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1、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
2、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
3、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 R
4、i 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8400
5、B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
6、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;
7、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 ,
8、 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
9、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
10、 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
11、 , 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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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,
23、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
24、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
25、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
26、] , 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,
27、 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
28、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
29、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
30、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
31、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
32、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 参考文献: [ 1] 张兆英. 高精度CTD剖面仪研制中的问题与对策[ J] . 海洋技术, 2001, 20 ( 1): 130-
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40、 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__
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