SBE 3海水温度传感器动态响应停振问题研究

武昕竹，王朋朋，孟庆军，尹玉利

(中国人民解放军32184部队，烟台 264100)

0 引言

随着海洋观测要求的不断升级，对海洋环境观测传感器动态性能的要求也越来越高。温度传感器的时间常数是国际公认用来衡量温度传感器动态测试性能的重要指标，该指标对仪器选型具有非常重要的参考价值，目前国际主流的CTD产品均对温度传感器的时间常数进行了标注，如美国SBE海鸟系列CTD为65 ms，日本的ALEC COMPACT系列为150 ms，国家海洋技术中心(国产)的SZC15-3为70 ms[1，2]。长期以来，国外在高精度传感器的生产研究技术方面对国内设有严格的技术封锁，各种海洋观测传感器大多依赖进口。目前国内对传感器动态特性测量设备的研发还处于起步阶段，且缺乏海水温度传感器动态特性的测试测量评估标准，无法正确评估进口仪器的动态特性。因此开展海洋高精度传感器的动态特性研究具有十分重要的意义。本站与国家海洋技术中心共同设计研发了海洋环境观测传感器时间常数测量装置，依托该平台可研究传感器时间常数的测量测试方法，为高精度海洋传感器的国产化提供技术支撑，同时为行业建立相关的测量测试标准提供数据支持。在利用时间常数测量装置对SBE 3系列海水温度传感器进行测试的过程中，发现SBE 3系列海水温度传感器从低温水体向高温水体运动时，时间常数测量装置上位机所采集到的电压阶跃信号会突然消失，形成一个“沟谷”，一段时间之后自行恢复到阶跃后的信号值，文章称该现象为停振现象。目前国内外尚未发现与此相关的研究资料，海鸟公司的技术文件中也没有针对该现象的任何描述。文章对SBE 3系列海水温度传感器出现的停振现象进行了研究，系统研究了停振现象的规律，总结了停振现象的特点。为分析解决传感器停振问题提供了数据支持，对国内温度传感器的生产设计具有参考价值。

1 传感器时间常数测量过程

传感器时间常数测量装置是专门用于测量和分析具备连续模拟量输出的传感器的响应时间常数特性专用系统。廖和琴[3]等对该时间常数测量装置的原理进行了系统地阐述，海洋环境观测传感器时间常数测量装置的原理框图如图1所示。时间常数的测量过程分为3个阶段，即实验准备阶段、实验实施阶段和数据分析阶段。

1—感应式温盐传感器；2—托体；3—SBE 3；4—密封隔板；5—搅拌机；6—制冷管；7—加热器；8—齿轮；9—传送带；10—电机

实验准备阶段：将A、B区水体通过加热、制冷和搅拌装置控制到设定温度，将捆绑好的SBE 3海水温度传感器与线缆进行连接。

实验实施阶段：设定拖体运动速度，传感器运动到闸门前，闸门开启，传感器通过后闸门关闭，传感器运动到B区末端停止，拖体运动的同时进行数据采集。

数据分析阶段：时间常数测量装置的数据采集卡是一款采样频率高达1 MHz/s的高精度高速采集板卡，满足不失真恢复重建信号的要求。SBE 3海水温度传感器内部封装的是热敏电阻，经过转换电路输出频率，输出范围为0～10 kHz，经过F/V模块(频率转电压)转化为电压并通过上位机输出，输出范围为0～5 V，频率和电压是线性对应关系，采集的数据由上位机保存，并在上位机进行数据处理，显示该速度下的时间常数计算结果及误差。

2 停振现象

海水温度传感器的时间常数是传感器测量端输出值由初值上升到稳定值的63.2%所需的时间[4，5]。在对海洋温度测量传感器的时间常数进行测量的过程中发现，当传感器从高温水体向低温水体阶跃时，传感器时间常数阶跃曲线的起始阶段和终止阶段曲线平稳、波动小，近似一条水平线，阶跃段的曲线光滑平稳，没有顿挫或弯曲等现象。从图2中的阶跃曲线可以直观看到信号的阶跃梯度变化。

图2 由高温水体向低温水体阶跃时的传感器电压-时间变化线

设置A区水体温度为22.069 ℃，B区水体温度为35.999 ℃，A、B两区水体温度阶跃13.93 ℃，传感器运动速度为1 m/s，传感器由A区向B区运动。如图3所示，在阶跃开始前，上位机输出的电压值约为2.5 V，阶跃开始时，电压信号突然消失，3001 ms后，电压信号变为阶跃后对应的电压值3.3 V。从低温水体向高温水体阶跃时，传感器的时间常数测量曲线出现了明显的“沟谷”，在出现“沟谷”的时间内，上位机的输出电压值接近0 V，这种现象称为传感器的停振现象，停振现象持续时间称为停振时间。通过计算得到此次实验的传感器停振时间高达3001 ms，而根据海鸟公司对SBE 3海水温度传感器时间常数的标定[6，7]，在传感器运动速度为1 m/s的情况下，时间常数为65 ms，传感器的停振时间远大于其所标定的时间常数。因此该温度传感器无法及时准确地反映出从低温水体到高温水体阶跃时温度的变化，极大地影响了传感器的使用和测量数据的准确性。

图3 由低温水体向高温水体阶跃时的传感器电压-时间变化线

3 停振现象研究实验

为了判断传感器由低温水体向高温水体运动时产生的停振现象，是否为SBE 3系列海水温度传感器的共性问题，以及该现象产生的特点，文章设计以下实验，通过实验数据分析得出结果。

3.1 重复实验

3.1.1 实验目的与设计

重复实验的目的是判断停振现象是否是SBE 3系列海水温度传感器的共性问题，并找到停振现象的特点。

实验选取了SBE 3系列中的两个不同型号的温度传感器，分别为SBE 3P和SBE 3F，SBE 3P实际应用于SBE 911 CTD系统中，SBE 3F应用于SBE 25 CTD系统中。

对每个传感器进行6组不同拖体速度的实验，将拖体速度分别设定为0.3 m/s、0.5 m/s、1.0 m/s、1.5 m/s、2.0 m/s和3.0 m/s。每组实验中的拖体速度是固定量，温度阶跃是变化量。

实验开始时，将A、B两区的温度阶跃控制到15 ℃左右，A区为20 ℃的低温水体，B区为35 ℃的高温水体。实验过程中，将A、B两区水体混合，使两区的温度阶跃自然减小，从而完成多次不同温度阶跃的时间常数测试。每次实验开始前通过搅拌的方式来保证温场均匀性，该装置的温场均匀度可以达到0.1 ℃。

3.1.2 重复实验结果

通过对SBE 3系列中两个不同型号的传感器——SBE 3P和SBE 3F的测试，发现从低温水体向高温水体阶跃时，传感器都会出现停振现象。

文章选取信号消失时与信号恢复正常时的时间间隔计算停振时间。图4和图5分别为SBE 3F和SBE 3P海水温度传感器在不同运动速度下的停振时间与温度阶跃的关系。从图4和图5可以看出，传感器在不同运动速度下，停振时间与温度阶跃均为线性关系，且斜率基本一致，即温度阶跃越小，停振时间越短。在传感器运动速度为1 m/s时，SBE 3P和SBE 3F海水温度传感器停振时间与温度阶跃的拟合线基本重合，如图6所示。拟合公式分别为：

t3P=-177.93+244.21×t0

(1)

t3F=-165.76+243.59×t0

(2)

式中，t3P为SBE 3P的停振时间；t3F为SBE 3F的停振时间；t0为温度阶跃。

图4 SBE 3F温度传感器在不同运动速度下停振时间与温度阶跃的关系

图5 SBE 3P温度传感器在不同运动速度下停振时间与温度阶跃的关系

图6 SBE 3F和SBE 3P传感器在1 m/s速度下停振时间与温度阶跃的关系

SBE 3P拟合线的相关系数为0.995，SBE 3F拟合线的相关系数为0.992，相关性良好，拟合线可以真实表征数据变化趋势，停振时间与温度阶跃呈线性关系。

由图4和图5可知，在不同运动速度下，拟合线基本重合，即运动速度并不是停振时间的影响因子。将SBE 3P和SBE 3F的数据合并，统计温度传感器停振时间t和温度阶跃t0的关系，得到二者的拟合经验公式：

t=-108.80+239.07×t0

(3)

3.1.3 重复实验结论

停振现象是SBE 3系列海水温度传感器的共性问题。

传感器运动速度对停振时间的影响忽略不计，停振时间的影响因子是温度阶跃。

传感器运动速度与温度阶跃呈线性关系，且不同SBE 3温度传感器的停振时间与温度阶跃的关系基本相同，可用公式(3)表示。

3.2 排除实验

3.2.1 实验目的与设计

时间常数测量装置是经过F/V(频率转电压)模块将SBE 3系列海水温度传感器调制输出的频率转化为电压，然后由上位机输出。排除实验的目的是检查停振现象是否由F/V模块故障或者采集突变信号能力不足所造成。排除实验时将传感器信号直接输出为频率而不通过F/V模块，观察频率信号的变化情况，检查是否有信号异常。

文章只对SBE 3F海水温度传感器进行了排除实验，采集信号频率为8 Hz。实验条件：A区25.56 ℃为低温水体，B区32.12 ℃为高温水体，A、B两区水体的温度阶跃为6.56 ℃。受实验条件限制，传感器运动速度为0.3 m/s。

3.2.2 排除实验结果

从图7可以看出，传感器从低温水体向高温水体阶跃时，阶跃段传感器频率信号非常不稳定，在阶跃开始时，频率信号突然下降，最后又突然上升，形成了频率信号的“沟谷”现象。经过计算，停振现象的时间间隔为1500 ms。图8为SBE 3F海水温度传感器在相同条件下的电压-时间变化线，从图中可以看到非常明显的停振现象，经过计算，停振时间为1453 ms。

图7 从低温水体向高温水体运动时的SBE 3F温度传感器频率-时间变化线

图8 从低温水体向高温水体运动时的SBE 3F温度传感器电压-时间变化线

3.2.3 排除实验结论

从排除实验的结果可以看出，在相同条件下，由频率-时间变化线和电压-时间变化线计算得到的停振时间基本一致，证明停振现象是由传感器产生的，而非受到F/V模块的影响，表明传感器存在短板，测量能力不足。

4 结束语

文章通过测试SBE 3系列海水温度传感器从低温水体到高温水体阶跃过程的时间常数，发现传感器存在现停振现象。

经过重复实验和排除实验，基本掌握了停振现象的特点。停振时间只与温度阶跃有关，与传感器运动速度无关，温度阶跃越大，停振时间越长，二者为线性关系。不同传感器的停振时间与温度阶跃线性关系变化基本一致，可用同一经验公式概括数据变化趋势。排除实验将未经过F/V模块采集的传感器频率信号与经过F/V模块调制后的传感器电压信号进行对比，证明了SBE 3系列海水温度传感器在低温水体到高温水体阶跃过程中出现的停振现象是由传感器自身产生的，而非F/V模块引起。

文章发现从低温水体向高温水体阶跃过程中，温度传感器采集的频率信号出现了停振现象。停振现象的时间间隔远超过海鸟公司(Sea-Bird)给出的SBE 3系列海水温度传感器的时间常数，在实际的海洋测试中，SBE 3系列海水温度传感器无法及时捕捉到从低温层向高温层穿越时的变化信号，无法正确反映阶跃变化，造成测量结果失真，从而影响海洋测量准确性。

文章设计相关实验，研究了SBE 3海水温度传感器的停振现象，为解决停振问题提供了大量的数据支撑。通过对停振现象的描述和分析，基本掌握了该现象的特点，对海洋剖面类传感器动态性能进行了深入探讨，为海洋传感器的国产化提供了新的资料，对研究传感器时间常数变化规律、特点和测量测试方法，具有重要的参考意义。