海洋仪器▏适用于水下滑翔器的CTD传感器设计
海水的电导率(Conductivity)、温度(Temperature)、深度(Depth)，即CTD 测量技术是研究、利用海洋的关键技术之一，其技术研究在海洋科学调查、资源开发利用、国际海洋合作研究以及军事海洋学应用等方面有着重大的意义。温盐深(CTD)传感器作为重要的水文调查工具，可获取海洋物理学环境参数，对海洋物理学在环境、流场及水动力等方面的研究提供重要的温、盐、深等基础性数据。水下滑翔器是将浮标潜标技术与传统水下机器人技术相结合而产生的一种新型水下机器人。与传统水下机器人相比，它具有能耗低和对母船依赖小等突出优点，可以用于远距离、大范围、长时间海洋环境测量和监测，也可于雷区探测和海域监视。与浮标和潜标相比，水下滑翔器具有优越的机动性、可控性和实时性，可以完成沿垂直剖面和水平剖面的大尺度海洋环境测量和监测作业。水下滑翔器可搭载多种传感器外设，其中获取温、盐、深基本的海洋动力参数，是水下滑翔器实际应用最基本的需求。目前市面上现有的CTD传感器在功耗、体积及性能稳定性方面无法适用水下滑翔器的搭载需求。
目前国内外研制的水下滑翔器搭载的CTD传感器多为电极式电导率传感器，其电导池多为两电极、三电极、四电极或七电极构成，具有响应时间快，抗电磁干扰强等优点，但存在长期使用电极出现极化效应，且不易清洗等缺点。而感应式电导率传感器在抗海洋生物污染方面相对电极式拥有先天优势，并具有尺寸短、孔径大、易清洗、易维护等性能。美国伍兹霍尔海洋研究所Raymond和Robert于2006年研制的一种新型四电极CTD传感器经有限元建模与积分法测试，可有效地降低传感器阻抗以提高水下滑翔器滑翔性能，其电导池可以快速清洗，低流体动力阻力的优点。美国海鸟公司的Carol于2011年介绍了一种搭载于水下滑翔器的CTD传感器具有模块化、低功耗的优点，流经电导池的流量可以精确控制。
随着CTD传感器技术的发展，水下滑翔机还可以搭载有泵的CTD，以控制与增强被测海水在电导池中的流动性。意大利北约海洋研究和实验中心Alberto等学者于2013年通过对水下滑翔机搭载有泵和无泵两种CTD的比测海试，证明有泵的CTD传感器可以获取更高精度的盐度数据，更适用于近海表层海水测定，但高精度的数据获取受限于水下滑翔器平台的运动速度。
国内针对适用于水下滑翔机的温盐深测量技术相关研究也取得了一定的进展。2014年9月至10月中国科学院沈阳自动化研究所“海翼号”水下滑翔机完成南海多滑翔机同步区域覆盖观测试验，获得了229个1000m温盐深剖面观测数据，经数据分析，揭示了两次海洋上层水体混合层变冷现象。
2015年天津大学Petrel Ⅱ型水下滑翔机搭载海鸟公司的UCTD在台湾浅滩以东海区域进行环境监测，通过分析温盐深数据捕捉到南海孤立波，并获得了孤立波的振幅、周期等重要特征。
综上所述，为解决国内现有技术不足，本文介绍了一种新型适用于水下滑翔器的CTD传感器的研制过程，所研制的CTD传感器在微型化、低功耗、重量轻等方面有所创新与突破，可作为水下滑翔器的主要搭载仪器，实时连续测量温、盐、深海洋动力参数。CTD传感器还可根据上位机控制指令，设定系统时钟、数据采样时间，进行系统休眠与唤醒，提供后备存储数据，与其它仪器设备进行数据交换。
一、温盐深传感器微型化减重结构设计
微型化CTD传感器总体结构包括传感器前端盖、耐压舱体、后端盖、内部电路系统及水密连接器几大部分。其中，前端盖集成有热敏电阻、压力传感器及电导率传感器探头。端盖结构设计中，将电导率传感器置于端盖中间位置，温度传感器与压力传感器分置两侧。使3个传感器探体分布紧凑、外型美观。CTD传感器耐压舱体内部设有电路板安装支架，主控电路板与电导率信号处理电路板安装在支架上。传感器后端盖体与五芯水密连接器进行硫化，与水下滑翔器对应接口进行连接，适用于水下滑翔器的CTD传感器实物图如图1所示。
图1 CTD传感器实物图
该CTD传感器体积小，传感器端盖内径45mm，密封壳体外径49mm，五芯水密接头外露尺寸长20mm，密封壳体长145mm，传感器探头最长50mm。在其整体机械机构设计的基础上，重点解决传感器重量轻的问题。CTD传感器耐压壳体与端盖均采用不锈钢316L，电导率磁环封装采用工程塑料以降低仪器重量。传感器内部结构紧凑，减少不必要的系统冗余，热敏电阻、压力传感器及电导率传感器的导线与电路板直接焊接，并加支架进行固定，端盖设有O型圈，与密封壳体紧密连接，整个仪器重量为920g，去掉传感器耐压壳体，在非水密设计状态下，仪器仅重460g。
二、微型化集成温盐深传感器设计
目前，CTD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。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比热敏电阻小，精度和稳定性两者相差无几。根据两种传感器的特点，考虑到海水的特性及测温方便性，我们选用灵敏度高，易于制作的热敏电阻，并带有不锈钢螺纹封装，有利于密封耐压设计。
热敏电阻封装外壳材料采用不锈钢316L，采用一体式封装，热敏电阻紧贴外壳，具有良好的导热性，不影响热敏电阻的技术指标。外壳中间设有O型圈凹槽，引出导线使用绝缘材料，如图2所示。
图2 热敏电阻及封装外壳
选用的压力传感器为OEM设计，该传感器直径在同类产品中尺寸较小。传感器是设计用在有腐蚀性介质恶劣环境中的高压的应用场合，适用于深海应用环境。此压力传感器有一个油绝缘外壳，带有温补和校准用的一体式陶瓷，内有质量成熟的压敏电阻半导体传感器芯片。此设计被原厂商大量实际应用证明性能极可靠、稳定和精确。该传感器有一个焊接的套环和具有高循环寿命能力的特殊背支承环，可与电压或电流供电一起使用。
压力传感器外加不锈钢316L管螺纹封装，螺纹后端台阶加装O型圈。为降低功耗，压力传感器使用5V弱电激励，对输出数据进行电路放大处理，如图3所示。
图3 压力传感器及封装外壳
感应式电导率传感器的测量原理见图4。将定频率的激励交流电源加在初级线圈上，在初级线圈圆周截面上感应到一个定频率的交流感应电动势。
在此电动势的作用下周围的流体形成一个电流回路，其交流电流为I，则次级线圈感应到I/m(m为次级线圈匝数)的交流电流，通过整流放大电路可得到一个与流体电导率相关的交流电压信号，同时可消除次级线圈磁场特性影响。电导率信号处理电路还设有全波整流电路，它将初级线圈输出的参考信号进行整理，与放大电路输出电导率信号经比较处理电路运算，输出给主控电路板的ADC，以进行电导率数据采集与处理。
为适用水下滑翔器测量电导率的需要，电导率传感器特采用流体式结构设计，感应式磁环灌塑设计出特制模具并整体密封，并加强非金属与金属件结合处的强度与耐压性能，如图4所示。
图4 电导率传感器测量原理图
三、低功耗电路系统设计与试验
由于水下滑翔器对CTD传感器的体积与功耗要求严格，因此我们重新设计了传感器的电路。CTD传感器电路控制系统包括控制板和电导率信号处理板两部分。电路结构示意图如图5所示。
图5 CTD传感器电路结构示意图
控制板是传感器信号采集处理核心控制单元，其主要资源包括：功耗管理性能良好的单片机，用于采集温度、盐度与深度的16位模数转换器，用于传感器与上位机通讯的RS232串口电路及必要的LDO稳压电路与参考电压电路。为降低系统功耗，且CTD传感器设计为直读式而非自容式传感器，去除FLASH存储电路与RTC时钟电路。
为降低系统功耗，微处理器共有五种运行模式可互相切换，根据不同系统任务，通过关闭CPU、时钟源，可显著降低系统功耗，最小运行电流仅0.1μA。
由于CTD按照预先设定的时间间隔间歇工作，故而，在系统运行过程中，除必需的数据采集工作和供电部分外，其余所有模块都断电或进入低功耗休眠模式，可显著提高单片机系统的运行周期且降低系统功耗。其它主要器件均选用低功耗器件，所有的贴片电阻电容在满足系统设计需求的基础上，均选用小功率0603封装模式。此外，主控电路板设有针对电导率信号处理板激励供电电源的开关电路，间歇式开启控制需要较大功耗的电导率传感器，以降低系统功耗。
为使水下滑翔器适用不同海况下的应用环境，在电路设计中增加电导率信号处理板的定位螺孔，改变原来舱体内CTD传感器主控板与电导率信号处理板扎条固定的方式，改用铍铜合金紧固件与接插件进行连接固定，大大提高了仪器抗振性能。在电路板没有空间增加时钟芯片的情况下，无法在每个数据包中加时间，因此单片机程序通讯数据增加了序列号定时输出格式。
功耗实验采用青智公司型号ZW1622A的盘装直流电量表，测试CTD传感器的系统功耗，CTD传感器满负荷累计消耗电量296.9(A.s)，工作时间累计8699s，则计算出传感器的平均工作电流34.13mA，满足水下滑翔器搭载要求。
四、CTD传感器标定
温度传感器标测试验使用低温恒温槽，该设备底部带有强磁力搅拌，具有二级搅拌及循环系统，使槽内温度更为均匀，可单独做低温、恒温循环泵使用及提供恒温冷源。槽体温控表精度高，操作简便，具有PID整定功能，温度设定和测量温度均为数字显示，清晰直观。标定试验温度范围-5～40℃，精度±0.1 ℃，分辨率：0.001℃，试验设备与原始数据曲线如图6所示，X轴为电路控制系统ADC测得的模拟电压值，Y轴为实测温度值。
图6 温度传感器标定试验与原始数据曲线
压力传感器标测试验使用山东省海洋环境监测技术重点实验室的25-0120101型活塞式压力计，该压力计准确度0.05级，测量范围0～60MPa。活塞式压力计通过特制铜管连接螺母槽，压力计中充满锭子油至螺母槽口。将温盐深传感器的压力传感器前端螺纹旋入压紧螺母槽中，逆时针拧紧，给传感器通电。使用手摇转盘对预压泵加压，将压力值分别设定在0MPa，1MPa，2MPa，3MPa，4MPa，5MPa，6MPa，7MPa，在压力计上加入与被测量压力相应的砝码，先用双手转动砝码使其转动，转速大约为30～60r/min，再用调压器加压，使活塞上升，持续保压，当压力值稳定时，读取传感器显示值，试验设备与原始数据曲线如图7所示，X轴为电路控制系统ADC测得的模拟电压值，Y轴为实测深度值。
图7 压力传感器标定试验与原始数据曲线
按照国标方法，温度和电导率传感器的标定都应在恒温海水槽中进行。等待海水槽温度达到平衡后，在3min之内读取10组温度和电导率数据；同时从测温电桥上读取10组一等铂电阻温度计数据，作为该测试点温度标准值。在读取温度标准值时，进行海水取样。电导率传感器标测试验使用台式电导率计，其电导率测试量程0.000uS/cm～500mS/cm，精度±0.1mS/cm。实验过程中，使用台式电导率测试仪测定不同温度点取样海水的电导率值，与国际盐标公式换算得出的电导率值进行比对，试验设备与原始数据曲线如图8所示，X轴为电路控制系统ADC测得的模拟电压值，Y轴为实测电导率值。
图8 电导率传感器标定试验与原始数据曲线
五、海试及结果
2016年10月26日，项目组租用青钓338船在青岛胶州湾进行了为期1d的海试，选取3个站位，分别为站位1（36.03.016 °N，120.15.767 °E），站位2（36.04.084 °N 120.15.629 °E），站位3（36.05.187 °N120.15.902 °E）。研制的适用于水下滑翔器的CTD传感器定型为SZQ1-1，同海鸟SBE19 Plus的CTD传感器进行比测。
海试过程中，将SZQ1-1 型CTD固定安装在SBE19 Plus 的支架上，将两套仪器同时定点投放，并读取数据（如图9所示）。
图9 海试过程
在海试船舱中，通过水密缆实时读取各仪器采集的数据并进行存储。其中，站位3海试10组比测数据如表1所示。
表1 海试比测数据表
表2 比测数据误差表
由表1及表2可以看出，SZQ1-1和SBE19 Plus两台CTD传感器测得的温度、电导率与深度数据趋势一致，但存在一定的测量误差。例如，以SBE19 Plus测量数据作为真值，当仪器投放至9.201m时SZQ1-1和SBE19 Plus测量的温度数据相差0.2489 ℃，测得的电导率数据相差0.021mS/cm，深度数据相差0.151m；当仪器投放至最大深度26.4m时，SZQ1-1 和SBE19 Plus测量的温度数据相差0.0302 ℃，测得的电导率数据相差0.227mS/cm，深度数据相差0.01m。两台CTD传感器测量的温度最大误差为-0.4426 ℃，电导率最大误差为0.373mS/cm，深度最大误差为0.195m。而最大误差都是仪器刚开始下放不久测得的。经对海试结果进一步分析，误差产生的主要原因是：
⑴从比测的2种型号仪器采集的数据来看，明显可以看出SBE19 Plus的温度与压力传感器响应时间及数据稳定时间比SZQ1-1快，测量的电导率数据SBE19 Plus更加稳定。
⑵两台被测仪器的温盐深探头没有处于同一水平位置，带来一定的系统误差。
⑶SZQ1-1型CTD传感器集成的是电磁感应式电导率传感器探头，易受电磁场扩散效应干扰而影响电导率测量精度；而SBE19 Plus集成的是三电极式电导率传感器探头，且配有水泵控制流经电导池的海水的流速，因而响应时间更快，测量精度更高。
六、结束语
适用于水下滑翔器的新型CTD传感器SZQ1-1，已被用于黄海和南海海洋调查和业务化推广及应用示范。该款仪器具有微型化、低功耗，重量轻、运行稳定等特点，特别适合水下滑翔器、拖曳体、AUV、ROV或其它自动化观测平台，可实时连续测量温、盐、深海洋动力参数。其测温精度±0.1℃，电导率测量精度0.03mS/cm，深度测量精度±0.2%FS。但与国外先进CTD传感器相比，测量温度的响应时间及测量电导率数据的一致性，稳定性等方面还存在差距，有待于进一步改进。
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【作者简介】本文作者/吕斌 宋文杰 刘鹏 刘杰 贺海靖 吴承璇 高金龙，分别来自齐鲁工业大学（山东省科学院）、山东省科学院海洋仪器仪表研究所和山东省海洋环境监测技术重点实验室。第一作者吕斌，1980年出生，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为深远海探测与海洋调查装备技术；通讯作者宋文杰，1971年出生，男，应用研究员，主要研究领域为海洋调查仪器装备技术；本文为基金项目，山东省重点研发计划资助项目(2017GHY15130)、海洋公益性行业科研专项经费资助项目(201205035)；文章来自《海洋技术学报》（2019年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归出版社与作者共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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