剪切流探头标定方法研究

田 川，王 磊

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.华北电力大学，河北 保定071003）

剪切流探头标定方法研究

田 川1，王 磊2

（1.国家海洋技术中心，天津 300112；2.华北电力大学，河北 保定071003）

海洋湍流动能耗散率的获取主要是依靠精细结构的流速剪切原始数据，而目前获取数据的最为有效和可靠手段是使用专用的湍流测量仪器。翼型剪切流探头作为仪器最为重要的部分，其性能决定了获得数据的有效性和可靠性，为此，对其特性的研究具有重要的科学价值和工程意义。翼型剪切流探头在标定和实际测量过程中，其数据获取精度受很多因素的影响，为此，获取准确的测量数据，提高目前的翼型剪切流探头测量水平，开展探头标定精度分析，测量过程的误差研究，对提高海洋微结构研究具有重要意义。

动能耗散率；翼型剪切流探头；探头标定

湍流研究是海洋科学研究的重要领域，湍流对海水的动量、热量和质量输运有重要贡献，对海水运动速度、温盐特性及水中溶解态、颗粒态物质的分布有显著影响[1]。海洋湍流的研究对认知海洋如何工作，并且对于完善海洋模型（模型用于研究海洋运动如何改变，海洋与大气之间如何相互影响）都具有关键性的作用。目前海洋灾害和异常海洋现象均需要人们对海洋微结构湍流进行更准确、细致和深刻的认识。微结构的湍流运动是产生大洋环流等海洋宏观现象的原动力，而海水精细结构的剪切流速数据是研究海水湍流运动规律和获取动能耗散率ε的重要原始资料。湍流的动能耗散率ε是研究湍流特性和宏观效应的重要参数，它的取值直接影响海洋学家对海洋微结构性质的认知。

1980年，Osbern和Crawford提出用于海洋测量的剪切探头的标准工作原理、标定校准原理和校准方法[2]。1982年，Oakey第一次根据同时测量的温度和剪切速度数据，给出湍流能量耗散率的计算方法，并根据当时的测量传感器、测量过程和方法，分析了误差产生的原因，并定量分析了平均运动速度、探头标定误差、电路采集误差、电路频率响应误差以及信号噪音等各种因素的影响[3]。1994年，Mudge和Lueck等人对翼型剪切流探头等传感器的数字信号特性和处理进行了分析，并对由探头产生的模拟信号后续处理方法进行了研究[4]，提出误差估算方法。1997年，Lueck等人把剪切探头应用到系泊潜标上，并分析了探头的绝缘阻抗和电路噪声对测量精度的影响，同时提出了在不同流速下剪切探头标定误差对整体测量的影响，不同波数下探头的响应情况对测量结果的影响等，并给出了补偿方法，达到了良好使用效果[5]。

1 翼型剪切流探头工作原理

翼型剪切流探头主要用于测量微结构的剪切流，其结构如图1所示，主要包括壳体、翼型探针、悬臂梁、压电陶瓷片、连接杆以及导线六部分。壳体主要用于保护探头内部的悬臂梁、压电陶瓷片等部分，同时可以保护悬臂梁与探针的连接部分，防止探针超出移动范围，造成探头损坏。翼型探针位于探头的最前端，直接感应微结构剪切流的作用，能够通过水动力作用，把剪切流u转换成作用在翼型探针上的剪切力。悬臂梁通过类似于杠杆的作用，把剪切力放大，以增强探头的信号输出。压电陶瓷片用于把放大的剪切力，通过本身变形，产生电压输出，得到可用于后续分析的电信号。连接杆用于连接探头与载体，导线用于输出电压信号。

图1 翼型剪切流探头结构示意图

探头主要是应用水动翼理论进行测量。在水下运动时，水流穿过翼面形状的探针，产生水动力，而探头对沿轴线的力分量不敏感，垂直轴线的力分量作用于探头内部压电陶瓷而产生电荷。在一定范围内，电荷的大小与垂直探头轴线的力分量成正比，进而与垂直轴线的速度分量成正比，所以通过测定电量的大小，即可得到速度的垂直分量。

根据流体动力学的机翼理论，剪切流传感器在下降运动过程中，横向流会在探针上产生升力。在探头处分布的横向力可以表示为：

式中：ρ是流体的密度；U是流速；A是探头在轴线方向上的横截面积；α为攻角。

在探头上的这一升力会被悬臂梁直接传递给压电陶瓷。悬臂梁在传递力的过程中实际上起到了杠杆的作用，它将探头上的升力在压电陶瓷端进一步地放大。压电陶瓷片外形为扁平状的长方体，正因为这种薄片结构，使压电陶瓷在它的平面法向方向上会很容易发生弯曲变形，而对来自其它方向的受力并不是很敏感。因此，当湍流在探头上所形成的切向力传递给压电陶瓷片时，压电陶瓷片才会产生弯曲，并且根据材料本身的属性，会根据弯曲程度的大小在薄片上产生相应的电荷。在压电陶瓷片的末端连接两根导线，导线通过连接杆的空腔连接到剖面仪中的电荷转换放大器上。压电陶瓷产生的电荷通过导线被连续地迁移到电荷转换放大器上，通过在其上的一个反馈电容将产生的电荷转换为电压信号输出给后面的放大器，以通过后续信号电路作进一步的处理。由于水流的横向速度是与剪切力成正比的，因此电压信号与剪切力也是成正比的关系，剪切流传感器的灵敏度S被定义为：

式中：Ecrms是压电陶瓷产生的电荷经过电荷转移放大器输出的均方根电压，灵敏度S的单位为（Vms2）/kg。

2 剪切流传感器校准系统设计

2.1 剪切流传感器的校准原理

图2 剪切探头的校准原理图

剪切探头的校准过程示意图如图2所示。由于压电陶瓷固有的差动属性，所以在对剪切探头校准的过程中，剪切探头要始终加载一个变化的剪切力。根据压电陶瓷的阻抗高和在低频条件下灵敏度高的特点，剪切力的频率选择1 Hz对于校准最合适。为了达到这一目的，有效的手段就是将探头在攻角α、水流速度为U的条件下沿着轴向以1 Hz的频率旋转。随着探头在水流中的旋转，作用于探头的侧向力保持恒定而在压电陶瓷上的受力则发生正弦变化。这样在恒定的水流速度U下，就可以得到不同的攻角α下的均方根输出电压。

对于一个轴对称的翼形探针，在速度为U攻角为α的理想流中，由水流所产生的每单位长度的剪切力可以表示为：

通过对上式的积分，可以得到整体剪切力为：

在剪切力作用下，传感器会输出相应的电压，输出的电压正比于探头上的剪切力，因此剪切探头的灵敏度S就可被定义为：

式中：Erms是剪切探头输出的均方根电压，灵敏度S的单位为（Vms2）/kg。

因此，通过测量剪切探头输出的电压，获得试验水流的密度和试验水流的大小以及攻角，可以获取传感器的灵敏度。通过在不同的攻角下获取相应的输出电压，并进行数据的多项式拟合，可以获得准确的传感器灵敏度数据。

2.2 剪切流传感器的结构设计和校准过程

图3 校准系统的结构设计

剪切流传感器的校准结构如图3所示。校准设备的核心就是一个带有垂直射流功能的校准水槽。从上蓄水池中溢流出的水流通过减压器后要保证垂直射入校准水槽，因此在校准之前要对水槽安装面的水平度以及射流口的垂直度作好严格的调试，以保证探头在校准时旋转角度的正确。剪切流传感器的探针就被安装在水流出口的中心，并且探头的轴线方向与水流出口的方向保持α角度。探头的旋转机构被安装在一个带有齿条的弧形导轨上，通过手动调节旋转机构上的蜗杆，便可使探头轴线与射流方向的角度发生变化。在校准时探头可变的角度范围为±10°，每次测量时的角度变化步长为2°，每次的角度值通过安装水槽面上的分度仪来测定。在旋转机构上，探头的连接杆被安装在伺服电机的输出轴上，伺服电机可以实现对转速的反馈控制，通过对电机转速的精确控制来保证探头以1 Hz的频率旋转。由于上蓄水池的水面基本保持恒定，所以流入校准水槽的水流速度也基本保持不变，水流速度可以通过蓄水池与水槽之间的流量控制阀来调节。一个差动压力传感器用来探测水槽射水口内与前端的压力差，从而可以测定水流的速度。为了减下湍流的尺寸和强度，在减压器前端设有一个湍流抑制包和一个大的水流空间。校准水槽里的水在自然重力作用下溢流进入下蓄水池，然后在水泵的作用下将水再重新抽入上蓄水池。压电陶瓷的输出电压通过前置放大器和1 Hz的带通滤波器后，由伏特计来测量最终信号的均方根电压。1 Hz的带通滤波器主要是用来消除由于校准时的机械振动和电源波动所造成的噪声干扰。

3 结论

剪切探头灵敏度的准确性对以后探头设计、信号采集都起着至关重要的作用。但是通过实验发现标定系统还存在一些问题，例如平台的机械震动、分度机构的设计等。本课题将继续对标定系统进行相应改进，并对探头的采集部分进行详细研究。

[1]SAThorpe.The Turbulent Ocean[M].Cambridge UniversityPress,2005.

[2]T R Osbern，W R Crawford.Air-sea inter faction instruments and methods-An airfoil probe for measuring turbulent velocity fluctuations in water[M].PlenumPress,1980.

[3]N S Oakey.Determination of the Rate of Dissipation of Turbulent Energy from Simultaneous Temperature and Velocity Shear Microstructure Measurements[J].Journal ofPhysical Oceanography,1982,12：256-271.

[4]Mudge T,R GLueck.Digital signal processingtoenhance oceanographic observations[J].J Atmos Oceanic Technol,1994,11：825-836.

[5]R Lueck,DHuang,DNewman，et al.Turbulence measurement with a moored instrument[J].Journal ofAtmospheric and Oceanic Technology,1997,14：143-161.

Study on Calibration Method for Shear Probe

TIAN Chuan1,WANG Lei2
(1.National Ocean Technology center,Tianjin 300112，China；2.North China Electric Power University,Baoding Hebei 071003，China)

Acquiring of dissipation rate of ocean turbulent kinetic energy mainly relies on the raw data of shear velocity of the fine structure.The most effective and reliable means of data acquisition is using special instruments of turbulence measuring.As the most important part of the instrument,the performance of airfoil shear probe determines the validity and reliability of access to data,therefore the research on the characteristics has important scientific value and engineering significance.In the process of airfoil shear probe calibration and actual measurement,the accuracy of data acquisition is affected by many factors.Therefore,it is of great significance to improve the ability of ocean microstructure research,through obtaining the accurate measurement data,improving the current level of airfoil shear probe measurement,carrying out the analysis of the probe calibration accuracy and error research in the measurement process.

dissipation rate of kinetic energy;airfoil shear probe;probe calibration

P716+.21

B

1003-2029（2011）04-0058-03

2011-05-30

国家自然科学基金资助项目（41006005）;国家海洋局青年海洋科学基金（2010420）

致谢：感谢天津大学机械学院所提供实验的一切便利条件。