高精度CTD剖面仪应用.docx

CTD测量技术的现状与发展
张兆英
(国家海洋技术中心, 天津　300111)
摘　要: CTD测量技术是海洋研究开发的关键技术之一。本文简述了CTD测量技术基本原理,介绍了国内外CTD
技术的现状和动向, 同时还探讨了CTD技术的发展趋势和关注的几点看法。
关键词: C TD测量技术; 现状; 发展
中图分类号: P716　　　文献标识码: C　　　文章编号: 1003-2029 ( 2003) 04-0105-06
　　C TD测量技术是研究海洋和应用海洋的最基
本的一种技术。“九五” “ 863” 计划使我国CTD测
量技术发生了巨大变化, 无论从高精度CTD剖面
仪研制上, 还是CTD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先进水平。高精度
CTD剖面仪已经列为“十五” “ 863” 标准化的项目,
而C TD检定设备正在为海洋仪器的研制鉴定检定
进行服务。随着海洋世纪的到来, CTD测量技术越
来越受到世界各国的普遍重视, 在国内国际具有很
大的市场。可以相信, 在目前广泛应用的基础上, 将
有更加宽阔的发展前景。
1　CTD测量技术
1. 1　CTD测量技术简介
K = K (R )
　　对于海水CTD参数的测量, 可以归结到一种
物理量的测量。例如, 由传感器测量响应的电阻的
变化来完成。简而言之, 电导率C与一定海水水柱
的电阻有关(C= K ) ,可以通过流过电导池的海水的
电阻随海洋环境(海水的温度、压力和盐度) 的变
化来提取。温度的变化通过热敏电阻反映海水的温
度T (K= T )。而深度D一般通过压力测量, 根据
数学关系进行计算。而压力P ( K= P ) 的测量采用
应变式硅阻随深度变化取得。
收稿日期: 2003-02-11
基金项目: 国家高技术研究发展计划( 863 计划) 资助
( 2001AA632050)
实际上传感器感应的海水CTD参数, 通过转换电
路的输出为电信号。一般说来传输特性为一高次多
项式。
K = Σn
i= 0
ai Ri
　　为取得传感器的定标方程, 要求严格的试验程
序: 第一, 需要足够精度的测试设备; 第二, 权威的
计量标准; 第三, 根据传感器与定标设备, 设计测量
方案, 制定操作步骤, 测量取数; 第四, 进行符合传
感器物理特性的定标方程的拟合。
“九五” “ 863” 高精度CTD剖面仪的定标水槽,
采用直径850 mm, 深度1 300 mm, 控温精度十万
分之一度( 0. 000 001℃ ) , 水平温场和垂直温场不均
匀度均达到0. 000 3℃。利用精度为0. 001℃的基准
铂电阻温度计, 由F18电桥测温, 由水三相点和镓
熔点的温度校准。使用8400B实验室盐度计来测量
盐度, 由国际一级标准海水校验。利用十万分之五
的活塞度压力计对于压力传感器进行测压。根据传
感器研制测试经验,设计了定标试验的操作步骤。取
得高精度CTD剖面仪传感器的定标方程。下面给
出了高精度C TD剖面仪的传感器定标方程。
1. 1. 1　电导率传感器定标方程( S /M) [2 ]
V=
g + h f 2 + i f 3 + i f 4
10( 1+ dt+ eP )
式中: V为电导率( S /m) ; f 为频率( K Hz) ; t为温
度(℃ ) ; P 为压力( dB) = 0; d= 3. 25× 10- 6为电
导池玻璃的温度系数; e= - 9. 57× 10- 8为与压力
相关的系数; g , h, i , j为回归方程确定的系数。
1. 1. 2　温度传感器定标方程(℃ ) [ 3]
第22卷　第4期
2003年12月　　　　　　　　　　　　海　洋　技　术
OCEAN TECHNO LOGY
　　　　　　　　　V ol. 22, No. 4
Dec. , 2003
T 90 =
1
a+ bln
n0
n
+ cln
2 n0
n
+ dln
3 n0
n
+ eln
4 n0
n
- 273. 15
式中: T9 0为温度(℃ ) ; n为温度传感器频率; n0=
1 000. 00 Hz; g , h , I , j 为回归方程确定的
系数。
1. 13　压力传感器定标方程( MPa)
P = 0. 006 895× C( 1 -
T20
T2 )
[1 - D( 1 - ( 1 -
T20
T2 ) ) ]
式中: P 为压力( MPa) ; T 为压力传感器的振荡频
率的周期(μS) ; t 为压力传感器壳内的温度
(℃ )。并有C= C1+ C2t+ C3t2 ; D= D1+ D2 t;
T0= T1+ T2t+ T3t 2+ T4 t3; C1 , C2 , C3 , D1 ,
D2 , T1 , T2 , T3 , T4 为回归方程确定的系数。
1. 2　“九五” “ 863” 成果—— 高精度CTD剖面仪
SZC- 15 CTD系统是国家“ 863” 计划支持, 研
制成功的自容式海洋剖面测量仪器。可以测量海洋
表面到3 000 m水深剖面各层的海水温度、电导率
(盐度)、深度、溶解氧和pH等参数。空间分辨为4
cm左右(下放速度为1 m /s) , 时间分辨率43 ms。
SZC-15 C TD系统可根据用户需要, 在规定的深度
控制采水器现场采水, 具有高精确度、高速响应和
高稳定性特点。同时, SZC-15 CTD系统使用方便,
能以将整机进行分解或组合应用。既可以整个系统
多个传感器同时进行测量和采水, 也可以由一个或
多个传感器组成的剖面仪单独进行测量。可用于全
球海洋测量以及国际海洋合作项目, 是海洋科学考
察研究、海洋资源调查开发、海洋环境监测预报以
及海洋军事应用的基础仪器。
1. 2. 1　技术指标
SZC-15 C TD系统包括SZC-15 C TD剖面仪和
多瓶智能采水器选件。同时, 还可以配置深海测量
的溶解氧以及pH传感器。可以用于我国海域以及
世界深海远洋的考察与调查。
表1　传感器特性[1]
类别测量范围测量精度分辨率响应时间
温　度- 5～ 35℃ ± 0. 001℃ ± 0. 000 5℃ 0. 07 s
电导率0～ 65 m S /cm ± 0. 003 mS /cm ± 0. 000 5 m S /cm 0. 07s
溶解氧0～ 15 mg /L ± 0. 2 mg / L ± 0. 02 mg /L 2. 0 s
pH 2～ 14 ± 0. 1 ± 0. 01 1. 0 s
压　力0～ leFw0xMDAz30 M Pa ± 0. 015% F. S. ± 0. 05 k Pa 0. 02 ms
　　传感器预留接口: 3个;
采水器: 12瓶× 2. 5 L;
采样率: 每秒24次;
存储容量: 8MB FLASH;
用户程序: 全中文界面;
电源: 直流15 V , 500 mA;
重量: 150 kg (空气中) 190 kg (带水瓶) ;
尺寸: 1 100× 1 395 mm;
储存温度: - 50～ + 55℃。
1. 2. 2　CTD测量技术研究
CTD剖面仪研制是CTD测量技术核心。研制
过程大致分为如下几步: 传感器研制, 系统安装, 信
号采集, 数据处理。
第一传感器研制为关键。概括分为几个过程:
敏感元件研制、转换电路研制和测试定标设计实施。
首先, 制作敏感元件包括生产、测试与开发应
用研究。设计技术指标, 优化结构, 选择材料, 制
定工艺和测试方法。由专业厂生产。经测试后, 进
入海洋环境的应用开发。解决耐压、水密、防腐问
题, 解决电气特性与时间常数以及快速响应与封装
材料工艺设计等。并且完成性能测试如: 温度稳定
性试验, 高分辨率精度试验, 干扰屏蔽性能测试等。
传感器为封闭式电极式电导率传感器、热敏电阻温
度传感器和石英数字压力传感器[ 1]。
然后, 设计转换电路。根据传感器的特点, 确
定电路形式: 振荡器为频率输出, 或者A /D转换为
数码输出。对于高精度快速响应的一般采用前者。而
对于低功耗的设计多选择后者。需要解决的是噪声
　10　6　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海　洋　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 22卷
干扰和温度漂移问题。通过运用电路技术如: 设计
反馈网络、试验接地接零, 屏蔽外界干扰, 建立模
拟或数字化补偿机制等措施, 确保传感器输出信号
稳定。CTD剖面仪转换电路采用了经典的文氏振荡
器内核, 辅助以电路稳定技术: 反馈、补偿等[1 ]。
最后, 在完成敏感元件制造与转换电路调试基
础上, 进行传感器性能试验以及定标测试。建立试
验环境、专用测试设备和CTD测试标准。借助大型
恒温海水水槽, 依据传感器的物理特性, 制定测试
方法, 通过一定的测试流程、观测点选取和数据采
集, 建立传感器数据处理的数学和定标方程。高精
度C TD剖面仪的定标恒温设备和测量标准是具有
世界水平的大型恒温海水槽, 水平温场和垂直温场
稳定度为万分之三摄氏度, 一等铂电阻温度计通过
F18 电桥测温, 由8400B实验室盐度计产量电导
率, 而运用十万分之五的双火塞压力计进行压力测
试[1 ]。
第二系统安装。不仅采用耐压、水密和防腐材
料, 而且要考虑加工和特殊性能处理。对于海洋剖
面仪的工作环境, 系统安装对于传感器测量性能关
系密切, 布放方法和动态的海洋环境特点, 一般应
通过硬件和程序设计, 同时, 传感器的稳定性与海
水特性(物理的、化学的等) 影响以及用户对传感
器的专门维护不可分割。“九五” “ 863” 研制的高精
度CTD剖面仪设计了专门结构(如海水流经路线)
与维护方案(如电导池清洗流程) [4 ]。
第三信号采集。对于传感器信号的采集传输,
关键在于振荡器频率的高分辨率采集。一般设计专
用逻辑线路, 如混合周期计数器来实现。而传输通
讯, 针对海水电导率、温度和压力传感器信号的特
性, 设计硬件逻辑语言( HDL) 和有结构定义的固
定的数据格式。高精度C TD剖面仪开发了复杂可
编程逻辑器件采集频率信号, 采集精确度达到±
0. 05 Hz。制定了通讯命令, 对于采集处理后的存储
回放数据进行归档整理, 按帧进行(数据状态采水
帧) 定义。实现了FLASH ( 8MB) 存储器, 资源分
配合理, 传输达到高可靠低误码率的效果[5 ]。
第四数据处理。根据传感器定标方程和海洋稳
定特性首先标志奇异数组, 根据传感器结构和安装
条件消除盐度尖锋、压力效应和温度效应等。并且
对于电导池热惯性、温度传感器结构与海水粘滞效
应进行订正[1 ]。
2　CTD测量技术现状
目前, C TD剖面仪的温度传感器, 广泛采用的
是热敏电阻或者铂电阻。热敏电阻的阻值( R0 ) 较
大, 灵敏度高, 温度的传输函数为指数线性。易于
制作, 一般为珠状或片状, 稳定度达到0. 001℃ /a,
响应时间60 ms。铂电阻最大特点是温度的传输函
数是线性, 铂的性能稳定。缺点是同样尺寸的铂电
阻阻值( R0 ) 比热敏电阻小。精度和稳定性两者相
差无几。目前CTD剖面仪的温度传感器几乎都采
用了热敏电阻。
电导率传感器主要为电极式和感应式, 标称精
度均为0. 001 mS /cm。两种传感器各有所长, 时起
时落循环不息。一般说来, 电极式测量精确度高, 抗
干扰能力强。但是时间常数大, 易污染, 清洗复杂。
感应式的坚固稳定, 响应速度快, 易清洗, 但是易
受电磁干扰, 精度不高。美国海鸟公司采用电极式
电导率传感器, 设计了潜水泵强制水流速度, 消除
盐度尖锋, 成果显著。通过温度传感器的时间常数,
调节泵流量, 实现数字补偿, 有独到之处。但是, 近
来遭到以下海洋微结构研究工作者的质疑, 认为潜
水泵的介入, 破坏了海水的自然状态。由于海鸟公
司三电极时间常数较长, 意大利的300系列的C TD
剖面仪, 运用了无泵的大导流口径的7电极与海鸟
公司来竞争。
压力传感器多半是应变式与硅阻传感器。近来,
硅阻式压力传感器有取代应变式之势。精度在
0. 1% F. S. 左右。0. 01% 高精度压力传感器则采用
带有温度补偿的石英压力传感器。
2. 1　美国CTD测量技术检定设备, 无论在质量上
还是数量上均名列前茅, 仪器精度和种类雄霸世界
海洋技术市场。C TD研制生产单位近百家。在我国
颇有名气公司如海鸟、FSI、IO、和YSI等近10家
(表2)。20世纪90年代, 加拿大贝德副海洋研究所
( BIO) 对MK3和SBE911两种CTD剖面仪进行海
上测试比较, 结论是, 性能达到WOCE计划的要
求[6 ]。
2. 2　日本流行自容式CTD仪器。特点是体积小、
重量轻与功耗低。目标面向海洋调查, 注重发展链
式系留传感器测量技术, 而且致力于近岸环境检测
与向内河水体物理化学等参数的观测应用。同时,也
　第 4期　　　　　　　　　　　　　　张兆英: CTD测量技术的现状与发展　　　　　　　　　　　　　　　　　10　7　　
出现了多功能— — 结合化学和光学参数测量—— 传
感器综合测量仪器。设计中广泛采用大容量的闪光
寄存器, 最近向高速采样技术发展。其中ALEC 采
用超小型结构设计, 令人耳目一新。
表2　美国几个厂家的CTD仪器性能一览表
项　　目SBE911 Plus ICTD 513D M K3C
温　度
电导率
压　力
范　围- 5～ 35℃ - 2～ 35℃ - 5～ 45℃ - 5～ 32℃
精　度± 0. 001℃ ± 0. 001℃ ± 0. 02℃ ± 0. 002℃
响　应65 mS 20 m S 1400 mS 30 m S
范　围0～ 70 m S /cm 0～ 70 m S /cm 0～ 65 m S /cm 0～ 70 mS /cm
精　度± 0. 003 m S /cm ± 0. 002 mS /cm ± 0. 02 mS /cm ± 0. 002 m S /cm
响　应65 mS 50 m S 20 m S 30 m S
范　围0～ 6 800 M 0～ 6 000 M 0～ 6 000 M 0～ 7 000 M
精　度± 0. 015% F. S. ± 0. 01% F. S. ± 0. 15% F. S. ± 0. 014% F. S.
响　应35 mS 30 m S 10 m S
厂　家SeaBir d FSI I. O. GO
2. 3　欧洲的一些发达国家如英国、意大利和挪威等
一直进行C TD测量技术的研究和开发。AAN DERAA
公司以海流计海洋仪器为主, 同时配有CTD传
感器, 但是一般为修正声速目的, 精度偏低。同时
也生产一些浅海测量的温度链和温盐链, 我国曾大
量应用该公司的海洋仪器。后来, 意大利IDRON
AU T公司开发了300系列C TD仪器, 研制出小
型的大口径的7电极电导率传感器, 与美国海鸟公
司的三电极的911PlusCTD竞争。直接挑战海鸟的
带潜水泵的三电极电导率传感器。该种仪器采用压
力平衡式的设计, 研制特殊的七电极电导池, 其导
流管的口径、长度与整体结构均与海鸟有显著差别,
声称可以消除潜水泵对于测量引起的危害。而且转
换电路也一改海鸟振荡器的设计, 基本采用A /D转
换。2002年7月瑞典的海洋科学工作者弗朗西斯等
将意大利IDRON AU T 公司OCEAN SEV EN
320CTD 与美国SEABIRD 公司的
SBE911PLU SC TD进行海上测试比较, 认为两者性
能相近趋势一致。[7 ]
2. 4　现在, 我国即将跻身世界C TD测量技术前
列。“九五” “ 863” 研制成功的高精度CTD剖面仪
及其检定设备测量精度与技术指标已经达到或接近
世界同类先进水平。2002年5月, 由中国海洋大学
东方红2号海洋科学调查船实验室对于高精度
C TD剖面仪和美国公司的SBE911PLU SC TD进行
海上同船测试, 比测结果是测量数据相近, 趋势一
致[8 ]。现在, 我国的CTD测量技术迅速发展, 不仅
有自容式、电缆式和电磁耦合式C TD测量仪, 同
时, 还研制了或正在研制的有近海、远洋多种类型
的CTD测量仪器。如: 船体固定式CTD, 拖曳式
C TD、抛弃式XC TD、浮标自返式C TD剖面仪等。
在精度与稳定性上已经达到或赶上世界先进水平。
特别需要指出的是, 不仅在价格上具有竞争性, 更
重要的是, 在面向用户服务, 根据用户需要及时的
改进, 仪器维护修理与测试标定等所有的技术支持
方面以及技术培训等方面,优于其他国外任何厂家。
3　CTD测量技术发展趋势
C TD测量技术已经和正在广泛深入地应用在
海洋科学的宏观研究与微观研究中, 并且取得了显
著效果。通过极区南大洋严寒海水的调查, 发现了
海水离开极区流动, 形成地转流[9 ] ( g eo t ropic current
) ; 通过国际海洋合作调查, 如全球海洋流量实
验(WO CE) , 研究了海气交换与海气耦合作用, 发
现了影响人类生产生活的重要气候现象—— 厄尔尼
诺现象和拉尼那现象; 海水的应力( st rain a nd
shear) 对于潜艇进攻防御具有重要影响[ 10] , 海水的
　10　8　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海　洋　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 22卷
温度蒸发与盐度扩散具有因果关系和不同的规律
—— 盐手( sal tfing er) 现象[11 ]。在进入海洋世纪的
今天, 动力海洋、海洋生态、海洋资源的调查开发
以及近海海洋的整合治理等, CTD测量技术具有广
阔的应用前景。然而, 下列技术更值得注意。
3. 1　小型低耗多功能的CTD仪器市场非常看好
小型低耗C TD仪器适用于海洋监测, 布放的
CTD使用周期从1个月、3个月、1 a甚至达到2 a。
用于ARGO计划的自容CTD剖面仪, 一般工作在
1 a 以上, 国际上已经有工作2 a以上的报道。ARGO
计划的目标要求达到5 a。国内正在进行低功耗
CTD测量技术研究。
目前, 市场上的小型CTD仪器大小与手电筒
可比拟, 重量仅几十克。采用5号或更小的电池供
电, 工作可达到几百天。在开展海洋污染监测中, 大
量采用该种先进的C TD测量技术。因此, 体积大耗
电高而又笨重大型仪器将缺乏竞争力。
所谓多功能C TD仪器不仅与化学传感器如
pH溶解氧, 还有水文、生物和光学传感器。其中将
CTD与海流计共同配置日益多见。如与S4电磁海
流计一起进行系留测量。上个世纪末, 国外已经使
用投放式声学多卜勒海流计LADCP—— Low ered
ADC P[13 ] [ 14] [ 15 ]。然而, 国内正在开展LADCP与
CTD剖面仪安装在一起的深海C TDC研究。“十
五” “ 863” 一期任务中, 我中心承担了6 000 m电缆
传输式CTDC剖面仪课题, 在二期任务中, 又联合
其他单位承担了以CTDC研究为主的“水下流浪潮
综合测量技术” 课题。
3. 2　CTD高速采集测量技术日益重要
高速采集测量技术适用于海洋环境中特殊平台
的要求。要求研究短周期海洋剖面的变化规律, 如
潜艇的攻击、逃逸或悬停等。影响武器发射轨道的
海洋剖面变化的有效时间很短, 因此需要时间分辨
率与空间分辨率均很高。例如为了海水应力研究,模
拟水下导弹发射现场状态试验, 对于一个500 m浅
海测量剖面的测量频率达到500次/d[25 ]。不仅高频
测量, 主要的还满足高速采集测量。首先信号采集
存储问题, 同时海洋测量技术以及与数据处理的有
关的海洋学力学材料理论以及数学处理软件, 值得
一提的是要求具有理论经验的海洋测量的专用人
才。采集速率达到256次, 现在一般30次左右。
3. 3　CTD高频响应测量技术要求迫切
传统的CTD测量已经无法满足世界海洋事业
发展的需要。海洋变化的时间空间的同步或准同步
测量日益迫切。解决的方法之一是提高CTD平台
载体的速度。如拖曳式CTD剖面仪, 拖体航行的速
度达到3～ 6 m /s[12 ] , 抛弃式X CTD下降速度约为
6 m /s,固定在船体平台的速度更快, 一般在10 m /s
以上。目前, 一般CTD剖面仪的运行速度为0. 5～
1. 0 m /s。几十年来, 经过研究, 解决了与C TD剖
面仪的运行速度想匹配的传感器的时间常数问题,
温度电导率时间常数达到60 ms左右。
我国拖曳式CTD超过4 m /s。X CTD下降速度
6 m /s。对于船体固定式C TD运行速度远大于10
m / s。众所周知, “九五” “ 863” 的高精度CTD剖面
仪下放速度2 kn约0. 5～ 1 m /s左右。温度电导率
时间常数达到70 ms左右。市场上出售的拖曳式
C TD, 几乎全部为仪器经销商组装的, 简单的将采
购的C TD剖面仪与用户指定的拖体拼凑为一个一
个整体, 传感器的响应时间与传统C TD完全一样。
不仅如此, XC TD或船体固定式CTD盖莫能外, 传
感器响应时间与传统C TD完全一样, 只是平台速
度提高而已。在高速测量平台下传感器的响应速度
并没有加快。因而迫切要求研究CTD高频响应测
量技术, 解决提高传感器的响应速度的问题。随着
传感器时间常数减小, 对于材料结构, 特别是制造
工艺设计、测试环境和测试设备以及数据处理将提
出更高要求。
4　结论
首先, 以“九五” “ 863” 成果高精度CTD剖面
仪为基础, 进行标准化产品定型, 尽快占据市场。同
时, 开发系列化C TD产品, 满足海洋事业日益增长
的需要。最后, 完成建立研发推销技术支撑体系, 实
现为我国海洋开发服务目标, 并且努力面向世界发
展。
　第 4期　　　　　　　　　　　　　　张兆英: CTD测量技术的现状与发展　　　　　　　　　　　　　　　　　10　9　　
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The Status and Dev elo pment of CTD Measurement Technology
ZHAN G Zhao-ying
( National Ocean Technology Center , Tian jin 300111, China )
Abstract: The C TD measurement techno logy i s o ne of key o cean technologies. The principle on C TD measurement
technique is brief ly presented. It 's status and dev elopments a re also int roduced. In addi tio n,
some point s o f v iew abo ut t rend and focus of CTD measurement technique a re di scussed.
Key words: CTD measurement technolog y; status; dev elopment
　11　0　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　海　洋　技　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 22卷__