 3 90 _ 3 90 3 9 o 3 90 3 9o 3 90 3 9o 3 9 金属热电阻除了比热敏电阻有更好的线性关系和稳定性外，它本身的精度比 热敏电阻高的多，表2 - 3 列出了i 级金属热电阻p t l 0 0 和1 5 级热敏电阻的精度指 标。从表中我们可以看出，在o 4 0 c 附近，i 级金属热电阻p t l 0 0 的精度显然比1 5 级热敏电阻高的多。表2 - 4 列出了常用热电偶、金属热电阻( 以p t l 0 0 为例) 及 热敏电阻的各方面性能比较，本文研究的传感器信号测量系统在选择温度传感器 时主要以此表作为参考。 表2 - 3p t l 0 0 热敏电阻精度比较 表2 - 4 常用热电偶、热电阻及热敏电阻性能比较 对于本文研究的传感器信号测量系统来说，我们最关心的便是温度传感器的 灵敏度、测量精度和稳定性。从表2 q 中可以看出，p t l 0 0 温度传感器有较好的精 度和稳定性，而灵敏度不够可以通过使用高精度a d 转换器来解决。结合上文， 我们在本课题中选择i 级金属热电阻p t l 0 0 作为系统的温度传感器。当然，这并 不意味着热敏电阻就不能使用，实际上，随着技术的提高，目前国内国外都有一 些热敏电阻产品达到了相当好的水平，年稳定性达到0 0 1 0 c 。进口的y s i 系列热 敏电阻在0 3 5 0 c 的区间，还达到了o 0 5 0 c 的互换精度垆。 第二章传感器信号测量的理论分析及关键技术 2 2 2 p t l 0 0 的耐高压封装设计 p t l 0 0 温度传感器的感温元件是金属铂，在使用过程中，铂本身不能直接与被 测环境接触，而是用细金属丝均匀的双绕在绝缘材料制成的骨架上，再用绝缘套 管、金属保护管将其封装起来。 工业上常用的p t l 0 0 温度传感器封装型式有装配式、铠装式等，但是都不能 满足本课题的特殊要求。首先工业用的温度传感器一般都是在常压环境下的，不 能承受本课题的4 0 0 0 米水深的高压环境。其次，本课题工作在深海中，对温度传 感器与系统封装壳体集成后的密封性能提出了很高的要求。而且，我们要求温度 传感器在满足要求的前提下，尽量小巧，便于安装。所有这些要求表明，对于本 课题来说，温度传感器的封装型式只有自己设计才能达到要求。 根据应用的要求以及材料力学中有关容腔失效的理论，我们设计的金属保护 管如图2 3 所示。其中所用材料为1 c r l 8 n i 9 t i 。取安全系数为3 ，将参数【用，d ，s ，吒 代入可得： 业 1 。同时，为了解决好振幅自动稳定 的问题，通常还需要利用非线性元件来实现振荡幅度的自动稳定，使其输出幅值 稳定在某一个范围内。 实际的使用过程中，由于热电阻的阻值变化太小，在二次根方后就更小了， 因此它的频率变化很难用电路系统来测量。 如果能够提供高稳定性、高灵敏度的热电阻，那么文氏振荡器的测量方法非 常好，因为它输出的是频率的变化，因此抗干扰能力很强。实际上，我国国家海 洋技术中心的一帮研究人员已经使用这种方法成功研制了高精度c t d 剖面仪中的 】8 p一毒一 第二章传感器信甘测量的理论分析及关键技术 温度测量部分。不过他们使用的热敏电阻温度传感器是由专门的研究机构来研制 的，稳定性和灵敏度都非常好，且重量轻、热容少、安装方便。 2 4 2p t l 0 0 的三线制测量法 p t l 0 0 热电阻通常是通过直流电桥来完成从电阻值变化到电压输出信号的转 换的- -。 1 - - 一一图如图2 - 9 ( a ) 所示。输出电压的输出表达式为 1 5 1 ： u ：垒墨二墨! 鱼e( 2 6 ) ( 且】+ e ) ( 月2 + r 3 ) 式中足为温度传感器在温度为f 时的阻值，它随温度变化而变化。 高精度参考电平e 高精度参考电 ( b ) 图2 - 9 测温直流电桥 如果e 0 ，则r ：r ，= r 。r a 时( 假设此时温度为r ) ，电桥达到平衡，即u = 0 。 假设温度从t 变化为，+ 出时，p t l 0 0 的阻值从r ，变化到置+ a r ，此时电桥输出为： u2 q + m u 2 i 页r i ；2 ( j r l j + _ a i r i j t ) i - i 而r i r 3 石 ，、 ：一 生竺! e ( 露l + r ，+ a r ，恐+ r 3 ) 但实际上，如果采用二线制接法，由于p t l 0 0 温度传感器的引线在温度变化 时其阻值也会发生变化，因此其严格的示意图如图2 - 9 ( b ) 所示，其中r 厶、r 岛为 p t l 0 0 两个引线的阻值，只要引线的长度相同，其阻值也相同( 2 4 1 。假设在温度为 时它们的阻值均为r ，而在t + 缸时为r + a r 。 1 9 第二章传感器信号浸4 量的理论分析及关键技术 则同样假设在温度为，时，电桥达到平衡，即 u ，毒些兰尘型坠e ：0 ( 2 - 8 ) ( r l + r ，+ 2 r ) ( r 2 + r 3 ) 而温度为t + 出时，输出 u + ，_ 璺! 竺! ! 竺2 e ( r i + r ，+ 2 r + 欲，+ 2 欲) ( r 2 + b ) ( 2 9 ) 。墨! ! 竺! ! 塑 e ( r l + 置+ a r ，) ( r 2 + r 3 ) 比较式( 2 - 7 ) 与式( 2 - 9 ) ，可知输出中多了一项p t l 0 0 引线电阻变化引起的 电平，由于测温系统要求的精度很高，因此不允许测温系统中存在这样的非线性 误差。 在测温精度要求较高时，为了消除接线电阻和引线电阻的影响，通常采用三 线制测量法。如图2 1 0 所示。 高精度参考电平e 图2 1 0p t l 0 0 的三线制测温电桥 弓l 线 图中r l ，、r l ：、r l ，为p t l 0 0 的引线电阻，如上所述，只要引线的长度相i