技术领域
[0001] 本
发明属于温盐深传感器技术领域，具体涉及一种温盐深传感器及抑制热滞效应的控制方法，是一种适用于
水下自主航行平台的深海温盐深传感器控制方法。
背景技术
[0002]
海水的电导率、
温度、深度测量技术是研究、利用海洋及全球
气候快速变化的关键技术之一。自20世纪70年代初以来，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。
[0003] 水下自主移动式观测平台包括水下
机器人、水下滑翔器及载人深潜作业器等多种系统设备，需要既能够灵活移动，又具备深海水文动力多参数观测和作业取样能力，其海水样本分层
采样及海底
沉积物取样的精密控制需要高
质量的温盐深数据。CTD传感器存在热滞效应，它是由电导池存储的热量引起的。热滞效应是在准稳态
传热的假设下，
流体通过电导池圆柱体壁面储存的热量引起的圆柱和矩形圆柱的温度异常，热滞效应对计算
盐度存在影响，并可推导出该效应的数值模型。
[0004] 当水下自主移动式观测平台穿越
温跃层时，存储在电导池中的热量就会扩散到周围显著影响电导率传感器和温度传感器的测量
精度。当水下自主移动式观测平台从温水进入冷水时，通常是下潜状态，测量的值会比真值要大，导致获得较大的盐度。当水下自主移动式观测平台从冷水进入温水时，通常是上浮状态，测量的值会比真值要小，导致获得较小的盐度。
[0005] 现有市面的用于剖面测量的温盐深测量仪器，多数不具有抑制热滞效应的功能与相应的控制方法，不能很好的适用深海水下自主移动式观测平台温盐深现场测量的应用要求。
发明内容
[0006] 针对上述技术问题，本发明提供一种适用于水下自主移动式观测平台具有抑制热滞效应功能的温盐深传感器控制方法。该方法在温盐深传感器的电导率传感器和端盖上分别集成一个高精度，快速响应的温度传感器；通过对两个温度传感器所测温度进行对比，根据温度差绝对值的大小与范围，以判断是否进行抑制热滞效应的
算法，以及选择热滞效应修正公式与数学模型。
[0007] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0008] 一种温盐深传感器，包括：耐压舱体、设置在所述耐压舱体上的端盖、铂
电阻、
压力传感器和电导率传感器；
[0009] 所述电导率传感器包括电导率
探头和
热敏电阻，所述电导率探头包括用于供被测海水流过的通孔状电导池，所述热敏电阻封装在所述电导率探头的电导池中。
[0010] 进一步地，所述温盐深传感器还包括抑制热滞效应的控
制模块，所述
控制模块对所述铂电阻和所述热敏电阻测量的温度数据进行对比，根据对比获得的温度差值范围，选择相应的抑制热滞效应公式，以获取所述热敏电阻附近的实际电导率，进而实现对热滞效应引起的误差幅度进行校正。
[0011] 进一步地，所述电导率传感器还包括设置在所述端盖上的电导率柱体，所述电导率探头通过所述电导率柱体和所述端盖连接；所述铂电阻和所述压力传感器设置于所述端盖上。
[0012] 一种抑制热滞效应的温盐深传感器控制方法，所述方法包括：
[0013] (1)初始化设置温盐深传感器测量控制模块的参数；
[0014] (2)延时等待，读取端盖上铂电阻采集的温度数据，对铂电阻采集的温度数据滤除奇异值中值滤波处理，四次项拟合公式计算，得到铂电阻温度实测值T1；
[0015] (3)读取电导率探头中封装的热敏电阻采集的温度数据，对热敏电阻采集的温度数据滤除奇异值中值滤波处理，四次项拟合公式计算，得到热敏电阻温度实测值T2；
[0016] (4)将温度测量数据T1与T2相减比较，根据比较结果选择抑制热滞效应公式，以对电导率探头测量的实际电导率数据进行校正，具体为：
[0017] 若相减结果的绝对值|T2-T1|≥t1，则采用的抑制热滞效应公式使用异常弛豫时间τ与灵敏度γ两个参数进行修正；
[0018] 若相减结果的绝对值t2≤|T2-T1|≤t1，则采用的抑制热滞效应公式使用异常弛豫时间τ一个参数进行修正；
[0019] 若相减结果的绝对值|T2-T1|≤t2，则不采用抑制热滞效应公式进行修正；
[0020] 其中，t1和t2两个
阈值是根据温度传感器具体应用海域温跃层的不同变化或具体海况差异而定；
[0021] (5)延时等待，开启电导率传感器探头的激励源，采集电导率传感器的电导率数据，对电导率数据滤除奇异值中值滤波处理，四次项拟合公式计算，得到电导率实测值C；接着关闭电导率传感器探头的激励源；
[0022] (6)延时等待，采集压力传感器的测量数据，对压力传感器的测量数据滤除奇异值中值滤波处理，四次项拟合公式计算，得到压力实测值D。
[0023] (7)结束一次温盐深传感器测量周期。
[0024] 进一步地，步骤(2)中，对铂电阻采集的温度数据滤除奇异值中值滤波处理是指将铂电阻连续测量的m个原始温度数据的
模数转换电压值，去除最大值与最小值，剩余m-2个温度数据的模数转换电压值求取算数平均值vT，其中，m≥3；
[0025] 四次项拟合公式计算，得到铂电阻温度实测值T1的公式为：
[0026]
[0027] 式中，a0、a1、a2、a3、a4是铂电阻按照国标GBT 23246-2009标定试验获取的标准系数。
[0028] 进一步地，步骤(3)中，对热敏电阻采集的温度数据滤除奇异值中值滤波处理是指将铂电阻连续测量的o个原始温度数据的模数转换电压值，去除最大值与最小值，剩余o-2个温度数据的模数转换电压值求取算数平均值vW；其中，o≥3；
[0029] 四次项拟合公式计算，得到热敏电阻温度实测值T2的公式为：
[0030]
[0031] 式中，b0、b1、b2、b3、b4是热敏电阻按照国标GBT 23246-2009标定试验获取的标准系数。
[0032] 进一步地，步骤(4)中，
[0033] 当|T2-T1|≥t1时，电导率传感器测得的实际电导率值计算公式为：
[0034] CT(n)＝-bCT(n-1)+γa[T(n)-T(n-1)]；
[0035] 当当t2≤|T2-T1|≤t1时，电导率传感器测得的实际电导率值计算公式为：
[0036] CT(n)＝-bCT(n-1)+a[T(n)-T(n-1)]
[0037] 其中，CT(n)是当前测量周期电导率传感器测得的实际电导率值、CT(n-1)是前一次测量周期电导率传感器测得的实际电导率值、T(n)是当前测量周期电导率探头中集成的热敏电阻测得的实际温度值、T(n-1)是前一次测量周期电导率探头中集成的热敏电阻测得的实际温度值；γ是电导率对温度的灵敏度；n为采样计数，a，b均为系数，通过以下公式计算：
[0038] a＝4fnαβ-1(1+4fnβ-1)-1；
[0039] b＝1-2aα-1；
[0040] α为以1℃梯度的初始加权流体温度误差，fn为奈奎斯特
频率，τ为水表面温度的异常弛豫时间，β为τ的倒数；系数a，b由温度误差α和异常弛豫时间τ值确定。
[0041] 进一步地，步骤(5)中，对电导率数据滤除奇异值中值滤波处理，是指电导率传感器连续测量p个原始电导率数据的模数转换电压值，去除最大值与最小值，剩余p-2个电导率数据的模数转换电压值求取算数平均值vC；p≥3；
[0042] 四次项拟合公式计算，得到电导率实测值C的公式为：
[0043]
[0044] 式中，c0、c1、c2、c3、c4是电导率传感器探头按照国标GBT23246-2009标定试验获取的标准系数。
[0045] 进一步地，步骤(6)中，对压力传感器的测量数据滤除奇异值中值滤波处理是指压力传感器连续测量q个原始压力数据的模数转换电压值，去除最大值与最小值，剩余q-2个压力数据的模数转换电压值求取算数平均值vD；q≥3；
[0046] 四次项拟合公式计算，得到压力实测值D：
[0047]
[0048] 式中，d0、d1、d2、d3、d4是压力传感器按照国标GBT 23246-2009标定试验获取的标准系数。
[0049] 进一步地，在步骤(6)和步骤(7)之间，还包括以下步骤：
[0050] 步骤(6)结束后，查询是否有上位机串口通讯的设置指令，若没有上位机通讯指令，则直接进入步骤(7)结束一次温盐深传感器测量周期；若接收到上位机通讯指令，则对通讯协议指令的ASCII码进行具体分析：
[0051] 若接收到第一指令，则关闭电导率传感器探头激励源；
[0052] 若接收到第二指令，则开启电导率传感器探头激励源；
[0053] 若接收到第三指令，则温盐深传感器的数据输出模式为模数转换原始电压值与测量值共同输出输出模式；
[0054] 若接收到第四指令，则温盐深传感器的测量数据为正常输出模式；
[0055] 若接收到第五指令，则温盐深传感器的测量数据输出增加序列号。
[0056] 若接收到第六指令，则设置温盐深传感器热滞效应修正，测量时间间隔等参数；
[0057] 对通讯协议指令的ASCII码进行具体分析后，进入步骤(7)结束一次温盐深传感器测量周期。
[0058] 本发明的有益技术效果：
[0059] 本发明提供的方法在温盐深传感器的电导率传感器和端盖上分别集成一个高精度，快速响应的温度传感器；通过对两个温度传感器所测温度进行对比，根据温度差绝对值的大小与范围，以判断是否进行抑制热滞效应的算法，以及选择热滞效应修正公式与数学模型。
附图说明
[0060] 图1为本发明
实施例中温盐深传感器结构示意图；
[0061] 图2为本发明实施例中抑制热滞效应功能的温盐深传感器控制方法的
流程图；
[0062] 附图标记：1.电导池；2.电导率传感器探头；3.热敏电阻；4.电导率传感器柱体；5.铂电阻；6.压力传感器；7.端盖；8.耐压舱体。
具体实施方式
[0063] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
[0064] 相反，本发明涵盖任何由
权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、
修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
[0065] 本发明的温盐深传感器抑制热滞效应的控制方法，是一种适用于水下自主移动式观测平台的新型剖面测量海洋水文动力参数的
软件控制流程与算法。它通过利用电导率传感器集成的参比温度传感器，与温盐深传感器端盖集成的测量温度传感器进行数据对比，根据差值范围，以选择抑制热滞效应公式的方法，以获取参比温度传感器附近的实际电导率，从而对热滞效应引起的误差幅度进行校正。上述方法可显著提高水下自主移动式观测平台搭载温盐深传感器穿越温跃层时测量数据的精度，从而弥补现有相关温盐深剖面测量技术的不足和
缺陷。该温盐深传感器具有长期在线式与自容式测量的工作能力，可应用于水下机器人、水下滑翔器及载人深潜作业器观测平台，对提升获取的海洋水文动力参数的数据质量具有重要的意义。
[0066] 本发明实施例提供一种温盐深传感器，如图1所示，包括：耐压舱体、设置在所述耐压舱体上的端盖、铂电阻、压力传感器和电导率传感器；
[0067] 所述电导率传感器包括电导率探头和热敏电阻，所述电导率探头包括用于供被测海水流过的通孔状电导池，所述热敏电阻封装在所述电导率探头的电导池中。
[0068] 具体地，在所述电导池内部横截面开孔，将并热敏电阻探头封装在其中并进行密封。其中所述电导池内部横截面是指电导率探头的圆柱体状通孔(即电导池)内部弧面的中间
位置，在此电导池内部横截面上开孔攻丝，将热敏电阻探头经
螺纹旋紧，并用O型圈进行密封，并在开孔处填满密封
硅脂。
[0069] 在本实施例中，所述温盐深传感器还包括抑制热滞效应的控制模块，所述控制模块对所述铂电阻和所述热敏电阻测量的温度数据进行对比，根据对比获得的温度差值范围，选择相应的抑制热滞效应公式，以获取所述热敏电阻附近的实际电导率，进而实现对热滞效应引起的误差幅度进行校正。
[0070] 在本实施例中，所述电导率传感器还包括设置在所述端盖上的电导率柱体，所述电导率探头通过所述电导率柱体和所述端盖连接；所述铂电阻和所述压力传感器设置于所述端盖上。
[0071] 优选地，所述铂电阻采用高精度、快速响应的Pt1000。
[0072] 优选地，所述热敏电阻采用高精度、快速响应的NTC热敏电阻。
[0073] 本发明还提供一种抑制热滞效应的温盐深传感器控制方法实施例，采用上述实施例中的所述温盐深传感器，包括：
[0074] (1)初始化设置温盐深传感器测量控制模块的参数；优选地，所述参数包括串口通讯参数、模数转换采集参数、通用IO口参数、看
门狗参数、中断参数；
[0075] (2)延时等待，读取端盖上铂电阻采集的温度数据，对铂电阻采集的温度数据滤除奇异值中值滤波处理，四次项拟合公式计算，得到铂电阻温度实测值T1；
[0076] (3)读取电导率探头中封装的热敏电阻采集的温度数据，对热敏电阻采集的温度数据滤除奇异值中值滤波处理，四次项拟合公式计算，得到热敏电阻温度实测值T2；
[0077] (4)将温度测量数据T1与T2相减比较，根据比较结果选择抑制热滞效应公式，以对电导率探头的测量的实际电导率数据进行校正，具体为：
[0078] 若相减结果的绝对值|T2-T1|≥t1，则采用的抑制热滞效应公式使用异常弛豫时间τ与灵敏度γ两个参数进行修正；
[0079] 若相减结果的绝对值t2≤|T2-T1|≤t1，则采用的抑制热滞效应公式使用异常弛豫时间τ一个参数进行修正；
[0080] 若相减结果的绝对值|T2-T1|≤t2，则不采用抑制热滞效应公式进行修正；
[0081] 其中，t1和t2两个阈值是根据温度传感器具体应用海域温跃层的不同变化或具体海况差异而定；例如在南海北纬21度，东经118度海域，采用多款不同型号的高性能温盐深传感器，经长时间大量海试数据对比分析，在水深100～200米存在明显的温跃层。快速响应的温度传感器的误差幅度≤0.05℃，而响应时间较慢的温度传感器的误差幅度≤0.1℃。因此在南海北纬21度，东经118度这一特定海域的水深100～200米的特定温跃层，设定t1＝0.1℃，t2＝0.05℃。需要说明的是，确定特定海域不同温跃层t1和t2两个阈值，需要采用多款不同型号的高性能温盐深传感器，在同一海域不同时间进行大量的海试，并对海试数据进行对比统计分析。
[0082] (5)延时等待，开启电导率传感器探头的激励源，采集电导率传感器的电导率数据，对电导率数据滤除奇异值中值滤波处理，四次项拟合公式计算，得到电导率实测值C；接着关闭电导率传感器探头的激励源；以降低温盐深传感器功耗；
[0083] (6)延时等待，采集压力传感器的测量数据，对压力传感器的测量数据滤除奇异值中值滤波处理，四次项拟合公式计算，得到压力实测值D。
[0084] (7)结束一次温盐深传感器测量周期。
[0085] 在本实施例步骤(2)中，对铂电阻采集的温度数据滤除奇异值中值滤波处理是指将铂电阻连续测量的m个原始温度数据的模数转换电压值，去除最大值与最小值，剩余m-2个温度数据的模数转换电压值求取算数平均值vT，其中，m≥3；优选地，m＝11。
[0086] 四次项拟合公式计算，得到铂电阻温度实测值T1的公式为：
[0087]
[0088] 式中，a0、a1、a2、a3、a4是铂电阻按照国标(GBT 23246-2009电导率温度深度剖面仪)标定试验获取的标准系数。
[0089] 在本实施例步骤(3)中，对热敏电阻采集的温度数据滤除奇异值中值滤波处理是指将铂电阻连续测量的o个原始温度数据的模数转换电压值，去除最大值与最小值，剩余o-2个温度数据的模数转换电压值求取算数平均值vW；其中，o≥3；优选地，o＝11；
[0090] 四次项拟合公式计算，得到热敏电阻温度实测值T2的公式为：
[0091]
[0092] 式中，b0、b1、b2、b3、b4是热敏电阻按照国标(GBT23246-2009电导率温度深度剖面仪)标定试验获取的标准系数。
[0093] 在本实施例步骤(4)中，
[0094] 当|T2-T1|≥t1时，电导率传感器测得的实际电导率值计算公式为：
[0095] CT(n)＝-bCT(n-1)+γa[T(n)-T(n-1)]；
[0096] 当t2≤|T2-T1|≤t1时，电导率传感器测得的实际电导率值计算公式为：
[0097] CT(n)＝-bCT(n-1)+a[T(n)-T(n-1)]
[0098] 其中，CT(n)是当前测量周期电导率传感器测得的实际电导率值、CT(n-1)是前一次测量周期电导率传感器测得的实际电导率值、T(n)是当前测量周期电导率探头中集成的热敏电阻测得的实际温度值、T(n-1)是前一次测量周期电导率探头中集成的热敏电阻测得的实际温度值；γ是电导率对温度的灵敏度；n为采样计数，a，b均为系数，通过以下公式计算：
[0099] a＝4fnαβ-1(1+4fnβ-1)-1；
[0100] b＝1-2aα-1；
[0101] α为以1℃梯度的初始加权流体温度误差，fn是奈奎斯特频率,τ为水表面温度的异常弛豫时间，β为τ的倒数；系数a，b由温度误差α和异常弛豫时间τ值确定。
[0102] 在本实施例步骤(5)中，对电导率数据滤除奇异值中值滤波处理，是指电导率传感器连续测量p个原始电导率数据的模数转换电压值，去除最大值与最小值，剩余p-2个电导率数据的模数转换电压值求取算数平均值vC；p≥3；优选地，p等于11。
[0103] 四次项拟合公式计算，得到电导率实测值C的公式为：
[0104]
[0105] 式中，c0、c1、c2、c3、c4是电导率传感器探头按照国标(GBT23246-2009电导率温度深度剖面仪)标定试验获取的标准系数。
[0106] 在本实施例步骤(6)中，对压力传感器的测量数据滤除奇异值中值滤波处理是指压力传感器连续测量q个原始压力数据的模数转换电压值，去除最大值与最小值，剩余q-2个压力数据的模数转换电压值求取算数平均值vD；q≥3；优选地，q等于11。
[0107] 四次项拟合公式计算，得到压力实测值D：
[0108]
[0109] 式中，d0、d1、d2、d3、d4是压力传感器按照国标(GBT 23246-2009电导率温度深度剖面仪)标定试验获取的标准系数。
[0110] 在本实施例中，步骤(6)和步骤(7)之间，还包括以下步骤：
[0111] 步骤(6)结束后，查询是否有上位机串口通讯的设置指令，若没有上位机通讯指令，则直接进入步骤(7)结束一次温盐深传感器测量周期；若接收到上位机通讯指令，则对通讯协议指令的ASCII码进行具体分析：
[0112] 若接收到第一指令，则关闭电导率传感器探头激励源；
[0113] 若接收到第二指令，则开启电导率传感器探头激励源；
[0114] 若接收到第三指令，则温盐深传感器的数据输出模式为模数转换原始电压值与测量值共同输出输出模式；
[0115] 若接收到第四指令，则温盐深传感器的测量数据为正常输出模式；
[0116] 若接收到第五指令，则温盐深传感器的测量数据输出增加序列号。
[0117] 若接收到第六指令，则设置温盐深传感器热滞效应修正，测量时间间隔等参数；
[0118] 对通讯协议指令的ASCII码进行具体分析后，进入步骤(7)结束一次温盐深传感器测量周期。
[0119] 上述具体实施方式中未述及的有关技术内容采取或借鉴已有技术即可实现。
[0120] 本实施例的抑制热滞效应温盐深传感器的控制方法也可以广泛应用于通用的海洋监测与调查研究工作中，为深海研究提供精确的温盐深等基础水文动力参数。
[0121] 与
现有技术相比，本发明有益技术效果：
[0122] 本发明所述方法能够通过上位机串口通讯指令，修改热滞效应修正公式海水表面温度的异常弛豫时间τ或其倒数β，以1℃梯度的初始加权流体温度误差α，和电导率对温度的灵敏度γ等主要参数。
[0123] 本发明的温盐深传感器抑制热滞效应的控制方法，是一种适用于水下自主移动式观测平台的新型剖面测量海洋水文动力参数的软件控制流程与算法。它通过利用电导率传感器集成的参比温度传感器(电导率传感器探头中的热敏电阻)，与温盐深传感器端盖集成的测量温度传感器进行数据对比(铂电阻)，根据差值范围，以选择抑制热滞效应公式的方法，以获取参比温度传感器附近的实际电导率，从而对热滞效应引起的误差幅度进行校正。上述方法可显著提高水下自主移动式观测平台搭载温盐深传感器穿越温跃层时测量数据的精度，从而弥补现有相关温盐深剖面测量技术的不足和缺陷，提高温盐深传感器在自主移动式观测应用环境下的温度与盐度的测量精度。该温盐深传感器具有长期在线式与自容式测量的工作能力，可应用于水下机器人、水下滑翔器及载人深潜作业器观测平台，对提升获取的海洋水文动力参数的数据质量具有重要的意义。
[0124] 当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
