SZC15-4型多参数剖面仪设计.docx

1、海洋技术学报JOURNALOFOCEANTECHNOLOGYSZC15-4型多参数剖面仪设计程敏，车亚辰，高坤，邹强，李红志(国家海洋技术中心，天津300112)摘要：CTD是测量海水温度、电导率和压力的仪器，在海洋科学考察、海洋资源调查开发、海洋环境监测预报和海洋军事研究中应用广泛qSZC15-4型多参数CTD是国产SZC15系列CTD最新型号，用于测量海水的温度、电导率、深度和叶绿素浓度，适用于近岸海洋调查。文中介绍了SZC15-4型多参教CTD剖面仪的性能、工作原理、系统组成和工作流程。并通过海上试脸，与SBE19CTD在相同环境条件、相同采样速率下作比测，通过对实验数据做相关运算得出S

2、ZC15-4型CTD与SBE19在温度、盐度相关性优于0.9999,表明两种仪器具有很高的相关特性。关键词:CTD；多参数；海上比测；相关系数中图分类号：P716文献标志码:A文章编号:1003-2029(2015)05-(X)62-04收稿日期：2015-02-18基金项目：天津市科技兴海资助项H(KJXH2O14-I4)；海洋公益性行业科研专项资助项0(201005035)作者简介:程敏(1985-).男.硕士.程师.主要研究方向为海洋测量传感器；E-niail:ehm269海水的温盐深是研究物理海洋学的基础。CTD测址仪是一种能够测星海水的电导率(C).温度(7)和压力(。)的海洋仪器.

3、在大洋调查中起到重要的作用。“九五”863计划818-02主题CTD专题使我国CT1)测量技术有了一个迅速的发展.无论从高精度CT1)剖面仪研制上，还是CTO检定设备标准的建立方面，都赶上或达到了国际同类产品的水平。SZC15-4型多参数剖面仪是国家海洋技术中心SZC15型剖面仪系列产品之一。该仪器可以测抵海水表面到6(X)m水深的海水温度、电导率、压力和叶绿素的剖面参数。在近海海洋调查，近海海洋资源开发和军事海洋等领域均有应用。1总体设计SZC15-4型多参数剖面仪是在国家“十五”863计划“高精度CTD剖面仪成果标准化”项目的技术基础上，增加叶绿素测成功能，并重新设计外形。仪器主要由水上机

4、和水下机组成，水上机主要指安装用户软件的计算机(台式机或者笔记本电脑)，水下机指安装在保护架内的CTD主机。CTD主机由温度传感器、电导率传感器、压力传感器、叶绿素传感器、信号调理采集模块、主机控制模块、电源管理模块、电池组、耐压壳体及耐压水密接插件组成如图1所示。图1总体实物图工作时用短路开关接通电源，主机控制模块按照事先设定的工作模式开始测址，并将数据保存记录。当CTD完成一个站位的测量后，W通过用户软件【可放存储器中保存的测量数据。CTD采用9节干电池供电,新换电池可连续工作10h以上。电池组电片过低时用户软件会自动提示，及时更换电池“仪器采用塑料的壳体和金属钛的端盖，既能满足耐压要求，

5、同时还能有效的防止海水腐蚀。CTD主机安装在不锈钢保护架内且保护架与钛材端盖电气隔离。保护架还有一个用于连接卸扣和绞车的支架提手。仪器整机具有可靠，易用，轻便灵活的特点。整机技术参数如表1所示。表1仪器主要技术指标工作水深0-600m测量参数测量范围准确度响应时间温度2+35C0.01r0.07s电导率065mS/cm0.01mS/cm0.07s压力06MPa0.1%F-S0.03s叶绿素0】25岫，1%F-S0.1s采样频率1Hz,2Hz,4Hz.6Hz（可选）测量参数海水电导率、温度、压力和叶绿素计算参数水深、盐度、海水密度和声速供电方式供电方式存储芯片容底9节干电池组成的电池组，新换电池

6、可连续工作10h2G存储芯片,1Hz采样率时可连续存储32h数据仪器外壳材料朔料和钛仪器重量17kg（空气中）仪器尺寸24mmx28mmxl10mm2仪器工作原理及采集系统设计仕-hi|9t2I一公号采集Ig也一中口扩集模块温度传感器使用快速响应的热敏电阻测量海水的温度变化;电导率传感器采用粕电极的三电极电导池来测量海水的电导率变化;压力传感器采用响应时间快的硅阻式压力传感器、叶绿素传感器采用荧光法测量海水的叶绿素浓度。信号采集模块完成对传感器频率信号、电压信号及数字信号的采集，并由主控模块进行数据处理，存入内置大容量TF卡中。用户程序通过RS232通讯接口放数据.并作相应的海洋学处理。系统框

7、图如图2所示。温、盐、深测量功能在国家“I五”863计划“高精度CTD剖面仪成果标准化”的现有技术基础上,将这部分测量功能独立出来，形成一个单独的CTD测量模块。叶绿素传感器由于国家海洋技术中心缺乏相应的试验环境，而且国外产品已较成熟，所以采购WETLAB公司生产的叶绿素仪，直接输出叶绿素浓度值.通过申口发送到串口扩展模块。由于剖面仪是电池组提供电源，需考虑低功耗设计，所以主控模块的MCU选用德州仪器公司生产的低功耗单片机MSP430F149。但是该单片机仅有两个串口,在剖面仪外挂多种传感器的情况下，串口资源过于紧张。在兼顾功耗与功能的前提下，设计串口扩展模块。遵循RS232通信标准的第三方仪

8、器均可以通过申曰扩展模块接入主控核心。剖面测量时主控模块同时采集温盐深和叶绿素的数据，存入内置TF卡中。测量结束后通过申口同放所有数据。仪器每一次开始剖面测量工作时，都会重新上电，因此MSP430主控模块背先进行自检，自检内容包括:仪器上所连接的传感器类型及其是否正常上电工作，潜水系是否正常工作，电池容虽检测,TF卡剩余存储空间检测等。自检完毕且仪器各模块功能均正常工作时，主控模块开始按用户预先设定的匚作模式初始化系统。初始化完成后仪器内置的蜂鸣器开始间歇鸣响，持续1min,提示用户自检及初始化成功完成,可入水进行剖面测量，图2系统框图图3软件流程图系统以设定的采样间隔依次采集AD77143个

9、通道的电压值，电导率传感器的频率值和叶绿素传感器的数字量。并按照78国际盐标公式，用电导率、温度和压力计算出盐度。当Is定时间隔到时，将这Is内测破得到的数据及计算得到数据加上时间信息，打包成一个数据包，存入TF卡中。系统的软件流程如图3所示。3水上终端剖面仪所记录的数据是原始测量数据，而在海上做剖面试验时由于波浪、海流、船体晃动等环境因素的影响.测量数据中有部分是受干扰而产生的无效数据，所以需要通过水上机对原始数据进行后处理。水上终端应用程序在完成原始数据后处理的同时，还能根据温度、电导率、深度数据计算出盐度、密度、声速等参数.并将温度、电导率、盐度和叶绿素4个参数随深度的变化绘制成曲线，方

10、便用户更直观地了解温度、电导率、盐度、叶绿素的剖面分布。4海上试验4.1实验背景为验证仪器性能，在2014年4月SZC15-4型多参数剖面仪搭乘科学3号考察船进行海上比测实验。在试验海区，进行了一个站位共两次下放300m的剖面测量。选用SBE19作为比测仪器，将SZC15-4剖面仪与SBE19同高度并排捆绑在一起，让温、盐、深传感器处于同一个水平面并尽量靠近。工作模式上两台仪器均设置为自容4Hz采样，保证观测时间同步。海上实验如图4所示，左起为SZC15-4多参数剖面仪，中间是SBE19，右起是国家海洋技术中心研制的SZC15-2型CTD剖面仪。4.2海上比测曲线海上试验原始数据的处理方法是根

11、据仪器自身传感器时间常数和数据采集系统的特点，借鉴国外相关仪器的数据处理方法，利用MATLAB作为分析工具，对原始数据采用剔除粗大误差、时间常数更匹配、数据平滑、去除逆压等步骤。最终得到比测曲线如图5所示。图5温度、电导率和盐度比测曲线相关关系是-种非确定的关系，相关系数能够研究变量之间线性相关程度的量，因此可以用相关系数来表征两台比测仪器的性能一致性。经计算比较分析，按压力平均统计数据中所有仪器温度、电导率数据相关系数均优于0.9999.说明SZC15-4剖面仪与SBE19在温度和电导率测量上有高度的一致性。衰2温度、电导率、盐度要素相关性分析统计版相关系数平均绝对误差相关系数平均绝对误差A

12、330.9999180.01220.9999570.011I图6是叶绿素浓度、温度、电导率、盐度随深度变化的剖面曲线，发现叶绿素浓度值在水深40m附近开始显著增大,并且在45m附近出现极大值,而与此同时温度（H与电导率值也出现快速跃变，直观的表现为海水盐度显著增大，所以在水深40Y5m处存在个较强的温盐跃层，叶绿素浓度随着仪器继续下放，数值又开始减小，而此时海水盐度虽然还是呈增大趋势，但温度和电导率变化趋势变缓。综上,海水叶绿素浓度值仅在海水温盐变化最剧烈的水层出现极大值，说明海水叶绿素浓度与温盐的变化剧烈程度有关。5结论本文介绍了SZC15-4型多参数剖面仪的性能、功能、参数、系统组成、工作

13、原理、海试结果,重点介绍了系统组成和T作原理。通过分析该仪器的海上试验数据,表明：(1)SZC15-4型多参数剖面仪和SBE19的温度和电导率实验数据相关性优于0.9999.说明两台仪器性能一致。(2) 温度和电导率曲线一致，但盐度曲线略右偏差，说明在计算盐度时温度和电导率数据匹配不够,需要进一步研究符合SZC15-4型多参数剖面仪特性的数据算法。(3) 叶绿素浓度测量值符合中国南海叶绿素浓度在夏初的经验值，说明仪器测得的叶绿素浓度浓度值是真实和有效的。该仪器作为SZC15系列CTD后续产品之一，可以满足近海海洋调查门益发展的需要。相信今后可以更广泛的应用，并开拓出更广阔的市场。参考文献张兆英

14、.海洋监测技术成果标准化工程定性设计报告【珥.天津:国家海洋技术中心.2004.1 张兆英.等.高精度CTD剖面仪应用研究J.海洋技术,2002,21(2):1-7.胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机M.北京:航空航天大学出版社,2001.(41田雨，等.SZC15-2型CTD数据采集技术研究J.海洋技术.2008.27(1):14-18.DesignoftheSZC15-4Multi-ParameterProfilingInstrumentCHENGMin,CHEYa-chen,（；A0Kun,ZOUQiang,LIHong-zhiNationalOceanTechnology-C

15、enter,Tianjin300112,ChinaAbstract:CTDisakindofinstnjmentusedtomeasureseawatertemperature,conductivityandpressure,andiswidelyappliedinmarinescientificexploration,marineresourcesurveyandexploitation,marineenvironmentmonitoringandforecast,andmarinemilitaryresearch.TheSZC15-4multi-parameterCTDisthenewes

16、ttypeoftheSZC15seriesformeasuringtemperature,conductivity,depthandchlorophyllconcentration,suitedtooffshoremarinesurvey.Thispaperintroducesthefunction,operationalprinciple,systemcompositionandworkflow.Duringtheseatrial,theSZC15-4andSBE19CTDsaretestedandcomparedunderthesameenvironmentalconditionandsamplingrate.Throughthecorrel